MP-3000 型地基微波輻射計探測性能分析

周晨，張軍，喬賀

（1.江蘇省氣象局，江蘇 南京 210008；2.南京市氣象探測中心；3.江蘇省氣象探測中心，江蘇 南京 210008）

探空是測量大氣溫度、氣壓、風和水汽等廓線的最基本方法，但在測量精度、費用以及時間連續性等方面存在諸多局限性。隨著氣象服務領域的擴展，氣象業務越來越需要時空密度更大、實時性更強的探空資料，但是目前我國氣象探空站仍然以傳統的定時、定點的氫氣球探空為主，這種觀測方式所獲得的探空資料具有較高的代表性和可信度，但是由于氣球漂移存在誤差，同時，因為存在單次探空成本相對較高和單次探測時間持續較長等不足，無法24h 連續獲得探空數據。地基微波輻射計是一種新型被動遙感探測設備，具有高時間、空間分辨率、高靈敏度特點，能夠實現全天候實時測量和無人值守工作。Ware 等對微波輻射計和探空資料進行了對比，指出在數值預報中微波輻射計與探空資料具有同等的準確性。劉紅燕等分析討論了微波輻射計、無線電探空和GPSMET 三種測量水汽技術間的差異，得出各個小時水汽與溫度的相關系數都按照秋、春、冬、夏的順序遞減的結論。為此，本文利用2016 年南京微波輻射計和同址探空站探測資料，開展了MP-3000 型地基微波輻射計探測資料與該站探空站資料的對比分析研究。

1 儀器與資料

探空觀測采用L 波段高空氣象探測系統。每日探測2 次，探測時間為07 時和19 時(北京時)，采集0 ～30000m 資料，獲得連續各個高度的氣壓、溫度、露點溫度、相對濕度等。

MP-3000A 型地基微波輻射計是由美國Radiometrics公司研發的一種35 通道微波輻射計，該輻射計具有51 ～59GHz（K 波段）和22 ～30GHz（V 波段）兩種波段，通過測量大氣輻射來反演0 ～10000m 的大氣溫度、相對濕度、水汽和液態水含量。

研究使用的布設在南京探空站的MP-3000A 型地基微波輻射計。探空時間為每天07:15 開始，球炸結束；19:15 開始，球炸結束。利用微波輻射計在該時間段內每1min 值的平均來代表08 時和20 時的溫度、濕度、水汽密度的探測值，因MP-3000A 型微波輻射計只在58 個固定高度層上有數據，從探空數據中選取與之最為接近的高度上的數據進行對比分析。2016 年，全年除去設備故障及維護時間外，逐日08 時和20 時58 層高度兩者觀測溫度、濕度數據樣本均為39788 組。

2 結果分析

2.1 溫度

58 層高度39788 組溫度具有很好的相關性。微波輻射計與探空測量溫度年相關系數為0.98，年線性擬合率為0.99，四季的相關系數分別為：0.98、0.98、0.99 和0.96，四季的線性擬合率分別為0.99、1.00、0.99 和0.99，年和四季均達到0.01 顯著性水平，表明微波輻射計探測的溫度垂直分布穩定而準確。圖1 為微波輻射計與探空探測四季溫度垂直分布廓線，四季兩種方法得到的溫度都表現為隨高度的增加一致遞減變化。

春季，地面～2250 米微波輻射計與探空測得的溫度偏差為正偏差，偏差為0.0 ～2.6 ℃；2500 ～10000 米微波輻射計與探空測得的溫度偏差為負偏差，偏差為-0.1～-7.0℃。

夏季，地面～600 米微波輻射計與探空測得的溫度偏差為正偏差，偏差為0.0 ～2.4℃；700 ～10000 米微波輻射計與探空測得的溫度偏差為負偏差，偏差為-0.1 ～-5.9℃。

秋季，地面～2500 米微波輻射計與探空測得的溫度偏差為正偏差，偏差為0.0 ～2.7℃；2750 ～10000 米微波輻射計與探空測得的溫度偏差為負偏差，偏差為-0.4 ～-9.5℃。

冬季，地面～2500 米微波輻射計與探空測得的溫度偏差為正偏差，偏差為0.0 ～3.0 ℃；2750 ～10000米微波輻射計與探空測得的溫度偏差為負偏差，偏差為-0.1 ～-6.9℃。夏季的微波輻射計測量的溫度值與探空偏差最小。

圖1 四季微波輻射計(實線)和探空(點線)探測溫度廓線及微波輻射計與探空溫度之差(虛線)

2.2 相對濕度

微波輻射計與探空測量的相對濕度相關系數為0.60；四季的線性擬合率分別為0.90、0.63、0.22 和0.68，均達到0.01 顯著性水平。圖2 為微波輻射計與探空測量的四季相對濕度垂直分布廓線。

春季，微波輻射計測量相對濕度最大值為66.1%，出現在3000 米附近，8500 ～9500 米相對濕度偏差較大約為15%～19%。

夏季，微波輻射計測量相對濕度最大值為91.4%，出現在3250 米附近，2750 ～4750 米相對濕度偏差較大約為21%～36.6%。

秋季，3250 ～6750 米相對濕度偏差較大約為14.4%～30.6%。

冬季，3500 ～6500 米相對濕度偏差較大約為10.7%～14.3%。

圖2 四季微波輻射計(實線)和探空(點線)探測的相對濕度廓線及微波輻射計與探空相對濕度之差(虛線)

5 結語

（1）微波輻射計及探空兩者測量的溫度及其隨高度的變化趨勢較一致，均表現為隨高度的增加而遞減，且四季差異不大，兩者溫度年相關系數為0.98，年線性擬合率為0.99。

（2）微波輻射計測量相對濕度，除春季外，基本在3000 ～7000m 與探空的偏差較大，約在15.8%～36.6%間浮動。

（3）微波輻射計能夠提供定點、連續、高時間密度的探空數據，同時能提供較為直觀的物理量廓線圖，但是神經網絡算法需要用長時間序列的當地的探空數據資料進行訂正，不斷修正和完善，以提高其探測的準確性。