地基微波輻射計與探空數據對比分析

曹 梅，王 斌，楊 珍，張穎梅

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.陜西省氣象局，西安 710014)

在我國，傳統的高空氣象觀測采用探空氫氣球攜帶無線電探空儀升空探測各個高度的氣象要素，可測得不同高度的大氣溫度、相對濕度、氣壓、風向、風速，通過這些資料計算出多種氣象參數。無線電探空儀在升空過程中，由于是感應器直接接觸空氣，其所測量的氣象資料精度高，準確可靠，但它也存在運作成本高，觀測次數有限，探測儀隨風會飄移很遠等缺點。近年來，地基微波輻射計作為一種無源的遙感探測設備[1]，實現了實時連續、全自動、全天候的探測，獲取大氣溫濕探空資料的時間和空間分辨率高，能夠克服傳統探空觀測的局限性，具有獨立工作的能力，近年來已被廣泛應用到大氣探測中[2-7]，成為大氣探測的重要觀測手段之一。

地基微波輻射計的硬件研制涉及到結構設計、電氣設計、天線設計、標定設計等，其集成度高，結構復雜，因此微波輻射計在測量精度、穩定性方面的設計難度大，需要不斷提高[1]。地基微波輻射計基于觀測地所有的歷史探空資料為樣本集，經過對歷史資料的前期處理，進而反演出觀測數據，其數據的可靠性很大程度上依賴于觀測的探空資料質量，因此地基微波輻射計需要不斷驗證和改進[8-10],才能滿足各種天氣狀況下的觀測要求。張文剛等[11]利用武漢站探空資料與同址地基微波輻射計資料，分析了微波輻射計探測偏差的日變化及時間序列變化特征，結果表明溫度的探測偏差大值區出現在午后，相對濕度及水汽密度的探測偏差大值區則在凌晨，溫度及相對濕度探測誤差的時間序列表現為起伏較大，而水汽密度則相對平穩，降水對微波輻射計的探測準確度產生較明顯的影響。王旗等[12]利用地基微波輻射計反演的氣象要素數據與長春探空站電子探空數據進行對比，認為地基微波輻射計的反演廓線與探空數據在天氣良好的情況下一致性較高，在雪(雨)天氣下很好地表現出大氣水汽變化趨勢及量值的時空變化，在霾天氣影響下，相關度迅速下降。孫雷等[13]應用溫江探空站3年的L波段探空數據和地基微波輻射計資料進行比較，發現氣溫的相關性比相對濕度的相關性好，冬季的氣溫和相對濕度數據以及春夏兩季的氣溫數據可直接使用，其他季節的需訂正后使用。在4 km以下，有降水發生時，地基微波輻射計反演的氣溫較探空數據偏高3 ℃。2020年全國高空觀測站電子探空儀全面升級，大大增加了電子探空儀的觀測精度，本文利用西安涇河國家高空氣象觀測站2020年1—9月探空資料與在同址內布設的MWP967KV型地基微波輻射計資料，分析二者在0～10 km探測高度內58個層次的溫度和水汽密度的差異及相關性，以評估微波輻射計反演氣象要素的準確性。

1 數據與方法

1.1 探空資料

西安涇河國家高空氣象觀測站采用傳統氫氣球攜帶探空儀自由升空方式觀測。電子探空儀觀測數據每秒一組，包括溫度、相對濕度、氣壓，每日探測兩次，時間分別是北京時07：15和19：15。采樣時長通常大于60 min，隨著氣球的升空，探測到不同高度氣象要素的時間都不相同，高度和探測時間成正比。

1.2 地基微波輻射計資料

中國兵器工業第206研究所于2017年9月在涇河國家高空氣象站同址布設了MWP967KV型地基多通道微波輻射計，地基微波輻射計每年定期液氮絕對標定一到兩次，其中在2019年7月初和2020年4月初進行了液氮標定。日常設備實時進行熱源標定和噪聲源標定，定標時間間隔2 min。在晴天每2 min進行一次Tipping定標，通過多重定標方式來確保亮溫觀測精度。MWP967KV型地基多通道微波輻射計利用人工神經網絡實現了距地0～10 km范圍內垂直方向上58層的大氣溫度、相對濕度、水汽密度、液態水廓線等要素的觀測。地基微波輻射計的采樣頻率為每2 min一次，采樣的垂直分辨率為0～500 m為50 m，500 m～2 km為100 m，2 km～10 km為250 m。

1.3 樣本分類質控說明

對試驗用地基微波輻射計進行嚴格的一致性檢查，如有缺測時間過長，或數據明顯不連續的樣本，直接剔除。探空數據因在臺站進行隨班質控，不再重復進行，共獲得樣本545組。為了減少地基微波輻射計和探空資料在觀測時間上的差異，本文在資料選取過程中考慮探空資料空間和時間尺度變化，選取與探空資料某一高度層最為接近的微波輻射計觀測數據，根據探空氣球觀測時間和高度的變化選取與之對應的微波輻射計探測值。將全部樣本分為晴空(無云或云量小于3成)，云天(云量大于等于3成)，雨天，均以西安涇河國家高空氣象觀測站每日07時和19時的云天人工觀測記錄為依據判斷。經過篩選，確定晴空樣本共122組，云天樣本共367組，雨天樣本共56組。

1.4 水汽密度計算公式

傳統探空觀測中沒有直接的水汽密度值，可利用其它探空要素計算出水汽密度，采用如下公式計算[14]。

(1)

式(1)中es為飽和水汽壓(hPa)；T為熱力學溫度，T=t+273.15，t為氣溫(℃)。

將式(1)的飽和水汽壓es計算結果代入式(2)計算實際水汽壓

e=esU，

(2)

式(2)中，e為實際水汽壓(hPa)，U為探空相對濕度(%)。

將式(2)中的實際水汽壓計算結果代入式(3)計算水汽密度

ρv=e/RvT。

(3)

式(3)中，Rv是水汽的比氣體常數，取461.51(J/(K·kg))。

1.5 平均偏差和均方差的計算方法

為了判斷地基微波輻射計反演數據與探空數據的差異，計算二者之間的絕對平均偏差和均方差。絕對平均偏差(D)是數列中各項數值Xi與其真值X的離差絕對值的算術平均數，這里的真值是指傳統的探空觀測數據。它是用來測定數列中各項數值對其真值離散程度的量值。其計算公式為

(4)

均方差(σ)也被稱為標準偏差，能反映一個數據集的離散程度。其計算公式為

(5)

2 對比分析

2.1 溫度廓線觀測反演對比

由圖1可以看出，地基微波輻射計反演的溫度廓線與探空數據的絕對平均偏差在3.5 km以下小于1.0 ℃，隨著高度的增加絕對平均偏差逐漸增大，10 km時絕對平均偏差為1.45 ℃。均方差在0.4 km以下小于1.0 ℃，隨著高度的增加逐漸增大，9.5 km以下均方差小于2.0 ℃。因此地基微波輻射計反演的數據在低空可靠性較高，隨著高度的增加，其觀測能力逐漸減弱。

圖1 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計反演溫度與探空溫度的絕對平均偏差和均方差

將地基微波輻射計數據與探空數據在散點圖(圖2)上作對比分析。地基微波輻射計反演溫度與探空觀測溫度數據之間相關系數達到0.990，具有良好的線性相關關系。在溫度較高時，數據點分布較集中；溫度較低時，數據點分布相對分散。地面低層溫度通常高于高層溫度，表明微波輻射計在低層觀測的溫度精度與探空數據較為接近，低層溫度可信度高于高層。

圖2 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計反演溫度與探空溫度散點圖(直線為擬合線)

2.2 水汽密度廓線觀測反演對比

圖3為水汽密度廓線的絕對平均偏差和均方差，從圖中可以看出，水汽密度廓線的絕對平均偏差和均方差均小于0.8 g/m3，最大誤差不超過1.0 g/m3。在2 km高度以下，兩者誤差隨著高度的增加而增大，但2 km以上，誤差逐漸減小，在8 km以上接近于0 g/m3。雖然近地面水汽含量豐富，但誤差卻較小，說明地基微波輻射計對低層的探測精度較高，隨著高度的增加探測精度逐漸減弱。但是在2 km高度以上，水汽含量逐漸減小，到了高空，特別是8 km以上，水汽含量稀薄，水汽變化幅度小，反而使得反演相對準確。

圖3 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計反演水汽密度與探空水汽密度的絕對平均偏差和均方差

由地基微波輻射計反演的水汽密度與探空觀測水汽密度的散點圖(圖4)可知，二者之間相關系數為0.972，線性相關關系較好，且在水汽密度數值較低時分布集中，水汽密度較大時相對離散。水汽分布較為復雜，地面低層水汽密度高于高層，水汽密度越大，誤差分布越寬。

圖4 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計反演水汽密度與探空水汽密度散點圖(直線為擬合線)

2.3 不同天氣條件下觀測數據對比

為了進一步分析在不同天氣條件下地基微波輻射計(用ZP表示)與探空資料的差異，將全部樣本資料分為晴天、云天和雨天三類，分別分析它們的平均偏差和均方差。

2.3.1 溫度 從不同天氣條件下溫度的絕對平均偏差和均方差(圖5)可以看出，不論在什么天氣條件下，溫度的絕對平均偏差和均方差都隨著高度的增加而增大，表明地基微波輻射計在任何天氣條件下觀測精度都隨高度增加而減小。在0.6 km高度以下，天氣條件對溫度的偏差無明顯影響；在0.6 km以上，2 km以下，雨天時的絕對平均偏差比云天和晴天小，晴天時絕對平均偏差最大；在2 km以上，4 km以下，雨天的絕對平均偏差最小，晴天的絕對平均偏差小于云天；在6 km以上不同天氣下的絕對偏差出現明顯差異，雨天下絕對平均偏差最小，其次是晴天，云天時絕對平均偏差最大。以上分析說明MWP967KV型地基微波輻射計反演的厚云溫度的精度比薄云的高。這與雷連發等[5]分析的結論一致。

圖5 西安涇河站2020年1—9月不同天氣條件下微波輻射計反演溫度與探空溫度的絕對平均偏差和均方差

為進一步分析不同天氣條件下兩種儀器廓線，隨機選取2020年幾次不同天氣狀況的個例進行分析，選取時盡量覆蓋不同季節。圖6至圖8分別為晴天、云天、雨天情況下地基微波輻射計反演的溫度與探空數據廓線對比個例圖。從圖6至圖8可見，地基微波輻射計與探空溫度廓線相關性都在0.99以上，說明兩條溫度廓線的整體吻合度非常高。對于垂直高度的對比，在晴空天氣條件下，2、4、9月探空觀測溫度廓線均出現明顯的貼地逆溫，微波輻射計未觀測出明顯逆溫層。在云天天氣條件下，低空1 km以下兩條廓線吻合度較高，隨著高度的增加誤差逐漸增大。雨天天氣下，從地面到10 km高度兩條廓線都保持良好的一致性。

圖6 西安涇河站晴天天氣下微波輻射計與探空溫度廓線對比個例圖(ZP為地基微波輻射計廓線，下同)

圖7 西安涇河站云天天氣下微波輻射計與探空溫度廓線對比個例圖

圖8 西安涇河站降水天氣下微波輻射計與探空溫度廓線對比個例圖

2.3.2 水汽密度 從不同天氣條件下水汽密度的絕對平均偏差和均方差(圖9)可以看出，在1 km以下，不論在什么天氣條件下，水汽密度的絕對平均偏差和均方差都隨著高度的增加而增大，并且雨天的平均偏差比晴天和云天小，晴天的平均偏差最大。1 km以上，晴天和雨天天氣下絕對平均偏差和均方差隨著高度的增加逐漸減小。在云天天氣下，2 km以下，水汽密度的絕對平均偏差和均方差仍隨著高度的增加而增大，2.5 km以上，隨著高空水汽的減少，觀測誤差也逐漸減小。在4 km以上，晴天天氣下絕對平均偏差和均方差反而比云天和雨天時小，高空水汽含量迅速減小，特別是晴天時水汽含量更小，因此相應的誤差也減小。

圖9 西安涇河站2020年1—9月不同天氣條件下微波輻射計反演水汽密度與探空水汽密度的絕對平均偏差和均方差

圖10至圖12分別為晴天、云天及雨天天氣條件下地基微波輻射計水汽密度與探空水汽密度廓線對比個例圖。從圖中可以看出，地基微波輻射計水汽廓線與探空數據之間成正相關關系，相關系數在0.87～0.99之間。在晴空天氣條件下，水汽密度值較小，在低空1 km以下兩者一致性較好，在6 km以下誤差較大，6 km以上高空水汽密度非常小，幾乎接近于零，兩條水汽密度廓線吻合。在云天天氣條件下，低層相關性較差，6 km以上高空水汽密度非常小時，兩條廓線重合。在降雨天氣條件下，從低層到高層水汽密度值都較大，兩條廓線從上到下都保持較好的一致性。

圖10 西安涇河站晴天天氣下微波輻射計與探空水汽密度廓線對比個例圖

圖11 西安涇河站云天天氣下微波輻射計與探空水汽密度廓線對比個例圖

圖12 西安涇河站降水天氣下微波輻射計與探空水汽密度廓線對比個例圖

MWP967KV型地基多通道微波輻射計在雨天探測中進行了改進，在降雨時段通過加大風機鼓風量減少天線罩表面雨水。利用降雨傳感器識別降雨，根據長期觀測經驗對降雨期間的亮溫誤差進行訂正，反演過程結合天控掃描觀測數據很大程度改善了數據反演效果。在降雨期間大氣濕度飽和，反演結果接近飽和與實際情況接近，因此與其他天氣狀況誤差相比反而減小。

3 結論與討論

利用西安涇河國家高空氣象站2020年1—9月電子探空儀在0～10 km探測高度內觀測的溫度和水汽密度數據，與同址的MWP967KV型地基微波輻射計反演的同類氣象數據對比分析，以評估微波輻射計反演氣象要素的準確性，得出以下結論。

(1)西安涇河站2020年MWP967KV型地基微波輻射計反演的溫度廓線與探空數據呈較高的正相關關系，平均偏差小于1.5 ℃，均方差小于2.0 ℃，兩者相關性達0.990。地基微波輻射計反演的低空數據可靠性較高，隨著高度的增加，觀測能力逐漸減弱。

(2)地基微波輻射計反演的水汽密度廓線與探空數據成正相關關系，絕對平均偏差和均方差均小于1.0 g/m3，相關系數為0.972。地基微波輻射計對低層的探測精度較高，隨著高度的增加探測精度逐漸減小，但是在2 km高度以上，隨著水汽含量逐漸減小，反演數據反而相對準確。

(3)在任何天氣條件下，溫度的絕對平均偏差和均方差都隨著高度的增加而增大，從垂直分布看，雨天時地基微波輻射計反演廓線與探空數據的偏差最小，說明地基微波輻射計對厚云的觀測比薄云的精度高。從個例的相關性分析可得，在垂直觀測模式固定不變的條件下，地基微波輻射計對于逆溫層未能很好地反映出來。

(4)在1 km以下，不論在什么天氣條件下，水汽密度的絕對平均偏差和均方差都隨著高度的增加而增大，雨天的平均偏差比晴天和云天小，晴天的平均偏差最大。而隨著高度的增加，高空水汽含量迅速減小，相應的誤差也減小。在降雨天氣條件下，兩種設備的水汽密度廓線一致性好于晴天和云天。

(5)MWP967KV型地基微波輻射計作為一種新型的探測儀器，能夠提供連續性高時間密度的探空數據。地基微波輻射計對低層的探測精度高于高層，2 km以上垂直分辨率明顯減小，且目前觀測高度最高僅到達10 km，與傳統探空觀測高度相差甚遠。地基微波輻射計在垂直分辨率、觀測精度和探測高度等方面還需要進一步優化改進，使其獲得高質量的探空觀測資料，在氣象預報預警、人工影響天氣、氣象防災減災等領域發揮其重要的價值。