不同天氣條件下微波輻射計溫度探測效果評估

李成偉，李 偉，夏江峰，姜紅林，雷連發

(1.陜西省大氣探測技術保障中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016;3.北方天穹信息技術(西安)有限公司，西安 710100)

大氣中的溫度是體現地球大氣輻射和全球熱平衡的重要觀測要素，對大氣的運動和變化有著重要的影響[1-2]。微波輻射計探測能提供高時空分辨率的溫度、濕度、水汽等氣象參數的廓線數據，在氣象觀測和預報業務、科研中正在得到廣泛應用[3]。目前已有不少學者從不同方面對其進行了研究。張文剛等[4]通過對比武漢站探空和微波輻射計資料，發現微波輻射計測得的數據精度較高。鄭颯颯[5]利用平均誤差、相關分析和回歸分析等統計方法評估了微波輻射計和L波段探空資料在有降水、無降水條件下溫濕度的探測效果的差異，得出降水對微波輻射計的探測結果影響較大。梁谷等[6-7]利用微波輻射計溫度與濕度、水汽的關系開展云中水汽估算研究。喬賀等[8]對比分析了國內外不同型號的地基微波輻射計探測溫濕度廓線的差異，發現溫度要素探測的效果整體較佳。從相關研究結果來看，天氣條件的變化對微波輻射計觀測和數據反演結果都有明顯的影響。為了進一步評估微波輻射計的探測效果，本文以安裝在西安涇河探空站的國產MWP967KV型地基多通道微波輻射計(以下簡稱微波輻射計)為例，以涇河探空站的無線電探測溫度(以下簡稱探空溫度)資料為參照，按雨天、陰天、晴天和霧天進行分類對微波輻射計反演的溫度廓線數據進行評估。

1 資料來源及處理

1.1 資料來源

選取2019年4月—2020年3月涇河探空站微波輻射計和探空站的觀測資料作為分析數據。探空觀測每天08、20時進行兩次常規觀測。微波輻射計資料為同一時間段內觀測數據，數據時間分辨率為2 min，能夠提供10 km以內的溫度、相對濕度、水汽含量和云液態水廓線等多種大氣參數。廓線垂直分層為83層，分辨率分別為25 m(0.5 km以下)、50 m(0.5～2 km)、250 m(2～10 km)。統計過程中取探空觀測時段內，微波輻射計在各個高度溫度數據的平均值與相應的探空數據進行對比。

1.2 數據處理

(1)數據時空一致性處理

為確保探空和輻射計探測值在時間和高度上保持一致[9]，要對數據進行一定的處理。為保證時間一致性，微波輻射計溫度資料取探空時段的平均值與探空溫度資料進行比對；為保證空間一致性，將探空資料在10 km高度范圍內的探空數據進行線性插值，與輻射計每層高度的數據一一對應。

(2)不同天氣樣本分類

為減小個例差異對天氣分類的影響，參考微波輻射計和探空兩種溫濕資料來對天氣進行分類。雨天通常近地面濕度大且微波輻射計降水資料指示有降雨；晴天通常在觀測高度范圍內相對濕度都較小；霧天通常表現為上干下濕；陰天微波輻射計資料顯示無降水產生，相對濕度較大且有一定厚度的云層。

(3)數據質量控制

為保證數據代表性，剔除異常值，對下列數據進行剔除[10]：①探空資料探測高度不足10 km，無法進行插值；②溫度數據不符合隨高度遞減規律，出現明顯的錯誤；③樣本分類中微波輻射計和探空兩種資料未同時滿足劃分要求。

經過時間比對和樣本篩選，最后得到分析總樣本、雨天、晴天、陰天和霧天五類樣本。試驗總樣本統計為439個，降水樣本統計為42個，晴天樣本統計為253個，陰天樣本統計為121個，霧天樣本統計為23個。

1.3 評估方法

為了評估微波輻射計數據質量，將探空溫度數據作為參考標準，采用能夠反映觀測值準確性的統計量進行分析[11]，包括偏差、平均偏差、均方根誤差以及相關系數等。

2 結果分析

2.1 總體樣本分析

計算微波輻射計和探空溫度總樣本的相關系數、平均偏差和均方根誤差值，相關系數為0.99，平均偏差為2.17 ℃，均方根誤差為2.75 ℃。可以看出，相關性較高，溫度平均偏差和均方根誤差都較小。

散點圖可反映兩組數據的相關情況，兩組數據差距越小，相關性越高，數據點分布也就越集于對角線附近。將微波輻射計和探空探測的各個高度層的所有樣本數據一一對應繪制散點圖(如圖1所示)，可以看出微波輻射計探測溫度數據與探空數據的相關性較好，集中分布于對角線兩側。在低空(高溫區域)數據點分布更集中，反演誤差最小，一致性也較好。

圖1 微波輻射計和探空溫度總樣本的散點圖

計算微波輻射計全部樣本的溫度偏差的均值。按0.5 ℃的間隔統計溫度偏差的均值的分布頻數(圖2)。可以看出，微波輻射計溫度偏差的均值分布基本符合正態分布，主要分布在[-5 ℃,5 ℃]區間, 其中在[-2 ℃,2 ℃]區間的樣本量占比超過70%，數據分布較為集中，說明微波輻射計反演的溫度值在多種天氣條件下比較可靠。

圖2 微波輻射計全部樣本溫度偏差的均值分布圖

2.2 不同天氣類型評估

按不同天氣類型對微波輻射計與探空測得的溫度數據進行分類統計分析(見表1)，二者在雨天、晴天、陰天和霧天下的相關系數都大于0.98，微波輻射計探測溫度的平均偏差和均方根誤差在四種不同天氣下差異不大，都小于3 ℃。反映出微波輻射計反演的溫度和探空探測的溫度的相關性很好，且平均偏差和均方根誤差都較為穩定。相對來說，微波輻射計在晴天探測效果最好，陰天、霧天次之。初步推測原因為雨天和霧天時近地面濕地偏大，微波輻射計的天線罩存在水汽凝結現象從而影響探測的效果。

表1 四類典型天氣的微波輻射計與探空溫度數據的相關系數、平均偏差和均方根誤差統計

計算四類天氣類型下，微波輻射計與探空在0～10 km垂直高度范圍內探測溫度偏差的均值，按0.5 ℃間隔統計分布頻率(如圖3所示)。可以看出陰天、晴天溫度偏差的均值比較符合正態分布，雨天、霧天的分布存在較多的離散樣本。這說明雨天和霧天時，近地面高濕的條件對微波輻射計探測反演溫度結果的準確性存在著一定的影響。

圖3 四類天氣類型微波輻射計與探空溫度平均偏差分布

分別統計雨天、晴天、陰天和霧天等四類典型天氣下不同高度層的微波輻射計探測溫度偏差的均值(如圖4a所示)，發現雨天溫度偏差的均值的分布區間為[-2.16 ℃,0.35 ℃]，陰天為[-2.10,1.06 ℃]，晴天為[-1.06 ℃,0.48 ℃]，霧天為[-1.25 ℃,0.64 ℃]，四類天氣條件下溫度偏差的均值從低層到高層均發生了正負值轉換。進一步分析四類天氣情況下溫度偏差的均值的變化情況可發現：在陰天和雨天，微波輻射計探測溫度偏差的均值隨高度變化的趨勢較為一致，分別在約2.5 km和1.5 km高度平均偏差由正值轉為負值；在霧天溫度偏差的均值在約100 m高度即由正轉負；晴天情況下溫度偏差的均值在4 km高度以下為負值，4 km高度以上則轉為正值。在四類天氣條件下，微波輻射計在不同高度上探測溫度的誤差隨高度增加而遞增，如圖4b所示。

圖4 微波輻射計探測溫度偏差(a)和均方根誤差(b)隨高度變化廓線

3 結論

(1)國產MWP967KV型地基多通道微波輻射計反演溫度可靠性較強。在晴天、霧天、雨天和陰天等四類天氣條件下，微波輻射計與探空雷達探測的溫度的相關性都較好，平均絕對偏差和均方根誤差差異不明顯。

(2)晴天微波輻射計與探空探測溫度平均偏差在4 km高度以上由負值轉為正值；雨天、陰天微波輻射計與探空探測溫度的偏差大約在1.5 km和2.5 km高度以下為正值，以上溫度偏差由正值轉為負值；霧天溫度偏差僅在地面100 m高度內為正值，其余高度均為負值。說明不同天氣條件下，微波輻射計探測溫度的偏差特性不同，在應用微波輻射計探測數據時是應結合具體天氣條件予以考慮。

(3)在數據分析中未考慮探空氣球漂移帶來的影響，同時微波輻射計數據反演效果還受到大氣穩定度、設備參數、反演算法和定標等多種因素的影響，這些因素對觀測數據的影響情況還需要進一步的研究。