重慶微波輻射計資料的評估和探測特征分析

趙美艷，余 君，蔣 鎮

（1.重慶市氣象信息與技術保障中心，重慶 401147；2.豐都縣氣象局，重慶 408200；3.云陽縣氣象局，重慶 404500）

隨著氣象探測技術的不斷進步，探空資料的來源日益增多，由氣球攜帶隨風漂移的無線電探空、測風逐漸發展到由飛機、風廓線雷達、地基水汽遙感探測、衛星等構成的綜合探空系統。20世紀80年代以來，在探測大氣垂直結構的技術領域方面，結構簡單、無人值守的被動微波遙感技術發展迅猛[1-3]，尤其是地基微波輻射計，它利用大氣在一定頻率帶中的微波輻射進行測量，能夠探測得到分鐘量級的氣溫、水汽等氣象要素的廓線信息，已逐漸成為常規探空的重要補充。國內外已有眾多專家學者對其探測原理、數據產品的反演、偏差分析等開展了研究和探討[4-9]。將微波輻射計反演結果與GPS無線電探空和GPS/MET觀測對比分析發現，微波輻射計探測的溫、濕度廓線與GPS無線電探空結果具有很好的正相關，但其可降水量較GPS/MET偏大[10]。韓玨靖等[11]研究表明，在降水和強對流天氣過程中，微波輻射計相對濕度有提前增大的現象，提前時間在強對流天氣時要短于降水過程，對天氣預報有重要指示意義。

伴隨著微波輻射計各種反演技術的發展[12-13]，其觀測資料的種類和數量逐漸增多，但其反演產品質量會受到地點、天氣等各種因素的影響[14]。以往的研究多采用探空數據對微波輻射計廓線信息的準確性進行分析[15]，但由于受地域的影響和需要花費較高的操作和維護費用，探空觀測覆蓋范圍有限，且觀測時次一般每天2次（最多4次），遠不能滿足氣象業務發展的需求。近年來，隨著全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite Systems，GNSS）的發展，美國GPS（Global Position System）、歐洲Galileo和中國的北斗等，為氣象業務和研究提供了高時空分辨率的衛星遙感資料[16-17]。GPS無線電掩星觀測（即空基GPS氣象學）是基于GPS的探測技術，其無線電信號能夠透過厚云層和降水區[18]，探測資料受云雨影響較小，且具有自校準、高精度、低成本等優點，被廣泛應用于氣象研究和業務應用[19-23]。因此，本研究擬利用Metop-A掩星資料和L波段探空資料分別對重慶沙坪壩MP-3000A型地基微波輻射計探測性能和質量進行統計分析，并針對具體天氣個例，對天氣過程中的探測特征進行分析，進一步發揮該資料在氣象預測預報中的作用。

1 資料和方法

1.1 資料

1.1.1微波輻射計

本文所用微波輻射計資料為沙坪壩站2017年1月—2019年12月MP-3000A型地基微波輻射計觀測資料，可反演輸出天頂方向、北斜20°、南斜20°及南北平均等多個方向溫度、相對濕度、水汽等廓線信息（本文分析為天頂方向），垂直方向從地面至10 km高度共58層，時間分辨率為3 min。

1.1.2Metop-A掩星資料

GPS掩星是一種主動遙感大氣探測技術，其利用GPS衛星發射的電磁波信號在穿越地球大氣時出現的路徑彎曲和信號延遲等信息反演大氣溫度、壓強和水汽等廓線信息[24]。Metop-A掩星為歐洲氣象衛星應用組織于2006年發射，每天可提供600條左右大氣廓線，其折射率雙權重平均值和標準差與COSMIC等幾乎無差異，尤其是10 km以下，其折射率偏差較小[25]。本研究使用的Metop-A掩星資料來自于COSMIC數據分析與存儲中心（the COSMIC Data Analysis and Archival Center，CDAAC），主要使用掩星反演的Wetprf數據產品，垂直分辨率為200 m，高度范圍為地面~40 km，數據時間范圍與微波輻射計資料一致。

1.1.3L波段探空資料

探空資料為重慶沙坪壩站2017年1月—2019年12月每日08和20時（北京時，下同）L波段探空秒數據。數據比對前，對氣溫和相對濕度數據進行異常值檢查，剔除缺失和明顯不合理的數據。

1.2 方法

為了實現Metop-A掩星資料和探空資料與微波輻射計資料的對比，將掩星及探空氣溫、濕度廓線用三次樣條插值方法插值到與微波輻射計相同的各高度層上。由于微波輻射計站點固定，掩星數據經緯度不固定，為便于分析，選擇時間差＜1.5 h、距離差＜150 km范圍內的數據與微波輻射計進行匹配[29]（為保證匹配數據量，兩種數據在0.6 km以下未納入統計分析），計算Metop-A、探空與微波輻射計氣溫與相對濕度數據之間的相關系數、偏差、偏差標準差。公式如下：

2 偏差分析

2.1 微波輻射計與掩星

2.1.1總體對比分析

由（圖1）可知，兩種儀器探測的氣溫和相對濕度的相關系數均在0.8以上，尤其是相對濕度，整層的相關系數在0.9以上（圖1a）。而氣溫在2 km以下相關性最好，系數均在0.9之上，4～5 km則相對較低（圖1b）。

從偏差來看，兩種探測設備的氣溫平均偏差為1.08℃。4 km以下，以負偏差為主（圖1c），即微波輻射計探測的氣溫高于掩星。其中，1 km以下的差異最小，基本在1℃以內，2.5 km處差異最大，為3℃。4 km以上，微波輻射計氣溫則相對偏小。在微波輻射計的整個探測高度，掩星與微波輻射計的偏差分布均較為穩定，整層波動較小。從圖1d可知，微波輻射計和掩星相對濕度的差值平均值大致在±5%以內。5 km以下，以負偏差為主，微波輻射計反演的相對濕度偏大，0.5 km處負偏差最大，為-4.5%，這是因為微波輻射計在高濕的環境下，其水汽廓線的反演精度問題所致。5 km以上，二者的偏差較小，基本在±1%以內，且微波輻射計和掩星相對濕度的這種偏差分布，整層均表現得較穩定，只是低層波動稍高。

微波輻射計反演的濕度廓線的質量稍高于氣溫。在水汽相對集中的中低層，微波輻射計反演溫、濕度較掩星偏大。但其探測的溫、濕度偏差卻相對較小，尤其是氣溫，這是由于微波輻射計在低層的廓線信息來自于直接探測，而相對高層的廓線信息是來自于網絡模型的反演所得，從而使得低空的測量精度要高于高空。

2.1.2冬、夏半年對比分析

圖2為微波輻射計和掩星探測的氣溫、相對濕度在冬、夏半年的各統計量隨高度的變化特征（冬半年指10月—次年3月，夏半年指4—9月）。從圖2a可以看出，微波輻射計和掩星反演的氣溫在低層相關性相對較高，且冬半年的相關性要稍高于夏半年。5 km以下，冬、夏半年的氣溫相關系數隨高度呈遞減趨勢，5 km以上則相反。在整個探測高度，冬、夏半年相對濕度的相關性隨高度的變化與氣溫稍有不同（圖2b），1 km以下和5 km以上，夏半年稍高于冬半年，1～5 km，兩個半年的濕度廓線的相關系數隨高度變化的趨勢基本相同。

由圖2c可知，微波輻射計氣溫偏差分布與圖1c相似，即低層以負偏差為主，且2～3 km為負偏差的大值區，微波輻射計氣溫偏高3～4℃，而高層微波輻射計氣溫則相對偏低。就整層來看，夏半年偏差小于冬半年，即微波輻射計探測的溫度廓線的精度，在夏半年優于冬半年。就兩種設備探測的濕度廓線來看，其偏差隨高度的變化趨勢雖然與氣溫不同，但也呈現出夏半年優于冬半年的特點，尤其在低層（圖2d），冬半年的偏差最大時達到-7%，而夏半年基本在±3%以內，但在低層，兩種觀測設備測量的相對濕度差值的穩定性，冬半年比夏半年好（圖2f）。

圖1 掩星資料與微波輻射計相關系數、差值平均值、差值標準差

圖2 掩星資料與微波輻射計在冬、夏半年相關系數、差值平均值、差值標準差

就兩種設備探測的氣溫來看，冬半年的相關性高于夏半年，但夏半年的差值小于冬半年，即微波輻射計對氣溫的反演精度在夏半年優于冬半年。就相對濕度而言，不管是從相關性，還是偏差分布，均呈現出夏半年優于冬半年的特性。經統計，重慶主城區夏半年平均總云量約7成，低云量約5成，而冬半年總云量有8.5成，低云量有7成，冬半年的云量明顯多于夏半年，而云量的多少也會影響微波輻射計的探測精度[27]。

2.1.3不同天氣條件下對比

圖3為無降水和有降水時微波輻射計與掩星氣溫、相對濕度廓線的相關系數、差值平均值及差值標準差分布。由圖3可知，有降水時，微波輻射計和掩星的相關性與無降水時的相關性差別較大。4 km以下（圖3a），相關系數相差不大，基本在0.9左右，即有、無降水的天氣條件下，兩種設備反演的氣溫值在低層相關性均較好。4 km以上時，降水天氣對微波輻射計探測的氣溫影響較大，相關系數降到了0.7左右。對相對濕度而言，降水天氣時，微波輻射計與掩星的相對濕度相關性在中、低層均較差（圖3b）。6 km以下，系數在0.6～0.9，且變化波動較大，而高層的相關系數與無降水時基本相同。

從差值平均值圖（圖3c）可知，有降水時，氣溫差值明顯比無降水時大，尤其在2.5 km高度上，氣溫偏差幅度達到7℃；3 km以上，二者的差值有逐漸減少的趨勢，在整個探測高度上，降水天氣時，微波輻射計反演氣溫均比掩星偏大。在中低層，掩星與微波輻射計反演的氣溫差值在有、無降水天氣下均有較穩定的表現（圖3e），但在4 km以上，降水條件下兩種探測設備反演的氣溫差值穩定性明顯要比無降水時的差。從相對濕度差值圖（圖3d）可知，降水天氣對微波輻射計反演的濕度廓線有一定影響，在1 km以下及4～6 km，降水天氣時的負偏差值明顯比無降水時大。

圖3 掩星資料與微波輻射計在晴、雨天氣狀況下相關系數、差值平均值、差值標準差

從以上分析可知，降水會對微波輻射計的探測精度產生影響，因為降水時，水汽會附著在微波輻射計的天線罩上，而天線罩上的液態水會導致亮溫觀測值偏高[14]，從而造成雨天的探測誤差偏大。

2.2 微波輻射計與探空

2.2.1總體對比分析

由于探空釋放的時間一般為08和20時，且一次過程大概持續正點前后的1 h，因此微波輻射計資料選取探空采樣時間段內探測數據的平均值，代表08和20時的值，與對應的探空數據進行對比分析。

從微波輻射計與L波段探空資料的溫、濕度廓線的統計分析可以發現，兩種設備探測的氣溫、相對濕度相關性和偏差分布特征與圖1相似。在整個探測高度上兩種要素均為顯著正相關，且相對濕度相關系數稍大于氣溫，整層均在0.9以上；而氣溫在低層相關性優于中高層，尤其是2 km以下，相關系數均在0.9以上，之后隨著高度的上升，相關系數減少，5 km處最小，為0.8，隨后又逐漸增大；在中低層，微波輻射計探測氣溫、相對濕度均高于L波段探空，高層則相反，且低層偏差幅度小于高層，即微波輻射計在低層探測的溫、濕度廓線信息精度優于高層。這跟微波輻射計與掩星的偏差分布基本相同。

2.2.2不同時次對比分析

圖4為L波段探空和掩星探測的氣溫、相對濕度在08、20時兩個時次各統計量隨高度的變化特征。4.5 km以下，兩個時次氣溫相關性相似（圖4a），即隨高度上升相關系數呈現遞減趨勢，在低空的相關性較高，尤其是20時在1 km處相關系數為0.97，4 km處減為0.83。4.5 km以上，兩個時次相關系數均隨高度遞增，但20時相對高于08時，相對濕度的相關性稍高于氣溫（圖4b），尤其是2~5 km，呈遞增趨勢，5 km處最大，兩個時次相關系數均達到0.99。

08時微波輻射計反演氣溫與探空氣溫的偏差較20時小（圖4c），但兩個時次的差值隨高度的分布形式相似，即4 km以下，均以負偏差為主，而4 km以上08時的偏差普遍小于20時，但20時的偏差在整個高度層的穩定性要優于08時，尤其是在高層。對相對濕度而言，中低層以負偏差為主，即微波輻射計反演相對濕度偏大，而5.5 km以上，二者的偏差較小，大部分在1%以內。在整個探測高度上，L波段探空與微波輻射計相對濕度的這種偏差分布，均表現得較為穩定（圖4f）。因此，無論是從相關性還是偏差分布來看，20時微波輻射計相對濕度值要優于08時。

圖4 探空資料與微波輻射計在08、20時相關系數、差值平均值、差值標準差

3 個例分析

3.1 大霧過程

2017年12月24日有一次較強的大霧過程。24日02時以后沙坪壩能見度逐漸降低，尤其是07、08時，能見度只有58、72 m（圖5a）。24日01時開始近地面相對濕度達到90%以上，且高濕區向150 m高度擴展（圖5b），13時左右，低層的高濕區開始逐漸消失減退。從微波輻射計的溫度剖面圖（圖5c）可知，24日02時開始，近地層的氣溫逐漸降低，0.15～1 km有一“暖蓋”，且溫度低值區范圍有向高層延伸趨勢，07時左右，“暖蓋”消失，而后隨著能見度的逐漸增大，低層氣溫開始回升。

圖5 2017年12月23日21時—24日16時沙坪壩小時能見度（a，單位：m），微波輻射計相對濕度垂直剖面（b，單位：%），微波輻射計溫度垂直剖面（c，單位：℃）

此次大霧正是冬季常見的輻射霧，夜間由于地面輻射冷卻作用，低空水汽凝結，尤其是50 m高度以下濕度增大，而微波輻射計相對濕度的增大與實際觀測能見度下降幾乎同時發生。地面輻射導致近地層氣溫降低，隨著太陽輻射的增強，輻射霧逐漸消失，雖然微波輻射計探測低空相對濕度高值區的消失時間比能見度增大時間稍晚，但其探測到近地面氣溫回升的同時，能見度開始增加。

3.2 降水過程

2019年4月19日—20日，重慶出現了局地短時強降水，雨量主要集中在重慶中西部及中偏北地區。從微波輻射計觀測來看，19日14時開始5 km以下相對濕度達到85%以上（圖6b），15、16時左右沙坪壩站上空1～5 km探測高度上相對濕度幾乎達到100%，而此時對應沙坪壩站小時最強降水（圖6a），即16時小時降水量達到29.9 mm，之后高濕區抬升，而中低層相對濕度降低，降水逐漸減弱，20時第一階段降水結束。20日02時開始，1～8 km出現85%以上的高濕區，此時臺站第二階段降水開始，且在03時達到最大（22.7 mm）。

從溫度剖面圖發現（圖6c），19日13時，溫度高值區抬升，15時左右，2.5～4.5 km的高度上出現了較為明顯的暖區，且暖區持續到18時左右減弱消失，隨后1～2 km為溫度低值區，上下形成逆溫層。20日01時，3 km左右的暖區再次出現，直至降水結束。3 km高度層暖區出現的時段正好對應兩次降水時段。

圖6 2019年4月19日11時—20日08時小時降水量（a，單位：mm）和微波輻射計相對濕度（b，單位：%），垂直剖面溫度（c，單位：℃）

為進一步檢驗此次降水過程中的溫度特征，選用與微波輻射計同址的沙坪壩站L波段探空數據對此次過程進行分析（（沙坪壩探空站海拔高度是541 m，因此500 m以下不予分析）。圖7為4月19日20時和20日08時L波段探空溫度垂直剖面圖，由圖可知，19日20時，在1 km左右的高度上，有一明顯的逆溫層存在，而20日08時這種逆溫現象基本消失，這與微波輻射計探測的逆溫現象出現時間相同，只是兩種設備探測的逆溫層高度稍有不同。

圖7 2019年4月19日20時和20日08時沙坪壩L波段探空溫度垂直廓線（單位：℃）

綜上可知，此次短時強降水過程中，5 km以下出現高濕區時，降水開始，之后隨著暖濕氣流的上升，低層水汽減少，降水減弱，而水汽到達高層后容易達到飽和而釋放凝結潛熱[28]，使得2～3 km高度層溫度升高，隨著低層氣團的上升，水汽絕熱冷卻導致低層降溫，在兩次降水間歇，低層出現較為明顯的逆溫層。雖然降水會對微波輻射計測量結果產生影響，但此次降水過程中的溫、濕度特征已較好地體現出來。

4 結論與討論

通過對2017年1月—2019年12月沙坪壩微波輻射計與Metop-A掩星、L波段探空氣溫、相對濕度兩個要素進行對比并分析微波輻射計資料在不同天氣條件下的探測特征，得出如下結論：

（1）總體來看，微波輻射計與掩星反演所得氣溫和相對濕度在整個探測高度上均為顯著正相關，低層相關性高于高層，且相對濕度稍高于氣溫。在中低層，微波輻射計反演溫、濕度較掩星偏大。相比于高層，微波輻射計在近地面層探測的溫、濕度偏差相對較小。兩種設備探測的氣溫，冬半年的相關性稍高于夏半年，但夏半年偏差小于冬半年。就相對濕度而言，不管是從相關性，還是偏差分布，均呈現出夏半年優于冬半年的特性。

（2）降雨天氣對微波輻射計探測精度影響較大。4 km以上，降水天氣時氣溫相關性較低，相關系數僅有0.7。在水汽相對集中的低空區域，微波輻射計反演氣溫高于掩星，尤其是降雨時，這種偏差更大。1 km以下及4～6 km，降水天氣時微波輻射計相對濕度的負偏差值明顯比無降水時大。

（3）微波輻射計與L波段探空氣溫、相對濕度在整個探測高度上也為顯著正相關，表現出低層相關性高于高層的特性，且4 km以下微波輻射計探測氣溫、相對濕度值高于L波段探空值；08時氣溫平均偏差小于20時，而20時相對濕度探測精度優于08時。

（4）不同的天氣過程，微波輻射計相對濕度和氣溫的變化與天氣現象有較好的對應關系。大霧天氣時，微波輻射計探測低層相對濕度的增大與實際觀測能見度下降幾乎同時發生，且地面輻射導致近地層氣溫降低時段微波輻射計也能較準確地探測出來。通過對2019年4月19—20日短時強降水過程分析發現，降水時段，微波輻射計探測5 km以下為高濕區，隨著暖濕氣流的上升，降水減弱，暖濕氣團上升過程中高層的凝結潛熱和低層的絕熱冷卻作用，致使中低層出現了逆溫層。

上述研究表明，微波輻射計反演的溫濕度廓線可信度較高，不同的高度、季節和天氣條件下，微波輻射計氣溫和相對濕度廓線均有不同的表現。晴朗少云的天氣，其探測精度相對較高，而降水時，水汽對微波輻射計的探測精度有一定的影響。不同的天氣條件下，微波輻射計的探測特征不同，后續將考慮加入更多的對比數據源對其探測的各類天氣進行系統分析，以便為氣象預測預報提供參考依據。