廊坊市地基微波輻射計(jì)大氣溫濕廓線反演產(chǎn)品評(píng)估分析

沈芳，黃浩杰，周玉都，許敏，張湘涵

摘要：利用2017—2020年廊坊市大廠縣QWF-6000型微波輻射計(jì)和北京探空資料，對(duì)08時(shí)和20時(shí)2個(gè)時(shí)次共737組有效樣本垂直方向的氣溫、濕度進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。結(jié)果表明：（1）整層氣溫均方根誤差在5 ℃以內(nèi)，相對(duì)濕度均方根誤差為20%～30%，氣溫的相關(guān)系數(shù)明顯高于相對(duì)濕度，即前者的探測(cè)精度更高。（2）1 km以下08時(shí)和20時(shí)溫度和相對(duì)濕度的誤差差異顯著，08時(shí)誤差均小于20時(shí)，1 km以上氣溫誤差穩(wěn)定在3 ℃左右，相對(duì)濕度廓線隨高度先增大后減小。（3）夏秋季溫度誤差總體小于春季和冬季，但夏季貼地層誤差明顯大于其他季節(jié)，而相對(duì)濕度誤差在冬季更為穩(wěn)定。（4）晴天微波輻射計(jì)的探測(cè)精度明顯優(yōu)于云天和雨天，且隨著云量的增多，探測(cè)精度也逐漸下降。（5）降雨量級(jí)的差異對(duì)微波輻射計(jì)的探測(cè)精度產(chǎn)生不同影響，雨量越大，溫度和相對(duì)濕度的誤差越大；小雨時(shí)溫度的相關(guān)系數(shù)在貼地層以上為0.60～0.90，但整層相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)普遍在0.50以下，中雨及以上的降雨出現(xiàn)時(shí)，08時(shí)和20時(shí)溫度的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)出顯著差異，而相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)在大雨及以上時(shí)波動(dòng)最大，表現(xiàn)出極不穩(wěn)定的探測(cè)性能。

關(guān)鍵詞：微波輻射計(jì)；探空；溫度廓線；相對(duì)濕度廓線

中圖分類號(hào)：P413.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：2096-3599（2023）04-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.04.010

Evaluation and analysis of retrieval products of atmospheric temperature and humidity profiles from ground-based microwave radiometer in Langfang

SHEN Fang， HUANG Haojie， ZHOU Yudu， XU Min， ZHANG Xianghan

（Langfang Meteorological Bureau， Langfang 065099， China）

Abstract： Using the QWF-6000 microwave radiometer data of Dachang County， Langfang City and the radiosonde data of Beijing from 2017 to 2020， the temperature and humidity in the vertical direction of 737 groups of effective samples at 08：00 and 20：00 are compared and tested. The results are shown below. （1） The root mean square error of temperature in the whole layer is within 5 ℃， and the root mean square error of relative humidity is 20%–30%. The correlation coefficient of temperature is significantly higher than that of relative humidity， that is， the detection accuracy of the former is higher. （2） The error of temperature and relative humidity at 08：00 and 20：00 below 1 km is significantly different. The error of 08：00 is less than that of 20：00 and the error of temperature above 1 km is stable at about 3 ℃. The relative humidity profile first increases and then decreases with height. （3） The temperature error in summer and autumn is generally smaller than that in spring and winter， but the error in the ground layer in summer is significantly greater than that in other seasons， and the error of relative humidity is more stable in winter. （4） The detection accuracy of the microwave radiometer in sunny days is obviously better than that in cloudy and rainy days， and with the increase of cloud cover， the detection accuracy also gradually decreases. （5） The difference of rainfall magnitude has different effects on the detection accuracy of microwave radiometer， and the greater the rainfall， the greater the error of temperature and relative humidity. The correlation coefficient of temperature during light rain ranges from 0.60 to 0.90 above the ground layer， but the correlation coefficient of relative humidity in the whole layer is generally below 0.5; when moderate rain or above occurs， the correlation coefficient of temperature at 08：00 and 20：00 shows significant differences， while the correlation coefficient of relative humidity shows the biggest fluctuation in heavy rain or above， showing extremely unstable detection performance.

Keywords： microwave radiometer; radiosonde; temperature profile; relative humidity profile

引言

目前，我國(guó)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中最常用的高空氣象資料主要來(lái)源于探空氣球觀測(cè)的數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)每日僅08時(shí)和20時(shí)觀測(cè)兩次，且根據(jù)高空氣象觀測(cè)網(wǎng)布局，各站之間間距通常在300 km左右，其時(shí)間和空間的密度很難滿足天氣預(yù)報(bào)，尤其是對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的需求。近年來(lái)，多普勒天氣雷達(dá)的廣泛布設(shè)提供了降水時(shí)段的風(fēng)場(chǎng)信息，結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用可彌補(bǔ)垂直方向上對(duì)高精度風(fēng)場(chǎng)信息的需求，而微波輻射計(jì)多站點(diǎn)布設(shè)則增加了溫濕廓線的垂直觀測(cè)資料，使業(yè)務(wù)中能夠獲得較完整的高時(shí)空分辨率高空資料[1-4]。

地基微波輻射計(jì)是一種無(wú)源微波被動(dòng)遙感設(shè)備，可以用來(lái)接收來(lái)自其天線視場(chǎng)內(nèi)物體自身所輻射、散射或反射的微波輻射，并把這些輻射轉(zhuǎn)化為等效黑體溫度。地基微波輻射計(jì)能夠全天候、全天時(shí)工作，常用于觀測(cè)短時(shí)間內(nèi)生成和消散的中小尺度天氣[5-9]，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)出了多種型號(hào)的地基微波輻射計(jì)。其中，國(guó)外以美國(guó)Radiometrics公司的MP-3000型微波輻射計(jì)和德國(guó)RPG公司的RPG-HATPRO型微波輻射計(jì)為代表；國(guó)內(nèi)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所研發(fā)的QWF系列微波輻射計(jì)和西安電子工程研究所研制的MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)，在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和精度方面已經(jīng)達(dá)到較高的水平。MP-3000型微波輻射計(jì)在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)[10]、中小尺度天氣監(jiān)測(cè)[11-13]、人工影響天氣以及霧霾的立體監(jiān)測(cè)[14]等方面的應(yīng)用，一定程度上提高了上述災(zāi)害性天氣的探測(cè)精度和短時(shí)、臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。隨著更多國(guó)產(chǎn)微波輻射計(jì)加入自動(dòng)化觀測(cè)體系，陸續(xù)有許多學(xué)者開(kāi)展了微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究，劉萱等[15]檢驗(yàn)了微波輻射計(jì)不同季節(jié)溫度和相對(duì)濕度廓線的精確度，結(jié)果表明微波輻射計(jì)在青島地區(qū)溫度廓線均方根誤差在夏季最小、冬季最大，而相對(duì)濕度在冬季最小、秋季最大；喬賀等[16]對(duì)國(guó)內(nèi)6種微波輻射計(jì)進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，證明了溫度的觀測(cè)精度要高于濕度。海阿靜等[17]和陳濤等[18]的研究表明QWF-6000和MP-3000型微波輻射計(jì)工作性能優(yōu)良，測(cè)量的大氣溫濕垂直分布比較可靠，可以有效彌補(bǔ)氣球探空時(shí)空分辨率低的不足。

廊坊市大廠縣的QWF-6000型地基微波輻射計(jì)于2017年11月投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，此后在重要天氣過(guò)程分析中雖多次得到應(yīng)用，但一直未對(duì)長(zhǎng)期時(shí)間序列資料的精準(zhǔn)度做過(guò)檢驗(yàn)，因此本文將從總體概況、不同季節(jié)、不同晴雨?duì)顩r等角度，對(duì)該微波輻射計(jì)反演的溫濕廓線數(shù)據(jù)與鄰近的北京探空資料進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，定量給出該資料的精準(zhǔn)度和可用性，為微波輻射計(jì)資料在業(yè)務(wù)中的深入應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 資料及方法

1.1 資料說(shuō)明

選取2017年11月—2020年11月共3 a大廠縣微波輻射計(jì)溫濕廓線資料與北京54511高空氣象觀測(cè)站的溫濕資料進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。2站的海拔高度分別為18.1 m和54.7 m，地理位置比較接近，因此將觀測(cè)0 m的數(shù)據(jù)統(tǒng)一作為起始高度基本合理；兩站之間直線距離僅為43 km（圖1），且大廠縣氣象站位于北京高空站的東偏北方向，地勢(shì)平坦并處于其下風(fēng)向，因此將北京作為對(duì)比檢驗(yàn)的臨近探空站是最優(yōu)選擇。大廠縣QWF-6000型微波輻射計(jì)具有16個(gè)并行通道（同一時(shí)刻同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)），逐分鐘通過(guò)測(cè)量大氣輻射亮溫反演出大氣垂直分層溫濕等參數(shù)，微波輻射計(jì)全天候無(wú)間斷觀測(cè)，垂直分辨率為2 000 m以下每層間隔100 m，2 000 m以上每層間隔250 m，共53層。取微波輻射計(jì)每日07：55—08：05、19：55—20：05探測(cè)的溫濕量進(jìn)行時(shí)間平均，與北京探空站08時(shí)、20時(shí)探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)0～10 km共53層高度的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。微波輻射計(jì)定期校準(zhǔn)并正常運(yùn)行，在選定時(shí)段內(nèi)共篩選出有效樣本737組。

1.2 分析方法

1.2.1 高度轉(zhuǎn)換

微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)中采用的幾何高度，而探空數(shù)據(jù)中使用的是位勢(shì)高度，需要將高度轉(zhuǎn)換并修正為同一高度，本文將位勢(shì)高度轉(zhuǎn)換為幾何高度[16]，計(jì)算公式如下：

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，? ? ? ? ? ? ? ? ? ，

。

式（1）中：Z是幾何高度，單位為m；H是位勢(shì)高度，單位為gpm；是地理緯度，單位為rad；是處的海平面地球半徑的標(biāo)定值，單位為m；是處海平面重力加速度，單位為m/s2；是標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，取固定值為9.806 65 m/s2。

1.2.2 相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換

微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)為溫度廓線和相對(duì)濕度廓線，而探空數(shù)據(jù)中采用的是溫度、露點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，為了統(tǒng)一表示不同高度上的濕度特征，本文將用探空數(shù)據(jù)中不同高度的溫度和露點(diǎn)溫度計(jì)算出對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓，再計(jì)算出不同高度的相對(duì)濕度，具體計(jì)算公式如下[19]。

，? ? ? ? ? （2）

式（2）為水的飽和水汽壓計(jì)算公式。其中：為飽和水汽壓，單位為hPa；為臨界壓強(qiáng)220 640 hPa；為系數(shù)（C1=-7.859 517 83，C2=1.844 082 59，C3=-11.786 649 7，C4=22.680 741 1，C5=-15.961 871 9，C6=1.801 225 02）。

，? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式（3）為冰的飽和水汽壓的計(jì)算公式。其中：，為飽和水汽壓，單位為hPa；為冰點(diǎn)溫度下的飽和水汽壓6.116 57 hPa；為系數(shù)（）。

VRH ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式（4）為相對(duì)濕度的計(jì)算公式。其中：VRH表示相對(duì)濕度；表示露點(diǎn)溫度下的飽和水汽壓，單位為hPa；表示當(dāng)前溫度下的飽和水汽壓，單位為hPa。

1.2.3 平均絕對(duì)誤差

將探空資料作為真實(shí)值，微波輻射計(jì)資料作為觀測(cè)值，計(jì)算平均絕對(duì)誤差，各層平均絕對(duì)誤差計(jì)算如下：

VMAE。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式（5）中，VMAE為同一高度處的平均絕對(duì)誤差，為觀測(cè)時(shí)間，和分別為第時(shí)次同一高度探空和微波輻射計(jì)的觀測(cè)資料，n為總觀測(cè)次數(shù)。

1.2.4 均方根誤差

對(duì)微波輻射計(jì)資料和探空資料各高度上溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行均方根誤差的統(tǒng)計(jì)分析，衡量2種數(shù)據(jù)之間的偏差，各層均方根誤差計(jì)算如下：

VRMSE? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式（6）中，VRMSE為同一高度處的均方根誤差，為觀測(cè)時(shí)間，和分別為第時(shí)次同一高度探空和微波輻射計(jì)的觀測(cè)資料，n為總觀測(cè)次數(shù)。

1.2.5 相關(guān)系數(shù)

除了對(duì)均方根誤差的統(tǒng)計(jì)，還進(jìn)行了相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，用來(lái)衡量2種數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系及研究變量之間線性相關(guān)程度，各層相關(guān)系數(shù)計(jì)算如下：

（7）

式（7）中，R為同一高度處的相關(guān)系數(shù)，i為觀測(cè)時(shí)間，和分別為第時(shí)次同一高度探空和微波輻射計(jì)的觀測(cè)資料，和分別為同一高度探空和微波輻射計(jì)總觀測(cè)的平均值，n為總觀測(cè)次數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 微波輻射計(jì)溫濕度探測(cè)性能評(píng)估

為了了解微波輻射計(jì)總體的探測(cè)精度情況，對(duì)737組有效樣本進(jìn)行了整層對(duì)比檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。與探空資料相比，溫度的平均絕對(duì)誤差為3.45 ℃，均方根誤差為5.02 ℃，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97，而相對(duì)濕度的平均絕對(duì)誤差為23.11%，均方根誤差則為28.77%，相關(guān)系數(shù)顯著低于溫度，僅為0.31。可見(jiàn)，在微波輻射計(jì)對(duì)整層大氣的探測(cè)中，溫度的測(cè)量精度顯著優(yōu)于相對(duì)濕度。

為進(jìn)一步掌握微波輻射計(jì)在各高度，以及不同觀測(cè)時(shí)次的精度表現(xiàn)，圖2給出了08時(shí)和20時(shí)溫度和相對(duì)濕度平均絕對(duì)誤差的垂直分布。溫度平均絕對(duì)誤差在貼地層08時(shí)優(yōu)于20時(shí)，2個(gè)時(shí)次其余各層均維持在3.5 ℃左右（圖2a）；相對(duì)濕度平均絕對(duì)誤差整體維持在14%～28%，在近地面層20時(shí)（19%）明顯大于08時(shí)（15%），在4 km處達(dá)到最大值，4 km以下08時(shí)較20時(shí)波動(dòng)幅度大，而4 km以上08時(shí)明顯小于20時(shí)，說(shuō)明08時(shí)在中高層精度要優(yōu)于20時(shí)（圖2b）。總體來(lái)看，溫度的相關(guān)系數(shù)明顯高于相對(duì)濕度，即前者的探測(cè)精度更高，且各高度層誤差波動(dòng)幅度相對(duì)較小，說(shuō)明大廠微波輻射計(jì)對(duì)于溫度的探測(cè)更為精。

由08時(shí)和20時(shí)溫度和相對(duì)濕度均方根誤差和相關(guān)系數(shù)的垂直分布（圖3）可見(jiàn)：貼地層大氣溫度的探測(cè)誤差大于高空大氣，尤以20時(shí)的觀測(cè)表現(xiàn)最明顯，0.1 km以上微波輻射計(jì)探測(cè)的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，2個(gè)時(shí)次觀測(cè)的均方根誤差始終維持在5 ℃左右（圖3a）；同樣，20時(shí)溫度的相關(guān)系數(shù)值也在貼地處出現(xiàn)最低值0.65，但08時(shí)觀測(cè)相關(guān)系數(shù)則可達(dá)到0.90，隨著高度的上升，探測(cè)精度穩(wěn)定在0.80附近（圖3b）。與溫度相比，微波輻射計(jì)在各高度層的相對(duì)濕度廓線探測(cè)精度較低，2個(gè)時(shí)次的均方根誤差大致都呈現(xiàn)從低層到高層先增大后減小的趨勢(shì)特點(diǎn)（圖3c）；在6 km以下，08時(shí)和20時(shí)相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)相同，即貼地層最大達(dá)到0.75左右，向上至2 km迅速減小至0.20，隨著高度的繼續(xù)增加，相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)出增減交替的變化，但總體仍為減小趨勢(shì)，6 km以上相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)幅度均趨緩，但2個(gè)時(shí)次的變化趨勢(shì)截然相反（圖3d）。總體而言，微波輻射計(jì)對(duì)溫度的探測(cè)精度明顯高于濕度，喬賀等[16]、海阿靜等[17]也得出了同樣的結(jié)論。整層溫度均方根誤差在近地面層穩(wěn)定為5 ℃左右，相對(duì)濕度均方根誤差為20%～35%，在5 km高度均方根誤差值達(dá)到最大，這是由于水汽主要集中在大氣低層，5 km以上相對(duì)濕度值較小，相對(duì)的誤差也小；溫度誤差隨高度的變幅較相對(duì)濕度更小，而兩者的相關(guān)系數(shù)均為正值，相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)在地表層處最大，為0.80。由4 km高度往上，相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)越來(lái)越小，到高層甚至接近于0，這是因?yàn)槲⒉ㄝ椛溆?jì)隨著垂直方向探測(cè)距離增大，精度變差。除20時(shí)貼地層溫度誤差較大外，其余高度和觀測(cè)時(shí)次，對(duì)溫度的探測(cè)都表現(xiàn)出較好性能，但相對(duì)濕度低層和高層誤差相對(duì)較小，中層誤差較大，相關(guān)系數(shù)隨高度減小。

2.2 不同季節(jié)溫濕廓線性能分析

廊坊處于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，影響不同季節(jié)的天氣系統(tǒng)有著較大差異，導(dǎo)致氣候特征也不盡相同。為了進(jìn)一步深入研究微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將樣本按照季節(jié)分為4組，即春季227組、夏季120組、秋季199組、冬季191組，以分析微波輻射計(jì)在不同季節(jié)的探測(cè)精度。

劉萱等[15]的研究結(jié)果表明QWF-6000微波輻射計(jì)在青島地區(qū)溫度廓線均方根誤差存在著一定的季節(jié)差異。對(duì)大廠微波輻射計(jì)的溫度反演資料（圖4）進(jìn)行檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，夏季貼地層大氣溫度的探測(cè)誤差明顯高于其他季度，且各季節(jié)20時(shí)的誤差均大于08時(shí)，均方根誤差達(dá)到10 ℃以上（圖4d），0.1 km 以上微波輻射計(jì)探測(cè)的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，其中秋季和冬季的2個(gè)時(shí)次觀測(cè)的溫度均方根誤差明顯低于春季（圖4a、g、j）。初步分析夏季近地面誤差較大的原因?yàn)榇髲S夏季降水遠(yuǎn)多于其他季節(jié)，而降水過(guò)程多、雨量大均會(huì)對(duì)微波輻射計(jì)的探測(cè)精度產(chǎn)生較大影響，故而表現(xiàn)出上述特點(diǎn)。

由不同季節(jié)08時(shí)和20時(shí)溫度的平均絕對(duì)誤差垂直分布（圖4b、e、h、k）可以看出，對(duì)貼地層大氣溫度的探測(cè)夏季誤差明顯高于其他季節(jié)。春季（圖4b），2個(gè)時(shí)次低層和高層的溫度誤差較小，中層誤差集中在5 ℃左右；夏季（圖4e），2個(gè)時(shí)次的中低層誤差最小，穩(wěn)定在2 ℃，高層隨高度的增加逐漸增大；秋季（圖4h），20時(shí)貼地層誤差較08時(shí)大，貼地層以上2個(gè)時(shí)次誤差隨高度的增加略有增大；冬季（圖4k），2個(gè)時(shí)次在2～4 km處誤差較其他各層偏大。

由不同季節(jié)08時(shí)和20時(shí)溫度的相關(guān)系數(shù)垂直分布（圖4c、f、i、l）發(fā)現(xiàn)，秋季相關(guān)系數(shù)較其他季節(jié)隨高度變化幅度小，各層的相關(guān)性相對(duì)較高，春、冬季在2～8 km相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.6附近，夏季溫度的相關(guān)系數(shù)在6 km以下波動(dòng)幅度較大，20時(shí)的相關(guān)系數(shù)明顯高于08時(shí)，6 km以上相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.6左右。總體來(lái)看，08時(shí)和20時(shí)各季節(jié)趨勢(shì)基本相同，數(shù)值相對(duì)接近。

由不同季節(jié)相對(duì)濕度的評(píng)價(jià)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果（圖5）來(lái)看，各季節(jié)相對(duì)濕度均方根誤差隨高度呈先增后減趨勢(shì)。其中冬季波動(dòng)較小，誤差穩(wěn)定在20～30 ℃（圖5j）；而春、夏、秋季0～1 km誤差較小，秋季在4 km附近誤差接近40 ℃（圖5a、d、g）。

通過(guò)不同季節(jié)08時(shí)和20時(shí)相對(duì)濕度平均絕對(duì)誤差的垂直分布，可以看出：春季（圖5b），2個(gè)時(shí)次相對(duì)濕度的誤差在4 km以下20時(shí)明顯優(yōu)于08時(shí)，而在4 km以上08時(shí)誤差比20時(shí)小；夏、秋季（圖5e、h），2個(gè)時(shí)次貼地層08時(shí)誤差小于20時(shí)，誤差在中低層波動(dòng)幅度較大，高層誤差逐漸減小；冬季（圖5k），低層20時(shí)誤差明顯小于08時(shí)，2個(gè)時(shí)次誤差隨高度逐漸增大，在4 km以上誤差逐漸減小，08時(shí)明顯優(yōu)于20時(shí)。

由不同季節(jié)08時(shí)和20時(shí)相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)的垂直分布（圖5c、f、i、l）來(lái)看，各季節(jié)在1 km以上相關(guān)系數(shù)均小于0.5，其中春季在2 km以上基本維持在0附近，其他季節(jié)保持在0.1～0.3，而春、秋、冬季在1 km以下相關(guān)系數(shù)逐漸接近1.0，相關(guān)性較高。

總體來(lái)看，不同季節(jié)在溫度方面秋季08時(shí)整層均方根誤差相對(duì)最小，為2 ℃，相關(guān)性最好，夏季08時(shí)均方根誤差僅次于秋季，但相關(guān)性最差為0.1；春季20時(shí)均方根誤差相對(duì)最大，相關(guān)性略強(qiáng)于夏季。相對(duì)濕度方面，冬季20時(shí)均方根誤差整體最小，且波動(dòng)幅度最小，相關(guān)性最好；春季20時(shí)均方根誤差幅度最大，為12～35 ℃，且相關(guān)性在3 km以上均小于0，為負(fù)相關(guān)；秋季2個(gè)時(shí)次均方根誤差在中層最大，達(dá)40%以上。

2.3不同天氣條件下溫濕廓線分析

晴空、云天、雨天等不同天氣條件會(huì)對(duì)微波輻射計(jì)精度檢驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生直接影響，并進(jìn)一步影響短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率[1]。將0～10 km相對(duì)濕度小于85%作為晴空判據(jù)[20]，氣象記錄降雨量P≥0.1 mm記為雨天，其余為云天，對(duì)不同天氣條件下微波輻射計(jì)的精度進(jìn)行分析。應(yīng)用探空資料，將全部樣本分為晴天340組、云天307組、雨天90組。

圖6為不同天氣條件下08時(shí)和20時(shí)溫度的評(píng)價(jià)指標(biāo)垂直分布，3種條件均存在貼地層和頂層誤差波動(dòng)的情況。由均方根誤差（圖6a、d、g）可以看出，晴天溫度整體均方根誤差較小，08時(shí)在無(wú)降水時(shí)誤差要小于20時(shí)。由平均絕對(duì)誤差（圖6b、e、h）發(fā)現(xiàn)，晴天整體誤差要小于云天和雨天，但云天整層誤差波動(dòng)幅度較小，雨天誤差相對(duì)較大。由相關(guān)系數(shù)（圖6c、f、i）來(lái)看，晴天08時(shí)相關(guān)性最好，雨天08時(shí)相關(guān)性最差，同是3種條件在低層的相關(guān)性明顯要高于中高層。

圖7為不同天氣條件下08時(shí)和20時(shí)相對(duì)濕度的評(píng)價(jià)指標(biāo)垂直分布，3種條件均存在中層誤差要大于低層和高層，尤其是云天和雨天誤差更明顯。由均方根誤差（圖7a、d、g）可以看出，晴天相對(duì)濕度整體均方根誤差較小；雨天2～6 km誤差最大達(dá)45%，6 km以上08時(shí)誤差小于20時(shí)。由平均絕對(duì)誤差（圖7b、e、h）發(fā)現(xiàn)，晴天整層誤差波動(dòng)幅度最小，且均在25%以下；而云天和雨天1 km以下誤差相對(duì)較小，4 km處誤差達(dá)30%以上。由相關(guān)系數(shù)（圖7c、f、i）來(lái)看，3種條件1 km以下相關(guān)性均較好，1～2 km相關(guān)性迅速轉(zhuǎn)差，在6 km以上甚至為負(fù)相關(guān)。

綜上所述，晴天溫度和相對(duì)濕度整體誤差較小，相關(guān)性較高，晴天微波輻射計(jì)的探測(cè)精度明顯優(yōu)于云天和雨天。而在3種天氣條件下，溫度均存在貼地層和頂層誤差波動(dòng)的情況。相對(duì)濕度在云天和雨天中層誤差較大，低層和高層誤差相對(duì)小，08時(shí)和20時(shí)探測(cè)精度與天氣條件關(guān)系不明顯。

2.4不同降雨量級(jí)下溫濕廓線分析

為了探究降雨對(duì)微波輻射計(jì)精度的影響，將上文中雨天的數(shù)據(jù)按照降雨量級(jí)分為小雨、中雨、大雨及以上4種情況（表2），分別計(jì)算不同降雨量級(jí)對(duì)微波輻射計(jì)精度的影響。

由不同降雨量級(jí)下08時(shí)和20時(shí)溫度的評(píng)價(jià)指標(biāo)垂直分布（圖8），可以發(fā)現(xiàn)：不同降雨量誤差均小于10.0 ℃。小雨時(shí)，貼地層均方根誤差達(dá)到最大值，之后穩(wěn)定在5.0～8.0 ℃（圖8a）；中雨時(shí)，貼地層誤差最小，3 km以上20時(shí)誤差明顯大于08時(shí)（圖8d）；大雨及以上時(shí)，20時(shí)貼地層均方根誤差達(dá)到最大值11.1 ℃，之后2個(gè)時(shí)次在5.0 ℃之內(nèi)波動(dòng)（圖8g）。

對(duì)不同降雨量級(jí)下08時(shí)和20時(shí)溫度的平均絕對(duì)誤差垂直分布（圖8b、e、h）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，貼地層誤差均有不同幅度的波動(dòng)，貼地層以上無(wú)雨時(shí)誤差最穩(wěn)定，為2.0 ℃。

通過(guò)對(duì)不同降雨量級(jí)下08時(shí)和20時(shí)溫度的相關(guān)系數(shù)垂直分布進(jìn)行分析，可以看出：小雨時(shí)，20時(shí)貼地層相關(guān)系數(shù)達(dá)最低值0.25，4 km附近08時(shí)相關(guān)系數(shù)減小至0.65，相關(guān)系數(shù)在貼地層以上為0.60～0.90（圖8c），整層相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)普遍在0.50以下；中雨時(shí)，2個(gè)時(shí)次均在貼地層相關(guān)系數(shù)達(dá)最大，為0.99，3 km以下逐漸減小，3 km以上08時(shí)穩(wěn)定在0.90左右，而20時(shí)繼續(xù)減小（圖8f）；大雨及以上時(shí)，20時(shí)在貼地層相關(guān)系數(shù)達(dá)最小，為-0.58，08時(shí)3 km以下相關(guān)系數(shù)接近1.00，3 km以上在0.60附近，20時(shí)正好與08時(shí)趨勢(shì)相反（圖8i）。

通過(guò)不同降雨量級(jí)下08時(shí)和20時(shí)相對(duì)濕度的評(píng)價(jià)指標(biāo)垂直分布（圖9）可知：小雨時(shí)，均方根誤差08時(shí)較20時(shí)精確度更高，整體幅度在12%～44%（圖9a）；中雨時(shí)，均方根誤差08時(shí)在3 km以下逐漸增加，在6 km以上逐漸減小，而20時(shí)在2 km處突然增加，之后波動(dòng)在32%～46%（圖9d）；大雨及以上時(shí)，08時(shí)均方根誤差在2 km以下逐漸增加，2 km以上波動(dòng)幅度較大（圖9g）。

由不同降雨量級(jí)下08時(shí)和20時(shí)相對(duì)濕度平均絕對(duì)誤差的垂直分布（圖9b、e、h）發(fā)現(xiàn)，小雨和中雨均表現(xiàn)出誤差隨高度先增大后減小的趨勢(shì)，而大雨及以上誤差波動(dòng)幅度較大。通過(guò)不同降雨量級(jí)下08時(shí)和20時(shí)相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)的垂直分布可以看出：小雨時(shí)，2 km以下2個(gè)時(shí)次相關(guān)系數(shù)逐漸減小，2 km以上08時(shí)相關(guān)性好于20時(shí)（圖9c）；中雨時(shí)，2 km以下20時(shí)相關(guān)系數(shù)逐漸下降，最大值達(dá)0.90，而08時(shí)先增大后減小，最大值為0.78，2 km以上2個(gè)時(shí)次均波動(dòng)在-0.60～0.35（圖9f）；大雨及以上時(shí)，2個(gè)時(shí)次的相關(guān)系數(shù)整層波動(dòng)幅度較大，整體相關(guān)性較差（圖9i）。

綜合來(lái)看，溫度在不同降雨量級(jí)下，小雨時(shí)08時(shí)整體均方根誤差最大，普遍接近10 ℃；中雨時(shí)3 km以下均方根誤差最小，精確度最高；大雨及以上時(shí)貼地層均方根誤差較大且相關(guān)性較差。相對(duì)濕度在不同降雨量級(jí)下，小雨和中雨時(shí)均方根誤差波動(dòng)幅度基本一致，小雨時(shí)相關(guān)性優(yōu)于中雨；大雨及以上時(shí)均方根誤差波動(dòng)較大，相關(guān)性較差。

經(jīng)過(guò)以上對(duì)微波輻射計(jì)溫濕度精度的檢驗(yàn)對(duì)比可以看出，溫度、濕度廓線的均方根誤差和相關(guān)系數(shù)在貼地層精度普遍較差。通過(guò)對(duì)大廠站的周邊環(huán)境考察發(fā)現(xiàn)，這主要是受大廠觀測(cè)站周邊探測(cè)環(huán)境和人類活動(dòng)的影響，使得微波輻射計(jì)在第一層0 m的反演數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)QWF-6000型微波輻射計(jì)08時(shí)和20時(shí)2個(gè)時(shí)次垂直方向的溫度、濕度進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，分別研究了不同季節(jié)、不同天氣條件、不同降雨量級(jí)對(duì)微波輻射計(jì)精確度的影響，對(duì)微波輻射計(jì)溫度、相對(duì)濕度的探測(cè)精度給出了定量評(píng)估。得到的主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)比整體觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，微波輻射計(jì)在對(duì)整層大氣的探測(cè)中，溫度的探測(cè)精度和穩(wěn)定性顯著優(yōu)于相對(duì)濕度，整層溫度均方根誤差在5 ℃以內(nèi)，相對(duì)濕度均方根誤差為20%～30%，且溫度誤差隨高度的變幅較相對(duì)濕度更小，兩者相關(guān)系數(shù)均為正值。

（2）溫度在1 km以下的誤差差異顯著，08時(shí)誤差均小于20時(shí)，但1 km以上08時(shí)和20時(shí)的溫度誤差都趨于穩(wěn)定，誤差值在3 ℃左右；相對(duì)濕度誤差廓線表現(xiàn)出隨高度先增大后減小的特點(diǎn)，4 km以下20時(shí)誤差較小，4 km之上08時(shí)更優(yōu)。

（3）不同季節(jié)下，夏秋季的溫度誤差總體小于春季和冬季，但夏季貼地層誤差明顯大于其他季節(jié)，且20時(shí)的均方根誤差達(dá)到20 ℃，而相對(duì)濕度誤差在冬季更為穩(wěn)定。

（4）不同天氣條件下，微波輻射計(jì)反演溫度與探空觀測(cè)值都具有較高的相關(guān)性，晴天微波輻射計(jì)的探測(cè)精度明顯優(yōu)于云天和雨天，隨著云量的增多探測(cè)精度越差，而08時(shí)和20時(shí)探測(cè)精度與天氣條件關(guān)系不明顯。

（5）不同降雨量級(jí)下，雨量越大，溫度和相對(duì)濕度的誤差越大；小雨時(shí)溫度的相關(guān)系數(shù)在貼地層以上為0.60～0.90，但整層相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)普遍在0.50以下，中雨及以上的降雨出現(xiàn)時(shí)，08時(shí)和20時(shí)溫度的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)出顯著差異，而相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)在大雨及以上時(shí)波動(dòng)最大，表現(xiàn)出極不穩(wěn)定的探測(cè)性能。降雨量級(jí)的差異，對(duì)微波輻射計(jì)的探測(cè)精度會(huì)產(chǎn)生不同影響。

總體而言，QFW-6000型微波輻射計(jì)對(duì)溫度的探測(cè)精度更高，在業(yè)務(wù)中的可用性強(qiáng)于相對(duì)濕度，而不同季節(jié)、不同時(shí)次，受不同天氣條件影響，溫度和相對(duì)濕度的誤差和相關(guān)性又表現(xiàn)出更為復(fù)雜的變化特征，只有掌握了這些特性，才能更加科學(xué)合理地將這一新型探測(cè)資料應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)和分析中。此外，除了云量、降水等天氣條件外，風(fēng)向風(fēng)速等因素或許也是影響微波輻射計(jì)探測(cè)精度的因素之一，這也為后續(xù)檢驗(yàn)和研究工作的開(kāi)展提供了方向。

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