郭啟云 楊榮康 程凱琪 李昌興

1)(中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心， 北京 100081)

2)(南京信息工程大學(xué)， 南京 210044)

引 言

氣象觀測(cè)是提高天氣預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)質(zhì)量的基礎(chǔ)。目前，氣象觀測(cè)手段主要包括衛(wèi)星、飛機(jī)、雷達(dá)、氣球探空等，氣球探空觀測(cè)(簡(jiǎn)稱探空觀測(cè))是高空氣象最主要的直接探測(cè)方式之一，可獲取大氣溫、壓、濕等垂直分布[1-3]，探測(cè)質(zhì)量相對(duì)較好[4]，常作為風(fēng)廓線、GPS/MET觀測(cè)等高空遙感設(shè)備相對(duì)參考[5-7]，并作為衛(wèi)星大氣溫濕廓線的真實(shí)性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[8-10]。近年來(lái)，掩星觀測(cè)逐漸發(fā)展成為高空氣象數(shù)據(jù)重要來(lái)源。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)遙感技術(shù)是介于傳統(tǒng)被動(dòng)遙感與主動(dòng)遙感之間的一種新型遙感探測(cè)技術(shù)，具有全天候、自校準(zhǔn)、高精度、高垂直分辨率和低成本等優(yōu)點(diǎn)，成為各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的高技術(shù)熱點(diǎn)[11]。20世紀(jì)80年代末全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)逐漸面向應(yīng)用，1988年美國(guó)科學(xué)家首次提出利用GNSS掩星探測(cè)地球大氣的設(shè)想，并通過(guò)1995年4月發(fā)射的MICROLAB-I衛(wèi)星進(jìn)行了GNSS掩星探測(cè)的概念驗(yàn)證。隨后，各國(guó)相繼發(fā)射了衛(wèi)星，開(kāi)展GNSS掩星對(duì)地球大氣的試驗(yàn)和研究。2006年美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣聯(lián)合開(kāi)發(fā)的氣象、電離層與氣候星群觀測(cè)系統(tǒng)(COSMIC)，成為迄今為止世界范圍內(nèi)最為成功的掩星大氣探測(cè)活動(dòng)，歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織也于2006年發(fā)射了Metop-A衛(wèi)星[12-13]，兩者使每天接收到的廓線數(shù)量可達(dá)3000條左右，有力彌補(bǔ)了目前全球大氣觀測(cè)系統(tǒng)的不足，尤其增加了在海洋、南北兩極、高原和沙漠等缺少探空地區(qū)的氣象監(jiān)測(cè)[14]，同時(shí)由于其具有垂直分辨率高、受云雨天氣影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報(bào)、氣候變化、電離密度監(jiān)測(cè)和青藏高原的研究[15-18]，對(duì)改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測(cè)和空間天氣研究有積極意義。我國(guó)自“十五”以來(lái)，開(kāi)展了星載掩星大氣探測(cè)系統(tǒng)研制，目前已在星載GNSS掩星探測(cè)載荷技術(shù)方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步，2013年發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)C星(FY-3C)搭載GNSS掩星探測(cè)載荷實(shí)現(xiàn)了全球大氣垂直探測(cè)，它不僅是國(guó)內(nèi)第1臺(tái)星載業(yè)務(wù)運(yùn)行的GNSS掩星探測(cè)儀，而且是國(guó)際首臺(tái)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)雙系統(tǒng)兼容掩星探測(cè)儀，每天大約接收到500次的掩星觀測(cè)[19]。

GPS衛(wèi)星信號(hào)在穿過(guò)地球電離層和中性大氣時(shí)，受電子密度和大氣折射的干擾會(huì)出現(xiàn)路徑彎曲和信號(hào)接收延遲，反演出電離層電子密度和大氣溫度、壓強(qiáng)和水汽，折射率的探測(cè)質(zhì)量對(duì)反演結(jié)果尤為重要[20-22]。研究發(fā)現(xiàn)折射率觀測(cè)存在一定誤差，特別在熱帶地區(qū)低層水汽較多的區(qū)域存在負(fù)偏差，Wickert[23]和Kuo[24]將CHAMP，SAC-C掩星與探空、ECMWF全球再分析進(jìn)行了對(duì)比，得出在5 km 以下CHAMP折射率有明顯的負(fù)偏差，在日本地區(qū)平均相對(duì)誤差超過(guò)了3%。茍小平等[25]利用2006 年的COSMIC 掩星與全球探空對(duì)比，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用“開(kāi)環(huán)”技術(shù)在一定程度上修正了GPS 掩星在對(duì)流層低層的負(fù)偏差，但同時(shí)也帶來(lái)較小的正偏差。折射率負(fù)偏差會(huì)導(dǎo)致反演的水汽減少，因此，對(duì)掩星折射率進(jìn)行質(zhì)量控制(簡(jiǎn)稱質(zhì)控)是提高反演觀測(cè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。國(guó)際上有多種內(nèi)置質(zhì)控方法，常見(jiàn)的有連續(xù)法[26]、貝葉斯法[27]、變分法[28]和綜合法[29]等，Zou等[30]在2006年使用模式分析場(chǎng)作為參考利用雙權(quán)重方法對(duì)COSMIC和CHAMP的折射率和彎曲角進(jìn)行了質(zhì)控，國(guó)內(nèi)臧欣[31]使用該方法對(duì)掩星折射率進(jìn)行了質(zhì)控。但利用探空作為參考，對(duì)掩星折射率進(jìn)行質(zhì)控的研究報(bào)道較少。因此，本文利用2017年9月1日—2018年8月31日探空與多源掩星作為樣本，采用雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差方法及設(shè)置掩星與探空的相關(guān)系數(shù)閾值的質(zhì)控方法，分別對(duì)不同氣候區(qū)內(nèi)多源掩星折射率進(jìn)行評(píng)估及質(zhì)控，并對(duì)比不同掩星的分析結(jié)果。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

①探空數(shù)據(jù)：2017年9月1日—2018年8月31日全國(guó)120個(gè)探空站的L波段探空秒級(jí)觀測(cè)，探空儀型號(hào)為GTS，溫度靜態(tài)指標(biāo)為0.3℃，氣壓靜態(tài)指標(biāo)為1 hPa(500 hPa以上)和2 hPa(500 hPa以下)，相對(duì)濕度靜態(tài)指標(biāo)為5%(12 km以下)，探測(cè)質(zhì)量相對(duì)較好[32-34]。L波段探空每天進(jìn)行兩次觀測(cè)，分別為00：00和12：00(世界時(shí)，下同)，包含有溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素，垂直分辨率為6～7 m，高度范圍為地面～35 km。

②掩星數(shù)據(jù)：COSMIC，Metop-A和FY-3C每天分別提供覆蓋全球約2000條、600條和500條左右掩星事件的大氣廓線，最近幾年COSMIC掩星數(shù)據(jù)量有所下滑，每天大約接收到500條左右掩星大氣廓線。數(shù)據(jù)主要包括彎曲角、折射率以及由折射率反演得到的溫、壓、濕大氣廓線，垂直分辨率約為200 m，溫、壓、濕的觀測(cè)高度范圍為地面～40 km，折射率為地面～60 km。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 探空數(shù)據(jù)計(jì)算折射率

探空無(wú)直接觀測(cè)的折射率，需利用溫度、氣壓和相對(duì)濕度計(jì)算[35]，公式如下：

(1)

(2)

(3)

其中，Es為飽和水汽壓(單位：hPa)，t為溫度(單位：℃)，E為水汽壓(單位：hPa)，U為相對(duì)濕度(單位：%)，n為折射率(單位：N)，P為氣壓(單位：hPa)。

1.2.2 探空與掩星時(shí)空匹配

由于探空站點(diǎn)固定，空間分布不均勻，所以將3種掩星與探空進(jìn)行時(shí)空匹配。時(shí)間匹配為3 h以內(nèi)；由于西部地區(qū)和北部地區(qū)探空站相對(duì)稀疏，所以空間分配在呼和浩特以南、西寧及成都以東、澳門以北的區(qū)域是距離范圍在±100 km以內(nèi)，其他區(qū)域?yàn)檠谛桥c探空站之間的距離范圍在±200 km以內(nèi)。垂直層次上，掩星廓線高度范圍是地面～60 km 左右，但探空通常無(wú)法達(dá)到60 km高度，將兩者層次進(jìn)行統(tǒng)一，從地面到30 km每隔200 m選取1個(gè)數(shù)值，共151層。

1.2.3 質(zhì)控方法

采用雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差法及設(shè)置掩星與探空之間相關(guān)系數(shù)閾值的方法，設(shè)有n個(gè)掩星折射率樣本(Ni,i=1,2，…，n)，n個(gè)探空折射率樣本(Bi,i=1,2，…，n)。

①計(jì)算掩星折射率的權(quán)重函數(shù)：

(4)

式(4)中，c代表“關(guān)注目標(biāo)”的參數(shù)，采用1996年Lanzante研究的雙權(quán)重方法中的c=7.5[36]；根據(jù)文獻(xiàn)[32]中當(dāng)權(quán)重函數(shù)|wi|>1時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)遞歸，取wi=1.0；M為掩星折射率的中位數(shù)，MAD為偏差中位數(shù)。

(5)

(6)

③計(jì)算各個(gè)氣候區(qū)每層探空與掩星數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)r:

(7)

由于12 km以下探空相對(duì)濕度精度較高，計(jì)算得到的折射率精度也較好，而掩星在高層反演精度較高，所以僅對(duì)12 km以下的掩星以探空為參考場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)控，將掩星與探空的偏差即觀測(cè)增量作為樣本量，計(jì)算每一個(gè)偏差的權(quán)重及偏差的雙權(quán)重平均值和雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差，按照上述原則判定，并根據(jù)相關(guān)系數(shù)再次進(jìn)行判斷。相關(guān)系數(shù)越大，說(shuō)明該層掩星和探空相關(guān)性越好。在統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)時(shí)，將檢出可疑值的顯著性水平α=0.05，稱為檢出水平，按照超過(guò)閾值的相關(guān)系數(shù)占所有相關(guān)系數(shù)的5%計(jì)算出相關(guān)系數(shù)閾值，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)后設(shè)定相關(guān)系數(shù)的閾值，當(dāng)各個(gè)氣候區(qū)掩星與探空某層的相關(guān)系數(shù)小于閾值時(shí)，則認(rèn)為該層的可疑數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，否則，認(rèn)為可疑數(shù)據(jù)為正確數(shù)據(jù)。

1.2.4 氣候區(qū)劃分

根據(jù)多年平均氣溫、降水量和海拔高度等條件，參考文獻(xiàn)[37]將我國(guó)劃分為4個(gè)氣候區(qū)。亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)分布在秦嶺淮河以南，水汽含量較為豐富，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨；溫帶季風(fēng)氣候區(qū)分布在北方，即秦嶺淮河一線以北，大興安嶺到太行山一線以東區(qū)域，夏季高溫多雨，冬季寒冷少雨；溫帶大陸性氣候區(qū)分布在廣大內(nèi)陸地區(qū)，冬夏溫差大，全年降水少；高原山地氣候區(qū)主要分布在海拔較高的山地、高原地區(qū)，全年低溫，降水量少。圖1為中國(guó)氣候區(qū)劃分以及120個(gè)探空站分布。由上述折射率計(jì)算公式可知，折射率分布與溫度、氣壓和水汽的分布相關(guān)，不同氣候區(qū)的折射率統(tǒng)計(jì)特征不同，雙權(quán)重平均值和標(biāo)準(zhǔn)差存在差別，劃分氣候區(qū)可消除因氣候不同造成數(shù)據(jù)差異太大，使數(shù)據(jù)更符合正態(tài)分布，同時(shí)根據(jù)區(qū)域氣候特征劃分標(biāo)準(zhǔn)，使質(zhì)控更準(zhǔn)確。

圖1 中國(guó)氣候區(qū)劃分(a)及120個(gè)探空站分布(b)

2 試驗(yàn)結(jié)果

表1為2017年9月1日—2018年8月31日與探空匹配到的COSMIC，Metop-A，F(xiàn)Y-3C在4個(gè)氣候區(qū)的掩星廓線數(shù)。溫帶大陸性和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)由于探空站點(diǎn)較多，所以匹配到的掩星數(shù)量較多，對(duì)于高原山地氣候區(qū)，探空站分布較為稀疏，與其匹配到的掩星數(shù)量也較少，F(xiàn)Y-3C在高原山地氣候區(qū)匹配到的廓線數(shù)僅為7。當(dāng)匹配量較少時(shí)，如對(duì)FY-3C在高原山地氣候區(qū)僅匹配到7條掩星廓線，不宜采用探空作為背景場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)控。2017年7月開(kāi)始，F(xiàn)Y-3C掩星更新一次，其數(shù)據(jù)質(zhì)量得到改進(jìn)，主要體現(xiàn)在采用質(zhì)控標(biāo)識(shí)碼為100的樣本廓線，其他為不足信廓線，在匹配之前將這些樣本進(jìn)行剔除。

表1 掩星在4個(gè)氣候區(qū)與探空站匹配到的廓線數(shù)量

2.1 折射率、偏差和相關(guān)分析

2.1.1 折射率

圖2為3種掩星在4個(gè)氣候區(qū)折射率的雙權(quán)重平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的廓線分布，3種掩星雙權(quán)重平均值幾乎無(wú)差異。4個(gè)氣候區(qū)掩星折射率的雙權(quán)重平均值從低層到高層逐漸減小，對(duì)流層低層可超過(guò)300 N，高層減小到3 N以內(nèi)，兩者相差兩個(gè)量級(jí)。4個(gè)氣候區(qū)折射率的雙權(quán)重平均值在5 km及以上差別不大，5 km以下由于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)水汽含量較多，所以折射率雙權(quán)重平均值高于其他3個(gè)氣候區(qū)。雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差整體呈現(xiàn)從高層向低層逐漸增大，在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，比溫帶季風(fēng)和溫帶大陸性氣候區(qū)高10 N左右，這是由于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)水汽含量較大，折射率較大，同時(shí)水汽含量較大，也會(huì)使電磁信號(hào)變得復(fù)雜，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差增大。由于3種掩星之間的雙權(quán)重平均值和標(biāo)準(zhǔn)差較為相似，以下閾值區(qū)間劃分以COSMIC掩星的結(jié)果為例。

根據(jù)上述COSMIC掩星4個(gè)氣候區(qū)折射率的統(tǒng)計(jì)特征，確定折射率在4個(gè)氣候區(qū)的可疑數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)閾值區(qū)間如圖3所示(所有時(shí)間均為世界時(shí)，下同)。4個(gè)氣候區(qū)正常數(shù)據(jù)的區(qū)間從低層到高層逐漸減小，低層數(shù)據(jù)較大，可接受的范圍也較寬，高層數(shù)據(jù)值很小，接受范圍也隨之變小。在低層，不同氣候區(qū)之間存在有較大差別，溫帶大陸性氣候區(qū)和溫帶季風(fēng)氣候區(qū)接近，亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)由于低層雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差較大，所以其正常數(shù)據(jù)區(qū)間也較大，且數(shù)值比其他3個(gè)氣候區(qū)大，對(duì)4個(gè)氣候區(qū)分別制定閾值區(qū)間使質(zhì)控更加準(zhǔn)確。

圖2 掩星在4個(gè)氣候區(qū)折射率數(shù)據(jù)的雙權(quán)重平均值和雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差廓線分布

續(xù)圖2

2.1.2 偏 差

根據(jù)上述閾值區(qū)間對(duì)掩星折射率進(jìn)行質(zhì)控，剔除錯(cuò)誤閾值范圍之外的數(shù)據(jù)，將掩星折射率減去探空折射率得到的偏差作為觀測(cè)增量，再次進(jìn)行質(zhì)控。圖4分別為3種掩星在4個(gè)氣候區(qū)與探空折射率偏差的雙權(quán)重平均值和雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差。從偏差的雙權(quán)重平均值看，COSMIC掩星在4個(gè)氣候區(qū)5 km 以下多為負(fù)偏差，且亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)負(fù)偏差較大；5 km 以上偏差較小，均在0.5 N以內(nèi)。Metop-A掩星在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)6 km以下為負(fù)偏差，其他兩個(gè)氣候區(qū)則是低層為負(fù)偏差，然后逐漸轉(zhuǎn)為正偏差，這與COSMIC的結(jié)果不同。FY-3C的結(jié)果與COSMIC不同，在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)2 km以下為正偏差，2～6 km為負(fù)偏差，6 km以上又逐漸轉(zhuǎn)為正偏差，整體偏差都在2 N以內(nèi)，溫帶大陸和溫帶季風(fēng)氣候區(qū)偏差較小，在1 N以內(nèi)。雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差各區(qū)較為相似，4個(gè)氣候區(qū)都是從高層到低層標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大，亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差最大。以下仍以COSMIC為例劃分質(zhì)控的可疑閾值和錯(cuò)誤閾值區(qū)間。

圖3 COSMIC掩星在4個(gè)氣候區(qū)折射率的可疑閾值和錯(cuò)誤閾值區(qū)間及單個(gè)時(shí)刻的掩星折射率廓線

根據(jù)圖4中COSMIC折射率偏差的統(tǒng)計(jì)特征，劃分折射率偏差在4個(gè)氣候區(qū)的可疑數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的閾值區(qū)間(如圖5所示)。4個(gè)氣候區(qū)的正常數(shù)據(jù)區(qū)間從低層到高層逐漸減小，高層的折射率和低層的折射率相差兩個(gè)量級(jí)，所以低層可接受的偏差范圍較大，可有±30 N左右的偏差，但高層允許的偏差小很多。溫帶季風(fēng)氣候區(qū)和溫帶大陸性氣候區(qū)正常數(shù)據(jù)范圍較相似，最低層允許的偏差在±30 N左右，在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)低層允許的偏差較大。根據(jù)劃定的閾值范圍對(duì)掩星的折射率進(jìn)行質(zhì)控，篩選出可疑數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

圖4 掩星在4個(gè)氣候區(qū)折射率偏差的雙權(quán)重平均值和雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差廓線分布

圖5 COSMIC掩星在4個(gè)氣候區(qū)折射率偏差的可疑閾值和錯(cuò)誤閾值區(qū)間及單個(gè)時(shí)刻的掩星折射率偏差廓線

2.1.3 相關(guān)分析

2.1.1節(jié)和2.1.2節(jié)對(duì)3種掩星折射率以及與探空之間偏差的統(tǒng)計(jì)，劃定了可疑數(shù)據(jù)閾值和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)閾值，剔除了錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，篩選出了可疑數(shù)據(jù)，設(shè)置探空與掩星之間相關(guān)系數(shù)閾值，對(duì)可疑數(shù)據(jù)進(jìn)一步判斷，以更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控。圖6是4個(gè)氣候區(qū)3種掩星分別與探空折射率之間相關(guān)系數(shù)的廓線分布，相關(guān)系數(shù)分布在0.6～0.9，高層相關(guān)性更高，Metop-A掩星在高原山地氣候區(qū)與探空折射率之間的相關(guān)性較差。經(jīng)統(tǒng)計(jì)4個(gè)氣候區(qū)相關(guān)系數(shù)，按照超過(guò)閾值的相關(guān)系數(shù)占所有相關(guān)系數(shù)的5%確定相關(guān)系數(shù)的閾值為0.44，將相關(guān)系數(shù)不小于0.44的可疑數(shù)據(jù)認(rèn)為是正確數(shù)據(jù)，將相關(guān)系數(shù)小于0.44的可疑數(shù)據(jù)認(rèn)為是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，將其剔除。

2.2 質(zhì)控效果

2.2.1 質(zhì)控后的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)分析

經(jīng)上述處理后，掩星質(zhì)控出的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布如圖7所示，因4個(gè)氣候區(qū)相似，這里僅展示亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。由圖7可見(jiàn)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)大多分布在對(duì)稱軸的兩側(cè)，掩星與探空折射率相差較大的區(qū)域。在質(zhì)控步驟中，根據(jù)掩星自身統(tǒng)計(jì)特征劃分閾值區(qū)間挑選出異常值，之后引入探空數(shù)據(jù)作為參考，根據(jù)兩者之間偏差的統(tǒng)計(jì)特征劃分閾值區(qū)間挑選出與參考相差較大的值，同時(shí)引入相關(guān)系數(shù)再次判斷增加嚴(yán)謹(jǐn)性，能更好地檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖6 掩星在4個(gè)氣候區(qū)折射率數(shù)據(jù)與探空折射率相關(guān)系數(shù)的廓線分布

圖8是3種掩星在4個(gè)氣候區(qū)中第1步質(zhì)控出的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)百分比隨高度分布，1 km以下錯(cuò)誤數(shù)據(jù)百分比較大，為5%～10%；1 km以上錯(cuò)誤數(shù)據(jù)百分比多在5%以內(nèi)，掩星數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，且3種掩星的結(jié)果相似。

在第2步質(zhì)控出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)中(圖9)，Metop-A掩星在高原山地氣候區(qū)較多，F(xiàn)Y-3C掩星在溫帶大陸性氣候區(qū)4 km以下百分比較大，約為10%，其他大多在6%左右，3種掩星亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)質(zhì)控出的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)百分比較小，在4%內(nèi)。

圖7 亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)掩星折射率錯(cuò)誤數(shù)據(jù)分布

續(xù)圖7

2.2.2 質(zhì)控前后的相關(guān)分析

計(jì)算掩星與探空折射率之間質(zhì)控前后的相關(guān)系數(shù)，檢驗(yàn)質(zhì)控效果。圖10為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)質(zhì)控前、掩星自適應(yīng)質(zhì)控后和全部質(zhì)控步驟之后的多種掩星與探空折射率的相關(guān)系數(shù)，其他氣候區(qū)結(jié)果相似(圖略)。兩個(gè)變量之間的相關(guān)系數(shù)很容易受異常值的影響，當(dāng)有較大異常值存在時(shí)，兩者之間相關(guān)性較差。在質(zhì)控前，由于異常值的存在，探空與掩星折射率之間的相關(guān)性較差。經(jīng)掩星自適應(yīng)質(zhì)控后，剔除一部分異常值后，相關(guān)系數(shù)明顯提高，大部分相關(guān)系數(shù)在0.8以上。然后經(jīng)過(guò)與參考的一致性檢驗(yàn)及可疑數(shù)據(jù)的質(zhì)控后，兩種掩星與探空折射率之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步提高，達(dá)0.9以上，質(zhì)控效果很好。

圖8 掩星第1步質(zhì)控出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)百分比廓線分布

圖9 多源掩星第2步質(zhì)控出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)百分比廓線分布

圖10 亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)掩星質(zhì)控前、第1步質(zhì)控后、最終質(zhì)控后掩星與探空折射率的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

本文將2017年9月1日—2018年8月31日的 COSMIC，Metop-A和FY-3C掩星折射率數(shù)據(jù)在4個(gè)氣候區(qū)中，使用全國(guó)120個(gè)探空站的秒級(jí)探空數(shù)據(jù)作為參考，分別對(duì)掩星折射率數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

1) 根據(jù)氣候特點(diǎn)將我國(guó)劃分成溫帶季風(fēng)、亞熱帶季風(fēng)、溫帶大陸和高原山地4個(gè)氣候區(qū)，使數(shù)據(jù)整體更符合正態(tài)分布，同時(shí)根據(jù)不同氣候區(qū)特征劃分不同的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2) 通過(guò)對(duì)多源掩星雙權(quán)重平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)分析，3種掩星特征相似，但4個(gè)氣候區(qū)相差較大，亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)在低層雙權(quán)重平均值為超過(guò)300 N，而溫帶大陸性和溫帶季風(fēng)氣候區(qū)數(shù)值為280 N，高層平均值差異很小。

3) 通過(guò)對(duì)3種掩星與探空之間偏差統(tǒng)計(jì)分析，COSMIC和Metop-A掩星在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)5 km 以下為負(fù)偏差，F(xiàn)Y-3C在低層2 km以下為正偏差，2～6 km為負(fù)偏差，6 km以上又轉(zhuǎn)為正偏差，F(xiàn)Y-3C掩星在溫帶大陸性氣候區(qū)和溫帶季風(fēng)氣候區(qū)的偏差比其他兩個(gè)掩星數(shù)值小。

4) 根據(jù)正態(tài)分布的特征，選定雙權(quán)重平均值±3 倍雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差作為可疑數(shù)據(jù)閾值，雙權(quán)重平均值±4倍雙權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差作為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的閾值，確定不同氣候區(qū)的閾值。

5) 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，確定相關(guān)系數(shù)的閾值為0.44，再次處理可疑數(shù)據(jù)，使質(zhì)量控制更嚴(yán)謹(jǐn)。質(zhì)控后，掩星與探空相關(guān)性提高明顯，效果較好。

此外，本文采用全國(guó)探空站對(duì)多源掩星進(jìn)行質(zhì)量控制，在實(shí)際應(yīng)用中可能部分掩星數(shù)據(jù)找不到適合其做質(zhì)量控制的探空數(shù)據(jù)，當(dāng)匹配量在30以下時(shí)，方法受限。在后續(xù)工作中會(huì)逐步嘗試加入模式分析場(chǎng)與未經(jīng)質(zhì)控的掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，模式分析場(chǎng)為格點(diǎn)數(shù)據(jù)，水平分辨率較高，可使所有在時(shí)間窗內(nèi)的掩星數(shù)據(jù)得到質(zhì)量控制，同時(shí)高原山地氣候區(qū)的匹配數(shù)量也會(huì)大大增加。