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(tǒng)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(fēng)向、風(fēng)速，通過這些資料計(jì)算出多種氣象參數(shù)。無線電探空儀在升空過程中，由于是感應(yīng)器直接接觸空氣，其所測量的氣象資料精度高，準(zhǔn)確可靠，但它也存在運(yùn)作成本高，觀測次數(shù)有限，探測儀隨風(fēng)會飄移很遠(yuǎn)等缺點(diǎn)。近年來，地基微波輻射計(jì)作為一種無源的遙感探測設(shè)備[1]，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時連續(xù)、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(tǒng)探空觀測的局限性，具有獨(dú)立工作的能力，近年來已被廣泛應(yīng)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(jì)的硬件研制涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)、標(biāo)定設(shè)計(jì)等，其集成度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此微波輻射計(jì)在測量精度、穩(wěn)定性方面的設(shè)計(jì)難度大，需要不斷提高[1]。地基微波輻射計(jì)基于觀測地所有的歷史探空資料為樣本集，經(jīng)過對歷史資料的前期處理，進(jìn)而反演出觀測數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的可靠性很大程度上依賴于觀測的探空資料質(zhì)量，因此地基微波輻射計(jì)需要不斷驗(yàn)證和改進(jìn)[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(jì)資料，分析了微波輻射計(jì)探測偏差的日變化及時間序列變化特征，結(jié)果表明溫度的探測偏差大值區(qū)出現(xiàn)在午后，相對濕度及水汽密度的探測偏差大值區(qū)則在凌晨，溫度及相對濕度探測誤差的時間序列表現(xiàn)為起伏較大，而水汽密度則相對平穩(wěn)，降水對微波輻射計(jì)的探測準(zhǔn)確度產(chǎn)生較明顯的影響。王旗等[12]利用地基微波輻射計(jì)反演的氣象要素?cái)?shù)據(jù)與長春探空站電子探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，認(rèn)為地基微波輻射計(jì)的反演廓線與探空數(shù)據(jù)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(xiàn)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(guān)度迅速下降。孫雷等[13]應(yīng)用溫江探空站3年的L波段探空數(shù)據(jù)和地基微波輻射計(jì)資料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)氣溫的相關(guān)性比相對濕度的相關(guān)性好，冬季的氣溫和相對濕度數(shù)據(jù)以及春夏兩季的氣溫?cái)?shù)據(jù)可直接使用，其他季節(jié)的需訂正后使用。在4 km以下，有降水發(fā)生時，地基微波輻射計(jì)反演的氣溫較探空數(shù)據(jù)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(nèi)布設(shè)的MWP967KV型地基微波輻射計(jì)資料，分析二者在0～10 km探測高度內(nèi)58個層次的溫度和水汽密度的差異及相關(guān)性，以評估微波輻射計(jì)反演氣象要素的準(zhǔn)確性。

1 數(shù)據(jù)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(tǒng)氫氣球攜帶探空儀自由升空方式觀測。電子探空儀觀測數(shù)據(jù)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(jì)資料

中國兵器工業(yè)第206研究所于2017年9月在涇河國家高空氣象站同址布設(shè)了MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)，地基微波輻射計(jì)每年定期液氮絕對標(biāo)定一到兩次，其中在2019年7月初和2020年4月初進(jìn)行了液氮標(biāo)定。日常設(shè)備實(shí)時進(jìn)行熱源標(biāo)定和噪聲源標(biāo)定，定標(biāo)時間間隔2 min。在晴天每2 min進(jìn)行一次Tipping定標(biāo)，通過多重定標(biāo)方式來確保亮溫觀測精度。MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了距地0～10 km范圍內(nèi)垂直方向上58層的大氣溫度、相對濕度、水汽密度、液態(tài)水廓線等要素的觀測。地基微波輻射計(jì)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(zhì)控說明

對試驗(yàn)用地基微波輻射計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格的一致性檢查，如有缺測時間過長，或數(shù)據(jù)明顯不連續(xù)的樣本，直接剔除。探空數(shù)據(jù)因在臺站進(jìn)行隨班質(zhì)控，不再重復(fù)進(jìn)行，共獲得樣本545組。為了減少地基微波輻射計(jì)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(jì)觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)探空氣球觀測時間和高度的變化選取與之對應(yīng)的微波輻射計(jì)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(jù)判斷。經(jīng)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(jì)算公式

傳統(tǒng)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(jì)算出水汽密度，采用如下公式計(jì)算[14]。

(1)

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

將式(1)的飽和水汽壓es計(jì)算結(jié)果代入式(2)計(jì)算實(shí)際水汽壓

e=esU，

(2)

式(2)中，e為實(shí)際水汽壓(hPa)，U為探空相對濕度(%)。

將式(2)中的實(shí)際水汽壓計(jì)算結(jié)果代入式(3)計(jì)算水汽密度

ρv=e/RvT。

(3)

式(3)中，Rv是水汽的比氣體常數(shù)，取461.51(J/(K·kg))。

1.5 平均偏差和均方差的計(jì)算方法

為了判斷地基微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)的差異，計(jì)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(shù)列中各項(xiàng)數(shù)值Xi與其真值X的離差絕對值的算術(shù)平均數(shù)，這里的真值是指傳統(tǒng)的探空觀測數(shù)據(jù)。它是用來測定數(shù)列中各項(xiàng)數(shù)值對其真值離散程度的量值。其計(jì)算公式為

(4)

均方差(σ)也被稱為標(biāo)準(zhǔn)偏差，能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度。其計(jì)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(jì)反演的溫度廓線與探空數(shù)據(jù)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(jì)反演的數(shù)據(jù)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(jì)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(jì)數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)在散點(diǎn)圖(圖2)上作對比分析。地基微波輻射計(jì)反演溫度與探空觀測溫度數(shù)據(jù)之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.990，具有良好的線性相關(guān)關(guān)系。在溫度較高時，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較集中；溫度較低時，數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jì)在低層觀測的溫度精度與探空數(shù)據(jù)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(jì)反演溫度與探空溫度散點(diǎn)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(jì)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(zhǔn)確。

圖3 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計(jì)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(jì)反演的水汽密度與探空觀測水汽密度的散點(diǎn)圖(圖4)可知，二者之間相關(guān)系數(shù)為0.972，線性相關(guān)關(guān)系較好，且在水汽密度數(shù)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(fù)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(jì)反演水汽密度與探空水汽密度散點(diǎn)圖(直線為擬合線)

2.3 不同天氣條件下觀測數(shù)據(jù)對比

為了進(jìn)一步分析在不同天氣條件下地基微波輻射計(jì)(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(jì)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(xiàn)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(jì)反演的厚云溫度的精度比薄云的高。這與雷連發(fā)等[5]分析的結(jié)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(jì)反演溫度與探空溫度的絕對平均偏差和均方差

為進(jìn)一步分析不同天氣條件下兩種儀器廓線，隨機(jī)選取2020年幾次不同天氣狀況的個例進(jìn)行分析，選取時盡量覆蓋不同季節(jié)。圖6至圖8分別為晴天、云天、雨天情況下地基微波輻射計(jì)反演的溫度與探空數(shù)據(jù)廓線對比個例圖。從圖6至圖8可見，地基微波輻射計(jì)與探空溫度廓線相關(guān)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(xiàn)明顯的貼地逆溫，微波輻射計(jì)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(jì)與探空溫度廓線對比個例圖(ZP為地基微波輻射計(jì)廓線，下同)

圖7 西安涇河站云天天氣下微波輻射計(jì)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(jì)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(yīng)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(jì)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(jì)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(jì)水汽廓線與探空數(shù)據(jù)之間成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)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(guān)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)在雨天探測中進(jìn)行了改進(jìn)，在降雨時段通過加大風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量減少天線罩表面雨水。利用降雨傳感器識別降雨，根據(jù)長期觀測經(jīng)驗(yàn)對降雨期間的亮溫誤差進(jìn)行訂正，反演過程結(jié)合天控掃描觀測數(shù)據(jù)很大程度改善了數(shù)據(jù)反演效果。在降雨期間大氣濕度飽和，反演結(jié)果接近飽和與實(shí)際情況接近，因此與其他天氣狀況誤差相比反而減小。

3 結(jié)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(nèi)觀測的溫度和水汽密度數(shù)據(jù)，與同址的MWP967KV型地基微波輻射計(jì)反演的同類氣象數(shù)據(jù)對比分析，以評估微波輻射計(jì)反演氣象要素的準(zhǔn)確性，得出以下結(jié)論。

(1)西安涇河站2020年MWP967KV型地基微波輻射計(jì)反演的溫度廓線與探空數(shù)據(jù)呈較高的正相關(guān)關(guān)系，平均偏差小于1.5 ℃，均方差小于2.0 ℃，兩者相關(guān)性達(dá)0.990。地基微波輻射計(jì)反演的低空數(shù)據(jù)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(jì)反演的水汽密度廓線與探空數(shù)據(jù)成正相關(guān)關(guān)系，絕對平均偏差和均方差均小于1.0 g/m3，相關(guān)系數(shù)為0.972。地基微波輻射計(jì)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(shù)據(jù)反而相對準(zhǔn)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(jì)反演廓線與探空數(shù)據(jù)的偏差最小，說明地基微波輻射計(jì)對厚云的觀測比薄云的精度高。從個例的相關(guān)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(jì)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(yīng)的誤差也減小。在降雨天氣條件下，兩種設(shè)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(jì)作為一種新型的探測儀器，能夠提供連續(xù)性高時間密度的探空數(shù)據(jù)。地基微波輻射計(jì)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(dá)10 km，與傳統(tǒng)探空觀測高度相差甚遠(yuǎn)。地基微波輻射計(jì)在垂直分辨率、觀測精度和探測高度等方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，使其獲得高質(zhì)量的探空觀測資料，在氣象預(yù)報(bào)預(yù)警、人工影響天氣、氣象防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮其重要的價值。