QFW-6000型微波輻射計探測精度分析

劉萱 岳增祥 陳后財 海阿靜

（中國電波傳播研究所 山東省青島市 266000）

1 引言

大氣參數垂直剖面特征對無線電系統性能、氣象預報等都有著重要影響[1-2]。探空是測量大氣參數剖面的基本方式，但其在時間和空間分辨率存在局限性。微波輻射計應用遙感技術進行大氣監測，可實時獲得高時空分辨率溫濕廓線等大氣參數，具有全天候連續觀測的優勢。微波輻射計可用于監測中小尺度天氣現象，是探空氣球、天氣雷達和探空雷達等觀測手段的有益補充，可在人工影響天氣、數值天氣預報等業務工作中起重要作用[3-5]。

微波輻射計近年來在氣象科研和業務中的應用日趨廣泛。劉紅燕分析顯示不同季節兩種測量技術存在不同差異[6-7]。李青等[8]曾在2014年分析了北京微波輻射計的觀測數據的有效性，發現亮溫探測受天線周圍環境影響不可忽略，但目前與已業務化應用的L 波段探空雷達進行的對比研究較少。本文利用L 波段探空雷達與微波輻射計探測的大氣溫度和相對濕度廓線數據，以較全面的驗證微波輻射計數據在青島地區的有效性及探測精度。有利于更好地將微波輻射計資料應用于在氣象觀測中，對全國探空業務的發展具有積極意義。

2 資料與方法

2.1 儀器

觀測儀器是L 波段探空雷達與中國電子科技集團有限公司第二十二研究所自主研發的QFW-6000 型微波輻射計。L 波段探空雷達是常規氣象觀測用來探測高空氣象要素的常規儀器，它與GTS1型數字式電子探空儀配合，測量高空的溫度、氣壓、濕度、風向、風速等氣象要素，提供高時空分辨率的氣象資料。QFW-6000 型微波輻射計采用濾波器組件技術實現K 波段（22GHz~32GHz，8 個通道）和V 波段（50GHz~60GHz，8 個通道）并行探測，同時選取1 個紅外觀測通道，通過接收的輻射電壓值標定成亮溫，結合微波輻射計實測地面氣象要素值，運用神經網絡等反演算法長期、自動、連續地輸出0~10km 的溫濕度廓線及大氣積分水汽含量、路徑液態水含量等多種數據；同時采用納米天線罩并在其旁邊安置鼓風機，以保障降雨時的連續觀測。

2.2 資料說明

選取青島地區2018年12月1日至2019年11月20日L 波段探空雷達和微波輻射計實測的溫度和相對濕度數據進行分析。微波輻射計全天候無間斷探測，每1min 輸出一次廓線數據，垂直分辨率為500 米以下50 米每層，500 米至2000 米100 米每層，2000m以上250m，共58 層。將微波輻射計07:30-08:30 與19:30-20:30 的廓線值取平均值后，作為與探空時段對應的實測值進行數據分析。

圖1：各高度層溫度均方根偏差

表1：無降水天氣整層均方根偏差

圖2：各高度層相對濕度均方根偏差

2.3 分析方法簡介

在進行數據的對比分析前，對二者的相關系數進行了計算，溫度的相關系數為0.98，相對濕度的相關系數為0.82，溫度的相關性較大，這與大氣溫度變化比較平穩而相對濕度較劇烈有關。本文主要通過計算均方根偏差來定量分析微波輻射計與探空儀探測數據的差異。各高度層的均方根偏差計算公式如下：

公式（1）中，均方根偏差RMSE 為某高度處兩種觀測儀器數據的偏差，xi和yi分別為某高度處微波輻射計和L 波段探空雷達的觀測數據，i 為第i 次探空，N 為探空的總次數，通過計算RMSE可以分別得到58 層的均方根偏差。

為了更直觀的比較輸出廓線在整個對流層的反演精度，此處定義整層均方根偏差進行分析。

公式（2）中，整層均方根偏差σ 為兩種觀測儀器數據在k 次探空所有高度層的整體偏差，x(i,j)和y(i,j)分別為第i 次探空j 高度處微波輻射計和L 波段探空雷達的觀測數據，通過計算σ 可以分別得到所有探空時段58 層的二者均方根偏差。

3 結果及分析

按春、夏、秋、冬四季進行劃分，有效樣本數分別為135 次、124 次、136 次、144 次。通過計算二者在0-10km 共58 層的探測數據的均方根偏差，分析兩類測量技術下溫度和相對濕度的差異。

圖1 為不同高度處二者探測溫度的均方根偏差。由圖知，四季均呈現出二者差異在近地面偏差最小、隨高度逐漸增大的現象，整層均方根偏差夏季最小、冬季最大。春季二者均方根偏差為1.34℃，從低空到高空基本為逐層遞增的趨勢，波動范圍在0.5℃—2.0℃之間。夏季均方根偏差為四季中最小，為1.27℃，近地層誤差隨高度呈波動遞減，0.7km 以上波動增加，并在5.5km 處有極大值，在5.5km—7.5km 的對流層高層，偏差隨高度波動減小，7.5km 以上再次波動上升，并在9.25km 處有最大偏差。秋季均方根偏差為1.31℃，在0.4km 米高度處均方根偏差出現一最小值0.2℃，隨后整體呈升高趨勢，在10km 處達到最大，其在對流層中高層均方根偏差最大。冬季均方根偏差為1.45℃，其偏差的最小值出現在地面，隨后在1.5km 和5.7km 高度處分別出現一極大值和極小值。

相對濕度廓線的四季的差異如圖2所示。春季，相對濕度在地面層誤差最小，隨后呈波動增加趨勢，在8km 以上偏差開始減小，整層均方根偏差為13.5%。夏季從地面往上到1.3km 左右，偏差急劇增大，在1.9km—4.75km，偏差呈波動減小，隨后偏差又隨高度逐漸增大，7.5km 以上，偏差再次隨高度波動減小，整層均方根偏差為15.03%。秋季在4.25km 以下呈增加趨勢，隨后又呈現波動減少的趨勢，整層均方根偏差為16.04%。冬季在近地面層偏差很小，1km—4km 高度范圍內，在1km 高度處最大，在4km—6km 范圍內，偏差又隨高度顯著降低，在6km—8km 范圍內則隨高度波動增加，8km以上又隨高度遞減，整層均方根偏差為12.7%，為偏差最小季節。

可以看出，廓線差異在不同的季節變化規律不同，但在某些高度范圍內，仍具有共同點，溫度廓線的差異以隨高度增加而增加為主，相對濕度廓線以先增加再降低為主。整體來說，微波輻射計對溫濕度廓線的探測精度在對流層的中低層較高，這與它是地基被動式遙感觀測設備密切相關；溫度廓線的整層均方根偏差在夏季最小、冬季最大，主要是由于大氣溫度在夏季變化較小、冬季波動較大，同樣在近地面也是冬季波動較大，而微波輻射計的反演精度受歷史樣本和實時輸入數據波動的影響，這直接影響其反演能力，使冬季偏差在近地層較大；而相對濕度廓線的整層均方根偏差在冬季最小、秋季最大，也主要是因為相對濕度在冬季測量值最小，而秋季在大氣中層變化較大。無降水天氣下四季的整層均方根偏差如表1所示。

4 結論與展望

以L 波段探空雷達數據為觀測數據，按四季分類，進行均方根偏差統計分析，驗證了微波輻射計資料的可靠性。得到主要結論如下：

（1）不同季節、不同天氣條件下，微波輻射計對與L 波段探空雷達對溫度、相對濕度的測量偏差隨高度的變化特征不同，微波輻射計的探測精度較高。

（2）對于溫度廓線的探測，在不同季節二者偏差均呈現低空較小、高空較大的特征，夏季整層均方根偏差最小冬季最大，分別為1.27℃、1.45℃。春季、夏季呈波動式增加的趨勢，冬季、秋季在2km 左右均出現一極大值。

（3）對于相對濕度的探測，偏差隨高度以先增加再降低的趨勢為主，整層均方根偏差最小值出現在冬季，為16.04%，最大值出現在秋季，為12.7%。

因此，微波輻射計可有效彌補L 波段探空雷達時空分辨率不足的問題。由于數據時間序列只有一年，下一步將深入探尋其偏差來源，為微波輻射計的改進及其資料的使用提供理論依據。