MP-3000A型微波輻射計氣溫、濕度的適用性評估

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 重慶市豐都縣氣象局，豐都 408200；3 重慶市云陽縣氣象局，云陽 404500）

0 引言

隨著氣象現代化的快速推進，天氣和氣候相關的業務、科研對高質量和高時、空分辨率的氣象探空觀測資料的需求越來越迫切。無線電探空可以提供秒級時間分辨率的大氣氣溫、濕度等要素資料，尤其是我國2000年起在全國推廣使用的新一代L波段探空系統，較之前的59型探空儀的精度顯著提高。然而，由于探空站需要選擇合適的地理位置以及花費較高的操作和維護費用，且觀測時次有限（一般一天觀測2次），因此探空儀探空覆蓋范圍有限、時空分辨率較低，遠不能滿足氣象業務發展的需求。

近年來，無人看守的被動式地基微波輻射計得到廣泛應用。它是利用氧氣在特定頻率帶的輻射強度測量大氣中的氣溫分布，并通過觀測來自于22.2 GHz和183 GHz處水汽諧振帶水汽線壓力加寬的輻射強度和形狀信息得到大氣中的水汽廓線信息，通過反演得到10 km以下共58層的氣溫、相對濕度、水汽密度和液態水等垂直廓線，時間分辨率達到分鐘級別（步長＜3 min），從而獲得高時空分辨率的氣象探測資料，有效彌補了常規探空因探測次數較少而獲取測量信息不足等缺點。然而其資料的可信度和準確性是值得關注的問題。國內外已有眾多專家學者對微波輻射計資料的準確性開展了研究。姚作新等、趙玲等對比分析烏魯木齊微波輻射計與探空觀測數據，結果顯示微波輻射計溫濕度觀測數據偏大，且誤差隨高度呈增大趨勢。劉建忠等在對北京近郊微波輻射計反演產品進行分析時發現，微波輻射計溫濕度觀測在中低層和高層的誤差隨高度變化是不同的，且不同的季節及每日早晚誤差也存在明顯差異。高金輝等發現，當雨強超過一定范圍時，微波輻射計測量出現飽和，致使其測量的降雨量偏差較大。周嵬等在用微波輻射計分析一次雷暴冰雹天氣對流降雨云內與環境溫差時發現，降雨時段的溫度在底層遠低于無降雨的云外溫度。

重慶境內山高谷深，地形復雜，夏季高溫少雨，冬季陰冷潮濕，是有名的霧都，在如此特殊的氣候環境下，微波輻射計的探測精度如何？為探究重慶地區微波輻射計的探測能力，本文利用2017—2019年沙坪壩站L波段探空對同址微波輻射計反演氣溫和水汽數據，按照不同時次、不同天氣（晴空、陰雨等）等條件進行分類對比分析，力圖尋找L波段探空資料與微波輻射計資料的差異和一致性，以期為氣象科研及業務使用提供依據，為指導人工影響天氣確定有效作業空域等提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

本文所用探空資料為重慶沙坪壩站2017年1月—2019年12月期間每日08時和20時兩個時次的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，剔除了缺失和明顯不合理的數據。

輻射計數據為與L波段探空同址同時期觀測的沙坪壩地基微波輻射計數據，所用設備為美國生產的MP-3000A，它是一種新型35通道地基微波輻射計，3 min之內完成一次掃描觀測，生成0～2級數據，其中第0級數據為各通道電壓值，第1級數據為各通道的亮溫值，而第2級數據便是業務使用的數據，即通過神經網絡算法，反演輸出的天頂方向、北斜20°、南斜20°及南北平均等四個方向的氣溫、相對濕度、水汽等廓線數據（本文分析的為天頂方向），廓線的垂直分辨率為：0～500 m間隔為50 m，500～2000 m間隔為100 m，2000～10000 m為250 m，包括地面到10 km高度共58層。

1.2 資料預處理

由于L波段探空的采樣頻率、垂直分辨率與微波輻射計不同，因此在對二者進行對比分析時，先將探空資料的氣溫和濕度數據在高度上進行重采樣至微波輻射計的58層探測高度（因沙坪壩探空站海拔高度是541 m，因此500 m以下不對比）。在時間上，由于探空釋放的時間一般為08時和20時，且一次過程大概持續正點前后的1 h左右，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時和20時的值，與對應的探空數據進行對比分析。

1.3 方法

本文擬按不同時次（08時和20時）、不同氣象條件分別對比L波段探空資料與微波輻射計資料氣溫、相對濕度數據之間的差異，全面評估他們的偏差情況。將全部樣本分為有云（對應時段內總云量1～10成，且無降雨）、晴空（對應時段內總云量0成，且無降雨）和降雨（對應時段內任意分鐘降雨量大于0）三種不同天氣，分別計算L波段探空與微波輻射計資料之間氣溫與相對濕度的差值平均值、差值標準差和相關系數，并分析二者差異原因，其中，差值為“L波段探空值”減“微波輻射計值”。研究中所計算的相關系數均通過0.01的顯著性水平檢驗。

2 結果分析

2.1 氣溫

2.1.1 氣溫偏差

圖1 分別為探空與微波輻射計溫度廓線的相關系數、差值平均值和差值標準差。從圖1a可以看到，在所有層次上，L波段探空與微波輻射計氣溫之間的相關系數都很大，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，隨后又逐漸增大。

L波段探空與微波輻射計的氣溫差異在不同高度表現出不同的特征。由圖1b看出，1 km以下的近地面偏差最小，1～4 km，以負偏差為主，即微波輻射計氣溫大于探空，且在2.5 km的高度層，負值達到最大為3.1 ℃。3.5 km以上，探空氣溫開始大于微波輻射計氣溫，尤其在4.5 km以上，隨著高度的上升，氣溫正偏差逐漸增大。同樣，在整個對比高度層，L波段探空與微波輻射計氣溫之間的偏差標準差在中低層較小，即二者氣溫偏差在中低層表現出較為穩定的特征，隨著高度的上升，二者的氣溫差異波動較大。偏差的這種分布主要是因為微波輻射計在低層的廓線信息來自于直接探測，而相對高層的溫度廓線信息是來自于神經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。

圖1 L波段探空與微波輻射計氣溫的對比（a）相關系數，（b）差值平均值和差值標準差Fig. 1 Temperature comparison of L band and microwave radiometer(a) correlation coefficient, (b) bias and standard deviation

2.1.2 不同時次氣溫偏差的分布特征

在不同高度，08時和20時相關系數均在0.77以上（圖2a），其隨高度的變化呈現階梯形特點，反映出不同高度微波輻射計反演氣溫與L波段探空的相似程度存在差異。4.5 km以下，兩個時次氣溫相關性相似，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。

總的來看，08時微波輻射計反演氣溫與探空氣溫的偏差較20時小（圖2b），雖然兩個時次的差值隨高度的分布形式相似，即4 km以下，水汽相對集中的高度層，以負偏差為主，最大在2.5 km，微波輻射計的氣溫偏高3 ℃，但4 km以上08時的偏差普遍小于20時，每個高度層平均偏低0.7 ℃。而20時的偏差變化在整個高度層的穩定性要優于08時，尤其是在高層（圖2c）。

2.1.3 不同天氣條件下氣溫偏差特征

圖2 08時和20時L波段探空與微波輻射計氣溫對比（a）相關系數，（b）差值平均值，（c）差值標準差Fig. 2 Temperature comparison of L band and Microwave radiometer in 08:00 BT and 20:00 BT(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

在三種天氣狀況下，從兩個設備測量氣溫的相關系數分布可以看出（圖3a），4 km以下，相關系數相差不大，均在0.8以上，尤其是2 km以下，相關系數基本大于0.9，即任何天氣條件下，微波輻射計反演氣溫與L波段探空觀測氣溫值在低層相關性較好。但在4.5～10 km高度層，降雨天氣對微波輻射計氣溫探測影響較大，尤其在4.5～5.3 km，相關系數有個突降的過程，在5.3 km高度時僅為0.61，之后隨著高度緩慢增加，但仍明顯比非降雨時的相關性差。

從差值平均值圖上（圖3b）不難發現，有云和晴空時，在整個探測高度上，二者氣溫的差值平均值分布趨勢與圖1b類似，即在4.5 km以下時，差值絕對值基本在3 ℃以內，之后隨著高度的上升差值緩慢增加。值得注意的是，在整個探測高度區間，晴空天氣下的差值基本小于有云天氣，即晴空時微波輻射計反演氣溫要優于有云時的天氣。然而，在降雨天氣下，差值隨高度的分布與非降雨時不同，即在水汽較為集中的中低層，微波輻射計反演氣溫明顯偏大，尤其在2 km附近，二者差值達到6.2 ℃，雖然之后隨高度上升，差值逐漸變小，但在整個探測高度上，微波輻射計氣溫均比L波段探空測量值偏大。在近地面和低空，微波輻射計與探空觀測的氣溫差值在三種天氣條件下均有較為穩定的表現（圖3c），而在4 km以上，降雨天氣狀況下兩種觀測設備測量的氣溫差值穩定性要比非降雨天氣時的差。

圖3 不同天氣條件下L波段探空與微波輻射計氣溫對比（a）相關系數，（b）差值平均值，（c）差值標準差Fig. 3 Temperature comparison of L band and microwave radiometer in different weather conditions(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

總之，降雨會對微波輻射計探測氣溫精度產生影響（尤其在低空），這主要是由于降雨時，水汽附著在微波輻射計的天線罩上，對信號的接收產生影響，導致其亮溫測量值偏高，造成雨天的探測失真較為明顯。

2.2 相對濕度

2.2.1 相對濕度偏差

圖4 為L波段探空與微波輻射計相對濕度廓線的相關系數、差值平均值和差值標準差。從二者的相關系數圖（圖4a）可以發現，兩種觀測資料的相對濕度相關性表現出極高的正相關，尤其是在4.7～7 km，相關系數均在0.98以上。從圖4b可知，L波段探空與微波輻射計相對濕度的偏差基本在±3%以內。5.5 km以下，以負偏差為主，即微波輻射計反演相對濕度偏大，尤其在2 km附近，有個負偏差的大值區（-3.1%）。而5.5 km以上，二者的偏差較小，大部分在1%以內。

圖4 L波段探空與微波輻射計相對濕度的對比（a）相關系數，（b）差值平均值和差值標準差Fig. 4 Relative humidity comparison of L band and microwave radiometer(a) correlation coefficient, (b) bias and standard deviation

就整個探測高度而言，在濕度較大的低空，微波輻射計相對濕度偏濕較明顯，這可能是由于微波輻射計在濕度較大時，其水汽廓線的反演精度問題所致，又或許是L波段探空儀在濕度較大時所表現出的過飽和未能及時恢復的濕度性能問題。

2.2.2 不同時次相對濕度偏差的分布特征

圖5 是微波輻射計相對濕度與探空相對濕度在08時和20時統計量隨高度的變化情況。兩個時次在2 km以下的相關系數隨高度呈遞減趨勢，且20時的相關性高于08時。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。5 km以上，兩時次相關系數隨高度變化基本相同，均呈減小趨勢。

2.2.3 不同天氣條件下相對濕度偏差的分布特征

在晴空和有云天氣下，微波輻射計相對濕度與探空的相關性較好（圖6a），整個探測高度，相關系數維持在0.9附近，在2～5 km，二者的相關系數達到0.98。而降雨天氣時，微波輻射計相對濕度與探空相對濕度的相關性有不同表現，以5 km高度為分界，5 km以上與非降雨時相似，相關性較高，而5 km以下，即在水汽較為集中的中低層，二者的相關性相對較低，1.5 km和3 km高度上尤為突出，相關系數僅有0.36。

圖5 08時和20時L波段探空與微波輻射計相對濕度的對比（a）相關系數，（b）差值平均值，（c）差值標準差Fig. 5 Relative humidity comparison of L band and microwave radiometer in 08:00 BT and 20:00 BT(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

整體而言，微波輻射計與探空測量的相對濕度的偏差，晴空時最小（圖6b），整層平均偏差僅有0.09%，降雨天氣次之，有云時的偏差相對較大。降雨時，在3.75～5.5 km，負偏差較大，最大為5.5%，即微波輻射計相對濕度在此高度層上，偏濕較明顯。雖然降雨天氣時，微波輻射計的總體偏差小于有云天氣，但其偏差的整層變化較大，這種不穩定性也可以從偏差標準差的分布能夠明顯看出（圖6c）。

由以上分析發現，降雨天氣對微波輻射計相對濕度值的反演影響較大，尤其是5.5 km以下，偏差明顯大于非降雨天氣，而晴空時，效果最好。

3 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同址L波段探空氣溫、相對濕度兩個要素進行統計分析，得出如下結論：

1）微波輻射計與探空測得氣溫在整個探測高度上均為顯著正相關，且低層相關性高于高層。不同時次，氣溫相關性隨高度的變化趨勢相似，但在5 km以上的高度，20時相關性高于08時。

圖6 不同天氣條件下L波段探空與微波輻射計相對濕度的對比（a）相關系數，（b）差值平均值，（c）差值標準差Fig. 6 Relative humidity comparison of L band and microwave radiometer in different weather conditions(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

2）降雨天氣對微波輻射計氣溫探測影響較大，在整個探測高度區間，晴空天氣下的氣溫偏差最小，即晴空時微波輻射計反演氣溫較其他天氣更準確，且在水汽相對集中的低空區域，微波輻射計探測氣溫高于探空氣溫，尤其是有降雨時，這種偏差更大。

3）兩種探測設備相對濕度的相關性稍高于氣溫，且高值區在5～7 km，相關系數達0.98；不同高度層上相對濕度平均偏差趨勢不同，在中低層與氣溫偏差相似，即以負偏差為主。

4）降雨時，在中低層相對濕度相關性遠遠低于非降雨。三種天氣狀況下，晴空時相對濕度的偏差最小，降雨天氣時的負偏差大值區在4～5 km的高度區間上。