杭州地區地基微波輻射計反演水汽特征的比對分析

王志誠 張東明 王聆勤 王明明 王 晗 章 煥

(浙江省大氣探測技術保障中心，浙江 杭州 310000)

0 引 言

雖然水汽在大氣中僅占0.1%～3%,但水汽是大氣中最為活躍的成分,在天氣變化、氣候演變、環境變化中起著非常重要的作用[1-2]。水汽是大氣重要的物理參量,在很大程度上決定著大氣熱力過程[1]。準確且及時的大氣濕度觀測數據對研究長期氣候變化、中短期數值預報、人工影響天氣等具有重要的意義[3-4]。

為了更加全面地認識大氣水汽分布及輸送情況,獲取更高時空分辨率的水汽觀測數據,現階段主要采用常規探空[5]、GPS/MET遙感[6]、地基微波輻射計[7]、激光雷達[8]和衛星遙感[9]等水汽觀測方法。自20世紀80年代開始，地基微波輻射計(以下簡稱微波輻射計)被廣泛應用于氣象領域,不僅彌補了星載微波輻射計低空垂直分辨率的不足,也降低了昂貴的研發及運維成本[10]?，F階段對微波輻射計水汽探測方面的研究主要集中在對某種或者某些型號微波輻射計在不同時間段、不同季節、不同天氣條件下的對比分析[11-13]，以及算法改善方面的研究[14]。

為深入了解杭州地區水汽時空變化特征,對杭州微波輻射計做出水汽探測性能的分析,本文以探空數據為主要參考,輔助以地面自動站觀測數據,對杭州微波輻射計水汽密度及水汽總量兩個主要產品2 a的資料進行分析,為微波輻射計在浙江的設備推廣應用和業務化推動提供參考。

1 數據及分析方法

1.1 資料來源

本文資料來源于美國Radiometrics公司研發的MP-3000A型地基微波輻射計2018年7月—2020年6月反演的杭州地區溫度廓線、濕度廓線和水汽總量二級產品數據。探空溫濕廓線數據來源于杭州高空觀測站,探空數據與微波輻射計數據同址同期。

MP-3000A型微波輻射計通過接收大氣微波輻射亮溫,利用相應的反演方法將亮溫反演得到大氣溫濕廓線,可實現24 h無人值守、高時間分辨率的連續觀測,是對常規探空業務的重要補充,在數值預報、暴雨天氣分析、短臨預警等方面有重要的應用價值[15-16]。MP-3000A型微波輻射計使用全功率接收機,通過依次改變接收機本振頻率實現多個頻帶亮溫的測量(變頻22通道串行測量)。該微波輻射計探測高度為0～10 km,分為58層,越靠近地面垂直分辨率越高[17-18]。表1為微波輻射計主要性能參數。

表1 微波輻射計主要性能參數

地面自動站數據取自與探空站同址同期的杭州站地面整點氣溫、小時累計降水量和相對濕度等數據。

1.2 探空計算水汽方法

探空數據僅提供高空溫度和相對濕度廓線信息,并不直接提供大氣水汽密度廓線。本文在分析大氣水汽密度的過程中，需要通過溫濕廓線計算得到大氣水汽密度廓線,主要計算過程如下[19]:

(1)

(2)

(3)

其中,Ew是飽和水汽壓(單位：hPa);T0是三相點溫度(單位：K)，T0=273.16 K;T是絕對溫度(單位：K);e是實際水汽壓(單位：hPa);U是相對濕度(單位：%);a是水汽密度(單位：g/m3)。

計算求得水汽密度廓線后,將各個高度上的水汽密度求和，即可得到該探空時次的水汽總量(單位：mm)。本文中微波輻射計水汽總量是通過對直接反演得到的水汽密度廓線根據高度求和獲得的。

1.3 樣本分類方法

一天有兩個時次(07時15分及19時15分,加密除外)的探空數據。為與探空數據相一致,微波輻射計數據也取每日07時15分及19時15分兩個時次的觀測數據。地面自動站數據取小時整點數據。本文將所有樣本分為晴天、云天及陰雨3類,以探空放球時天空總云量及降水情況為主要判別依據,詳見表2。

染病后枝、干、根木質部變為褐色，病菌產生的毒素使葉片表皮與葉肉分離，氣孔失去控制機能，空隙中充滿空氣。發病往往先在一個枝上出現癥狀，以后增多。嚴重時木質部變色，葉片小，根部腐朽，2-3年后會死亡。

表2 總云量及降水情況與樣本分類及樣本量統計表

1.4 比對方法及檢驗標準

通過比對探空與微波輻射計的溫濕廓線時序圖,分析杭州地區微波輻射計在不同天氣條件下水汽的整體表現。以探空觀測值為參考,統計微波輻射計水汽密度和水汽總量的平均偏差和均方根誤差并分析原因。通過分析在不同天氣過程中杭州地區水汽的變化特征,分析微波輻射計在不同天氣條件下水汽觀測的準確性。主要計算公式如下[13，18]:

(4)

(5)

(6)

2 微波輻射計探測性能分析

圖1為探空和微波輻射計(MWR)溫度、水汽密度廓線時序分布。圖a1、圖a2為陰雨標志,黑色線柱意味著該時次云量為10成或者有降雨出現。從圖1可以看出,微波輻射計溫度和水汽密度隨時間的變化趨勢和在空間上的垂直分布基本與探空的保持一致,能基本體現杭州地區溫度和水汽的季節分布和垂直分布。但由于陰雨天氣(主要是云和雨)的影響，微波輻射計的觀測較探空觀測存在較大的誤差。有云出現時微波輻射計在5000 m左右出現高濕層,而探空觀測表現不明顯,主要是由于微波輻射計僅通過紅外溫度反演云高,對云的垂直信息及內部結構把握不足,導致水汽通道亮溫觀測出現偏差。降水發生時微波輻射計的溫度和水汽密度觀測會呈現明顯偏高的特點,主要是天線罩附著水層對微波信號的影響造成雨天探測失真。

圖1 探空和微波輻射計(MWR)溫度、水汽密度廓線時序分布(a1、a2.陰雨標志、b1.探空溫度廓線時序、c1.探空水汽密度廓線時序、b2.微波輻射計溫度廓線時序、c2.微波輻射計水汽密度廓線時序)

2.1 水汽密度

圖2為探空和微波輻射計水汽密度散點擬合。從散點圖可知,在晴天和云天(圖2a、圖2b)條件下微波輻射計與探空水汽密度散點吻合度較高;在陰雨條件下吻合度相對較低,散點相對離散(圖2c)。探空與微波輻射計在晴天、云天及陰雨天3類樣本中的相關系數分別是0.8610、0.8411和0.8237(均達到0.01顯著性檢驗水平),在晴天和云天的相關系數大于在陰雨天的相關系數。

圖2 探空和微波輻射計水汽密度散點擬合(a.晴天樣本、b.云天樣本、c.陰雨天樣本)

從探空與微波輻射計水汽密度廓線誤差統計可知,在平均偏差方面(圖3a),微波輻射計在晴天和云天條件下誤差不大,均為負偏差,幅度在2 g/m3以內;在陰雨條件下為正偏差,在0～4 km高度范圍偏差隨高度遞增,在4 km左右達到最大偏差(3.8 g/m3)后隨高度遞減。在均方根誤差方面(圖3b),在晴天條件下均方根誤差隨高度遞減。在近地面0～5 km高度范圍誤差較大,在5 km以上誤差基本趨于0,這主要是由于大氣約90%的水汽集中在500 hPa(中緯度地區約5 km)以下,水汽密度處于大值區且日變化較為明顯。在5 km以上水汽密度較低,且隨高度呈現指數型遞減,水汽密度在10 km左右處基本為0。在有云或者降水出現時,微波輻射計水汽密度均方根誤差增大明顯,特別是在陰雨天,微波輻射計的水汽密度最大誤差達到6.5 g/m3。這主要是因為,一方面高層水汽有所增加,特別是當夏季對流天氣發生時,大量水汽將涌向高空,大氣的吸收系數發生較大變化;另一方面當云雨發生時,微波輻射計對云的探測能力有限,紅外傳感器僅能觀測到云底高度,對云的垂直結構及云參量掌握不足,無法準確獲取大氣下行輻射亮溫,導致反演過程出現較大偏差。

圖3 微波輻射計水汽密度誤差廓線(a.平均偏差、b.均方根誤差)

2.2 水汽總量

水汽總量是大氣各個高度層水汽密度的累加,也稱為大氣可降水量。圖4為探空和微波輻射計水汽總量散點擬合。從圖4可以看出,在晴天條件下(圖4a),微波輻射計觀測的結果與探空觀測的結果比較吻合,相關系數達到0.9681。相比于探空觀測,微波輻射計觀測的均方根誤差及平均偏差分別為3.7 mm和-0.25 mm,誤差相對較小。當云量增到2～7成時(圖4b),微波輻射計較探空偏差有所增大,均方根誤差由3.7 mm增加到4.48 mm,相關系數由0.9681減小至0.9662,與水汽密度的觀測情況保持一致。當云量超過8成并出現降水時(圖4c),微波輻射計觀測的水汽總量迅速增大,與探空觀測的偏差同時加大,微波輻射計觀測值明顯高于探空觀測值,其均方根誤差與平均偏差分別為27.21 mm和10.76 mm。

圖4 探空和微波輻射計水汽總量散點擬合(a.晴天樣本、b.云天樣本、c.陰雨天樣本)

3 水汽變化特征分析

3.1 晴天情況

圖5 在晴天條件下微波輻射計水汽密度時空分布圖(a.春季、b.夏季、c.秋季、c.冬季)

圖6為在晴天條件下微波輻射計水汽總量曲線。在水汽總量方面,夏季(圖6b)最大,其他3個季節相對較小。春季(圖6a)07—14時和20—23時水汽總量相對較大,冬季(圖6d)06—11時和17—23時水汽總量相對較大。秋季(圖6c)00—07時水汽總量較小,07時以后水汽總量快速增加,09時達到最大(45 mm)后緩慢減小。夏季(圖6b)整體水汽總量處在全年較高水平,最大出現在03時(55 mm),其余時間在45 mm附近徘徊?？傮w來看,4個季節09—11時是水汽總量較多的時段。此外,無論是全天總量還是總量的小時變化,春、冬季都小于夏、秋季。

圖6 在晴天條件下微波輻射計水汽總量曲線(a.春季、b.夏季、c.秋季、c.冬季)

3.2 陰雨天情況

以2019年3月1—3日和2020年2月6—8日兩次層云降水過程為例，分析微波輻射計在持續性弱降水過程前后及過程中的水汽變化。在降水發生前,水汽密度小幅增大,在降水過程中維持在10～15 g/m3附近,在降水結束后水汽密度迅速減小。在降水發生前,水汽總量開始增大,由10 mm左右增大至降水開始時的60 mm左右,并維持水汽總量與小時降水量正相關。水汽總量一般集中在30～80 mm。

4 結 語

以探空觀測數據為參考,分析比對在不同天氣條件下杭州微波輻射計水汽密度和水汽總量的觀測性能,通過2 a的數據比對得到以下主要結論。

(1)微波輻射計水汽密度觀測結果與探空的有較好的相關性。在晴天和云天條件下，二者的相關系數分別為0.8610和0.8411,平均偏差為-0.3 g/m3和-0.4 g/m3,均方根誤差為1.2 g/m3和1.7 g/m3,微波輻射計水汽密度觀測值略低于探空的?？傮w來講,微波輻射計的觀測值能較好地表征晴天和云天的水汽密度分布情況。在水汽總量方面,在晴天和云天條件下，微波輻射計觀測結果與探空觀測結果的相關系數分別為0.9681和0.9662,平均偏差為-0.25 mm和-0.52 mm,均方根誤差分別為3.74 mm和4.78 mm,微波輻射計水汽總量同樣略低于探空的。微波輻射計對水汽密度和水汽總量的觀測結果誤差在云天均高于在晴天,誤差偏大幅度在0.5 g/m3和1 mm左右。對水汽的觀測結果在陰雨天與探空觀測結果的相關性相對較差,均方根誤差明顯加大。

(2)在晴天條件下大氣近地面2 km以下水汽密度遠高于2 km以上的,水汽密度在不同季節均呈從地面到高空10 km指數型減小。夏季的近地面水汽密度遠大于其他季節的。在水汽總量方面,夏季為40～60 mm,冬、春季為20 mm左右,秋季日變化較大,凌晨為20 mm左右,08—21時為40 mm左右。

(3)在陰雨天氣過程中,微波輻射計水汽密度和水汽總量均會在降水前緩慢增大,在降水開始時迅速增大。在層云持續性弱降水過程中，微波輻射計水汽密度一般集中在10～15 g/m3，水汽總量一般集中在30～80 mm。

微波輻射計在晴天和云天條件下可較準確地反應大氣水汽狀態,但是在陰雨天氣過程中,雖能定性反映當時的天氣狀態,但觀測誤差較大,需要與其他遙感設備協同觀測,相互驗證,提升探測能力。此外,本文由于樣本數量和參考標準的局限性,難免影響分析誤差,在今后的研究中將增加GPS/MET及其他觀測資料,豐富參考標準,并增加霧霾、暴雪、暴雨等天氣過程分析。隨著大氣遙感技術的快速發展,微波輻射計將在大氣探測領域發揮越來越重要的作用。