國產(chǎn)微波輻射計(jì)性能分析

梁春旺，賈秋蘭，2，張可嘉，韓翔洋

(1.邢臺(tái)市氣象局，邢臺(tái) 054000；2.中國氣象局邢臺(tái)大氣環(huán)境野外科學(xué)試驗(yàn)基地，邢臺(tái) 054000；3.辛集市氣象局，辛集 052360)

0 引言

微波輻射計(jì)能夠接收大氣中一定波段的微波輻射探測溫度、相對濕度、水汽密度及液態(tài)水的垂直分布廓線，具有可連續(xù)觀測、時(shí)間分辨力高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)高空探測時(shí)間分辨力不高、觀測成本高的不足。常規(guī)高空探測每天08：00，20：00兩次規(guī)定時(shí)間的觀測，已經(jīng)不能滿足研究與業(yè)務(wù)工作的需要，伴隨科技的發(fā)展，微波輻射計(jì)在多個(gè)領(lǐng)域[1-14]得到廣泛應(yīng)用。

MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)是一種新型大氣探測儀器，是專為氣象觀測和人工影響天氣探測而研制的精密遙感探空儀器，可以實(shí)時(shí)連續(xù)地提供從地面到垂直10 km上空高分辨力的大氣溫度、濕度以及云液態(tài)水廓線。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文章使用的2019—2020年常規(guī)高空氣象探測資料源于邢臺(tái)市氣象站(114°21′E；37°10′N)；MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)[15]資料來源于同站址(114°21′E；37°10′N)的中國氣象局邢臺(tái)大氣環(huán)境野外科學(xué)試驗(yàn)基地。

1.2 數(shù)據(jù)處理

MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)可以實(shí)時(shí)連續(xù)地提供0～10 km的58層要素廓線數(shù)據(jù)。廓線的空間垂直分辨力500 m以下為50 m，500 m～2 km為100 m，2 km 以上為250 m。選取08：00和20：00垂直分辨力為50 m的常規(guī)高空氣象探測數(shù)據(jù)，插值到微波輻射計(jì)的58層探測高度，高空探測到達(dá)10 km需要30 min左右，取高空探測30 min內(nèi)所有微波數(shù)據(jù)的平均值與探空數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性分析[16]。

文章在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，為了避免微波輻射計(jì)天線罩受雨滴的影響造成數(shù)據(jù)失真，在篩選數(shù)據(jù)時(shí)剔除了探測當(dāng)天有降水的微波數(shù)據(jù)，晴天數(shù)據(jù)篩選條件為云量觀測時(shí)，總云量、低云量為0/0。

1.3 評(píng)估方法

微波輻射計(jì)資料和高空探測資料通過系統(tǒng)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相關(guān)系數(shù)驗(yàn)證了MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)的距地0～10 km 的58個(gè)高度層的溫度、濕度數(shù)據(jù)的可靠性[17-21]。

(1)

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2 結(jié)果與分析

2.1 總體分析評(píng)估

為了更直觀地反映微波輻射計(jì)與常規(guī)高空探測的差異情況，將MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)反演的溫度和相對濕度與探空所有的數(shù)據(jù)繪制成溫度、相對濕度廓線圖(圖1)。

圖1 2019年1月—12月邢臺(tái)市氣象站L波段探空雷達(dá)與微波輻射計(jì)溫度、相對濕度廓線對比圖(a)08：00；(b)20：00

由圖1可以看出：對于溫度值微波輻射計(jì)在08：00和20：00均偏小于高空探測，不同高度上的溫度差隨高度逐漸增大；相對濕度值則是微波輻射計(jì)大于高空探測值，0.1 km時(shí)偏差值最小，3000～4000 m差值增大后又開始減小，6500～8000 m差值又開始增大，但兩種探測資料總體趨勢一致。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是：1)數(shù)據(jù)的選取存在差異，微波輻射計(jì)使用的是高空探測30 min時(shí)間段的平均數(shù)據(jù)，與實(shí)際值存在差異；2)氣球的高空漂移也會(huì)產(chǎn)生一定影響，微波輻射計(jì)是定點(diǎn)觀測垂直方向的要素值，探空氣球隨著高空風(fēng)的增大漂移距離也會(huì)加大，這種情況也會(huì)造成兩種探測結(jié)果的差異。

2.2 不同季節(jié)的性能分析

將微波輻射計(jì)與常規(guī)高空探測1 a(2019年)的數(shù)據(jù)按照春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)分成4組數(shù)據(jù)，分別計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差、相關(guān)系數(shù)和系統(tǒng)誤差。下面將對結(jié)果進(jìn)行分析討論：

1)從溫度、相對濕度相關(guān)系數(shù)對比圖2(a)和圖2(b)可以看出：溫度相關(guān)性好于相對濕度，整體隨高度升高而減小，最大值在地面，最小值在10 km，溫度相關(guān)性在春季最好，冬季最差；2000 m以下溫度相關(guān)系數(shù)在夏季最小；相對濕度相關(guān)性要差于溫度相關(guān)性，冬季在1000 m以下最差，1500～4000 m相關(guān)系數(shù)最好。

2)溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差秋季和春季趨勢一致(圖2c、圖2d)，4000 m以下隨高度升高而減小，4000～8000 m隨高度升高而增大，8000～10，000 m隨高度升高而減小，夏季整體呈現(xiàn)隨高度升高而增大，冬季0～2000 m隨高度升高而升高，2000～10，000 m隨高度升高而減小，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差四季維持在0.9～7.3 ℃，相對濕度標(biāo)準(zhǔn)偏差四季均維持在12%～24%。

圖2 2019年不同季節(jié)L波段探空雷達(dá)與微波輻射計(jì)溫度、相對濕度相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差、系統(tǒng)誤差圖

圖2(e)和圖2(f)為溫度、相對濕度系統(tǒng)誤差圖，溫度系統(tǒng)誤差范圍為-2.5～2.5 ℃，2000～8000 m系統(tǒng)誤差維持在-1～1 ℃；相對濕度的系統(tǒng)誤差在-5%～21%。

2.3 不同天氣條件下微波輻射計(jì)的性能分析

按照天氣條件，篩選出雨天數(shù)據(jù)16組，晴天數(shù)據(jù)30組。

分析發(fā)現(xiàn)：晴空天氣條件下，溫度和相對濕度的相關(guān)系數(shù)為0.997～0.744和0.994～0.156，溫度的相關(guān)系數(shù)隨高度升高而減小，地面0.997最高，10 km處最低0.744；相對濕度的相關(guān)系數(shù)地面最大，0～2 km相關(guān)系數(shù)在0.8以上，0～0.4 km隨高度升高而減小，0.45～0.8 km，0.8～3.25 km和4.5～5.5 km隨高度升高而增大，相關(guān)性最小出現(xiàn)在10 km；雨天天氣條件下，溫度的相關(guān)性最高出現(xiàn)在地面0.983，最低出現(xiàn)在10 km處，相對濕度的相關(guān)系數(shù)最大出現(xiàn)在地面，最小出現(xiàn)在5.25 km處，為-0.072，0.3～3.0 km隨高度的升高而增大，3.0～5.25 km隨高度的升高而減小。

溫度在晴天和雨天的系統(tǒng)誤差相差不大，整體維持在-3.0～5.0 ℃，晴天時(shí)相對濕度系統(tǒng)誤差0.0～2.5 km處在10%以內(nèi)，0.1 km處最小為0%，最大在10 km，雨天相對濕度系統(tǒng)誤差最小值在4.5 km，最小值為4%，2.75～4.75 km維持在10%之內(nèi)，最大值為52%，出現(xiàn)在10 km處。

對于標(biāo)準(zhǔn)偏差值，0.0～6.75 km晴空條件下溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差值大，6.75～10 km雨天溫度標(biāo)準(zhǔn)差值大；相對濕度標(biāo)準(zhǔn)偏差0.0～2.0 km晴空天氣條件下差值偏大，2.0～10 km雨天相對濕度標(biāo)準(zhǔn)偏差值偏大。

2.4 霧霾天氣下溫度、相對濕度對比

根據(jù)邢臺(tái)市環(huán)保局監(jiān)測站點(diǎn)監(jiān)測的污染物濃度，2019-01-10—2019-01-14污染物濃度連續(xù)達(dá)到200 mg/m3，為連續(xù)重污染天氣過程。比較重污染期間溫度、相對濕度的數(shù)據(jù)可靠性(圖3)。

從圖3可以看出：溫度和相對濕度在污染天氣下，微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)與高空探測數(shù)據(jù)兩種資料的變化趨勢一致；兩種資料的溫度廓線近地層都出現(xiàn)了逆溫層，1500 m以下高空溫度大于微波輻射計(jì)溫度，尤其是逆溫強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，微波輻射計(jì)反演的溫度數(shù)據(jù)比高空探測數(shù)據(jù)小3.0 ℃；1500 m以上微波輻射計(jì)溫度大于高空探測溫度，微波輻射計(jì)溫度整體偏大。

圖3 2019-01-10—2019-01-14邢臺(tái)市氣象站L波段探空雷達(dá)與微波輻射計(jì)溫度、相對濕度廓線對比圖

3 結(jié)束語

通過對常規(guī)高空探測資料與國產(chǎn)地基多通道微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結(jié)論：

1)對于溫度值微波輻射計(jì)在08：00和20：00均偏小于高空探測值，不同高度上的溫度差隨高度逐漸增大。相對濕度值則是微波輻射計(jì)大于高空探測值，但兩種探測資料總體趨勢一致。

2)通過比較四季的相關(guān)系數(shù)、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差和系統(tǒng)誤差，發(fā)現(xiàn)廓線差異在季節(jié)變化中比較復(fù)雜多變，但在某些高度處，仍有規(guī)律存在且溫度整體表現(xiàn)要好于相對濕度。

3)高空測量的溫度與地基微波輻射計(jì)測量的溫度相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差、系統(tǒng)誤差在晴天與雨天的差異不大；相對濕度的相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差和系統(tǒng)誤差在晴天的表現(xiàn)要好于雨天。

4)微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)與探空探測數(shù)據(jù)趨勢一致，尤其在有逆溫的情況下，能較好地反映逆溫層，對于霧霾天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要意義。