MP-3000 型地基微波辐射计探测性能分析

周晨，张军，乔贺

（1.江苏省气象局，江苏 南京 210008；2.南京市气象探测中心；3.江苏省气象探测中心，江苏 南京 210008）

探空是测量大气温度、气压、风和水汽等廓线的最基本方法，但在测量精度、费用以及时间连续性等方面存在诸多局限性。随着气象服务领域的扩展，气象业务越来越需要时空密度更大、实时性更强的探空资料，但是目前我国气象探空站仍然以传统的定时、定点的氢气球探空为主，这种观测方式所获得的探空资料具有较高的代表性和可信度，但是由于气球漂移存在误差，同时，因为存在单次探空成本相对较高和单次探测时间持续较长等不足，无法24h 连续获得探空数据。地基微波辐射计是一种新型被动遥感探测设备，具有高时间、空间分辨率、高灵敏度特点，能够实现全天候实时测量和无人值守工作。Ware 等对微波辐射计和探空资料进行了对比，指出在数值预报中微波辐射计与探空资料具有同等的准确性。刘红燕等分析讨论了微波辐射计、无线电探空和GPSMET 三种测量水汽技术间的差异，得出各个小时水汽与温度的相关系数都按照秋、春、冬、夏的顺序递减的结论。为此，本文利用2016 年南京微波辐射计和同址探空站探测资料，开展了MP-3000 型地基微波辐射计探测资料与该站探空站资料的对比分析研究。

1 仪器与资料

探空观测采用L 波段高空气象探测系统。每日探测2 次，探测时间为07 时和19 时(北京时)，采集0 ～30000m 资料，获得连续各个高度的气压、温度、露点温度、相对湿度等。

MP-3000A 型地基微波辐射计是由美国Radiometrics公司研发的一种35 通道微波辐射计，该辐射计具有51 ～59GHz（K 波段）和22 ～30GHz（V 波段）两种波段，通过测量大气辐射来反演0 ～10000m 的大气温度、相对湿度、水汽和液态水含量。

研究使用的布设在南京探空站的MP-3000A 型地基微波辐射计。探空时间为每天07:15 开始，球炸结束；19:15 开始，球炸结束。利用微波辐射计在该时间段内每1min 值的平均来代表08 时和20 时的温度、湿度、水汽密度的探测值，因MP-3000A 型微波辐射计只在58 个固定高度层上有数据，从探空数据中选取与之最为接近的高度上的数据进行对比分析。2016 年，全年除去设备故障及维护时间外，逐日08 时和20 时58 层高度两者观测温度、湿度数据样本均为39788 组。

2 结果分析

2.1 温度

58 层高度39788 组温度具有很好的相关性。微波辐射计与探空测量温度年相关系数为0.98，年线性拟合率为0.99，四季的相关系数分别为：0.98、0.98、0.99 和0.96，四季的线性拟合率分别为0.99、1.00、0.99 和0.99，年和四季均达到0.01 显著性水平，表明微波辐射计探测的温度垂直分布稳定而准确。图1 为微波辐射计与探空探测四季温度垂直分布廓线，四季两种方法得到的温度都表现为随高度的增加一致递减变化。

春季，地面～2250 米微波辐射计与探空测得的温度偏差为正偏差，偏差为0.0 ～2.6 ℃；2500 ～10000 米微波辐射计与探空测得的温度偏差为负偏差，偏差为-0.1～-7.0℃。

夏季，地面～600 米微波辐射计与探空测得的温度偏差为正偏差，偏差为0.0 ～2.4℃；700 ～10000 米微波辐射计与探空测得的温度偏差为负偏差，偏差为-0.1 ～-5.9℃。

秋季，地面～2500 米微波辐射计与探空测得的温度偏差为正偏差，偏差为0.0 ～2.7℃；2750 ～10000 米微波辐射计与探空测得的温度偏差为负偏差，偏差为-0.4 ～-9.5℃。

冬季，地面～2500 米微波辐射计与探空测得的温度偏差为正偏差，偏差为0.0 ～3.0 ℃；2750 ～10000米微波辐射计与探空测得的温度偏差为负偏差，偏差为-0.1 ～-6.9℃。夏季的微波辐射计测量的温度值与探空偏差最小。

图1 四季微波辐射计(实线)和探空(点线)探测温度廓线及微波辐射计与探空温度之差(虚线)

2.2 相对湿度

微波辐射计与探空测量的相对湿度相关系数为0.60；四季的线性拟合率分别为0.90、0.63、0.22 和0.68，均达到0.01 显著性水平。图2 为微波辐射计与探空测量的四季相对湿度垂直分布廓线。

春季，微波辐射计测量相对湿度最大值为66.1%，出现在3000 米附近，8500 ～9500 米相对湿度偏差较大约为15%～19%。

夏季，微波辐射计测量相对湿度最大值为91.4%，出现在3250 米附近，2750 ～4750 米相对湿度偏差较大约为21%～36.6%。

秋季，3250 ～6750 米相对湿度偏差较大约为14.4%～30.6%。

冬季，3500 ～6500 米相对湿度偏差较大约为10.7%～14.3%。

图2 四季微波辐射计(实线)和探空(点线)探测的相对湿度廓线及微波辐射计与探空相对湿度之差(虚线)

5 结语

（1）微波辐射计及探空两者测量的温度及其随高度的变化趋势较一致，均表现为随高度的增加而递减，且四季差异不大，两者温度年相关系数为0.98，年线性拟合率为0.99。

（2）微波辐射计测量相对湿度，除春季外，基本在3000 ～7000m 与探空的偏差较大，约在15.8%～36.6%间浮动。

（3）微波辐射计能够提供定点、连续、高时间密度的探空数据，同时能提供较为直观的物理量廓线图，但是神经网络算法需要用长时间序列的当地的探空数据资料进行订正，不断修正和完善，以提高其探测的准确性。