QFW-6000微波辐射计福州冬季反演误差分析

岳增祥 刘萱 任雍 陈后财 海阿静

（1.中国电波传播研究所 山东省青岛市 266107 2.福建省大气探测技术保障中心 福建省福州市 350028）

探空是目前常用的大气参数垂直廓线探测手段[1]，由于探空是真实测量各高度的气象参数，因此探空数据测量的大气参数垂直廓线数据真实可靠，但是在时效性和地域性有一定的局限[2]。

中国电子科技集团公司第二十二研究所设计研发的QFW-6000型微波辐射计通过接收K/V 波段微波通道大气微波辐射信号，计算得到亮温数据，结合地面气象数据及本地化区域模式算法实现0～10km 高度大气辐射亮温、温湿度廓线、VL 的长期、自动、连续监测。可实时监测大气的结构参数及其演变过程，实现对中尺度强天气系统大气层结的监测和预警、短时临近天气预报[3]、云物理特征的监测和人工影响天气科研及业务的应用[4]、雾霾天气等边界层大气环境质量的监测。

目前对微波辐射计的数据准确性及其应用已经有了较多的研究，刘红燕[5]、徐桂荣[6]等分别对微波辐射计与探空、GPS/MET在水汽廓线、温湿度廓线、可降水量等气象要素进行了分析对比，张文刚[7]雷恒池[8]等分析微波辐射计测量的液态水和水汽含量，提出微波辐射计能够应用于人工影响天气及降雨短临预报中。

本文以2016年12月福州地区的微波辐射计实测数据为例，分析了一个月内微波辐射计的测量结果，为微波辐射计资料在气象应用中提供一定的参考。

1 资料与方法

选取2016年12月1日至31日共61 次探空数据与对应时段6000 型微波辐射计实测数据进行均方根误差比对。同时，对一次降水过程（2016年12月21日至22日）分析微波辐射计对实时天气的反应情况。

在分析中，使用探空值为真值，将对流层的温度廓线和湿度廓线进行均方根误差统计，在分析中按逐高度层进行统计，即对廓线每个高度层内的所有探空时次进行均方根误差统计。该方法可得到各个高度上的误差，便于分析辐射计测量误差随高度的变化特征。

图1：微波辐射计实测(左)与探空实测(右)结果对比

图2：积分水汽含量(左)、积分液态水含量(右)实测与探空计算图

其中，i 为高度层，j 为第j 次探空，RMS(i)为高度层i 上的均方根误差，fsj(i,j)为高度层i 上第j 次探空的辐射计的实测值，tk(i,j)为高度层i 上第j 次探空的探空真值，n 为探空总次数。

图3：微波辐射计与探空数据的均方根误差

图4：微波辐射计实测结果

2 微波辐射计与L波段探空数据对比

探空时段辐射计与探空实测的温度廓线、湿度廓线、水汽密度廓线、VL 含量的时空演变图分别如图1、图2所示。图1 左侧为辐射计实测，右侧为探空实测，横轴为第n 次探空，纵轴为探测高度，由图可知，微波辐射计的测量结果与探空结果一致性良好。

将探空时段辐射计与探空各高度层（53 层）的数据均方根误差进行统计，结果如图3所示。温度的均方根误差在0.3℃～2.2℃之间，误差的最小值出现在200m 处，最大值出现在7km 左右，7km以下为波动增加的趋势。相对湿度的均方根误差在2.5%～12.5%之间波动，误差由地面至1.6km 呈逐渐增加的趋势，在1.6km 出现最大值，并在7km 处出现了极大值约8%。水汽密度的均方根误差在0.2g/m3～1.3g/m3之间波动，最大值出现在1.8Km 左右，并在2km左右出现了一个极小值。

计算两种资料的相关系数，发现08 时和20 时两种资料温度的相关系数分别为0.994 和0.996，水汽密度的相关系数分别为0.978和0.977，相对湿度的相关系数分别为0.743 和0.700，且均通过了置信度为0.01 的显著性检验，说明两种资料的垂直分布变化趋势较为一致，其中温度和水汽密度廓线的一致性明显优于相对湿度的。

3 降水前水汽总含量与液态水总含量随时间的演变特征

选取2016年12月21日至22日的微波辐射计数据进行降水个例分析。图4 为48 小时的微波辐射计实测的VL、温湿度廓线、水汽密度廓线随时空变化的分布图，横轴为时间序列。

由图4 知，21日0 时至16 时，大气的温度和水汽含量变化较为平稳，随后V 和L 出现小幅度的起伏。在降水开始前3～4h，地面温度有一个下降的过程，0°层高度约4500m 左右，-20℃层在8000 米左右，符合暴雨发生的环境空气温度条件。相对湿度和水汽密度在降水前呈增大趋势，低层水汽被上升气流向上传输，低层暖湿气流的输送使大气中低层湿度临近降水时增大并接近饱和，这种结构有利于降水的形成。

16 时10 分左右，测站上方水汽快速聚集，V 和L 分别达到极值。大气中低层水汽含量趋于饱和，17 时10 分左右，5500m 以下的大气整层湿度含量较高，水汽充足，17：40 左右，降水形成，直至22日中午，降水结束。

4 结论

（1）微波辐射计反演的产品数据与L 波段探空数据虽有所差异，但总体来说一致性较好，可靠性较强。微波辐射计可应用于日常业务工作和科研中。

（2）在降水过程中，微波辐射计与降水过程天气变化形势一致性较好，且在降雨前2h 左右，积分水汽、液态水总含量会大幅增加，说明降水云系正在发展，可作为降水预警的有效参考，对降水的良好指示可应用于人工增雨作业条件的识别，有利于增加降水量或加速降水的到来。