MP-3000A型微波辐射计气温、湿度的适用性评估

赵美艳 余君 蒋镇

（1 重庆市气象信息与技术保障中心，重庆 401147；2 重庆市丰都县气象局，丰都 408200；3 重庆市云阳县气象局，云阳 404500）

0 引言

随着气象现代化的快速推进，天气和气候相关的业务、科研对高质量和高时、空分辨率的气象探空观测资料的需求越来越迫切。无线电探空可以提供秒级时间分辨率的大气气温、湿度等要素资料，尤其是我国2000年起在全国推广使用的新一代L波段探空系统，较之前的59型探空仪的精度显著提高。然而，由于探空站需要选择合适的地理位置以及花费较高的操作和维护费用，且观测时次有限（一般一天观测2次），因此探空仪探空覆盖范围有限、时空分辨率较低，远不能满足气象业务发展的需求。

近年来，无人看守的被动式地基微波辐射计得到广泛应用。它是利用氧气在特定频率带的辐射强度测量大气中的气温分布，并通过观测来自于22.2 GHz和183 GHz处水汽谐振带水汽线压力加宽的辐射强度和形状信息得到大气中的水汽廓线信息，通过反演得到10 km以下共58层的气温、相对湿度、水汽密度和液态水等垂直廓线，时间分辨率达到分钟级别（步长＜3 min），从而获得高时空分辨率的气象探测资料，有效弥补了常规探空因探测次数较少而获取测量信息不足等缺点。然而其资料的可信度和准确性是值得关注的问题。国内外已有众多专家学者对微波辐射计资料的准确性开展了研究。姚作新等、赵玲等对比分析乌鲁木齐微波辐射计与探空观测数据，结果显示微波辐射计温湿度观测数据偏大，且误差随高度呈增大趋势。刘建忠等在对北京近郊微波辐射计反演产品进行分析时发现，微波辐射计温湿度观测在中低层和高层的误差随高度变化是不同的，且不同的季节及每日早晚误差也存在明显差异。高金辉等发现，当雨强超过一定范围时，微波辐射计测量出现饱和，致使其测量的降雨量偏差较大。周嵬等在用微波辐射计分析一次雷暴冰雹天气对流降雨云内与环境温差时发现，降雨时段的温度在底层远低于无降雨的云外温度。

重庆境内山高谷深，地形复杂，夏季高温少雨，冬季阴冷潮湿，是有名的雾都，在如此特殊的气候环境下，微波辐射计的探测精度如何？为探究重庆地区微波辐射计的探测能力，本文利用2017—2019年沙坪坝站L波段探空对同址微波辐射计反演气温和水汽数据，按照不同时次、不同天气（晴空、阴雨等）等条件进行分类对比分析，力图寻找L波段探空资料与微波辐射计资料的差异和一致性，以期为气象科研及业务使用提供依据，为指导人工影响天气确定有效作业空域等提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

本文所用探空资料为重庆沙坪坝站2017年1月—2019年12月期间每日08时和20时两个时次的L波段探空秒数据。数据比对前，对气温和相对湿度数据进行异常值检查，剔除了缺失和明显不合理的数据。

辐射计数据为与L波段探空同址同时期观测的沙坪坝地基微波辐射计数据，所用设备为美国生产的MP-3000A，它是一种新型35通道地基微波辐射计，3 min之内完成一次扫描观测，生成0～2级数据，其中第0级数据为各通道电压值，第1级数据为各通道的亮温值，而第2级数据便是业务使用的数据，即通过神经网络算法，反演输出的天顶方向、北斜20°、南斜20°及南北平均等四个方向的气温、相对湿度、水汽等廓线数据（本文分析的为天顶方向），廓线的垂直分辨率为：0～500 m间隔为50 m，500～2000 m间隔为100 m，2000～10000 m为250 m，包括地面到10 km高度共58层。

1.2 资料预处理

由于L波段探空的采样频率、垂直分辨率与微波辐射计不同，因此在对二者进行对比分析时，先将探空资料的气温和湿度数据在高度上进行重采样至微波辐射计的58层探测高度（因沙坪坝探空站海拔高度是541 m，因此500 m以下不对比）。在时间上，由于探空释放的时间一般为08时和20时，且一次过程大概持续正点前后的1 h左右，因此微波辐射计资料选取探空采样时间段内探测数据的平均值，代表08时和20时的值，与对应的探空数据进行对比分析。

1.3 方法

本文拟按不同时次（08时和20时）、不同气象条件分别对比L波段探空资料与微波辐射计资料气温、相对湿度数据之间的差异，全面评估他们的偏差情况。将全部样本分为有云（对应时段内总云量1～10成，且无降雨）、晴空（对应时段内总云量0成，且无降雨）和降雨（对应时段内任意分钟降雨量大于0）三种不同天气，分别计算L波段探空与微波辐射计资料之间气温与相对湿度的差值平均值、差值标准差和相关系数，并分析二者差异原因，其中，差值为“L波段探空值”减“微波辐射计值”。研究中所计算的相关系数均通过0.01的显著性水平检验。

2 结果分析

2.1 气温

2.1.1 气温偏差

图1 分别为探空与微波辐射计温度廓线的相关系数、差值平均值和差值标准差。从图1a可以看到，在所有层次上，L波段探空与微波辐射计气温之间的相关系数都很大，尤其是2 km以下，相关系数均在0.9以上，之后随着高度的上升，相关系数减少，5 km处最小，随后又逐渐增大。

L波段探空与微波辐射计的气温差异在不同高度表现出不同的特征。由图1b看出，1 km以下的近地面偏差最小，1～4 km，以负偏差为主，即微波辐射计气温大于探空，且在2.5 km的高度层，负值达到最大为3.1 ℃。3.5 km以上，探空气温开始大于微波辐射计气温，尤其在4.5 km以上，随着高度的上升，气温正偏差逐渐增大。同样，在整个对比高度层，L波段探空与微波辐射计气温之间的偏差标准差在中低层较小，即二者气温偏差在中低层表现出较为稳定的特征，随着高度的上升，二者的气温差异波动较大。偏差的这种分布主要是因为微波辐射计在低层的廓线信息来自于直接探测，而相对高层的温度廓线信息是来自于神经网络模型的反演所得，从而使得低空的测量精度要高于高空。

图1 L波段探空与微波辐射计气温的对比（a）相关系数，（b）差值平均值和差值标准差Fig. 1 Temperature comparison of L band and microwave radiometer(a) correlation coefficient, (b) bias and standard deviation

2.1.2 不同时次气温偏差的分布特征

在不同高度，08时和20时相关系数均在0.77以上（图2a），其随高度的变化呈现阶梯形特点，反映出不同高度微波辐射计反演气温与L波段探空的相似程度存在差异。4.5 km以下，两个时次气温相关性相似，即随高度上升相关系数呈现递减趋势，在低空的相关性较高，尤其是20时在1 km处相关系数为0.97，4 km处减为0.83。4.5 km以上，两个时次相关系数均随高度递增，但20时相对高于08时。

总的来看，08时微波辐射计反演气温与探空气温的偏差较20时小（图2b），虽然两个时次的差值随高度的分布形式相似，即4 km以下，水汽相对集中的高度层，以负偏差为主，最大在2.5 km，微波辐射计的气温偏高3 ℃，但4 km以上08时的偏差普遍小于20时，每个高度层平均偏低0.7 ℃。而20时的偏差变化在整个高度层的稳定性要优于08时，尤其是在高层（图2c）。

2.1.3 不同天气条件下气温偏差特征

图2 08时和20时L波段探空与微波辐射计气温对比（a）相关系数，（b）差值平均值，（c）差值标准差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

在三种天气状况下，从两个设备测量气温的相关系数分布可以看出（图3a），4 km以下，相关系数相差不大，均在0.8以上，尤其是2 km以下，相关系数基本大于0.9，即任何天气条件下，微波辐射计反演气温与L波段探空观测气温值在低层相关性较好。但在4.5～10 km高度层，降雨天气对微波辐射计气温探测影响较大，尤其在4.5～5.3 km，相关系数有个突降的过程，在5.3 km高度时仅为0.61，之后随着高度缓慢增加，但仍明显比非降雨时的相关性差。

从差值平均值图上（图3b）不难发现，有云和晴空时，在整个探测高度上，二者气温的差值平均值分布趋势与图1b类似，即在4.5 km以下时，差值绝对值基本在3 ℃以内，之后随着高度的上升差值缓慢增加。值得注意的是，在整个探测高度区间，晴空天气下的差值基本小于有云天气，即晴空时微波辐射计反演气温要优于有云时的天气。然而，在降雨天气下，差值随高度的分布与非降雨时不同，即在水汽较为集中的中低层，微波辐射计反演气温明显偏大，尤其在2 km附近，二者差值达到6.2 ℃，虽然之后随高度上升，差值逐渐变小，但在整个探测高度上，微波辐射计气温均比L波段探空测量值偏大。在近地面和低空，微波辐射计与探空观测的气温差值在三种天气条件下均有较为稳定的表现（图3c），而在4 km以上，降雨天气状况下两种观测设备测量的气温差值稳定性要比非降雨天气时的差。

图3 不同天气条件下L波段探空与微波辐射计气温对比（a）相关系数，（b）差值平均值，（c）差值标准差Fig. 3 Temperature comparison of L band and microwave radiometer in different weather conditions(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

总之，降雨会对微波辐射计探测气温精度产生影响（尤其在低空），这主要是由于降雨时，水汽附着在微波辐射计的天线罩上，对信号的接收产生影响，导致其亮温测量值偏高，造成雨天的探测失真较为明显。

2.2 相对湿度

2.2.1 相对湿度偏差

图4 为L波段探空与微波辐射计相对湿度廓线的相关系数、差值平均值和差值标准差。从二者的相关系数图（图4a）可以发现，两种观测资料的相对湿度相关性表现出极高的正相关，尤其是在4.7～7 km，相关系数均在0.98以上。从图4b可知，L波段探空与微波辐射计相对湿度的偏差基本在±3%以内。5.5 km以下，以负偏差为主，即微波辐射计反演相对湿度偏大，尤其在2 km附近，有个负偏差的大值区（-3.1%）。而5.5 km以上，二者的偏差较小，大部分在1%以内。

图4 L波段探空与微波辐射计相对湿度的对比（a）相关系数，（b）差值平均值和差值标准差Fig. 4 Relative humidity comparison of L band and microwave radiometer(a) correlation coefficient, (b) bias and standard deviation

就整个探测高度而言，在湿度较大的低空，微波辐射计相对湿度偏湿较明显，这可能是由于微波辐射计在湿度较大时，其水汽廓线的反演精度问题所致，又或许是L波段探空仪在湿度较大时所表现出的过饱和未能及时恢复的湿度性能问题。

2.2.2 不同时次相对湿度偏差的分布特征

图5 是微波辐射计相对湿度与探空相对湿度在08时和20时统计量随高度的变化情况。两个时次在2 km以下的相关系数随高度呈递减趋势，且20时的相关性高于08时。2～5 km，呈递增趋势，5 km处最大，两个时次相关系数均达到0.99。5 km以上，两时次相关系数随高度变化基本相同，均呈减小趋势。

2.2.3 不同天气条件下相对湿度偏差的分布特征

在晴空和有云天气下，微波辐射计相对湿度与探空的相关性较好（图6a），整个探测高度，相关系数维持在0.9附近，在2～5 km，二者的相关系数达到0.98。而降雨天气时，微波辐射计相对湿度与探空相对湿度的相关性有不同表现，以5 km高度为分界，5 km以上与非降雨时相似，相关性较高，而5 km以下，即在水汽较为集中的中低层，二者的相关性相对较低，1.5 km和3 km高度上尤为突出，相关系数仅有0.36。

图5 08时和20时L波段探空与微波辐射计相对湿度的对比（a）相关系数，（b）差值平均值，（c）差值标准差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

整体而言，微波辐射计与探空测量的相对湿度的偏差，晴空时最小（图6b），整层平均偏差仅有0.09%，降雨天气次之，有云时的偏差相对较大。降雨时，在3.75～5.5 km，负偏差较大，最大为5.5%，即微波辐射计相对湿度在此高度层上，偏湿较明显。虽然降雨天气时，微波辐射计的总体偏差小于有云天气，但其偏差的整层变化较大，这种不稳定性也可以从偏差标准差的分布能够明显看出（图6c）。

由以上分析发现，降雨天气对微波辐射计相对湿度值的反演影响较大，尤其是5.5 km以下，偏差明显大于非降雨天气，而晴空时，效果最好。

3 结论与讨论

通过对2017年1月—2019年12月沙坪坝微波辐射计与同址L波段探空气温、相对湿度两个要素进行统计分析，得出如下结论：

1）微波辐射计与探空测得气温在整个探测高度上均为显著正相关，且低层相关性高于高层。不同时次，气温相关性随高度的变化趋势相似，但在5 km以上的高度，20时相关性高于08时。

图6 不同天气条件下L波段探空与微波辐射计相对湿度的对比（a）相关系数，（b）差值平均值，（c）差值标准差Fig. 6 Relative humidity comparison of L band and microwave radiometer in different weather conditions(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

2）降雨天气对微波辐射计气温探测影响较大，在整个探测高度区间，晴空天气下的气温偏差最小，即晴空时微波辐射计反演气温较其他天气更准确，且在水汽相对集中的低空区域，微波辐射计探测气温高于探空气温，尤其是有降雨时，这种偏差更大。

3）两种探测设备相对湿度的相关性稍高于气温，且高值区在5～7 km，相关系数达0.98；不同高度层上相对湿度平均偏差趋势不同，在中低层与气温偏差相似，即以负偏差为主。

4）降雨时，在中低层相对湿度相关性远远低于非降雨。三种天气状况下，晴空时相对湿度的偏差最小，降雨天气时的负偏差大值区在4～5 km的高度区间上。