杭州地区地基微波辐射计反演水汽特征的比对分析

王志诚 张东明 王聆勤 王明明 王 晗 章 焕

(浙江省大气探测技术保障中心，浙江 杭州 310000)

0 引 言

虽然水汽在大气中仅占0.1%～3%,但水汽是大气中最为活跃的成分,在天气变化、气候演变、环境变化中起着非常重要的作用[1-2]。水汽是大气重要的物理参量,在很大程度上决定着大气热力过程[1]。准确且及时的大气湿度观测数据对研究长期气候变化、中短期数值预报、人工影响天气等具有重要的意义[3-4]。

为了更加全面地认识大气水汽分布及输送情况,获取更高时空分辨率的水汽观测数据,现阶段主要采用常规探空[5]、GPS/MET遥感[6]、地基微波辐射计[7]、激光雷达[8]和卫星遥感[9]等水汽观测方法。自20世纪80年代开始，地基微波辐射计(以下简称微波辐射计)被广泛应用于气象领域,不仅弥补了星载微波辐射计低空垂直分辨率的不足,也降低了昂贵的研发及运维成本[10]。现阶段对微波辐射计水汽探测方面的研究主要集中在对某种或者某些型号微波辐射计在不同时间段、不同季节、不同天气条件下的对比分析[11-13]，以及算法改善方面的研究[14]。

为深入了解杭州地区水汽时空变化特征,对杭州微波辐射计做出水汽探测性能的分析,本文以探空数据为主要参考,辅助以地面自动站观测数据,对杭州微波辐射计水汽密度及水汽总量两个主要产品2 a的资料进行分析,为微波辐射计在浙江的设备推广应用和业务化推动提供参考。

1 数据及分析方法

1.1 资料来源

本文资料来源于美国Radiometrics公司研发的MP-3000A型地基微波辐射计2018年7月—2020年6月反演的杭州地区温度廓线、湿度廓线和水汽总量二级产品数据。探空温湿廓线数据来源于杭州高空观测站,探空数据与微波辐射计数据同址同期。

MP-3000A型微波辐射计通过接收大气微波辐射亮温,利用相应的反演方法将亮温反演得到大气温湿廓线,可实现24 h无人值守、高时间分辨率的连续观测,是对常规探空业务的重要补充,在数值预报、暴雨天气分析、短临预警等方面有重要的应用价值[15-16]。MP-3000A型微波辐射计使用全功率接收机,通过依次改变接收机本振频率实现多个频带亮温的测量(变频22通道串行测量)。该微波辐射计探测高度为0～10 km,分为58层,越靠近地面垂直分辨率越高[17-18]。表1为微波辐射计主要性能参数。

表1 微波辐射计主要性能参数

地面自动站数据取自与探空站同址同期的杭州站地面整点气温、小时累计降水量和相对湿度等数据。

1.2 探空计算水汽方法

探空数据仅提供高空温度和相对湿度廓线信息,并不直接提供大气水汽密度廓线。本文在分析大气水汽密度的过程中，需要通过温湿廓线计算得到大气水汽密度廓线,主要计算过程如下[19]:

(1)

(2)

(3)

其中,Ew是饱和水汽压(单位：hPa);T0是三相点温度(单位：K)，T0=273.16 K;T是绝对温度(单位：K);e是实际水汽压(单位：hPa);U是相对湿度(单位：%);a是水汽密度(单位：g/m3)。

计算求得水汽密度廓线后,将各个高度上的水汽密度求和，即可得到该探空时次的水汽总量(单位：mm)。本文中微波辐射计水汽总量是通过对直接反演得到的水汽密度廓线根据高度求和获得的。

1.3 样本分类方法

一天有两个时次(07时15分及19时15分,加密除外)的探空数据。为与探空数据相一致,微波辐射计数据也取每日07时15分及19时15分两个时次的观测数据。地面自动站数据取小时整点数据。本文将所有样本分为晴天、云天及阴雨3类,以探空放球时天空总云量及降水情况为主要判别依据,详见表2。

染病后枝、干、根木质部变为褐色，病菌产生的毒素使叶片表皮与叶肉分离，气孔失去控制机能，空隙中充满空气。发病往往先在一个枝上出现症状，以后增多。严重时木质部变色，叶片小，根部腐朽，2-3年后会死亡。

表2 总云量及降水情况与样本分类及样本量统计表

1.4 比对方法及检验标准

通过比对探空与微波辐射计的温湿廓线时序图,分析杭州地区微波辐射计在不同天气条件下水汽的整体表现。以探空观测值为参考,统计微波辐射计水汽密度和水汽总量的平均偏差和均方根误差并分析原因。通过分析在不同天气过程中杭州地区水汽的变化特征,分析微波辐射计在不同天气条件下水汽观测的准确性。主要计算公式如下[13，18]:

(4)

(5)

(6)

2 微波辐射计探测性能分析

图1为探空和微波辐射计(MWR)温度、水汽密度廓线时序分布。图a1、图a2为阴雨标志,黑色线柱意味着该时次云量为10成或者有降雨出现。从图1可以看出,微波辐射计温度和水汽密度随时间的变化趋势和在空间上的垂直分布基本与探空的保持一致,能基本体现杭州地区温度和水汽的季节分布和垂直分布。但由于阴雨天气(主要是云和雨)的影响，微波辐射计的观测较探空观测存在较大的误差。有云出现时微波辐射计在5000 m左右出现高湿层,而探空观测表现不明显,主要是由于微波辐射计仅通过红外温度反演云高,对云的垂直信息及内部结构把握不足,导致水汽通道亮温观测出现偏差。降水发生时微波辐射计的温度和水汽密度观测会呈现明显偏高的特点,主要是天线罩附着水层对微波信号的影响造成雨天探测失真。

图1 探空和微波辐射计(MWR)温度、水汽密度廓线时序分布(a1、a2.阴雨标志、b1.探空温度廓线时序、c1.探空水汽密度廓线时序、b2.微波辐射计温度廓线时序、c2.微波辐射计水汽密度廓线时序)

2.1 水汽密度

图2为探空和微波辐射计水汽密度散点拟合。从散点图可知,在晴天和云天(图2a、图2b)条件下微波辐射计与探空水汽密度散点吻合度较高;在阴雨条件下吻合度相对较低,散点相对离散(图2c)。探空与微波辐射计在晴天、云天及阴雨天3类样本中的相关系数分别是0.8610、0.8411和0.8237(均达到0.01显著性检验水平),在晴天和云天的相关系数大于在阴雨天的相关系数。

图2 探空和微波辐射计水汽密度散点拟合(a.晴天样本、b.云天样本、c.阴雨天样本)

从探空与微波辐射计水汽密度廓线误差统计可知,在平均偏差方面(图3a),微波辐射计在晴天和云天条件下误差不大,均为负偏差,幅度在2 g/m3以内;在阴雨条件下为正偏差,在0～4 km高度范围偏差随高度递增,在4 km左右达到最大偏差(3.8 g/m3)后随高度递减。在均方根误差方面(图3b),在晴天条件下均方根误差随高度递减。在近地面0～5 km高度范围误差较大,在5 km以上误差基本趋于0,这主要是由于大气约90%的水汽集中在500 hPa(中纬度地区约5 km)以下,水汽密度处于大值区且日变化较为明显。在5 km以上水汽密度较低,且随高度呈现指数型递减,水汽密度在10 km左右处基本为0。在有云或者降水出现时,微波辐射计水汽密度均方根误差增大明显,特别是在阴雨天,微波辐射计的水汽密度最大误差达到6.5 g/m3。这主要是因为,一方面高层水汽有所增加,特别是当夏季对流天气发生时,大量水汽将涌向高空,大气的吸收系数发生较大变化;另一方面当云雨发生时,微波辐射计对云的探测能力有限,红外传感器仅能观测到云底高度,对云的垂直结构及云参量掌握不足,无法准确获取大气下行辐射亮温,导致反演过程出现较大偏差。

图3 微波辐射计水汽密度误差廓线(a.平均偏差、b.均方根误差)

2.2 水汽总量

水汽总量是大气各个高度层水汽密度的累加,也称为大气可降水量。图4为探空和微波辐射计水汽总量散点拟合。从图4可以看出,在晴天条件下(图4a),微波辐射计观测的结果与探空观测的结果比较吻合,相关系数达到0.9681。相比于探空观测,微波辐射计观测的均方根误差及平均偏差分别为3.7 mm和-0.25 mm,误差相对较小。当云量增到2～7成时(图4b),微波辐射计较探空偏差有所增大,均方根误差由3.7 mm增加到4.48 mm,相关系数由0.9681减小至0.9662,与水汽密度的观测情况保持一致。当云量超过8成并出现降水时(图4c),微波辐射计观测的水汽总量迅速增大,与探空观测的偏差同时加大,微波辐射计观测值明显高于探空观测值,其均方根误差与平均偏差分别为27.21 mm和10.76 mm。

图4 探空和微波辐射计水汽总量散点拟合(a.晴天样本、b.云天样本、c.阴雨天样本)

3 水汽变化特征分析

3.1 晴天情况

图5 在晴天条件下微波辐射计水汽密度时空分布图(a.春季、b.夏季、c.秋季、c.冬季)

图6为在晴天条件下微波辐射计水汽总量曲线。在水汽总量方面,夏季(图6b)最大,其他3个季节相对较小。春季(图6a)07—14时和20—23时水汽总量相对较大,冬季(图6d)06—11时和17—23时水汽总量相对较大。秋季(图6c)00—07时水汽总量较小,07时以后水汽总量快速增加,09时达到最大(45 mm)后缓慢减小。夏季(图6b)整体水汽总量处在全年较高水平,最大出现在03时(55 mm),其余时间在45 mm附近徘徊。总体来看,4个季节09—11时是水汽总量较多的时段。此外,无论是全天总量还是总量的小时变化,春、冬季都小于夏、秋季。

图6 在晴天条件下微波辐射计水汽总量曲线(a.春季、b.夏季、c.秋季、c.冬季)

3.2 阴雨天情况

以2019年3月1—3日和2020年2月6—8日两次层云降水过程为例，分析微波辐射计在持续性弱降水过程前后及过程中的水汽变化。在降水发生前,水汽密度小幅增大,在降水过程中维持在10～15 g/m3附近,在降水结束后水汽密度迅速减小。在降水发生前,水汽总量开始增大,由10 mm左右增大至降水开始时的60 mm左右,并维持水汽总量与小时降水量正相关。水汽总量一般集中在30～80 mm。

4 结 语

以探空观测数据为参考,分析比对在不同天气条件下杭州微波辐射计水汽密度和水汽总量的观测性能,通过2 a的数据比对得到以下主要结论。

(1)微波辐射计水汽密度观测结果与探空的有较好的相关性。在晴天和云天条件下，二者的相关系数分别为0.8610和0.8411,平均偏差为-0.3 g/m3和-0.4 g/m3,均方根误差为1.2 g/m3和1.7 g/m3,微波辐射计水汽密度观测值略低于探空的。总体来讲,微波辐射计的观测值能较好地表征晴天和云天的水汽密度分布情况。在水汽总量方面,在晴天和云天条件下，微波辐射计观测结果与探空观测结果的相关系数分别为0.9681和0.9662,平均偏差为-0.25 mm和-0.52 mm,均方根误差分别为3.74 mm和4.78 mm,微波辐射计水汽总量同样略低于探空的。微波辐射计对水汽密度和水汽总量的观测结果误差在云天均高于在晴天,误差偏大幅度在0.5 g/m3和1 mm左右。对水汽的观测结果在阴雨天与探空观测结果的相关性相对较差,均方根误差明显加大。

(2)在晴天条件下大气近地面2 km以下水汽密度远高于2 km以上的,水汽密度在不同季节均呈从地面到高空10 km指数型减小。夏季的近地面水汽密度远大于其他季节的。在水汽总量方面,夏季为40～60 mm,冬、春季为20 mm左右,秋季日变化较大,凌晨为20 mm左右,08—21时为40 mm左右。

(3)在阴雨天气过程中,微波辐射计水汽密度和水汽总量均会在降水前缓慢增大,在降水开始时迅速增大。在层云持续性弱降水过程中，微波辐射计水汽密度一般集中在10～15 g/m3，水汽总量一般集中在30～80 mm。

微波辐射计在晴天和云天条件下可较准确地反应大气水汽状态,但是在阴雨天气过程中,虽能定性反映当时的天气状态,但观测误差较大,需要与其他遥感设备协同观测,相互验证,提升探测能力。此外,本文由于样本数量和参考标准的局限性,难免影响分析误差,在今后的研究中将增加GPS/MET及其他观测资料,丰富参考标准,并增加雾霾、暴雪、暴雨等天气过程分析。随着大气遥感技术的快速发展,微波辐射计将在大气探测领域发挥越来越重要的作用。