国产微波辐射计性能分析

2022-11-09梁春旺贾秋兰张可嘉韩翔洋

气象水文海洋仪器 2022年3期

梁春旺，贾秋兰，2，张可嘉，韩翔洋

(1.邢台市气象局，邢台 054000；2.中国气象局邢台大气环境野外科学试验基地，邢台 054000；3.辛集市气象局，辛集 052360)

0 引言

微波辐射计能够接收大气中一定波段的微波辐射探测温度、相对湿度、水汽密度及液态水的垂直分布廓线，具有可连续观测、时间分辨力高、可操作性强等优点，弥补了常规高空探测时间分辨力不高、观测成本高的不足。常规高空探测每天08：00，20：00两次规定时间的观测，已经不能满足研究与业务工作的需要，伴随科技的发展，微波辐射计在多个领域[1-14]得到广泛应用。

MWP967KV型地基多通道微波辐射计是一种新型大气探测仪器，是专为气象观测和人工影响天气探测而研制的精密遥感探空仪器，可以实时连续地提供从地面到垂直10 km上空高分辨力的大气温度、湿度以及云液态水廓线。

1 资料与方法

1.1 资料来源

文章使用的2019—2020年常规高空气象探测资料源于邢台市气象站(114°21′E；37°10′N)；MWP967KV型地基多通道微波辐射计[15]资料来源于同站址(114°21′E；37°10′N)的中国气象局邢台大气环境野外科学试验基地。

1.2 数据处理

MWP967KV型地基多通道微波辐射计可以实时连续地提供0～10 km的58层要素廓线数据。廓线的空间垂直分辨力500 m以下为50 m，500 m～2 km为100 m，2 km 以上为250 m。选取08：00和20：00垂直分辨力为50 m的常规高空气象探测数据，插值到微波辐射计的58层探测高度，高空探测到达10 km需要30 min左右，取高空探测30 min内所有微波数据的平均值与探空数据进行一致性分析[16]。

文章在进行数据统计时，为了避免微波辐射计天线罩受雨滴的影响造成数据失真，在筛选数据时剔除了探测当天有降水的微波数据，晴天数据筛选条件为云量观测时，总云量、低云量为0/0。

1.3 评估方法

微波辐射计资料和高空探测资料通过系统偏差、标准偏差和相关系数验证了MWP967KV型地基多通道微波辐射计的距地0～10 km 的58个高度层的温度、湿度数据的可靠性[17-21]。

(1)

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2 结果与分析

2.1 总体分析评估

为了更直观地反映微波辐射计与常规高空探测的差异情况，将MWP967KV型地基多通道微波辐射计反演的温度和相对湿度与探空所有的数据绘制成温度、相对湿度廓线图(图1)。

图1 2019年1月—12月邢台市气象站L波段探空雷达与微波辐射计温度、相对湿度廓线对比图(a)08：00；(b)20：00

由图1可以看出：对于温度值微波辐射计在08：00和20：00均偏小于高空探测，不同高度上的温度差随高度逐渐增大；相对湿度值则是微波辐射计大于高空探测值，0.1 km时偏差值最小，3000～4000 m差值增大后又开始减小，6500～8000 m差值又开始增大，但两种探测资料总体趋势一致。导致这种结果的原因可能是：1)数据的选取存在差异，微波辐射计使用的是高空探测30 min时间段的平均数据，与实际值存在差异；2)气球的高空漂移也会产生一定影响，微波辐射计是定点观测垂直方向的要素值，探空气球随着高空风的增大漂移距离也会加大，这种情况也会造成两种探测结果的差异。

2.2 不同季节的性能分析

将微波辐射计与常规高空探测1 a(2019年)的数据按照春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)分成4组数据，分别计算标准偏差、相关系数和系统误差。下面将对结果进行分析讨论：

1)从温度、相对湿度相关系数对比图2(a)和图2(b)可以看出：温度相关性好于相对湿度，整体随高度升高而减小，最大值在地面，最小值在10 km，温度相关性在春季最好，冬季最差；2000 m以下温度相关系数在夏季最小；相对湿度相关性要差于温度相关性，冬季在1000 m以下最差，1500～4000 m相关系数最好。

2)温度标准偏差秋季和春季趋势一致(图2c、图2d)，4000 m以下随高度升高而减小，4000～8000 m随高度升高而增大，8000～10，000 m随高度升高而减小，夏季整体呈现随高度升高而增大，冬季0～2000 m随高度升高而升高，2000～10，000 m随高度升高而减小，温度标准偏差四季维持在0.9～7.3 ℃，相对湿度标准偏差四季均维持在12%～24%。

图2 2019年不同季节L波段探空雷达与微波辐射计温度、相对湿度相关系数、标准偏差、系统误差图

图2(e)和图2(f)为温度、相对湿度系统误差图，温度系统误差范围为-2.5～2.5 ℃，2000～8000 m系统误差维持在-1～1 ℃；相对湿度的系统误差在-5%～21%。

2.3 不同天气条件下微波辐射计的性能分析

按照天气条件，筛选出雨天数据16组，晴天数据30组。

分析发现：晴空天气条件下，温度和相对湿度的相关系数为0.997～0.744和0.994～0.156，温度的相关系数随高度升高而减小，地面0.997最高，10 km处最低0.744；相对湿度的相关系数地面最大，0～2 km相关系数在0.8以上，0～0.4 km随高度升高而减小，0.45～0.8 km，0.8～3.25 km和4.5～5.5 km随高度升高而增大，相关性最小出现在10 km；雨天天气条件下，温度的相关性最高出现在地面0.983，最低出现在10 km处，相对湿度的相关系数最大出现在地面，最小出现在5.25 km处，为-0.072，0.3～3.0 km随高度的升高而增大，3.0～5.25 km随高度的升高而减小。

温度在晴天和雨天的系统误差相差不大，整体维持在-3.0～5.0 ℃，晴天时相对湿度系统误差0.0～2.5 km处在10%以内，0.1 km处最小为0%，最大在10 km，雨天相对湿度系统误差最小值在4.5 km，最小值为4%，2.75～4.75 km维持在10%之内，最大值为52%，出现在10 km处。

对于标准偏差值，0.0～6.75 km晴空条件下温度标准偏差值大，6.75～10 km雨天温度标准差值大；相对湿度标准偏差0.0～2.0 km晴空天气条件下差值偏大，2.0～10 km雨天相对湿度标准偏差值偏大。

2.4 雾霾天气下温度、相对湿度对比

根据邢台市环保局监测站点监测的污染物浓度，2019-01-10—2019-01-14污染物浓度连续达到200 mg/m3，为连续重污染天气过程。比较重污染期间温度、相对湿度的数据可靠性(图3)。

从图3可以看出：温度和相对湿度在污染天气下，微波辐射计反演数据与高空探测数据两种资料的变化趋势一致；两种资料的温度廓线近地层都出现了逆温层，1500 m以下高空温度大于微波辐射计温度，尤其是逆温强度达到最大值时，微波辐射计反演的温度数据比高空探测数据小3.0 ℃；1500 m以上微波辐射计温度大于高空探测温度，微波辐射计温度整体偏大。