黄海海域FY4A卫星温湿廓线适用性分析

范润龙 孙立东 杨 晨

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.92602部队 宁波 315000）（3.92919部队 宁波 315000）

1 引言

蒸发波导、悬空波导和表面波导是在海洋大气环境中易出现的三种大气波导［1］。大气波导的出现，会显著影响通信和雷达等的工作性能。温度、湿度是分析大气波导的重要影响因素［2］，通过计算大气折射率廓线来监测大气波导需要用到温度、比湿等数据。长期以来，获取大气温度、湿度信息主要来源于无线电探空仪，无线电探空仪测量的主要缺点是一次发射只能提供一个垂直剖面，对于开放海域的大范围测量难以完成，因此通过无线电探空仪测量来覆盖大范围的区域几乎是不可能的，科学气象研究对时空分辨率的要求通过无线电探空仪测量难以满足［3～4］。近年来，遥感卫星的大力发展使得通过遥感数据分析研究大范围的大气中温湿度成为可能［5］，在科学气象研究中的作用越来越重大［6～7］。许多专家学者们在风云系列卫星数据精度评估检验等方面做了许多的研究工作。罗清等［8］指出在不同气压层上FY2E卫星的湿度数据可靠性有所差异。唐维尧等［9］给出了FY3A气溶胶光学厚度产品不同下垫面下反演精度有所不同的结论。周爱明等［10］对比分析了FY4A高光谱红外垂直探测仪GIIRS与IASI两种模拟资料反演大气温湿廓线的精度。现有研究成果说明当前实际应用中所需要的信息风云卫星遥感数据都能够正确提供［11］，但因为探测器［12］，反演方法［13］等不同因素影响，在探测的精度上可能存在较大的差异，因此在不同环境下风云卫星遥感数据的准确性和可靠性有待进一步研究。

FY4A卫星是我国第二代静止轨道气象卫星，在一天内能够获取多个时刻的观测数据，其搭载了世界首个静止轨道干涉式红外探测仪。这个探测仪能够获取大气在垂直方向上的气象数据，1h就能完成一次对我国及周边区域大气的垂直探测，与传统探空站12h的探测间隔相比，在时间分辨率方面优势明显。其次，与平均间隔为200km的探空站相比，干涉式红外探测仪的空间分辨率是16km，这对于提高大气波导监测的准确性来说十分重要［14］，目前，尚无学者对FY4A卫星数据应用于大气波导的监测做出研究，因此FY4A卫星数据能否很好地反映实际温度、比湿，成为我们急需研究的问题。

1月至3月，冬季风盛行于黄海海域，入海变性的高压和中国大陆东移的低槽或低压对大气波导层结的形成十分有利［15］，考虑到数据连续性和准确性，因此本文以黄海海域为例，通过整理1月至3月该海域的探空数据，对同期FY4A卫星温度、比湿资料进行对比分析，研究FY4A卫星温度及比湿数据的区域可靠性，为后期风云卫星数据对大气波导监测的应用提供科学依据。

2 研究资料与方法

2.1 资料来源

本文使用的FY4A资料来自于风云遥感卫星数据服务网，由GIIRS通道匹配数据集反演的区域大气温度廓线产品。产品为GIIRS原始分辨率（星下点约16km），内容包括：每条扫描各个视场的地理经纬度、海陆掩码、高程、太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角，以及每个视场的大气温度廓线产品，我们选取其中的大气温度、比湿廓线产品，该数据垂直方向上有101层，提供了0hPa～1100hPa中101层的气压、温度、比湿信息；探空数据取自怀俄明大学大气科学系网站，该数据通过探空气球来收集世界时（UTC）每天0点和12点的高空气象数据，可以获近地层到高层空间的温度、露点温度、位势高度、风速风向等气象要素，遇到特殊天气（台风等）会进行加密观测。探空数据在分析检验卫星数据准确性方面有着非常强的指示作用，因此我们将探空数据作为参考值来评估分析FY4A产品的可靠性。

2.2 研究方法

2.2.1 数据匹配

卫星观测是每隔一段时间对采样区域的瞬时观测值，而探空观测是探空站点从放飞探空气球开始，至气球到达预定高度的连续观测值，在时间和空间上两种数据存在不同。使用探空数据对进行FY4A数据对比分析前，需将两种数据进行相应的匹配。

在时间匹配上，怀俄明大学探空数据采取的时间为世界时（UTC），每天探测两次，分别为00：00、12：00，同时，筛选出在时间上与探空数据最为相似的FY4A卫星数据。

在空间匹配上分为水平方向上的经纬度匹配和垂直方向上的气压层匹配。由于探空站所在地区经纬度固定，而FY4A数据采样区域内的点经纬度不一定和探空站经纬度完全相同，因此，我们选取距离探空站点最近的卫星采样点数据作为数据集，完成水平方向上的经纬度匹配；在垂直方向上，作为参考值的探空数据每个时间段探测高度的气压值与FY4A卫星数据的气压值有所差异，我们需要将探空站各时间段气压层和FY4A卫星数据的气压值一一对应，本文选择将气压层相差最小，且不超过±5hPa的两组数据匹配，也就是找出离探空站每个时间段各气压层最近的一个数据匹配，如果探空数据没有对应的FY4A卫星数据，则舍弃该气压层的数据。

2.2.2 “野值”的处理

基于不损失大量有效信息和尽可能多的剔除“野值”两个方面考虑，根据前人处理风云卫星数据“野值”的经验，将大于平均值加2倍标准差和小于平均值减2倍标准差的数据定义为“野值”［16］，并予以剔除。经过试验发现每次剔除的“野值”数量大致在10%左右，因此我们选择剔除10%的数据。

2.2.3 误差检验

3 数据评估

相关文献表明，表面波导的高度一般在300m以下，悬空波导通常出现在3000m高度以下，而蒸发波导通常在6m～30m之间［17］，高度3000m的气压大致为700hPa左右，因此，本文重点研究700hPa～1100hPa这一气压层的数据，分析F4YA卫星数据对三种波导的适用性有何差异。

我们将各月的数据按700hPa～800hPa、800hPa～900hPa、900hPa～1000hPa、1000hPa～1100 hPa共4个气压层分别进行分析，分别计算各月不同气压层对应数据（温度、比湿、大气折射率）偏差的均值，剔除“野值”后各月不同气压层数据偏差的均值、各月数据的均方根误差以及偏差的标准差来进行对比，从而分析不同气压层FY4A卫星数据的准确性、离散程度及月变化规律。

3.1 各月不同气压层温度偏差的均值及剔除“野值”后不同气压层温度偏差的均值对比分析

从图1中可以看出，剔除“野值”后的曲线趋势与剔除前相比，剔除“野值”后各气压层温度偏差的均值均有所减小，各月趋势相似，在700hPa～900hPa这一气压层区间，表现为FY4A卫星温度数据偏小，1000hPa～1100hPa这个气压层区间整体偏大。

图1 剔除野值前后温度偏差的均值

从800hPa～900hPa这个气压层到900hPa～1000hPa这个气压层，可以明显看出温度偏差的均值变化较大，分析其原因是该气压层处于对流层底部区域，大气环境不稳定，对FY4A卫星探测影响较大。

3.2 各月不同气压层温度偏差的均方根误差及剔除“野值”后不同气压层温度偏差的均方根误差对比分析

从图2中可以看出，剔除“野值”后的曲线与剔除前相比，各气压层温度数据的均方根误差都有明显的降低，在700hPa～900hPa这个气压层区间，可以看出从1月到3月，温度的均方根误差逐渐减小，呈现明显的月相关性，而在900hPa～1100hPa这个气压层，则没有明显的规律。

图2 剔除野值前后温度数据的均方根误差

3.3 各月不同气压层比湿偏差的均值及剔除“野值”后不同气压层比湿偏差的均值对比分析

从图3中可以看出，剔除“野值”后的曲线趋势与剔除前相比，各气压层比湿偏差的均值都有明显的降低。在700hPa～1000hPa这个气压层区间，从1月到3月，比湿偏差的均值都为“正”，说明在这一气压层，FY4A比湿数据比探空数据偏大，在1000hPa～1100hPa这个气压层，则没有明显的规律。

图3 剔除野值前后比湿偏差的均值

3.4 各月不同气压层比湿偏差的均方根误差及剔除“野值”后不同气压层比湿偏差的均方根误差对比分析

从图4中可以看出，剔除“野值”后的曲线趋势与剔除前相比，各气压层均方根误差明显降低，在700hPa～1000hPa这个气压层区间，各月均方根误差趋势相同，而在900hPa～1100hPa这个气压层，没有明显的规律，反映了地表水汽环境的多变性增加了测量的误差。

图4 剔除野值前后比湿数据的均方根误差

3.5 两组数据偏差对大气折射率（N）的影响

大气折射率是影响大气环境中电磁波传播特性的主要大气因子，大气折射率可以表达为水汽压（e）、气压（P）和温度（T）的函数［18］，即

目前，对于大气高精度探测的探空系统，以芬兰的维萨拉系统最为出名。其中又以RS80探空仪为主流，其湿度精度为±2%，气压精度为±0.5hPa、温度精度为±0.2℃。以这样的精度测得折射率的精度只能达到±2.0N单位，若考虑到实际测量计算的误差，最好的精度也不超过±6.5N单位。若加入响应速度的影响，测量误差将会更大［19］。在南海海域放探空球的试验过程中，探空球共升高1700m，到达海拔3173.7m的位置，水平方向位置变化4100m，在FY4A卫星数据与探空值的空间匹配上，由于水平方向上探空球的位置发生了变化，因此探空数据也存在一定的测量误差。

剔除“野值”前后FY4A数据计算得出的大气折射率与“探空参考值”见图5。可以看出剔除“野值”前偏差的均值最大的不超过10N单位，剔除“野值”后偏差的均值最大的不超过6N单位，因此剔除“野值”后的FY4A数据计算大气折射率廓线与探空仪精度大致相当，偏差的均值无明显的月相关性。

图5 剔除野值前后N值偏差的均值

图6表示剔除野值前后各气压层N值的均方根误差，可以看出剔除“野值”后，均方根误差明显减小，求取剔除“野值”后N值的均方根误差时，只要温度和比湿数据有一项是认定的“野值”，则认为N值也是野值，根据表1数据分析，在1000hPa～1100hPa剔除认定为“野值”的N值占比远大于700hPa～1000hPa认定为“野值”的N值占比，且相对于1000hPa～1100hPa，700hPa～1000hPa的数据数量明显高于1000hPa～1100hPa的数据数量，因此，FY4A数据在700hPa～1000hPa这个气压层表现要优于1000hPa～1100hPa，FY4A卫星在1000hPa～1100hPa处分辨率明显低于700hPa～1000hPa，而在700hPa～900hPa，FY4A卫星数据质量又要优于900hPa～1000hPa，不考虑极端天气影响，我国大部分海域1000hPa气压对应的海拔高度都在50m以上，因此FY4A卫星对于蒸发波导的监测有一定的困难；表面波导的高度一般在300m以下，提高分辨率的情况下可以监测表面波导，悬空波导通常出现在3000米高度以下，FY4A卫星可以较好地监测悬空波导。

表1 剔除“野值”后不同气压层剩余数据比例

图6 剔除野值前后N值的均方根误差

4 结语

本文以怀俄明大学探空探测数据为参照，对FY4A卫星温度、比湿数据进行分析，得到如下结论：

1）基于本次实验数据分析，在温度数据上，FY4A卫星温度数据与探空数据相比，偏差的均值区间为-2.35℃～1.35℃，均方根误差区间为2.11℃～4.73℃；在比湿数据对比上，FY4A卫星数据与探空数据相比，偏差的均值区间为-0.02g/kg～0.35g/kg，均方根误差区间为0.30g/kg～0.51g/kg；大气折射率偏差的均值区间为0.48～5.50N，均方根误差区间为2.75N～7.14N。

2）FY4A卫星在1000hPa～1100hPa处数据“野值”占比较大，鉴于地表环境的复杂多变性，对于该气压层数据使用应该慎重。

3）FY4A卫星可以较好地运用于监测悬空波导，在提高分辨率的情况下可以用于监测表面波导，但对于蒸发波导的监测有一定的困难。