駱夢潔，湯杰，陳敘捷，陳勇航，趙兵科，史文浩，嚴嘉明，劉統(tǒng)強，林立旻，陳泉

(1.東華大學，上海 201600；2.中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030；3.霞浦縣氣象局，福建 霞浦 355100)

引言

臺風災害主要由臺風大風、臺風暴雨和風暴潮造成[1]，破壞性強，出現(xiàn)頻率高，是影響我國東部沿海地區(qū)最嚴重的氣象災害之一[2-3]，造成的財產(chǎn)損失和人員傷亡都是十分巨大的[4]。因此，臺風預警預報受到廣泛關(guān)注[5]，而大氣溫濕垂直分布對了解臺風演變過程和提高預報精度具有重要意義[6-10]。相較于其他觀測手段，微波輻射計具有操作簡便、全自動實時無人值守觀測、探測時間分辨率高等優(yōu)點。

許多研究者開展了對微波輻射計的探測精度的研究。張秋晨等[11]利用RPG-HATPRO-G3地基微波輻射計與L波段探空數(shù)據(jù)作對比，結(jié)果表明，微波輻射計反演的大氣溫度和水汽密度與探空資料均有較好的相關(guān)性。劉曉璐等[12]用近三年無線電探空與微波輻射計數(shù)據(jù)，分析晴天和有云天氣下溫濕廓線及物理參量的精度。趙玲等[13]采用2008年6月微波輻射計數(shù)據(jù)和同期探空數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)晴空無云天氣下二者溫濕廓線的相關(guān)系數(shù)分別為0.994和0.697，都通過了置信度為0.001的顯著性水平檢驗。方莎莎等[14]將武漢地區(qū)大霧天氣下微波輻射計反演的氣溫、相對濕度值與探空值進行對比，相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.72。徐桂榮等[15]研究發(fā)現(xiàn)，雖然MP-3000微波輻射計采用納米天線罩和鼓風機裝置使反演的大氣溫濕廓線在降水環(huán)境下達到合理的水平，但不能消除降水的影響，天線罩上的雨水使測得的亮溫值升高，而亮溫值的偏差又會影響反演結(jié)果，且降水強度越大，誤差就越大。

由上可知，微波輻射計在臺風天氣條件下的應用研究尚很缺乏。趙兵科等[16]利用上海市氣象局2007年9月進行的臺風探測試驗資料和地面常規(guī)觀測資料，對多通道地基微波輻射計在0713號臺風“韋帕”登陸前后的探測性能及特征進行了分析。但還需更多臺風個例的研究來加深對微波輻射計探測性能的認識，從而為提高反演算法和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)的改進提供參考依據(jù)。本文利用中國氣象局上海臺風研究所獲得的在臺風 “尼伯特”(1601)、 “莫蘭蒂”(1614)、 “鲇魚” (1617)、“莎莉嘉” (1621)影響期間微波輻射計和GPS探空原位探測的資料，以GPS探空資料為“真值”，對比分析臺風天氣條件下地基微波輻射計反演得到的溫度、水汽密度廓線的精度。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 微波輻射計數(shù)據(jù)

本文采用的微波輻射計型號為MP-3000，是一種多通道地基微波輻射計，通道分為兩種：水汽通道和氧氣通道。水汽通道在22～30 GHz范圍內(nèi)，氧氣通道在51～59 GHz范圍內(nèi)。微波輻射計根據(jù)大氣對不同頻率輻射吸收的差異，從而選擇不同頻率探測亮溫的變化。微波輻射計0級數(shù)據(jù)包含接收探測器輸出電壓；1級數(shù)據(jù)包含每個通道的實時亮溫；2級數(shù)據(jù)是反演產(chǎn)品，可提供不同高度上的大氣溫度、相對濕度、水汽密度、液態(tài)水密度、云底高度、水汽積分、液態(tài)水積分等多種大氣參量，從而可獲得0～10 km高度的熱力學廓線。0～500 m大氣高度的分辨率為50 m，此區(qū)間共11個高度層；500～2 000 m高度的分辨率為100 m，共15個高度層；2 000～10 000 m高度的分辨率為250 m，共32個高度層。微波輻射計2～3 min可獲得具有58個高度層的溫度、濕度、水汽密度、液態(tài)水密度廓線。值得說明的是，微波輻射計每3～6個月就需要進行一次標定，本文所涉微波輻射計在探測臺風“尼伯特”前剛完成標定。

盡管MP-3000是一種多通道地基微波輻射計，但仍存在多種因素影響其探測精度[17]，比如外在因素有太陽輻射、電磁波等，內(nèi)在因素有輻射計的系統(tǒng)誤差以及反演算法的選取[18]。在使用納米材料制作天線罩等方法以減小雨水效應的基礎(chǔ)上，不少研究者通過改進反演算法獲取更高精度的微波輻射計2級數(shù)據(jù)產(chǎn)品[19-22]。

1.2 GPS探空數(shù)據(jù)

GPS探空氣球每2 s采集一組數(shù)據(jù)，包含溫度、濕度、高度、風速、風向等，每次采集時間約1 h。本文采用的GPS探空資料共有21組，為方便起見，根據(jù)臺風名稱及登陸情況分別給21次探測試驗編號(例：編號N-5表示臺風“尼伯特”登陸前約5 h進行的觀測試驗)，詳見表1。

表1 21組微波輻射計與GPS探空數(shù)據(jù)詳情

1.3 臺風個例介紹

“尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”和“莎莉嘉”4個臺風個例信息見表2。4個臺風最佳路徑(來自中國氣象局熱帶氣旋資料中心)見圖1。探空釋放點到臺風中心距離及相對臺風中心象限情況詳見圖2。

圖1 “尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”“莎莉嘉”4個臺風的最佳路徑和強度分布Fig.1 Best tracks and intensities of Typhoon Nepartak, Meranti, Megi, and Sarika

表2 4個臺風個例信息

圖2 探空氣球釋放點到臺風中心的距離及相對位置(同心圓圓心處為臺風中心位置，同心圓每圈間隔50 km)Fig.2 Distance and relative position from the release point of sounding balloon to the typhoon center (the center of concentric circle is the typhoon center; concentric circles are spaced 50 km apart)

1.4 數(shù)據(jù)處理

對比微波輻射計與GPS探空資料發(fā)現(xiàn)，微波輻射計2～3 min即可得到一條熱力學廓線，而GPS探空大概需要30 min，因此廓線對比次數(shù)取決于探空氣球的釋放次數(shù)?？臻g上，探空資料的探測高度并不能與微波輻射計的58個高度層一一對應，因此線性插值得到與之對應的58個高度層及其相應的溫度、濕度和風速。時間上，探空資料所取的垂直距離范圍已經(jīng)有對應的探測時間，取相應微波輻射計開始到結(jié)束的時間做平均，得到這段時間內(nèi)的平均熱力學廓線。如此下來，得到21組數(shù)據(jù)(表1)進行溫度、水汽密度廓線的對比分析，探空資料的水汽密度由下列公式算出[23]。

(1)

(2)

式中，e代表水汽壓，單位：hPa;U代表相對濕度，單位：%；T代表溫度，單位：K；ρ代表水汽密度，單位：g·m-3。

2 溫度廓線精度評估

2.1 溫度廓線整體評估

圖3分別給出了臺風“尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”和“莎莉嘉”登陸期間的微波輻射計與GPS探空資料的溫度廓線對比圖，每一組都標注了這段時間內(nèi)溫度的平均偏差(Bias)、均方根誤差(root mean square error, RMSE)以及線性相關(guān)系數(shù)(R)。計算公式如下：

圖3 臺風“尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”“莎莉嘉”影響期間微波輻射計與探空溫度廓線對比Fig.3 Comparison of temperature profiles between microwave radiometer and GPS sounding during the influence period of Typhoon Nepartak, Meranti, Megi, and Sarika

(3)

(4)

(5)

由圖3這21組數(shù)據(jù)來看，微波輻射計與GPS探空資料的溫度廓線重合度高，相關(guān)性非常好，這與翟晴飛等[24]、韓玨靖等[25]研究的結(jié)果類似。其中，有8組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)達到了0.999，占比38%，臺風“尼伯特”個例占4組，其整體溫度廓線的相關(guān)性是最好的?？傮w來說，21組數(shù)據(jù)中有18組的相關(guān)性達到了0.990以上，只有3組未達到，相關(guān)系數(shù)分別為0.893、0.968和0.982。而相關(guān)性較差的3組有兩種趨勢，Y-5和S-13趨勢一致，0～2 km偏冷，2～10 km偏暖，另一種趨勢是Y-13，與上一種走向唯一不同的是0～2 km段中0～1 km段偏暖，CHAN[26]的研究結(jié)果也表明微波輻射計的溫度在邊界層存在暖偏差，1～2 km段才偏冷。除去相關(guān)性差的這幾組數(shù)據(jù)，大部分GPS探空在高層的所測溫度值高于微波輻射計，這是因為在晴朗和多云天氣條件下，探空儀在高空會接觸到更強烈的太陽能[27]。誤差較大的幾組數(shù)據(jù)，比如Y-13、Y-5、S-15，除去低層高度，其余高度微波輻射計所測溫度都比探空高。而Y-13、Y-5、S-15三段平均降雨強度分別為21.26、27.13、13.00 mm·h-1，是21個時間段內(nèi)最強的三段降水，所以可能是降水導致微波輻射計所測溫度偏高，這與張文剛等[28]的研究結(jié)果一致。

再將4個臺風個例的溫度數(shù)據(jù)放在一起比較，繪制成散點圖(圖4)。該圖中散點的大小表示該數(shù)據(jù)點距離地面的高低，散點越大，測量的數(shù)據(jù)距地面越高，即可觀察偏離y=x理想直線的散點集中在哪個高度層。通過計算，整體的相關(guān)系數(shù)達到了0.988，均方根誤差為2.527。劃定y=0.99x和y=100/99x兩條關(guān)于y=x對稱的直線，計算得出這兩條直線包含的散點個數(shù)占總體的82.9%。這些數(shù)據(jù)都表明在臺風影響期間微波輻射計測量溫度精度較高。

圖4 臺風天氣條件下微波輻射計所測溫度與GPS探空所測溫度的散點圖及線性擬合Fig.4 Scatter diagram and linear fitting of temperature measured by microwave radiometer and GPS sounding under typhoon weather conditions

2.2 溫度廓線不同高度層評估

為了揭示不同高度層下微波輻射計在臺風天氣條件下所測溫度的精度，本文將0～10 km的高度分為四個高度層：0～1 km為邊界層，1～3 km為低對流層，3～6 km為中對流層，6～10 km為高對流層。將4個臺風個例微波輻射計與GPS探空在對應高度的數(shù)據(jù)匹配出來，分別計算每個臺風個例中不同高度層微波輻射計與GPS探空資料所測溫度的標準差、均方根誤差以及相關(guān)系數(shù)，計算得到標準化數(shù)據(jù)，繪制標準泰勒圖(圖5)。標準化的標準差為微波輻射計所算標準差與探空資料所算標準差的比值，同理，標準化的均方根誤差為微波輻射計所算均方根誤差與探空資料所算標準差的比值，而相關(guān)系數(shù)不做改變。為方便起見，本節(jié)和3.2節(jié)部分，標準化后的標準差叫歸一化標準差，標準化后的均方根誤差仍叫均方根誤差。圖5中，與坐標(0，0)的距離代表歸一化標準差的大小，與坐標(0，1)的距離代表均方根誤差的大小。所有歸一化標準差值均在0.5～1.5之間，總體來說，微波輻射計探測效果較好。直觀上看，“尼伯特”的誤差最小，而臺風“鲇魚”影響期間較其他三個臺風過程誤差較大，經(jīng)計算，歸一化標準差最大達到1.348 4，相關(guān)系數(shù)最低為0.338 4，均方根誤差最大為1.335 1。而對于四個高度層的分析來說，高度層4(高對流層)歸一化標準差整體最接近1，均方根誤差也最小。最大均方根誤差在高度層2(中對流層)，發(fā)生在臺風“鲇魚”影響期間。每個臺風影響期間的最大均方根誤差都發(fā)生在高度層1或者2，最小均方根誤差都發(fā)生在高度層4，且3～6 km、6～10 km兩個高度層的相關(guān)系數(shù)都在0.8～1.0之間，對高度層3和高度層4的溫度來說，微波輻射計與探空的溫度相關(guān)性更好，說明高層溫度偏差比低層溫度偏差相對較小，與CANDLISH et al.[29]的研究結(jié)果類似，與劉紅燕[30]、姚作新等[31]、CIMINI et al.[32]的研究結(jié)果相反，這通常受到下墊面性質(zhì)的影響[29]。SNCHEZ et al.[8]也指出微波輻射計的垂直分辨率從低層到高層為50～500 m，溫濕廓線反演精度是由高到低。

圖5 微波輻射計在0～1 km、1～3 km、3～6 km、6～10 km四個高度層的溫度與GPS探空溫度的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和歸一化標準差分布泰勒圖Fig.5 Taylor diagram of correlation coefficient, root mean square error, and normalized standard deviation between GPS sounding temperature and temperature by microwave radiometer at 4 altitude layers of 0-1 km, 1-3 km, 3-6 km, and 6-10 km

3 水汽密度廓線精度評估

3.1 水汽密度廓線整體評估

圖6給出了21組臺風登陸期間的微波輻射計與GPS探空資料的水汽密度廓線對比圖，可以看出兩者偏差。同樣時間點的測量，由溫度換成水汽，變化的趨勢較為一致，但水汽密度廓線的誤差較溫度大，這與白婷等[33]、MADHULATHA et al.[34]的研究結(jié)果類似。相關(guān)系數(shù)大于0.99的有15組，占比71.4%，臺風“尼伯特”5組數(shù)據(jù)都達到了0.99，是誤差最小的一個臺風個例。而M-4、Y-15、Y-13、Y-5、S-13這幾組的相關(guān)性較差，誤差較大，且這幾組數(shù)據(jù)從上到下都偏濕；溫度和水汽密度的絕對偏差相差較小，但水汽密度的相對偏差較溫度大。最差的是Y-5，相關(guān)性只有0.58，均方根誤差達到了10.294。GPS探空數(shù)據(jù)沒有給出水汽密度值，只能根據(jù)借助溫度和相對濕度兩個物理量結(jié)合公式(1)和公式(2)算出。

圖6 臺風“尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”“莎莉嘉”影響期間微波輻射計與探空水汽密度廓線對比Fig.6 The same as Fig.3, but for water vapor density profiles

圖7是微波輻射計所測水汽密度與GPS探空所測水汽密度的散點圖，相關(guān)系數(shù)為0.928，由圖看出，部分處于較高高度層處測量的點較為離散。劃定y=0.99x和y=100/99x兩條關(guān)于y=x對稱的直線，這兩條直線包含的散點個數(shù)只占總體的5.41%，很顯然微波輻射計所測水汽密度精度沒有溫度效果好。將兩條對稱直線的范圍再擴大，改為y=0.9x和y=10/9x，通過計算，這兩條直線包含的散點個數(shù)占總體的57.4%。

圖7 微波輻射計與GPS探空所測水汽密度的線性擬合Fig.7 Linear fitting of water vapor density measured by microwave radiometer and GPS sounding

3.2 水汽密度廓線不同高度層評估

圖8是標準泰勒圖，體現(xiàn)4個臺風個例在不同高度上水汽密度廓線的誤差分布。經(jīng)計算，在高度層4(高對流層)處微波輻射計和GPS探空得到的水汽密度相關(guān)性低，為0.464；高度層2(低對流層)的水汽密度相關(guān)性高，為0.682；說明水汽密度在低層的擬合度高于高層，這與劉曉璐等[12]的研究結(jié)果“水汽密度的相關(guān)系數(shù)整體隨高度升高而減小”類似。誤差最大的發(fā)生在高度層4，這與侯葉葉等[35]的研究結(jié)果有出入。而4個臺風個例中，仍然是臺風“尼伯特”影響期間各組的三項指標都優(yōu)于其他組。誤差最大的一個組發(fā)生在臺風“鲇魚”影響期間，相關(guān)系數(shù)、歸一化標準差以及均方根誤差分別為0.351、3.61、3.755，而三項最好的分別是0.957、0.939、0.343，相差甚遠。

圖8 微波輻射計在0～1 km、1～3 km、3～6 km、6～10 km四個高度層的水汽密度與GPS探空水汽密度的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和歸一化標準差分布泰勒圖Fig.8 The same as Fig.5, but for water vapor density

3.3 水汽密度誤差因子分析

為了研究影響臺風環(huán)境中微波輻射計數(shù)據(jù)質(zhì)量的誤差因子，基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，引入降水、風速、臺風中心相對觀測點距離三個誤差因子分析。

圖9為2016年4個臺風影響期間微波輻射計與GPS探空氣球釋放期間降雨強度的時間序列圖，降雨強度由雨滴譜原始數(shù)據(jù)計算得出。圖中有21條豎直虛線，對應時間分別為該組的探空氣球施放時間，研究時間范圍為0.5 h左右。由圖9可看出，上述著重分析過的相關(guān)性較差且誤差稍大的Y-13、Y-5、S-13恰好是降水量大的時間段，說明降水對微波輻射計探測精度有較大影響，這與劉建忠和張薔[36]“在有強對流云出現(xiàn)時，會對微波輻射計反演產(chǎn)品的使用造成影響”的研究結(jié)果類似。

圖10為每組平均降雨強度與平均偏差及均方根誤差的散點圖(圖略)，體現(xiàn)降雨強度與誤差的關(guān)系?？傮w來說，降水時的誤差明顯比非降水時大。無降水時，水汽密度均方根誤差和平均偏差接近0，而當降雨強度最大為27.13 mm·h-1時，水汽密度均方根誤差達到10.29，平均誤差達到-7.578，這與張文剛等[37]在對比分析微波輻射計資料與探空數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)降水時相關(guān)性差的結(jié)果類似。由圖可知，整體來說，每組的均方根誤差和平均偏差有隨著降雨強度的增大而增大的趨勢，計算得到21組水汽密度均方根誤差與降水強度的相關(guān)系數(shù)為0.912，平均誤差與降水強度的相關(guān)系數(shù)為-0.908，較好地體現(xiàn)了降水強度對微波輻射計探測精度的影響。同時，做了每組最大風速及觀測點與臺風中心距離分別與平均偏差及均方根誤差的散點圖(圖略)，未能體現(xiàn)出相關(guān)性。

圖10 21組水汽密度均方根誤差(a)和平均偏差(b)與平均降雨強度的變化Fig.10 Variation of root mean square deviation (a) and average deviation (b) of water vapor density with mean rainfall intensity in each data set

4 結(jié)論與討論

基于中國氣象局上海臺風研究所臺風試驗所收集到的4個典型臺風個例數(shù)據(jù)，對微波輻射計所獲取的溫度和水汽廓線與同址GPS探空資料進行比對，并獲得如下初步結(jié)論。

(1)在臺風天氣條件下，微波輻射計的溫度、水汽密度廓線反演資料與GPS探空資料所得結(jié)果有較好的正相關(guān)性；二者溫度的總體相關(guān)系數(shù)為0.988，均方根誤差為2.527；二者水汽密度的總體相關(guān)系數(shù)為0.928，均方根誤差為3.159。溫度廓線比水汽密度廓線具有更好的相關(guān)性，微波輻射計對溫度和濕度的觀測均存在誤差。臺風天氣條件下，微波輻射計探測溫度的結(jié)果具有可信度。

(2)微波輻射計在不同高度上的探測質(zhì)量差異較大，高層溫度偏差比低層溫度偏差相對較小，而水汽密度整體來說低層的探測精度要優(yōu)于高層。

(3)研究影響水汽密度探測精度的三個誤差因子(降水、風速、觀測點與臺風中心距離)，降水強度與誤差大小有明顯的正相關(guān)性。整體上，降雨強度越大，均方根誤差越大，二者的相關(guān)系數(shù)達到0.912。風速和觀測點與臺風中心距離和誤差大小并無特別的規(guī)律。

(4)探究的4個個例中，臺風“尼伯特”影響期間微波輻射計探測的溫度、水汽密度精度是最好的，因為對其進行探測的時候少雨、天氣比較干燥，且剛剛進行過校準。