蔣文澤，劉瓊,2，陳勇航，黃藝偉，趙兵科，吳峻石周海江，陳帥妤

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;3.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030；4.寶山區(qū)氣象局，上海 201901)

1 引 言

水汽及其垂直分布在各種時(shí)空尺度的大氣過(guò)程中都扮演著重要角色[1]。高光譜紅外遙感因其空間分辨率高，能獲得更加精細(xì)的大氣結(jié)構(gòu)，在提供濕度垂直信息方面應(yīng)用得越來(lái)越廣泛[2-4]，然而衛(wèi)星濕度廓線(xiàn)的反演精度極易受到云層的干擾[5]。目前云對(duì)衛(wèi)星濕度反演精度的影響研究大多是針對(duì)云量[6-10]，對(duì)其他云屬性的影響研究尚少。除了云量，云高也是影響濕度廓線(xiàn)反演精度的一個(gè)重要因素。

Divakarla等[10]發(fā)現(xiàn)在無(wú)云或者少云的情況下，與探空資料相比，AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)所反演水汽廓線(xiàn)的平均偏差在對(duì)流層范圍內(nèi)可控制在15%以?xún)?nèi)。官莉等[5]發(fā)現(xiàn)在反演AIRS水汽廓線(xiàn)時(shí)采用云頂高度分類(lèi)雖然能一定程度上提高反演精度，但反演誤差仍然很大，并且云頂高度越高反演誤差越大。Zeng等[11]結(jié)合2013年和2014年6月中國(guó)區(qū)域云量和云頂高度分布，解釋了中國(guó)七大區(qū)塊AIRS水汽混合比廓線(xiàn)反演精度不同的主要原因，但并未對(duì)不同云天對(duì)各區(qū)域內(nèi)AIRS水汽混合比廓線(xiàn)反演精度的影響進(jìn)行分析。

AIRS作為國(guó)際上首個(gè)真正意義上的星載高光譜紅外探測(cè)器，能提供更精準(zhǔn)的大氣溫濕度廓線(xiàn)反演數(shù)據(jù)[12]，因此越來(lái)越多的人開(kāi)始致力于其大氣參數(shù)反演相關(guān)研究[13-20]。其中，Pu等[21]發(fā)現(xiàn)在熱帶氣旋生成的洋面上，AIRS反演的相對(duì)濕度廓線(xiàn)與探空觀(guān)測(cè)存在較大偏差。Gettelman等[22]將AIRS水汽數(shù)據(jù)與美洲地區(qū)0°～40°N范圍內(nèi)的飛機(jī)定點(diǎn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)大多是無(wú)偏差的，僅在150 hPa以上平均絕對(duì)差在25%左右。Wu[23]則以下投式探空儀資料為基準(zhǔn)，研究了東部大西洋地區(qū)AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)的反演精度，發(fā)現(xiàn)除925～1 000 hPa外，AIRS在其余的氣壓層上反演濕度都相對(duì)偏濕。由此可見(jiàn)，AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)反演數(shù)據(jù)在不同地區(qū)的準(zhǔn)確性是不同的，目前針對(duì)AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)反演精度的研究大多聚焦于全球范圍或者下墊面均一的海洋上空。

上海地處中國(guó)東部沿海地區(qū)，下墊面復(fù)雜，7—9月恰逢汛期，云量豐富[11,24]，大氣相對(duì)濕度較高，臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣活動(dòng)也最為頻繁[25]，為滿(mǎn)足該時(shí)段內(nèi)中小尺度災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警需要，探空站點(diǎn)往往于每日的14:00（北京時(shí)間，下同）左右進(jìn)行一次加密探空觀(guān)測(cè)?？紤]到與定常探空觀(guān)測(cè)相比，探空氣球加密觀(guān)測(cè)時(shí)間與AIRS過(guò)境中國(guó)時(shí)間（01:30和13:30）更為接近，故本文利用2018年7—9月上海寶山站的加密探空資料，對(duì)AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)資料在不同質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)、云量和云頂高度條件下的反演精度進(jìn)行分析，以期為后面合理的開(kāi)展相關(guān)資料的同化研究，檢驗(yàn)AIRS相對(duì)濕度產(chǎn)品對(duì)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度的影響做準(zhǔn)備。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 資料介紹

本文所用的資料主要包括2018年7月4日—9月30日Aqua衛(wèi)星攜帶的大氣紅外探測(cè)器（AIRS）所反演相對(duì)濕度廓線(xiàn)資料和上海寶山站加密觀(guān)測(cè)試驗(yàn)所獲得的L波段秒級(jí)加密探空資料。AIRS資料來(lái)源于GES DISC(Goddard Earth Science Data and Information Services Center)網(wǎng)站(http://disc.gsfc.nasa.gov)。所用數(shù)據(jù)集為AIRS/Aqua L2 Support Retrieval(AIRS-only)V006(AIRS2SUP)，以HDF格式進(jìn)行存放，每6 min生成一個(gè)文件，空間分辨率為50 km，包含有經(jīng)緯度信息、時(shí)間信息、100層的溫度廓線(xiàn)(0.016～1 100 hPa)、15層的濕度廓線(xiàn)（50～1 100 hPa）、云量、云頂高度等相關(guān)數(shù)據(jù)。AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)按質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)劃分為4類(lèi)：質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)0為“Highest Quality”，即數(shù)據(jù)最好；質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)1為“Good Quality”，即質(zhì)量一般；質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)2為“Do Not Use”，即不可利用的數(shù)據(jù)，“-9999”為系統(tǒng)無(wú)效值。本文在進(jìn)行精度驗(yàn)證時(shí)將質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為2的數(shù)據(jù)和無(wú)效值剔除，不做討論。

探空觀(guān)測(cè)資料（radiosonde observation，RAOB）主要由氣壓、氣溫、濕度、斜距、仰角、方位角等信息組成。上海寶山站探空氣球每日釋放2次，時(shí)間分別為07:15和19:15，特殊天氣情況下如夏季汛期，需要進(jìn)行一次加密觀(guān)測(cè)，時(shí)間為13:15，氣球固定地方點(diǎn)的地理經(jīng)緯度坐標(biāo)為121.45°E，31.40°N。需要注意的是，氣球從釋放至爆炸的總時(shí)長(zhǎng)約為1.5 h，漂移距離隨季節(jié)變化而有所不同。

2.2 衛(wèi)星資料處理與對(duì)比分析方法

Sun等[26]的研究發(fā)現(xiàn)在對(duì)流層中層（400 hPa），IASI(IR atmospheric sounding interferometer)反演產(chǎn)品與RAOB之間的時(shí)間容差范圍擴(kuò)大1 h，就會(huì)引起水汽混合比均方根2.5%的偏差，所以在研究之前將AIRS資料中的時(shí)間、空間位置、垂直氣壓層信息與加密探空資料進(jìn)行一致性匹配很有必要。本研究在時(shí)間范圍匹配上，以探空氣球釋放時(shí)間為中點(diǎn)，探空氣球飄移時(shí)間為時(shí)長(zhǎng)，篩選同時(shí)段的AIRS數(shù)據(jù)，時(shí)間的容差范圍隨探空氣球的飄移時(shí)間而變化，但一般不超過(guò)±1.5 h，遠(yuǎn)低于Divakarla等[10]所采用的±3 h時(shí)間窗口?？臻g位置上，Zeng等[11]研究了探空氣球在中國(guó)地區(qū)的最大水平飄移距離后發(fā)現(xiàn)，在200 hPa、500 hPa和850 hPa高度，氣球的最大水平飄移距離分別小于90 km、25 km和10 km，因此考慮到探空氣球在高空的位置飄移對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)照的影響，本文首先利用上海寶山站所提供的L波段（1型）數(shù)據(jù)處理軟件，讀取并計(jì)算探空氣球飄移的經(jīng)緯度，然后采用最臨近點(diǎn)匹配原則進(jìn)行篩選，限制最大偏移距離為20 km，即剔除與探空氣球水平距離超過(guò)20 km的衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)，探空氣球飄移經(jīng)緯度的計(jì)算方法參照李偉等[27]的研究。在氣壓層匹配上，由于探空氣球的相對(duì)濕度廓線(xiàn)資料一般采用常規(guī)觀(guān)測(cè)氣壓層（標(biāo)準(zhǔn)層），而AIRS產(chǎn)品濕度廓線(xiàn)為15層，為保證兩者在垂直層進(jìn)行準(zhǔn)確比較，本文選取1 000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、600 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa、250 hPa、200 hPa、150 hPa、100 hPa、70 hPa、50 hPa共14層進(jìn)行比較分析。首先要求探空氣球與AIRS對(duì)應(yīng)的氣壓值之差的絕對(duì)值不得大于1 hPa，然后再?gòu)姆蠗l件的數(shù)據(jù)中篩選出氣壓層最接近的探空資料進(jìn)行研究。

標(biāo)準(zhǔn)大氣是能反映某地區(qū)（如中緯度）垂直方向上氣溫、氣壓、濕度等近似平均分布的一種模式大氣，目前在國(guó)際上影響較大的是1976年的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣。本文基于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度垂直廓線(xiàn)劃分氣壓層高度[28]，將上海地區(qū)（中緯度地區(qū)）200 hPa氣壓層高度劃分為對(duì)流層頂。

采用相關(guān)系數(shù)R、平均偏差（Mean bias,MB）和均方根誤差(Root Mean Squared Error,RMSE)對(duì)AIRS濕度廓線(xiàn)反演精度進(jìn)行定量分析，其計(jì)算方法如下：

式中，為探空數(shù)據(jù)，yi為AIRS反演數(shù)值，N為樣本總數(shù)，i為樣本。相關(guān)系數(shù)R的取值范圍為[0,1]，R越接近1表示兩種數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性越好；MB能反映反演值相對(duì)于觀(guān)測(cè)值的平均差異；均方根誤差則表示反演值相對(duì)于觀(guān)測(cè)值的離散程度。

3 結(jié)果與討論

3.1 AIRS濕度反演數(shù)據(jù)與探空資料的相關(guān)性分析

以上海寶山站加密探空觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為參照，對(duì)AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，分別計(jì)算50～1 000 hPa氣壓層上兩組值的平均偏差MB、均方根誤差RMSE、相關(guān)系數(shù)R并進(jìn)行F檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，相對(duì)濕度樣本數(shù)反映的是每一氣壓層符合條件的樣本數(shù)量，總樣本個(gè)數(shù)為629。在50～200 hPa以及850～1 000 hPa高度范圍內(nèi)，即平流層和對(duì)流層底層，AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)與探空資料的相關(guān)性相對(duì)較弱，尤其是在850 hPa高度處，相關(guān)系數(shù)為0.26，且P值為0.11＞0.05，未通過(guò)F檢驗(yàn)，兩者不相關(guān)，這與Zeng等[11]得出的結(jié)果一致。探空氣球在對(duì)流層頂和平流層所獲得的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)質(zhì)量較差可能是兩者相關(guān)性較差的主要原因，而AIRS濕度廓線(xiàn)在對(duì)流層底層反演精度較低則主要與大氣邊界層內(nèi)氣溶膠對(duì)輻射的衰減以及復(fù)雜下墊面的影響有關(guān)[29]。結(jié)合相對(duì)濕度的MB和RMSE可以發(fā)現(xiàn)，與探空數(shù)據(jù)相比，AIRS所反演相對(duì)濕度在對(duì)流層中高層(200～500 hPa)偏濕，在對(duì)流層中低層(600～925 hPa)偏干。除100 hPa、300 hPa、700 hPa和850 hPa外，其余氣壓層的RMSE均小于20%；MB絕對(duì)值的最小值和最大值分別在600 hPa和100 hPa取到，為-0.60%和18.85%，RMSE的最大值在850 hPa處取到，為26.44%。Zeng等[11]在此前的研究中就表示包括上海地區(qū)在內(nèi)的長(zhǎng)江流域與中國(guó)南方地區(qū)水汽混合比的RMSE變化規(guī)律一致，垂直方向上850 hPa為最高。由此可見(jiàn)，AIRS在100 hPa和850 hPa處的相對(duì)濕度反演精度亟待提高。

表1 2018年7—9月AIRS和探空數(shù)據(jù)的相對(duì)濕度廓線(xiàn)精度比較

3.2 AIRS濕度反演數(shù)據(jù)在不同質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)下的精度分析

圖1是50～1 000 hPa高度范圍內(nèi)AIRS質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0和1時(shí)相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)與加密探空資料的數(shù)學(xué)偏差分析圖。850 hPa至近地面附近，不存在質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)0的數(shù)據(jù)，這主要是因?yàn)锳IRS在探測(cè)過(guò)程中受云層及地面輻射等因素的影響，對(duì)流層底層反演數(shù)據(jù)達(dá)不到質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)0的要求。與加密探空資料相比，質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0和1的相對(duì)濕度MB的平均值分別為5.90%和-7.65%，RMSE的平均值分別為16.48%和19.21%。質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)0時(shí)，在整個(gè)對(duì)流層范圍內(nèi)，RMSE都控制在20%以?xún)?nèi)，MB的標(biāo)準(zhǔn)差也明顯小于質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為1時(shí)，AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)離散度更小，精度相對(duì)較高，100～700 hPa高度范圍內(nèi)，MB和RMSE隨高度降低逐漸減小，并且在100 hPa時(shí)，MB和RMSE均取到最大值，分別為19.66%和26.34%，劉瑞霞等[30]指出AIRS的值較探空在100 hPa高度上誤差較大可能與探空資料在此高度上本身就不夠準(zhǔn)確有關(guān)。不同于質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0時(shí)，質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)1的反演數(shù)據(jù)波動(dòng)更加劇烈，100～250 hPa內(nèi)，RMSE較質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0時(shí)更小，但考慮到樣本數(shù)量較少（100～250 hPa范圍內(nèi)各氣壓層的樣本數(shù)量均小于5個(gè)），結(jié)論不具有代表性。

圖1 50～1 000 hPa高度范圍內(nèi)AIRS質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0和1時(shí)相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)的MB(a)和RMSE(b)

圖2具體反映了兩種質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)下的AIRS數(shù)據(jù)與探空資料的離散程度。AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)與探空觀(guān)測(cè)之間整體存在較大差異。質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0的數(shù)據(jù)與探空資料的相關(guān)性更高，離散度更小，相關(guān)系數(shù)為0.72，整個(gè)高度范圍內(nèi)RMSE為17.61%。通過(guò)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布特征可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0時(shí)，AIRS所反演的相對(duì)濕度偏大，對(duì)角線(xiàn)以上的樣本占到了總樣本數(shù)的64.38%，質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為1時(shí)，則相對(duì)較干。相對(duì)于質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)1，質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0時(shí)樣本的有效數(shù)據(jù)量更多，且多集中在0～30%相對(duì)濕度范圍內(nèi)，由此我們可以推斷出在低濕的情況下，AIRS濕度廓線(xiàn)產(chǎn)品往往高估了大氣中的水汽含量，這與Qin等[31]的研究一致。同時(shí)，從圖2a中可以看出質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0時(shí)，隨著相對(duì)濕度的增加，樣本數(shù)逐漸減小，這與質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)1時(shí)樣本有效數(shù)據(jù)量隨相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)恰恰相反，質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為1時(shí)，樣本數(shù)量隨著相對(duì)濕度的增加逐漸增加，這說(shuō)明AIRS在低濕時(shí)反演精度更高。

圖2 AIRS質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0和1時(shí)相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)和與之匹配的探空觀(guān)測(cè)散點(diǎn)圖

3.3 AIRS濕度反演數(shù)據(jù)在不同云宏觀(guān)物理屬性條件下的精度分析

3.3.1 AIRS濕度反演數(shù)據(jù)在不同云量條件下的精度分析

結(jié)合上文的研究結(jié)果，本文對(duì)AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)在不同云宏觀(guān)物理屬性條件下的反演精度展開(kāi)研究。根據(jù)CERES(Clouds and the Earth's Radiant Energy System)提供的云分類(lèi)方法將云量情況分為四類(lèi)。無(wú)云定義為云量為0～5%，少云定義為5%～50%，多云定義為50%～95%，陰天定義為95%～100%。樣本數(shù)量分別為5、278、314和32，由于無(wú)云和陰天時(shí)樣本數(shù)量太少，不具有代表性，所以本文只將少云和多云時(shí)AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。

從圖3a各氣壓層的MB分布可以看出，少云時(shí)，所有層次的MB范圍在[-14.12%,20.14%]之間，多云時(shí)，MB范圍在[-23.47%,20.63%]之間，兩者都在100 hPa處達(dá)到最大值；相對(duì)于多云，少云時(shí)偏差變化較為平緩，相對(duì)濕度的標(biāo)準(zhǔn)差在各氣壓層都要更小，500 hPa至近地面附近，MB的絕對(duì)值均小于10%，由此可知，少云時(shí)AIRS在對(duì)流層中低層的濕度廓線(xiàn)更接近于實(shí)測(cè)值，反演精度更高。相對(duì)濕度的MB在100～600 hPa主要表現(xiàn)為正值，在700～925 hPa主要表現(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明AIRS所反演濕度在對(duì)流層中高層和平流層底層偏濕，在對(duì)流層中低層偏干，這與顧雅茹等[6]得出的結(jié)論一致。從圖3b RMSE的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，隨著云量的增加，AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)反演誤差逐漸增大，并且隨著氣壓值的增大，少云與多云時(shí)的RMSE之差有逐漸增大的趨勢(shì)，這與劉瑞霞等[30]的研究一致。少云時(shí)，除100 hPa高度層外，RMSE均低于20%，400 hPa以下，除850 hPa為18.51%外，RMSE更是低于15%，AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)在對(duì)流層中低層反演精度相對(duì)較高，但仍無(wú)法達(dá)到無(wú)線(xiàn)電探空的水平。

圖3 不同云量條件下50～1 000 hPa高度范圍內(nèi)AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)的MB(a)和RMSE(b)

3.3.2 AIRS濕度反演數(shù)據(jù)在不同云頂高度條件下的精度分析

根據(jù)國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃（International Satellite Cloud Climatology Project,ISCCP)D2資料中云的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)將云頂高度分為3類(lèi)，云頂高度小于440 hPa的即為高云，440～680 hPa的為中云，大于680 hPa的則定義為低云[32]。樣本數(shù)量分別為217、46和320（存在46個(gè)樣本未檢測(cè)到云頂高度），由于中云時(shí)樣本數(shù)量較少，故本文僅將低云和高云時(shí)AIRS的相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。

研究發(fā)現(xiàn)，低云時(shí)，所有層次的MB范圍在[-15.52%，15.18%]之間，平均值為3.92%，RMSE范圍在[4.98%，20.56%]之間，平均值為12.75%；高云時(shí)，MB范圍則為[-23.35%，23.76%]，平均值為-0.78%，RMSE范圍為[14.60%，31.89%]，平均值為21.87%。對(duì)比不同云頂高度條件下AIRS的反演誤差可知，低云時(shí)的RMSE要遠(yuǎn)小于高云。在440 hPa以上的高度范圍內(nèi)，高云時(shí)的RMSE曲線(xiàn)波動(dòng)較為頻繁，100 hPa和300 hPa處存在兩個(gè)峰值，此高度處相對(duì)濕度的標(biāo)準(zhǔn)差也明顯高于臨近氣壓層；而在680 hPa以下，低云和高云時(shí)的RMSE曲線(xiàn)都發(fā)生明顯波動(dòng)，誤差加大。綜上可知，AIRS相對(duì)濕度反演誤差隨著云頂高度的升高而增加，云頂以上相對(duì)濕度廓線(xiàn)反演精度較高，而云頂之下高度的大氣參數(shù)反演誤差較大，官莉等[4]利用模擬星載高光譜觀(guān)測(cè)值對(duì)云高進(jìn)行了敏感性研究，也得出了類(lèi)似的結(jié)論。另外值得注意的是，低云時(shí)，50～500 hPa高度范圍內(nèi)，AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)的RMSE均小于20%，除400 hPa以外，其余氣壓層均滿(mǎn)足美國(guó)NASA(National Aeronautics and Space Administration)構(gòu)建的新一代全球環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)NPP（NPOESS Preparatory Project）對(duì)大氣溫濕衛(wèi)星探測(cè)在對(duì)流層中高層和平流層底層所提出的要求[33],可作為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的輸入數(shù)據(jù)。

3.3.3 AIRS濕度反演數(shù)據(jù)在不同云宏觀(guān)物理屬性下的復(fù)合研究

以上研究已表明云量和云頂高度都是影響AIRS數(shù)據(jù)反演的重要因素，那么為了進(jìn)一步理清AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)反演精度在不同云量和云頂高度條件下的具體變化，本節(jié)將針對(duì)以下4種情況(低云且少云、低云且多云、高云且少云、高云且多云)進(jìn)行研究。其中，4種條件下的樣本占全部有效樣本數(shù)的比例分別為16.38%、17.01%、16.85%和31.00%。圖5繪制了不同云量和云頂高度條件下50～1 000 hPa高度范圍內(nèi)AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)的箱型圖，橫坐標(biāo)表示的是不同的氣壓值，縱坐標(biāo)為AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)之差，與上下四分位數(shù)之間的距離超過(guò)箱體長(zhǎng)度1.5倍的數(shù)據(jù)點(diǎn)定義為離群值。

圖4 不同云頂高度條件下50～1 000 hPa高度范圍內(nèi)AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)的MB(a)和RMSE(b)

圖5 不同云量和云頂高度條件下50～1 000 hPa高度范圍內(nèi)AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)的箱式圖

在同樣為少云的情況下，高云與低云時(shí)相比，除70 hPa、150 hPa、400 hPa、600 hPa和850 hPa外，其余氣壓層的四分位距均變大，特別是50 hPa、100 hPa、250 hPa、300 hPa、500 hPa和1000 hPa處，箱體長(zhǎng)度都增大為原來(lái)的兩倍以上，另外100 hPa氣壓層上，非異常范圍內(nèi)的最大值更是達(dá)到了48.13%，數(shù)據(jù)離散度較大，AIRS反演精度較差，綜上可知，不同于低云，高云對(duì)對(duì)流層和平流層范圍內(nèi)的AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)反演精度都有影響，其中又以對(duì)流層中高層及平流層底層影響最大。相較于其他三種情況，高云且多云對(duì)AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)的反演精度影響最為明顯，此條件下各氣壓層非異常值范圍內(nèi)的極差都為最大，對(duì)流層范圍內(nèi)除925 hPa之外都超過(guò)了50%，其中，又以850 hPa處數(shù)據(jù)離散度為最大，此時(shí)，絕對(duì)誤差的最大值為24.43%，最小值為-63.51%。250 hPa、300 hPa、600 hPa、925 hPa出現(xiàn)離群值，250 hPa和600 hPa時(shí)為正偏態(tài)，300 hPa和925 hPa時(shí)表現(xiàn)為負(fù)偏態(tài)。

4 結(jié) 論

本文選取2018年汛期（7—9月）上海寶山站的加密探空資料，檢驗(yàn)了同時(shí)段AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)反演產(chǎn)品在不同質(zhì)量控制、云量和云頂高度條件下的反演精度。總體上，反演精度隨著云量和云頂高度的增加而逐漸降低。

（1）對(duì)流層范圍內(nèi)，AIRS質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0的數(shù)據(jù)更接近實(shí)測(cè)值，RMSE都控制在20%以?xún)?nèi)，平均RMSE為16.48%。對(duì)比不同質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)的AIRS資料，質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0時(shí)，AIRS所反演的相對(duì)濕度相對(duì)偏濕，質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為1時(shí),則相對(duì)偏干。低濕（相對(duì)濕度小于30%）時(shí)AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)產(chǎn)品的反演精度更高，但往往高估了大氣中的水汽含量。

（2）多云對(duì)AIRS相對(duì)濕度反演精度的影響明顯要大于少云，并且隨著氣壓值的升高，少云與多云時(shí)的RMSE之差有逐漸增大的趨勢(shì)。少云時(shí)，400 hPa以下，除850 hPa外，RMSE均低于15%，AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)在對(duì)流層中低層反演精度相對(duì)較高，但仍達(dá)不到無(wú)線(xiàn)電探空的水平。

（3）AIRS相對(duì)濕度反演誤差隨云頂高度的升高而逐漸加大，云頂以上相對(duì)濕度廓線(xiàn)反演精度更高，而云頂以下高度的反演誤差較大。高云對(duì)對(duì)流層和平流層范圍內(nèi)AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)的反演精度都有影響，其中又以對(duì)流層中高層及平流層底層(100～500 hPa)的影響為最大，反觀(guān)低云時(shí)，AIRS相對(duì)濕度反演數(shù)據(jù)滿(mǎn)足美國(guó)NASA構(gòu)建的新一代全球環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)NPP對(duì)大氣溫濕衛(wèi)星探測(cè)在50～500 hPa高度內(nèi)所提出的要求，可作為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的輸入數(shù)據(jù)。

（4）高云且多云對(duì)AIRS相對(duì)濕度廓線(xiàn)的反演精度影響最為明顯，此條件下各氣壓層非異常值范圍內(nèi)的極差都為最大，對(duì)流層范圍內(nèi)除925 hPa之外都超過(guò)了50%。其中，又以850 hPa處數(shù)據(jù)離散度最大，為89.94%。

致 謝：感謝上海市氣象局為本研究提供的加密探空資料以及美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)提供的AIRS反演數(shù)據(jù)。