梁春旺，賈秋蘭，2，張可嘉，韓翔洋

(1.邢臺市氣象局，邢臺 054000；2.中國氣象局邢臺大氣環(huán)境野外科學試驗基地，邢臺 054000；3.辛集市氣象局，辛集 052360)

0 引言

微波輻射計能夠接收大氣中一定波段的微波輻射探測溫度、相對濕度、水汽密度及液態(tài)水的垂直分布廓線，具有可連續(xù)觀測、時間分辨力高、可操作性強等優(yōu)點，彌補了常規(guī)高空探測時間分辨力不高、觀測成本高的不足。常規(guī)高空探測每天08：00，20：00兩次規(guī)定時間的觀測，已經不能滿足研究與業(yè)務工作的需要，伴隨科技的發(fā)展，微波輻射計在多個領域[1-14]得到廣泛應用。

MWP967KV型地基多通道微波輻射計是一種新型大氣探測儀器，是專為氣象觀測和人工影響天氣探測而研制的精密遙感探空儀器，可以實時連續(xù)地提供從地面到垂直10 km上空高分辨力的大氣溫度、濕度以及云液態(tài)水廓線。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文章使用的2019—2020年常規(guī)高空氣象探測資料源于邢臺市氣象站(114°21′E；37°10′N)；MWP967KV型地基多通道微波輻射計[15]資料來源于同站址(114°21′E；37°10′N)的中國氣象局邢臺大氣環(huán)境野外科學試驗基地。

1.2 數據處理

MWP967KV型地基多通道微波輻射計可以實時連續(xù)地提供0～10 km的58層要素廓線數據。廓線的空間垂直分辨力500 m以下為50 m，500 m～2 km為100 m，2 km 以上為250 m。選取08：00和20：00垂直分辨力為50 m的常規(guī)高空氣象探測數據，插值到微波輻射計的58層探測高度，高空探測到達10 km需要30 min左右，取高空探測30 min內所有微波數據的平均值與探空數據進行一致性分析[16]。

文章在進行數據統(tǒng)計時，為了避免微波輻射計天線罩受雨滴的影響造成數據失真，在篩選數據時剔除了探測當天有降水的微波數據，晴天數據篩選條件為云量觀測時，總云量、低云量為0/0。

1.3 評估方法

微波輻射計資料和高空探測資料通過系統(tǒng)偏差、標準偏差和相關系數驗證了MWP967KV型地基多通道微波輻射計的距地0～10 km 的58個高度層的溫度、濕度數據的可靠性[17-21]。

(1)

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2 結果與分析

2.1 總體分析評估

為了更直觀地反映微波輻射計與常規(guī)高空探測的差異情況，將MWP967KV型地基多通道微波輻射計反演的溫度和相對濕度與探空所有的數據繪制成溫度、相對濕度廓線圖(圖1)。

圖1 2019年1月—12月邢臺市氣象站L波段探空雷達與微波輻射計溫度、相對濕度廓線對比圖(a)08：00；(b)20：00

由圖1可以看出：對于溫度值微波輻射計在08：00和20：00均偏小于高空探測，不同高度上的溫度差隨高度逐漸增大；相對濕度值則是微波輻射計大于高空探測值，0.1 km時偏差值最小，3000～4000 m差值增大后又開始減小，6500～8000 m差值又開始增大，但兩種探測資料總體趨勢一致。導致這種結果的原因可能是：1)數據的選取存在差異，微波輻射計使用的是高空探測30 min時間段的平均數據，與實際值存在差異；2)氣球的高空漂移也會產生一定影響，微波輻射計是定點觀測垂直方向的要素值，探空氣球隨著高空風的增大漂移距離也會加大，這種情況也會造成兩種探測結果的差異。

2.2 不同季節(jié)的性能分析

將微波輻射計與常規(guī)高空探測1 a(2019年)的數據按照春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)分成4組數據，分別計算標準偏差、相關系數和系統(tǒng)誤差。下面將對結果進行分析討論：

1)從溫度、相對濕度相關系數對比圖2(a)和圖2(b)可以看出：溫度相關性好于相對濕度，整體隨高度升高而減小，最大值在地面，最小值在10 km，溫度相關性在春季最好，冬季最差；2000 m以下溫度相關系數在夏季最??；相對濕度相關性要差于溫度相關性，冬季在1000 m以下最差，1500～4000 m相關系數最好。

2)溫度標準偏差秋季和春季趨勢一致(圖2c、圖2d)，4000 m以下隨高度升高而減小，4000～8000 m隨高度升高而增大，8000～10，000 m隨高度升高而減小，夏季整體呈現隨高度升高而增大，冬季0～2000 m隨高度升高而升高，2000～10，000 m隨高度升高而減小，溫度標準偏差四季維持在0.9～7.3 ℃，相對濕度標準偏差四季均維持在12%～24%。

圖2 2019年不同季節(jié)L波段探空雷達與微波輻射計溫度、相對濕度相關系數、標準偏差、系統(tǒng)誤差圖

圖2(e)和圖2(f)為溫度、相對濕度系統(tǒng)誤差圖，溫度系統(tǒng)誤差范圍為-2.5～2.5 ℃，2000～8000 m系統(tǒng)誤差維持在-1～1 ℃；相對濕度的系統(tǒng)誤差在-5%～21%。

2.3 不同天氣條件下微波輻射計的性能分析

按照天氣條件，篩選出雨天數據16組，晴天數據30組。

分析發(fā)現：晴空天氣條件下，溫度和相對濕度的相關系數為0.997～0.744和0.994～0.156，溫度的相關系數隨高度升高而減小，地面0.997最高，10 km處最低0.744；相對濕度的相關系數地面最大，0～2 km相關系數在0.8以上，0～0.4 km隨高度升高而減小，0.45～0.8 km，0.8～3.25 km和4.5～5.5 km隨高度升高而增大，相關性最小出現在10 km；雨天天氣條件下，溫度的相關性最高出現在地面0.983，最低出現在10 km處，相對濕度的相關系數最大出現在地面，最小出現在5.25 km處，為-0.072，0.3～3.0 km隨高度的升高而增大，3.0～5.25 km隨高度的升高而減小。

溫度在晴天和雨天的系統(tǒng)誤差相差不大，整體維持在-3.0～5.0 ℃，晴天時相對濕度系統(tǒng)誤差0.0～2.5 km處在10%以內，0.1 km處最小為0%，最大在10 km，雨天相對濕度系統(tǒng)誤差最小值在4.5 km，最小值為4%，2.75～4.75 km維持在10%之內，最大值為52%，出現在10 km處。

對于標準偏差值，0.0～6.75 km晴空條件下溫度標準偏差值大，6.75～10 km雨天溫度標準差值大；相對濕度標準偏差0.0～2.0 km晴空天氣條件下差值偏大，2.0～10 km雨天相對濕度標準偏差值偏大。

2.4 霧霾天氣下溫度、相對濕度對比

根據邢臺市環(huán)保局監(jiān)測站點監(jiān)測的污染物濃度，2019-01-10—2019-01-14污染物濃度連續(xù)達到200 mg/m3，為連續(xù)重污染天氣過程。比較重污染期間溫度、相對濕度的數據可靠性(圖3)。

從圖3可以看出：溫度和相對濕度在污染天氣下，微波輻射計反演數據與高空探測數據兩種資料的變化趨勢一致；兩種資料的溫度廓線近地層都出現了逆溫層，1500 m以下高空溫度大于微波輻射計溫度，尤其是逆溫強度達到最大值時，微波輻射計反演的溫度數據比高空探測數據小3.0 ℃；1500 m以上微波輻射計溫度大于高空探測溫度，微波輻射計溫度整體偏大。

圖3 2019-01-10—2019-01-14邢臺市氣象站L波段探空雷達與微波輻射計溫度、相對濕度廓線對比圖

3 結束語

通過對常規(guī)高空探測資料與國產地基多通道微波輻射計反演數據對比分析，得出以下結論：

1)對于溫度值微波輻射計在08：00和20：00均偏小于高空探測值，不同高度上的溫度差隨高度逐漸增大。相對濕度值則是微波輻射計大于高空探測值，但兩種探測資料總體趨勢一致。

2)通過比較四季的相關系數、相對標準偏差和系統(tǒng)誤差，發(fā)現廓線差異在季節(jié)變化中比較復雜多變，但在某些高度處，仍有規(guī)律存在且溫度整體表現要好于相對濕度。

3)高空測量的溫度與地基微波輻射計測量的溫度相關系數、標準偏差、系統(tǒng)誤差在晴天與雨天的差異不大；相對濕度的相關系數、標準偏差和系統(tǒng)誤差在晴天的表現要好于雨天。

4)微波輻射計反演數據與探空探測數據趨勢一致，尤其在有逆溫的情況下，能較好地反映逆溫層，對于霧霾天氣的預警預報具有重要意義。