摘要：為綜合評(píng)估地基微波輻射計(jì)（以下簡(jiǎn)稱輻射計(jì)）溫濕探測(cè)性能、提高溫濕廓線精度，利用2021年3—8月北京輻射計(jì)觀測(cè)、探空和ERA5再分析等資料，分析不同天氣條件下（晴天、云天、雨天）輻射計(jì)溫濕度探測(cè)性能，利用探空數(shù)據(jù)和修正后的ERA5數(shù)據(jù)對(duì)輻射計(jì)溫濕廓線進(jìn)行檢驗(yàn)，并基于線性偏差訂正方法對(duì)輻射計(jì)溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行訂正。結(jié)果表明：（1）輻射計(jì)溫度在晴天、云天與探空溫度具有較好的一致性，而其在降雨天氣較探空溫度高；輻射計(jì)相對(duì)濕度在晴天高于探空，云天和雨天低于探空。雨天探空數(shù)據(jù)對(duì)輻射計(jì)溫、濕度的線性偏差訂正效果優(yōu)于晴天、云天。（2） ERA5相對(duì)濕度在4 km以上高度與探空存在明顯偏差，其溫度與探空溫度的相關(guān)性高于相對(duì)濕度。（3）探空數(shù)據(jù)修正后的ERA5數(shù)據(jù)能較好提升輻射計(jì)溫濕廓線精度，且在雨天效果優(yōu)于晴云天。垂直方向上，隨著高度增加輻射計(jì)溫、濕度訂正效果更明顯。（4）采用探空數(shù)據(jù)和修正后的ERA5數(shù)據(jù)對(duì)訂正后的輻射計(jì)溫濕數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表明晴天和云天條件下輻射計(jì)與探空、輻射計(jì)與修正后ERA5數(shù)據(jù)的誤差（平均誤差BIAS和均方根誤差RMSE）廓線垂直分布特征相似。雨天條件下兩者在中高層（7—10 km）有明顯差異，其中溫度RMSE相差4 K，相對(duì)濕度RMSE相差20%。

關(guān)鍵詞：地基微波輻射計(jì)；ERA5；溫度廓線；相對(duì)濕度廓線

中圖法分類號(hào)：P413.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI： 10.12406/byzh.2023-005

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2242212）；上海航天科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（SAST2021-032）；中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心觀測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目（SY2021029）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202210300078Y）

Research on bias analysis and correction of temperature and humidity data with ground-based microwave radiometer

WU Mengying1， 2， BAO Yansong1， 2， MAO Jiajia3， ZHANG Heng4， LI Wenbin2

（1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/ Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration/ Joint Laboratory of Meteorological Environment Satellite Engineering and Application， Nanjing University of Information Science Technology， Nanjing 210044； 2. School of Atmospheric Physicas， Nanjing University of Information Science Technology， Nanjing 210044； 3. Meteorological Observation Center Of CMA， Beijing 100081； 4.Shanghai Institute of Satellite engineering， Shanghai 201100）

Abstract： In order to comprehensively evaluate the temperature and humidity detection performance of the ground microwave radiometer （re？ ferred to as radiometer， the same below） and improve the accuracy of temperature and relative humidity profiles， by using the ground micro？ wave radiometer data， radiosonde data， and ERA5 reanalysis data of Beijing from March to August 2021， this paper analyzes the temperature and humidity detection performance of the radiometer under sunny， cloudy and rainy days. In the meanwhile， this paper uses radiosonde data and corrected ERA5 data to verify temperature and humidity profiles of radiometer and correct temperature and humidity data of radiometer based on the linear deviation correction method. The results show that： （1） The temperature of microwave radiometer has good consistency with radiosonde temperature under sunny and cloudy days， but it is higher than the radiosonde temperature in rainy days. The relative humid？ity of microwave radiometer is higher than that of radiosonde in sunny days and lower in cloudy and rainy days. The linear deviation correc？ tion effect of radiosonde on ground-based microwave radiometers in rainy days is better than that in sunny and cloudy days. （2） Above 4 km， ERA5 relative humidity data has obvious deviation with radiosonde data， while the temperature correlation between ERA5 and radiosonde is higher than relative humidity correlation. （3） The ERA5 data after radiosonde correction can improve the temperature and humidity profile ac？ curacy of the Microwave radiometer， and the effect is better in rainy days than in sunny days. In vertical direction， with the increase of height， the correction effect of radiometer temperature and humidity data is more obvious. （4） The two true values of radiosonde data and cor？ rected ERA5 data were used to analyze the temperature and humidity data of the ground-based microwave radiometer corrected by ERA5， and the results showed that the vertical distribution characteristics of the error （mean error BIAS and root mean square error RMSE） profiles of radiometer and radiosonde， radiometer and corrected ERA5 data were similar under sunny and cloud conditions. Under rainy conditions， there were obvious differences between the two in the middle and upper height （7-10 km）， among which the temperature RMSE differed by 4 K and the relative humidity RMSE differed by 20%.

Key words： Ground-based microwave radiometers； ERA5； temperature profile； relative humidity profile

引言

探空是氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)中測(cè)量各種氣象要素廓線的基本手段之一，盡管傳統(tǒng)的定點(diǎn)、定時(shí)氫氣球探空觀測(cè)具有較好的代表性和較高的可信度，但其有限的站點(diǎn)分布以及無(wú)法連續(xù)觀測(cè)的特點(diǎn)使得探空的時(shí)空密度難以適應(yīng)現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)發(fā)展需求。地基微波輻射計(jì)（以下簡(jiǎn)稱輻射計(jì)）作為一種被動(dòng)地基遙感儀器，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且能在無(wú)人看守的情況下對(duì)溫度、水汽等要素的廓線進(jìn)行連續(xù)氣象觀測(cè)，已成為常規(guī)探空的重要補(bǔ)充。其中，溫、濕度是大氣中的重要?dú)庀髤?shù)，并與人類的生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)。溫、濕度影響大氣中的熱力學(xué)過(guò)程，連續(xù)且高質(zhì)量的大氣溫濕廓線對(duì)研究各種天氣具有重要作用。因此，大氣中溫度與水汽的精細(xì)探測(cè)十分重要。探空數(shù)據(jù)是目前最接近真實(shí)大氣狀態(tài)的探測(cè)數(shù)據(jù)，探空氣球測(cè)量的氣象要素包括氣壓、高度、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等，其垂直廓線可以從地面擴(kuò)展到約30 km的高度。目前我國(guó)氣象部門布設(shè)了120個(gè)高空氣象觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱探空站），東部地區(qū)站點(diǎn)間距200～300 km，中部地區(qū)間距300～400 km，西部地區(qū)間距約400～500 km，每天可探測(cè)得到垂直廓線資料2～4次，其空間分辨率和時(shí)間分辨率均較低。此外，探空氣球的高空漂移對(duì)溫濕廓線高層觀測(cè)精度影響較大（陳哲等，2010）。

近年來(lái)，輻射計(jì)被廣泛應(yīng)用到大氣探測(cè)業(yè)務(wù)或相關(guān)研究中，它不僅能穿透云霧、雨雪，且不需要太陽(yáng)的照射，具有全天候工作的能力，極大彌補(bǔ)了探空數(shù)據(jù)的不足。輻射計(jì)通過(guò)接收大氣微波輻射探測(cè)大氣溫、濕度信息，可實(shí)現(xiàn)24 h無(wú)人值守、高時(shí)間分辨率的連續(xù)觀測(cè)，可探測(cè)大氣要素的短期變化，是對(duì)常規(guī)業(yè)務(wù)探空資料的重要補(bǔ)充，在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、暴雨等災(zāi)害天氣分析、短臨預(yù)報(bào)預(yù)警等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值（鮑艷松等，2016）。如許皓琳等（2022）使用輻射計(jì)對(duì)昆明機(jī)場(chǎng)兩次不同類型強(qiáng)雷暴過(guò)程中的溫濕參量進(jìn)行研究并指出，輻射計(jì)溫濕廓線在中小尺度天氣診斷分析以及氣象要素連續(xù)變化的研究中有較好的應(yīng)用；毛宇清等（2022）在常規(guī)高空探測(cè)資料的空白期利用輻射計(jì)的溫度、液態(tài)水和水汽密度資料來(lái)分析降水相態(tài)轉(zhuǎn)換期間溫度層結(jié)和水汽的變化，展現(xiàn)了輻射計(jì)時(shí)間分辨率高和連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)；周濤等（2022）利用包含輻射計(jì)在內(nèi)的多源資料對(duì)冀中平原地區(qū)一次暖區(qū)暴雨過(guò)程進(jìn)行水汽特征分析，結(jié)果表明常規(guī)氣象觀測(cè)資料、拉格朗日混合單粒子軌道模型（HYSPLIT模式）和輻射計(jì)水汽特征一致，HYSPLIT模式和輻射計(jì)兩種高時(shí)空分辨率資料可為暖區(qū)暴雨落區(qū)等精細(xì)化預(yù)報(bào)、預(yù)警提供一定參考；周永水等（2022）利用貴陽(yáng)輻射計(jì)研究晴天時(shí)逆溫與微波輻射計(jì)誤差的相關(guān)性，區(qū)分季節(jié)比對(duì)了晴天條件下微波輻射計(jì)的誤差及誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)果顯示冬季誤差大于其余季節(jié)。但其研究側(cè)重晴天逆溫，輻射計(jì)穿透云雨的優(yōu)勢(shì)并未展現(xiàn)。

綜上所述，輻射計(jì)作為新型觀測(cè)資料在氣象探測(cè)研究中發(fā)揮了一定作用，但其仍存在一定誤差，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者對(duì)不同型號(hào)輻射計(jì)的溫濕探測(cè)性能進(jìn)行了評(píng)估，但主要是與業(yè)務(wù)探空資料進(jìn)行比對(duì)（張文剛等，2017）。楊蓮梅等（2013）利用烏魯木齊L波段探空數(shù)據(jù)對(duì)MP-3000A型地基微波輻射計(jì)溫濕數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估得出微波輻射計(jì)與探空測(cè)量溫度相關(guān)系數(shù)為0.99，相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)為0.74，這說(shuō)明濕度資料的使用需要進(jìn)一步訂正和處理；而濕度垂直變化較復(fù)雜，且由于常規(guī)探空自身的不確定性，濕度對(duì)比中兩者一致性較差，這說(shuō)明輻射計(jì)濕度資料的使用需要進(jìn)一步訂正和處理；徐桂榮等（2019）對(duì)甘孜地區(qū)輻射計(jì)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明總體上輻射計(jì)反演參量與探空觀測(cè)之間的相關(guān)性較好，非強(qiáng)降水對(duì)輻射計(jì)觀測(cè)質(zhì)量的影響較小，展現(xiàn)了輻射計(jì)在降雨天氣下穿透云雨的優(yōu)勢(shì)；王志誠(chéng)等（2017）比對(duì)了四臺(tái)輻射計(jì)與L波段探空的誤差，認(rèn)為四臺(tái)輻射計(jì)相對(duì)濕度誤差在晴空條件下小于云雨條件下的，這是因?yàn)樵谠朴陾l件下微波吸收的不確定性導(dǎo)致相對(duì)濕度反演誤差加大，并且他們明確指出，選用L波段探空資料作為參考標(biāo)準(zhǔn)，其自身的誤差和氣球偏移的誤差無(wú)法避免，需要更多的綜合比對(duì)和驗(yàn)證。

ERA5再分析數(shù)據(jù)利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和同化系統(tǒng)把各類觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和最優(yōu)集成，形成長(zhǎng)序列的格點(diǎn)數(shù)據(jù)集。相比探空觀測(cè)，ERA5數(shù)據(jù)具有時(shí)空分辨率高的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)探空數(shù)據(jù)量不足的缺點(diǎn)，且數(shù)據(jù)獲取方便，部分學(xué)者將ERA5溫濕數(shù)據(jù)作為大氣溫濕度真實(shí)值并用于研究。雷連發(fā)（2022）在研究中對(duì)比分析了ERA5和車載輻射計(jì)的溫濕度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者的一致性較好；王群等（2021）利用ERA5再分析資料的高時(shí)空分辨率特征，建立了江蘇及周邊區(qū)域的加權(quán)平均溫度模型，使用江蘇及其周邊區(qū)域的探空數(shù)據(jù)對(duì)ERA5的模型進(jìn)行修正和精度驗(yàn)證，時(shí)間上利用逐小時(shí)的ERA5數(shù)據(jù)建模，相比于傳統(tǒng)使用12 h分辨率的探空數(shù)據(jù)增強(qiáng)了模型的適用性。對(duì)無(wú)探空站點(diǎn)的輻射計(jì)資料而言，使用ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估拓展了輻射計(jì)資料的研究和應(yīng)用范圍。

為了較全面地了解輻射計(jì)探測(cè)性能，改進(jìn)其溫濕廓線精度，本文以常規(guī)探空數(shù)據(jù)為參考，對(duì)輻射計(jì)在不同天氣條件下的溫濕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，并使用線性訂正方法對(duì)偏差進(jìn)行訂正。由于探空數(shù)據(jù)檢驗(yàn)集樣本量較少，為綜合比對(duì)和驗(yàn)證，利用時(shí)間分辨率更高的、經(jīng)探空數(shù)據(jù)修正后的ERA5數(shù)據(jù)對(duì)輻射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步訂正，并進(jìn)行多源對(duì)比檢驗(yàn)，研究結(jié)果可為輻射計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量改進(jìn)提供參考，并可拓展無(wú)探空站輻射計(jì)設(shè)備的應(yīng)用。

1數(shù)據(jù)及方法

1.1數(shù)據(jù)說(shuō)明

本文使用的數(shù)據(jù)時(shí)段為2021年3—8月部分時(shí)間段共99 d，其中3—5月21 d，6—8月78 d。

輻射計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，由布設(shè)在北京市大興站（116.47°E，36.8069°N，海拔33 m）的兩臺(tái)輻射計(jì)提供，型號(hào)分別為MWR-C和Air？ da-HTG4。LV2數(shù)據(jù)中溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為2 min，垂直方向0—10 km共83個(gè)高度層，垂直分辨率0.5 km以下為25 m，0.5—2 km為50 m，2—10 km為250 m。3—4月數(shù)據(jù)來(lái)自于MWR-C，5—8月數(shù)據(jù)來(lái)自于Airda-HTG4。

L波段探空數(shù)據(jù)和地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)與輻射計(jì)同期同址觀測(cè)，均由中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心提供，地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料用于判斷天氣；ERA5數(shù)據(jù)為歐洲中心官方網(wǎng)站（https：//cds.climate.copernicus. eu/）下載得到的等壓層數(shù)據(jù)，所取空間范圍為116°—117°E、39°—40°N。

1.2研究方法

本文在對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，首先使用探空數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行誤差計(jì)算和偏差訂正，但由于探空數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率較低，因此使用時(shí)間分辨率更高的ERA5數(shù)據(jù)作為真實(shí)值進(jìn)一步對(duì)比評(píng)估。由于探空數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)在高層誤差特征不同，使用ERA5數(shù)據(jù)前利用探空數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行修正。具體流程如圖1所示。

1.2.1時(shí)空匹配及天氣分型方法

由于輻射計(jì)、探空數(shù)據(jù)和ERA5數(shù)據(jù)垂直分辨率不同，因此使用線性插值方法將探空數(shù)據(jù)和ERA5數(shù)據(jù)重采樣至輻射計(jì)數(shù)據(jù)的83層探測(cè)高度。由于ERA5為格點(diǎn)數(shù)據(jù)，探空數(shù)據(jù)及輻射計(jì)為大興站點(diǎn)同址觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此取距離大興站最近的四個(gè)格點(diǎn)雙線性插值得到與ERA5匹配的數(shù)據(jù)。

在對(duì)輻射計(jì)數(shù)據(jù)和ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配時(shí)，以ERA5數(shù)據(jù)的00—23時(shí)（世界時(shí)，下同）為基準(zhǔn)，匹配前后10 min的輻射計(jì)數(shù)據(jù)并取平均，形成匹配數(shù)據(jù)對(duì)。地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的作用有兩個(gè)，第一個(gè)是作為地面數(shù)據(jù)與ERA5氣壓層數(shù)據(jù)形成0—10 km的廓線資料，具體方案如下：若自動(dòng)氣象站地面氣壓≥1 000 hPa，則將地面自動(dòng)氣象站溫濕數(shù)據(jù)作為0 m高度處的溫濕數(shù)據(jù)；若自動(dòng)氣象站地面氣壓<1 000 hPa，則將地面自動(dòng)氣象站溫濕度數(shù)據(jù)作為33 m（大興站海拔高度）高度處的溫濕數(shù)據(jù)，并進(jìn)行線性插值使得ERA5數(shù)據(jù)形成0—10 km完整的溫濕廓線。第二個(gè)作用是根據(jù)降雨量、總云量等信息判定晴天、云天、雨天。若大興站點(diǎn)地面自動(dòng)氣象站過(guò)去1 h降水量大于0.1 mm則判定為雨天，若大興站點(diǎn)地面自動(dòng)氣象站過(guò)去1 h降水量為0 mm，且總云量<10%以及ERA5各高度層相對(duì)濕度小于85%（鄒倩等，2022），則判定為晴天；其他情況定為云天（含陰天及過(guò)去1 h降水量為0.0 mm的天氣）。

1.2.2質(zhì)量控制方法

對(duì)輻射計(jì)溫度和相對(duì)濕度分別進(jìn)行分層質(zhì)量控制，利用三倍誤差標(biāo)準(zhǔn)差法（顧英杰，2021）對(duì)輻射計(jì)溫濕廓線進(jìn)行異常值剔除，以使用探空溫度對(duì)輻射計(jì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制為例，具體剔除方法如下。

輻射計(jì)與ERA5數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)時(shí)空匹配和天氣分型后，得到410個(gè)晴天樣本、739個(gè)云天樣本和125個(gè)雨天樣本。經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后，晴天、云天、雨天溫度分別保留406、730、125條廓線，相對(duì)濕度分別保留404、738、125條廓線。晴天、云天和雨天溫度樣本的剔除率分別為0.98%、1.22%和0%，相對(duì)濕度樣本剔除率分別為1.46%、0.14%和0%。

輻射計(jì)與探空數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)時(shí)空匹配和天氣分型后，得到77個(gè)晴天樣本、146個(gè)云天樣本和21個(gè)雨天樣本。經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制保留的溫濕廓線數(shù)量為晴天77條、云天143條和雨天21條。其中，只有云天剔除了3條廓線，樣本剔除率為2.05%。

1.2.3線性偏差訂正法

2結(jié)果與分析

2.1輻射計(jì)與探空的誤差分析

分晴天、云天、雨天對(duì)輻射計(jì)溫、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，不同天氣條件的樣本數(shù)用N表示，相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)為相關(guān)系數(shù)（R），均方根誤差（RMSE），平均誤差（BIAS），誤差標(biāo)準(zhǔn)差（STD），表示輻射計(jì)與探空0—10 km共83層所有散點(diǎn)之間的誤差。1：1線表示輻射計(jì)與探空0—10 km共83層所有散點(diǎn)之間的誤差為0的線（下同）。通過(guò)輻射計(jì)與探空溫、濕度散點(diǎn)圖（圖2）可見，概率密度較大的數(shù)值分布在1：1線上，密度較小的數(shù)值分布在1：1線兩側(cè)，可見晴天、云天條件下，輻射計(jì)與探空溫度的一致性較好，雨天溫度與探空溫度之間誤差較大，RMSE為5.473 K，且雨天探測(cè)溫度明顯高于探空溫度，這與王志誠(chéng)等（2017）得出的“降水發(fā)生時(shí)輻射計(jì)的溫度觀測(cè)會(huì)呈現(xiàn)明顯偏高”的結(jié)論一致。

晴天、云天、雨天不同天氣條件下，輻射計(jì)相對(duì)濕度與探空相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.752、0.637和0.345，可見輻射計(jì)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)精度晴天優(yōu)于云天，云天優(yōu)于雨天。散點(diǎn)圖中輻射計(jì)晴天相對(duì)濕度（圖2b）數(shù)值明顯高于探空，這與劉建忠等（2012）得出的“無(wú)降水時(shí)總體來(lái)看輻射計(jì)反演出的濕度比探空偏高”結(jié)論一致。云天輻射計(jì)相對(duì)濕度（圖2d）比探空略小，BIAS為-2.422%。雨天條件下輻射計(jì)相對(duì)濕度（圖2f）整體小于探空，這與劉建忠等（2012）“有降水時(shí)，只有700 m、1 500m高度上平均誤差為正，其余為負(fù)”結(jié)論一致。可見輻射計(jì)與探空溫濕度之間存在一定線性關(guān)系。因此本文基于探空觀測(cè)使用線性偏差訂正方法對(duì)輻射計(jì)溫濕數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，以提高溫濕廓線的精度。

2.2基于探空的地基微波輻射計(jì)線性偏差訂正

圖3用于檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)樣本數(shù)，晴天為1 245個(gè)（散點(diǎn)），云天為2 324個(gè)，雨天為332個(gè)。經(jīng)過(guò)線性偏差訂正，輻射計(jì)與探空數(shù)據(jù)在晴天、云天和雨天的溫度相關(guān)系數(shù)分別提升0.001、0和0.016；RMSE分別減小0.172 K、0.397 K和3.207 K；STD分別減小0.183 K、0.392 K和1.976 K。這說(shuō)明使用探空數(shù)據(jù)對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行線性偏差訂正能有效提高溫度廓線精度，且雨天訂正效果最好，其次是云天，最后是晴天。

根據(jù)輻射計(jì)相對(duì)濕度散點(diǎn)圖（圖4），利用探空數(shù)據(jù)對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行線性偏差訂正后，地基輻射計(jì)與探空數(shù)據(jù)在晴天、云天和雨天的相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)依次提升0.022、0.018和0.26；RMSE依次減小1.431%、2.892%和16.776%；BIAS依次減小2.434%、2.008%和10.337%。晴、云天相對(duì)濕度訂正效果相當(dāng)，雨天訂正效果最好，這說(shuō)明線性偏差訂正方法有效提高了輻射計(jì)相對(duì)濕度廓線的精度。

探空數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的樣本量較少，尤其是雨天僅有4條廓線，332個(gè)散點(diǎn)，因此需使用更多樣本進(jìn)行驗(yàn)證和研究。由于探空時(shí)間分辨率較低，地基設(shè)備無(wú)法匹配到足量探空數(shù)據(jù)，因此考慮使用時(shí)間分辨率較高的ERA5數(shù)據(jù)對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行線性偏差訂正研究。

2.3基于ERA5的地基微波輻射計(jì)線性偏差訂正

2.3.1 ERA5數(shù)據(jù)的適用性評(píng)估與訂正

ERA5數(shù)據(jù)為處理后的再分析資料，探空數(shù)據(jù)由探空氣球探測(cè)得到，由于探空氣球在高空存在漂移，因此ERA5數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)在高空存在差異，使用ERA5數(shù)據(jù)時(shí)需要事先進(jìn)行適用性評(píng)估和訂正。與探空數(shù)據(jù)相比，ERA5數(shù)據(jù)的相對(duì)濕度誤差明顯大于溫度誤差（圖5）。這與孟憲貴等（2018）對(duì)ERA5再分析數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果中“再分析的2 m溫度與實(shí)況資料的相關(guān)性明顯優(yōu)于2 m相對(duì)濕度”的結(jié)論一致。

ERA5溫度平均誤差為1 K以內(nèi)（圖5a），相對(duì)濕度誤差在4 km以下為5%以內(nèi)（圖5c），在4 km以上，ERA5相對(duì)濕度BIAS隨著高度升高逐漸增大，到10 km附近達(dá)到15%。經(jīng)過(guò)線性偏差訂正，ERA5相對(duì)濕度在4 km以上精度提升效果較為明顯，ERA5溫度BIAS在10 km處減小0.5 K（圖5a），ERA5相對(duì)濕度BIAS在10 km處減小接近10%（圖5c），相對(duì)濕度RMSE在10 km處減小5%（圖5d）。整體來(lái)說(shuō)，ERA5數(shù)據(jù)在4 km以下與探空數(shù)據(jù)特征相似，4 km以上ERA5數(shù)據(jù)的線性偏差訂正效果較好，因此本文后續(xù)使用的4 km以上的ERA5數(shù)據(jù)為修正后的數(shù)據(jù)，修正后的ERA5數(shù)據(jù)與探空一致性更好。

2.3.2線性偏差訂正前后溫濕度散點(diǎn)圖分析

ERA5數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)修正后，可用于輻射計(jì)溫濕數(shù)據(jù)的訂正。經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后，晴天、云天、雨天溫度建模樣本分別保留325、584、100條廓線，檢驗(yàn)樣本分別保留81、146、25條廓線。圖6為不同天氣條件下線性偏差訂正前后的輻射計(jì)溫度的散點(diǎn)分布圖（以訂正后的ERA5溫度作為參考值）。在獨(dú)立樣本檢驗(yàn)中，輻射計(jì)與ERA5數(shù)據(jù)在晴天、云天和雨天的溫度相關(guān)系數(shù)分別提升0.001、0.002和0.021，RMSE分別減小0.266 K、0.72 K和3.622 K，STD分別減小0.193 K、0.702 K和2.266 K。這說(shuō)明使用ERA5溫度數(shù)據(jù)對(duì)輻射計(jì)的溫度進(jìn)行線性偏差訂正后其精度有比較明顯的提升，且雨天訂正效果最好，其次是云天，最后是晴天。

經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后，晴天、云天、雨天相對(duì)濕度建模樣本分別保留324、591、100條廓線，檢驗(yàn)樣本分別保留80、147、25條廓線。經(jīng)過(guò)線性偏差訂正，輻射計(jì)晴天、云天和雨天相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)分別提升0.035、0.044和0.085 （圖6）；晴天、云天和雨天相對(duì)濕度RMSE分別減小2.198%、3.425%和5.864%；晴天條件下相對(duì)濕度BIAS減小3.085%，云天相對(duì)濕度BIAS減小2.47%，雨天相對(duì)濕度BIAS從0.062%增加到1.792%。結(jié)果表明線性偏差訂正方法對(duì)輻射計(jì)的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)精度有明顯的提升效果。

2.3.3線性偏差訂正前后溫濕度誤差的垂直分布分析

為進(jìn)一步檢驗(yàn)訂正效果，對(duì)晴天、云天、雨天條件下誤差的垂直分布情況進(jìn)行分析。圖8中晴天溫度廓線各層均為81個(gè)樣本，云天溫度廓線各層均為146個(gè)樣本，雨天溫度廓線各層均為25個(gè)樣本。晴天相對(duì)濕度廓線各層均為80個(gè)樣本，云天相對(duì)濕度廓線各層均為147個(gè)樣本，雨天相對(duì)濕度廓線各層均為25個(gè)樣本。整體來(lái)看，線性偏差訂正前，輻射計(jì)的溫度廓線和相對(duì)濕度廓線精度為晴天>云天>雨天。輻射計(jì)溫度及相對(duì)濕度均方根誤差整體趨勢(shì)為隨高度遞增，這是因?yàn)榈鼗O(shè)備通道權(quán)重函數(shù)集中在地面，高層探測(cè)性能有限，但雨天相對(duì)濕度廓線在4km處RMSE和STD存在峰值，可以推測(cè)此處有降雨發(fā)生。張文剛等（2013）開展了降水對(duì)微波輻射計(jì)探測(cè)性能影響的研究，本文結(jié)論“雨天地基微波輻射計(jì)相對(duì)濕度廓線探測(cè)精度較差”與其文中結(jié)論“降水對(duì)輻射計(jì)相對(duì)濕度廓線有較為明顯的影響”基本一致。雨天精度明顯較差的原因是雨天天線罩附著水層對(duì)微波信號(hào)的影響造成雨天探測(cè)失真。

經(jīng)過(guò)線性偏差訂正，各天氣條件下輻射計(jì)與ERA5數(shù)據(jù)的溫度和相對(duì)濕度BIAS都趨近于0 （圖8）。晴天溫度RMSE在7 km以上改進(jìn)更明顯；云天溫度RMSE在4 km以上訂正效果較好；雨天溫度廓線線性偏差訂正效果整體較好，10 km處RMSE減小幅度接近5 K。誤差標(biāo)準(zhǔn)差STD訂正效果與RMSE類似，但減小幅度更小。晴天相對(duì)濕度RMSE在7 km以上減小 5%；云天相對(duì)濕度RMSE在5 km以上訂正效果較明顯；雨天相對(duì)濕度在各高度層均有明顯訂正效果，在4 km附近RMSE減小超過(guò)25%。

三種天氣條件下，線性偏差訂正后輻射計(jì)溫濕廓線精度有明顯提升。雨天訂正效果尤為明顯，說(shuō)明雨天數(shù)據(jù)誤差主要來(lái)自于系統(tǒng)偏差。當(dāng)然，由于雨天樣本只有25條廓線，有待利用大樣本檢驗(yàn)訂正效果。

2.4輻射計(jì)、ERA5、探空數(shù)據(jù)對(duì)比

本文利用探空數(shù)據(jù)修正后的ERA5數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)和改進(jìn)輻射計(jì)溫濕廓線，為了探討該方案的可行性，研究輻射計(jì)探測(cè)性能，進(jìn)一步采用探空數(shù)據(jù)和ERA5數(shù)據(jù)兩種真實(shí)值對(duì)經(jīng)ERA5訂正后的輻射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。輻射計(jì)誤差垂直分布圖（圖9、10）中各層數(shù)據(jù)量為晴天77條、云天143條和雨天21條。圖中實(shí)線表示輻射計(jì)與探空數(shù)據(jù)的誤差，虛線表示輻射計(jì)與ERA5數(shù)據(jù)的誤差。晴天和云天條件下兩種不同來(lái)源的誤差廓線垂直分布特征相似，這進(jìn)一步說(shuō)明上述線性偏差訂正方案的適用性。但雨天條件下在7 km以上誤差特征有明顯區(qū)別，輻射計(jì)經(jīng)ERA5數(shù)據(jù)訂正后，在7—10 km溫度與探空數(shù)據(jù)更接近，相對(duì)濕度與ERA5數(shù)據(jù)更接近。輻射計(jì)與探空的溫度RMSE比輻射計(jì)與ERA5的溫度RMSE小約4 K，輻射計(jì)與ERA5的相對(duì)濕度RMSE比輻射計(jì)與探空的相對(duì)濕度RMSE小約20%。這一差異可能是因?yàn)橛晏鞌?shù)據(jù)量較少造成。

3結(jié)論與討論

本文對(duì)輻射計(jì)在晴天、云天、雨天三種天氣條件下的探測(cè)性能進(jìn)行了分析，為提升輻射計(jì)溫濕廓線精度，使用探空數(shù)據(jù)和訂正后的ERA5數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行偏差訂正，得到以下結(jié)論：

（1）在晴天、云天天氣條件下，輻射計(jì)溫度與探空溫度（即溫度實(shí)測(cè)值）有較好的一致性，在雨天條件下輻射計(jì)溫度高于實(shí)際溫度。輻射計(jì)相對(duì)濕度晴天高于實(shí)際值，雨天條件下低于實(shí)際值。對(duì)輻射計(jì)溫濕度進(jìn)行線性偏差訂正后，晴天、云天和雨天三種不同天氣條件下，溫度RMSE依次減小0.172 K、0.397 K和3.207 K，相對(duì)濕度RMSE依次減小1.431%、2.892%和16.776%?？梢?，雨天條件下，輻射計(jì)溫濕度線性偏差訂正效果最好。

（2） ERA5相對(duì)濕度在4 km以上與探空相對(duì)濕度（即相對(duì)濕度實(shí)測(cè)值）有明顯偏差，使用探空數(shù)據(jù)修正后的ERA5數(shù)據(jù)改進(jìn)輻射計(jì)溫濕廓線的方法有明顯訂正效果，且在雨天條件下改善幅度最大，雨天溫度RMSE減小3.6 K，相對(duì)濕度RMSE減小5.9%。在垂直方向上，隨著高度的升高，輻射計(jì)溫濕數(shù)據(jù)訂正效果更明顯。

（3）晴天和云天條件下，輻射計(jì)與探空數(shù)據(jù)和修正后ERA5數(shù)據(jù)兩種檢驗(yàn)源誤差特征相似，雨天條件下在中高層（7—10 km）有明顯差異。輻射計(jì)與探空的溫度RMSE比輻射計(jì)與ERA5的溫度RMSE小約4 K，輻射計(jì)與ERA5的相對(duì)濕度RMSE比輻射計(jì)與探空的相對(duì)濕度RMSE小約20%。

需要指出的是，本文僅選擇了北京地區(qū)大興站點(diǎn)半年輻射計(jì)數(shù)據(jù)，只能代表該站點(diǎn)地基微波輻射計(jì)探測(cè)情況。且雨天樣本少于晴天和云天樣本，由于樣本量對(duì)線性偏差訂正算法研究有一定影響，下一步將收集更多站點(diǎn)、更長(zhǎng)時(shí)間的雨天樣本數(shù)據(jù)，研究輻射計(jì)在溫濕探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

致謝：中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心為本文提供了輻射計(jì)數(shù)據(jù)，專此致謝！

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（責(zé)任編輯何明瓊）