不同天气条件下微波辐射计和风廓线雷达探测数据误差特征分析

陈树成1 李晓波1 崔明1 王彦

(1.天津市气象探测中心，天津 300061； 2.天津市人工影响天气办公室，天津 300074)

引言

大气中的温度、相对湿度、风向、风速作为常规气象要素，在各种天气的发生、发展和消亡过程中扮演着重要的角色[1]。微波辐射计作为大气被动遥感探测的主要设备，可以提供从近地面到高空大气温湿状态的观测，是非常重要的大气探测手段之一[2-3]。微波辐射计被广泛应用于大气温湿廓线、云水含量、水汽通量以及大气可降水量等重要大气参数的测量[4-6]，在较高的精度范围内实现了对大气温、湿度垂直变化的自动和连续观测，提供了高时间分辨率的大气状态信息,极大地弥补了常规探空资料的不足[7]。风廓线雷达是通过向高空发射不同方向的电磁波束，接收并处理这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息进行高空风场探测的一种遥感设备[8-9]。风廓线雷达利用多普勒效应能够探测其上空风向、风速等气象要素随高度的变化情况，具有探测时空分辨率高、自动化程度高等优点[10-11]。风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产品，其基本数据产品包括径向速度、谱宽、信噪比、水平风向、水平风速、垂直速度和反映大气湍流的折射率结构常数cn2等的廓线。作为高空探测的重要手段之一，GPS探空系统能够稳定获取整层大气的温度、相对湿度、风速、风向等数据，可作为其他高空探测设备(如风廓线雷达、微波辐射计等)数据准确性评估的对比试验设备[12-13]。

许多学者对探空、微波辐射计、风廓线雷达及其数据对比分析作了大量的研究。魏东等利用微波辐射计探测的温湿度数据和风廓线仪探测的水平风数据构造特种探空资料，将其与常规加密探空进行对比分析，探讨了其可靠性[14]，并分析了3种探空资料在各类强对流天气中的应用[15]。许多学者利用CFL-06型风廓线雷达与L波段探测雷达测风进行对比分析，探讨了风廓线雷达资料的准确性和可用性[16-21]。杨程等[22]使用浙江探空数据对EC再分析数据评估，得出可用EC再分析数据取代探空数据对风廓线数据进行评估的结论。李建强等[23]利用太原常规探空资料分析了微波辐射计反演的温度、湿度数据准确性并建立了订正模型。傅新姝和谈建国[24]利用上海宝山站历史探空资料和世博园站MP-3000A型地基微波辐射计温湿度数据，开展了地基微波辐射计探测资料质量控制方法研究。李娜等[25]利用甘肃省榆中站逐日的探空资料和兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的地基微波辐射计反演资料,对榆中所在的半干旱地区大气的温度和相对湿度的垂直分布特征进行了分析。黄治勇等[26]利用风廓线雷达和地基微波辐射计观测资料，对2010年4月12日发生在湖北咸宁的一次冰雹过程进行了分析，探讨这两种资料在冰雹天气监测预警中的应用。郭丽君和郭学良[27]利用探空、云雷达、系留气艇数据，研究检验了华北持续性大雾天气微波辐射计反演的气温、湿度廓线的准确性。韩珏靖等[28]比较了微波辐射计与探空的差异，分析了微波辐射计的探测特征。张文刚等[29]利用武汉站高时空分辨率探空资料与同址的MP-3000A型地基微波辐射计资料，分析了微波辐射计探测偏差的日变化及时间序列变化特征，表明微波辐射计对大气要素的探测具有较高的探测准确度。

以往的学者多致力于对微波辐射计、风廓线雷达其中一种设备探测原理和产品应用分析，多选用L波段探空数据作为参考，对GPS探空资料研究较少，缺乏利用探空资料同时对微波辐射计、风廓线雷达两种观测设备的误差进行系统分析。本文利用全运会期间天津GPS探空观测数据，分析不同天气条件下MP-3000A型微波辐射计探测温度、相对湿度的误差特征，CFL-06型风廓线雷达探测风速、风向的误差特征，以期初步为不同天气条件下两种探测资料的应用质量控制提供参考，并且为两种探测资料的数据订正提供思路，同时为利用微波辐射计与风廓线雷达构建探空资料打好基础，弥补天津地区无常规探空站的不足。

1 资料与方法

地基微波辐射计能够生成三级数据，分别为Lv0、Lv1、Lv2表示零级数据、一级数据、二级数据。Lv0数据为各通道接收的电压值，是未经过处理的粗数据。Lv1数据为各通道观测到的亮温值，来源于同期Lv0数据和配置文件中的校准信息。Lv2数据主要为同时期辐射亮温数据(Lv1)和神经网络方法反演得到的大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水密度廓线。

风廓线雷达能够生成ROBS、HOBS和OOBS文件，分别表示风廓线雷达实时采样高度上的数据文件、半小时平均采样高度上的数据文件和一小时平均采样高度上的数据文件。

GPS探空可以通过探空仪本身携带的温湿度传感器探头，获得相对准确的温度、相对湿度探测数据，并且能够通过探空仪与卫星之间的交互，获取秒级的风速、风向探测数据。本文利用天津全运会期间在天津市津南国家气象观测站获得的移动GPS探空观测数据，与天津西青国家基本气象站的MP-3000A型微波辐射计反演的温度、相对湿度数据，CFL-06型风廓线雷达测得的风速、风向数据，分析不同天气条件下微波辐射计、风廓线雷达探测数据误差特征。津南国家气象观测站与西青国家基本气象站直线距离为28.9 km，对于高空探测而言，可以认为两个气象站是同址的。

由于天津无常规探空站，2017年全运会在天津市津南国家气象观测站共实施GPS探空44次，获得有效探空数据43条。考虑数据的连续一致性，本研究仅利用每天都有2次探空的整20 d(2017年8月20日至9月8日)数据，共40组。CIMISS下载西青国家基本气象站平均总云量与降水数据并进行统计归类，得到晴天、云天和雨天的日数，其中晴天的判定条件为平均总云量为0—3成，云天的判定条件为平均总云量大于等于4成且无降水发生。根据以上判定条件，2017年8月20日至9月8日天津晴天、云天、雨天日数及获取探空数据组数具体如表1所示。

表1 2017年8月20日至9月8日天津晴天、云天、雨天日数及获取探空数据组数Table 1 The number of sunny,cloudy,and rainy days and the number of obtained sounding data during August 20 of September 8,2017,in Tianjin

风廓线雷达起始数据高度为150 m，截止高度为9080 m；1950 m以下，资料空间分辨率为120 m，1950 m以上，资料空间分辨率为240 m，共46个高度层。微波辐射计起始数据高度为0 m，截止高度为10000 m；1000 m以下，资料空间分辨率为100 m，1000 m以上，资料空间分辨率为250 m，共47个高度层。选择与风廓线雷达、微波辐射计的同数据高度的探空数据进行处理。

2 结果分析

2.1 不同天气条件下微波辐射计反演温度误差特征分析

对比晴天、云天和雨天条件下微波辐射计与GPS探空资料获取温度数据情况，分别计算微波辐射计各探测高度层两者之间温度的系统误差、标准偏差和相关系数；得出微波辐射计反演温度的系统误差、标准偏差及相关系数如图1所示。

系统误差、标准偏差及相关系数的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式(1) —式(3)中，E为系统误差；s为标准偏差；r为相关系数；xi为微波辐射计或风廓线雷达探测值；x为微波辐射计或风廓线雷达探测平均值；yi为探空值；y为探空平均值；n为晴天、云天或雨天的数据个数(按时间先后排列)。

由图1可知，微波辐射计反演得到的温度系统误差几乎全大于0，表明无论在晴天、云天还是雨天的条件下，与探空实测值相比，微波辐射计反演的温度整体数值偏大；由地面到900 m，3种天气条件下，温度廓线的系统误差介于-1～4之间，表明微波辐射计较好地反演了温度廓线。900—4500 m之间，系统误差随高度的增加而逐渐增大，雨天系统误差最大，晴天次之，云天最小，这与微波辐射计云天资料质量不佳[30]不一致，可能与云天样本过少有关；4500 m以上，云天和晴天系统误差变化较平稳，但数值较大，表明微波辐射计反演的温度廓线结果较差，而雨天的系统误差出现了先减小后增大的趋势，反演结果相对云天、晴天要好。微波辐射计反演温度廓线的标准偏差从地面向上至4500 m，3种天气条件下均呈逐渐增大趋势，表明探测数据越来越不稳定，4500 m以上标准偏差维持较小的波动变化，但数值较大，探测数据相对不稳定。

图1 2017年8月20日至9月8日天津西青微波辐射计测量温度系统误差(a)、标准偏差(b)及相关系数(c)Fig.1 System error (a),standard deviation (b),and correlation coefficient (c) of temperature measured by microwave radiometer during August 20 to September 8,2017,at Xiqing,Tianjin

微波辐射计反演温度廓线与探空实测值的相关系数，在云天介于0.9—1.0之间，表明云天二者之间具有很好的相关性；近地面至900 m之间，晴天和雨天二者的相关性也较好，但在900 m以上，二者的相关系数较小，甚至出现了负值，相关性较差。

2.2 不同天气条件下微波辐射计反演相对湿度误差特征分析

由图2可知，微波辐射计反演得到的相对湿度的系统误差在晴天、云天和雨天均呈现波动的变化趋势，系统误差值有正有负，表明微波辐射计反演的相对湿度值在不同的高度层可能偏大或偏小；其中云天相对湿度的系统误差波动幅度较大，说明云天反演的相对湿度结果最差，晴天反演的相对湿度也较差；雨天3750 m以下及5000—8000 m，系统误差在-10～10之间波动，表明微波辐射计反演的相对湿度结果较好。

图2 2017年8月20日至9月8日天津西青微波辐射计测量相对湿度系统误差(a)、标准偏差(b)及相关系数(c)Fig.2 System error (a),standard deviation (b),and correlation coefficient (c) of humidity measured by microwave radiometer during August 20 to September 8,2017,at Xiqing,Tianjin

微波辐射计反演得到的相对湿度的标准偏差在3种天气条件下数值在0—50之间波动，表明反演的数据相对不稳定，这与反演湿度的系统误差分析结果一致。

微波辐射计反演的相对湿度与探空实测值的相关系数，在3种天气条件下均在0.5附近波动，表明微波辐射计反演得到的相对湿度与探空实测值相关性较差，这也从另一个方面说明了微波辐射计反演的相对湿度结果均较差。

一般来讲，降水干扰会导致微波辐射计测量的亮温出现偏差，虽然微波辐射计设备的防水罩和鼓风机会减少降水时天线罩的液态水，但相比晴天条件下，反演的结果仍会产生较大偏差[24]。本文的分析没有出现类似结果，应该还是与雨天样本数量过少有关。

2.3 不同天气条件下风廓线雷达测量风速误差特征分析

由图3可知，风廓线雷达测得的风速的系统误差呈波动的变化，3种天气条件下系统误差均在0附近波动，其中雨天风廓线雷达系统误差波动幅度较大，表明雨天风廓线雷达探测风速效果相对较差；云天和晴天风速的系统误差波动明显小于雨天，说明风廓线雷达在云天和晴天测得的风速效果较好。

由风廓线雷达测得风速的标准偏差分布图可以看出，0—1750 m云天和雨天探测数据不是很稳定，1750 m以上3种天气条件下测量的风速数据稳定性相对较好，所有高度层中探测数据最稳定的是晴天条件下。

图3 2017年8月20日至9月8日天津西青风廓线雷达测量风速系统误差(a)、标准偏差(b)及相关系数(c)Fig.3 System error (a),standard deviation (b),and correlation coefficient (c) of wind speed measured by wind-profile radar during August 20 to September 8,2017,at Xiqing,Tianjin

从风廓线雷达测得的风速与探空获得风速的相关系数分布图中可以看出，1750 m以下3种天气条件下相关系数较小且呈波动变化，表明风廓线雷达风速与探空风速值相关性较小；1750—8000 m，晴天和云天风廓线雷达风速与探空风速相关系数介于0.8—1.0之间，表明两种方式获得的风速的相关性较好；雨天2000—3000 m之间，两种方式获得的风速的相关系数呈现急剧增大后急剧减小的趋势，相关性较差；雨天3000 m以上，两种方式获得的风速的相关系数几乎均为1，表明相关性非常好。8000 m以上，晴天条件下两种方式获得风速相关性较好，云天条件下相关性很差。

2.4 不同天气条件下风廓线雷达测量风向误差特征分析

由图4可知，风廓线雷达测得的风向的系统误差在云天和晴天条件下，各高度层均在0附近呈现微小的波动变化，表明风廓线雷达测得的风向效果较好。雨天3750 m以下，风廓线雷达测得的风向的系统误差呈现较大的波动变化，说明测得的风向效果很差，3750 m以上，系统误差在0附近呈现微小的波动变化，表明风廓线雷达测得风向效果很好。

图4 2017年8月20日至9月8日天津西青风廓线雷达测量风向系统误差(a)、标准偏差(b)及相关系数(c)Fig.4 System error (a),standard deviation (b),and correlation coefficient (c) of wind direction measured by wind-profile radar during August 20 to September 8,2017,at Xiqing,Tianjin

由风廓线雷达测得风向的标准偏差分布图可以看出，3750 m以下，3种天气条件下测得的风向的标准偏差呈波动变化，其中雨天数据波动最大，晴天次之，云天最小，表明云天数据相对较为稳定，雨天数据稳定性非常差，这与风向系统误差分析结果相一致；3750 m以上，云天和雨天数据相对稳定，5000 m以上，晴天测量数据相对稳定。

从风廓线雷达测量的风向与探空获得的风向的相关系数分布图中可以看出，3750 m以下3种天气条件下相关系数呈较大波动变化，云天和雨天的波动幅度远大于晴天，表明风廓线雷达风向与探空风向值相关性较小；3750 m以上，3种天气条件风廓线雷达风向与探空风向相关系数在0.6—1.0之间呈现波动，表明两种方式获得风向的相关性较好。

3 结论与讨论

(1)晴天、云天和雨天条件下，微波辐射计反演温度廓线数值整体偏大；900 m以下3种天气条件下反演温度廓线结果均较好，900 m以上，反演温度廓线的误差均较大；云天条件下，各高度层反演的温度廓线与探空实测的相关性最优。

(2)晴天、云天和雨天条件下，微波辐射计反演相对湿度误差均较大，仅雨天条件下近地面至3750 m及5000—8000 m之间，相对湿度误差在±10%以内；与探空实测值的相关性也较差。

(3)晴天和云天条件下，风廓线雷达测量所有高度层风速的误差较小，雨天条件下，误差相对偏大；1750 m以下风廓线雷达测量风速与探空获得风速相关性较小，晴天和云天条件下1750 m以上，雨天3000 m以上，两种方式获得风速的相关性较好。

(4)晴天和云天条件下，风廓线雷达测量所有高度层风向的误差较小，雨天3750 m以下误差较大，3750 m以上误差较小；3750 m以下，3种天气条件下两种方式获得风向的相关性较差，3750 m以上相关性较好。

本文由于观测时间短，样本数量少等原因，所得微波辐射计、风廓线雷达探测数据误差特征有关结论与文献相比有些不同，未来可以通过长时间观测积累更多数据进行进一步分析。此外，本文探测设备不同址，可能导致低层探测数据产生客观误差，因此建议在涉及地面及低层探测数据误差分析时，应尽可能选用同址的探测数据，同时在日后涉及探测设备规划建设时，在站点的选址方面充分考虑探测设备的同址，便于后期的数据应用及对比分析。