2017, Vol. 36 
2. 武汉市气象局，武汉 430000
2. Wuhan Meteorological Bureau of Hubei Province, Wuhan 430000
大气温湿廓线的及时准确获取有助于预报员充分了解天气形势，提高天气预报的准确性。目前温湿廓线的主要获取方法是业务探空，但每天两次的观测，难以捕捉到时空尺度较小的对流系统。为了弥补这一点，部分台站会在汛期期间于14:00 (北京时，下同)进行加密观测一次，廖晓农等[1]指出，午后至傍晚是北京地区对流天气的高发时段，通过对比08:00与14:00探空资料计算得到的对流参数发现，14:00的探空资料计算得到的对流麵扦麻天气发生的指示意义优于08: 00。但由于加密探空的成本较高，无法做到长时间、高密度的观测，因此目前基于加密探空资料对强对流天气进行有效的预报及分析是有一定困难的。
微波辐射计有效的弥补了业务探空在时间分辨率方面的不足，在对流天气预报与分析方面取得了较好的应用效果。微波辐射计以3 min左右的时间分辨率进行观测，在台风监测中得到了很好的应用，能够提供台风登陆前后一个连续的信息[2]。Chan等[3]分析了微波辐射计资料在强降水中的应用效果，指出低层水汽总量及整层相对湿度的变化，能够对降水的预报带来帮助，计算得到的K指数也可以用于降水预报。由微波辐射计资料计算得到的对流有效位能(CAPE)也在强降水预报分析中得到应用[4]。微波辐射计能够连续获得温湿廓线，基于此可以计算得到多种不稳定指数'这些不稳定指数对于冰雹的分析研究具有很好的效果[6-7]。雾霾的发生往往伴有边界层逆温现象，微波辐射计探测的温度廓线在近地层具有较高的空间垂直分辨率，能够捕捉到边界层的逆温，曹伟华等[8]利用微波辐射计资料分析了北京一次持续雾霾天气，发现在整个雾霾过程中，能见度与贴地逆温层具有良好的对应关系。
微波辐射计作为一种新型探测仪器，准确有效的探测精度评估能够更好的指导其应用研究。目前对微波辐射计探测精度的分析研究，主要是与业务探空资料进行比对。国内业务探空大多采用的是L波段探空系统，较之前的59型探空仪，其探测元件的性能和探测精度都有了一定的提高[9]，李伟等岡通过与Vaisala公司的RS-92探空仪对比分析发现，国产GTS1型探空仪在探测性能方面虽然不如RS-92探空仪，但两者对温度的探测偏差整体较小，相对湿度的偏差虽然波动较大，但偏差仍属于较理想范围内；GTS1-2型探空仪与瑞士ML探空仪的对比分析得到了类似的结果[11]。WMO公布的2004年探空仪测量精度也表明，我国L波段电子探空仪与Vaisala公司的RS80探空仪测量精度相当，这说明我国自行生产的探空仪具有了较高的探测精度[12]。另外，业务探空资料时间跨度长、不间断观测，对温湿均为直接探测，利用由GTS1型探空仪得到的探空资料与微波辐射计资料进行对比，分析微波辐射计对温度、相对湿度及水汽密度的探测精度是可行的。
探空主要以08:00和20:00为主，以往与微波辐射计的对比研究主要集中在这两个时次，14:00的对比相对较少。相关研究表明[13-14]，长江中下游地区强对流天气多发于午后，14:00正处于午后，因此对该时段微波辐射计探测资料的质量评估，有助于微波辐射计资料在天气预报及分析中的应用。刘建忠等[15]利用北京大型活动期间的探空和微波辐射计资料，对02:00、08:00、14:00、20:00的地基微波辐射计反演产品进行了评估，指出微波辐射计探测精度受降水影响较大，无降水时14:00的探测偏差较大。分析过程主要针对的是特定层高度（1 000、925、850、700、500、400、300 hPa)。为了更充分的分析微波辐射计的探测精度，本文对08:00、14:00及20:00的微波辐射计廓线(共计58层)与探空资料进行了对比，给出三个时次微波辐射计探测偏差及精度的变化特征，并分析三个时次之间的异同，对其可能原因进行探讨。同时也讨论了三个时次探测精度在不同天气条件下的差异，旨在为微波辐射计资料的应用提供参考。斜天顶观测(15°仰角）的引人主要是为了减小降水对微波辐射计探测的影响，本文对三个时次的天顶与斜天顶观测进行了对比，以期更深人地探讨三个时次探测偏差及精度的差异及可能原因。
1 资料与方法利用武汉观象台（114.1°E，30.6°N~，24.0m）2010年6—7月及2013年6月的加密探空资料，与同期同址的MP-3000A型地基微波辐射计资料进行对比分析，2013年6月微波辐射计资料有两种观测模式，即天顶观测和斜天顶观测（15°仰角）。其中，加密探空资料由GTS1型探空仪探测得到，时间分辨力为每天3次(08:00, 14:00, 20:00 BT)，空间垂直分辨力为10 m，由于加密探空目前仅在汛期部分时间进行，微波辐射计也偶发观测故障，难以做到全天时无间断连续观测，同时为了保证对比的严谨性，本文仅选取了微波辐射计有效观测数据与同时间范围内三个时次的探空数据进行对比。MP-3000A型地基微波辐射计为美国Radiometrics公司生产，具有35个观测通道，利用自带的神经网络算法可以反演得到0 —10 km高度的58层要素廓线数据，包括温度、相对湿度、水汽密度及液态水含量，廓线的垂直分辨力在500 m以下为50 m, 500—2 000 m为100 m，2 000 m以上为250 m。
由于探空的垂直分辨力高于微波辐射计，因此在对两者进行对比时，需要将探空资料重采样至微波辐射计的58层探测高度。微波辐射计还配备有降水传感器，能够根据传感器探测的电压变化判断有无降水发生，考虑到降水会对微波辐射计的探测产生一定的影响，因此利用传感器记录的有无降水信息将探测样本分为降水及无降水两类分别进行讨论。对比分两种方式进行，第一种是探测要素廓线的整体对比(廓线对比），即将同时刻的探空与微波辐射计要素廓线进行对比，得到两条廓线的相关系数、系统误差及均方根误差，然后将对比时间内所有廓线的对比结果进行平均，得到对比时间范围内整体的相关系数、系统误差及均方根误差。该方法主要是得到一段时间内两种探测廓线的总体偏差。第二种是探测要素58层高度的分层对比，即将某一高度上探测要素的时间序列看作一条“廓线”，分别对58层高度上微波辐射计与探空的“廓线”进行比对[16-18]，根据探空廓线的58层高度和时间信息，找出微波辐射计探测廓线中高度、时间均与之相对应的点，得到58层高度的相关系数、系统误差及均方根误差，得到两者在不同高度上的探测偏差。两种对比方法中的差值计算均为“微波辐射计探测值”减去“探空值”。
探空与微波辐射计均可探测得到温度和相对湿度，探空虽然无法直接探测得到水汽密度，但可由直接探测量计算得到，因此本文主要针对两者的温度、相对湿度及水汽密度进行了对比分析。水汽密度的计算公式如下：
| $ e=6.11\times {{10}^{{{7.45}_{d}}/(235+{{t}_{d}})}} $ | (1) |
| $ {{\rho }_{v}}=2.167\times {{10}^{-3}}\frac{e}{T} $ | (2) |
其中，e为水汽压，单位为hPa; td为露点温度，单位为℃；T为绝对温度，单位为K; ρv为水汽密度，单位为g·m-3。
2 对比分析 2.1 微波辖射计与探空总体对比分析为了准确开展微波辐射计探测精度的讨论，图 1给出了微波辐射计与探空在三个时次廓线的对比结果。
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图 1 微波辐射计与探空平均廓线在三个时次的对比结果 a-c分别为08:00、14:00、20:00的温度廓线对比结果，d-f分别为08:00、14:00、20:00的相对湿度廓线对比结果，g-i分别为08:00、14:00、20:00的水汽密度廓线对比结果，实线代表微波辐射计廓线，虚线代表探空廓线 Fig. 1 The comparison results of average profiles between radiosondes and microwave radiometer in three hours Figure a-c are the results of temperature at 08:00, 14:00, and 20:00 respectively, figure d-f are the results of relative humidity at 08:00, 14:00, and 20:00 respectively, and figure g-i are the results of water vapor at 08:00, 14:00, and 20:00 respectively. Solid lines represent microwave radiometer profiles and dotted lines represent radiosonde profiles. |
由图可见，微波辐射计对于温度的探测在三个时次均偏小于探空，14:00的均方根误差和平均偏差均为最大。对于相对湿度，微波辐射计探测值明显大于探空探测值，特别是在3 km以上。两者对于水汽密度的探测结果比较接近。总体而言，微波辐射计探测的温度和水汽密度与探空结果相差较小，但相对湿度则有明显偏差，这其中可能与相对湿度时空变化剧烈而温度和水汽密度相对稳定、探空探测存在空间漂移等因素有关。
图 2为微波辐射计天顶观测与探空在降水及非降水条件下的对比结果。微波辐射计天顶观测在无降水时探测温度明显低于探空，而降水会导致微波辐射计温度探测偏高[16]，因此图 2d所示降水时微波辐射计与探空的温度廓线偏差较小。微波辐射计天顶观测与探空对于相对湿度的探测偏差在降水及非降水条件下相差不大。无降水时，微波辐射计对水汽密度的探测偏差要明显小于降水时，特别是在3—8 km。
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图 2 波辐射计天顶观测与探空在降水及非降水条件下的对比结果 a-c为无降水时的对比结果，d-f为降水时的对比结果，实线代表微波辐射计廓线，虚线代表探空廓线 Fig. 2 The comparison results between microwave radiometer zenith observation and radiosonde in precipitation and no-precipitation conditions Figure a-c are the results in no-precipitation condition, and figure d-f are the results in precipitation condition. Solid lines represent microwave radiometer profiles and dotted lines represent radiosonde profiles. |
图 3为微波辐射计斜天顶观测与探空在降水及非降水条件下的对比结果。由图可见，斜天顶观测有效提高了降水条件下微波辐射计对温度及水汽密度的探测精度，但对于相对湿度，斜天顶观测在降水时的探测误差要明显高于无降水时。
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图 3 微波辐射计斜天顶观测与探空在降水及非降水条件下的对比结果 a-c为无降水时的对比结果，d-f为降水时的对比结果，实线代表微波辐射计廓线，虚线代表探空廓线 Fig. 3 The comparison results between microwave radiometer off-zenith observation and radiosonde in precipitation and no-precipitation conditions. Figure a-c are the results in no-precipitation condition, and figure d-f are the results in precipitation condition. Solid lines represent microwave radiometer profiles and dotted lines represent radiosonde profiles. |
利用资料与方法中介绍的第一种对比方法，对微波辐射计观测的廓线偏差进行分析。表 1给出了不同时次探空与微波辐射计天顶探测廓线的对比结果，可见，无降水时，温度和相对湿度在14:00的系统误差要明显大于08:00及20:00，这与刘建忠等[15]分析结果一致。气球的漂移会对两者之间的对比带来一定的系统误差[19]，08:00及20:00的大气层结稳定，气球漂移带来的探测偏差较小，但14:00由于太阳辐射强，大气层结相对不稳定，气象要素的变化波动性大，因此产生的探测偏差也相对较大。降水时由于有云的遮挡，温度及相对湿度的系统误差在不同时次的差异不如无降水时明显。相对湿度在20:00的相关系数明显低于08:00及14:00, 且20:00的系统误差较08:00及14:00偏低，相较于温度，大气中的相对湿度变化明显，因此相对湿度廓线的相关系数明显偏小。水汽密度在08:00的系统误差和均方根误差均最小。
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表 1 不同时次探空与微波辐射计天顶探测廓线的对比结果 Table 1 The comparison results of zenith profile between radiosondes and microwave radiometer in different hours. |
利用第二种对比方法，对微波辐射计与探空资料的时间序列进行对比分析，同样针对不同时次及不同天气条件（降水、无降水）进行讨论。其中，无降水时，08:00、14:00、20:00的对比廓线样本数分别为55、40、61，有降水时，08:00、14:00、20:00的对比廓线样本数分别为10、3、8。
图 4为无降水时3个时次微波辐射计资料与探空资料的对比结果。由图可见，相对湿度的相关系数在1.2 km以下整体表现为随高度递减，大气底层相对湿度变化剧烈，探空的漂移会引起探空与微波辐射计探测相对湿度的较大差异性，增大探空探测的相对湿度波动性，导致两者相关性降低。08:00、14:00、20:00的递减速率依次减小；相对湿度的系统误差在14:00呈现为随高度递增的趋势，在08:00和20:00为先增后减，以5.5 km为转折，总体而言，20:00的系统误差最小；4 km以上，20:00的均方根误差明显大于08:00和14:00。5.75 km以上，温度在08:00的相关系数较14:00和20:00明显偏小；温度的系统误差在14:00最大，特别是3 km以上，20:00最小；均方根误差同样表现为随高度递增，三个时次的差异不大。1.20—6.75 km, 水汽密度在20:00的相关系数最小，2.25—9.5 km，14:00的相关系数最大; 水汽密度的系统误差随高度的变化转折性较大，整体上，14:00的系统偏差较08:00和20:00偏小；在2 km以上，20:00的均方根误差明显大于08:00和14:00。无降水时，微波辐射计探测的温度较探空探测的温度偏低，通过对比发现，14:00的温度系统偏差明显负向偏大于08:00及20:00, 这可能是由于14:00的微波辐射计探测温度偏低或探空探测温度偏高所导致。
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图 4 无降水时3个时次微波辐射计资料与探空资料的偏差 a-c为相对湿度，d-f为温度，g-i为水汽密度，红、蓝、粉分别为08:00、14:00、20:00的对比结果，下同。 Fig. 4 The comparison biases between radiosondes and microwave radiometer in three hours during no-precipitation. Figure a-c are the results of relative humidity, figure d-f are the results of temperature, and figure g-i are the results of water vapor. Red, blue, and pink are for 08:00, 14:00, and 20:00 respectively. Same hereafter. |
图 5为降水时3个时次微波辐射计资料与探空资料的对比结果。图中探测偏差的对比曲线转折性较大，一方面可能是由于降水会对微波辐射计探测精度产生一定影响，另一方面可能是因为降水时的对比样本数较少。6.75 km以上，相对湿度在14:00的相关系数明显大于08:00和20:00，但整体在20:00的相关性较好；总体而言，相对湿度在20:00的系统误差较小，特别是7 km以上明显小于08:00和14:00; 4 km以上，相对湿度在14:00的均方根误差明显小于08:00和20:00。相对湿度随时空的变化剧烈，系统偏差变化剧烈，但由均方根误差可以看出，14:00时相对湿度的探测精度较高。1km以下，温度的相关系数随高度迅速递减，特别是14:00时，由地面的0.99降为1 km的-0.68，且大部分高度呈负相关，08:00的相关系数在0.7—5.5 km较14:00和20:00明显偏大; 温度的系统误差在0 K附近波动，降水的发生使得微波辐射计探测的温度明显升高，系统误差由无降水时的负值变为0K附近，但均方根误差则较无降水时明显增大，表明微波辐射计在降水时的温度探测精度较无降水时明显偏低。其中，08:00的系统误差大部分高度小于0K，14:00和20:00的系统误差大部分高度则大于0K; 0.7 km以上，14:00的均方根误差明显高于08:00和20:00，微波辐射计在14:00的温度探测精度偏低，08:00的均方根误差整体偏小。1.9—5.75 km，08:00的相关系数明显高于14:00和20:00, 6 km以上，14:00的相关系数明显高于08:00和20:00;水汽密度的系统误差变化趋势与无降水时类似，三个时次差别不大; 2—7.5 km，水汽密度在08:00的均方根误差明显小于14:00和20:00。综合而言，14:00的探测偏差在降水时大于08:0°及20:00，这可能是由于对比时间内的强降水多发生在14:00左右，强降水对微波辐射计的探测精度产生了更明显的影响。
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图 5 降水时3个时次微波辐射计资料与探空资料的偏差 Fig. 5 The comparison biases between radiosondes and microwave radiometer in three hours during precipitation. |
通过对比探空资料与微波辐射计天顶观测资料发现，14:00的整体观测偏差要高于08:00及20:00，分析可能是因为强降水多发生在14:00, 为了减小微波辐射计在降水时的探测偏差，我们引人了斜天顶观测模式，以期有效减小降水对微波辐射计探测的影响。2013年6月，微波辐射计以天顶与斜天顶两种模式交替进行观测，每种观测模式时间分辨率为3 min左右。分析发现，斜天顶观测有效减小了降水对微波辐射计探测的影响[17, 20]，通过对比同期天顶与斜天顶探测误差，可近似认为是同时刻降水与无降水条件下的观测对比，如此便能够更好的分析得到降水对三个时次观测的影响。同时，可根据分析结果对14:00观测误差偏大的原因做进一步探讨。由于观测时间较短，且必须满足观测时间范围内4/5时间均有降水发生才认定为一次降水观测个例，因此经筛选后的降水观测个例较少，本节仅利用第一种方法进行对比分析。
表 2给出的是降水条件下微波辐射计天顶与斜天顶观测廓线对比结果，由表可见，温度廓线的相关系数均在0.98以上，廓线之间具有较高相关性。斜天顶观测的温度系统误差明显低于天顶观测，但14:00的温度系统误差及均方根误差在斜天顶观测条件下仍明显高于08:00及20:00，这也从侧面说明了14:00温度探测偏差高，可能不仅仅只受降水影响。相对湿度的相关性明显低于温度，特别是14:00与20:00的天顶观测，而系统误差在斜天顶观测时要高于天顶观测，14:00相对湿度的系统误差达-23.9%，这其中可能与探空仪漂移所引起的一定探测偏差有关。相对湿度的均方根误差在不同时次的差异不大，且普遍偏大，探空的漂移是主要影响因素。相对湿度时空变化剧烈，因此整体的均方根误差大并不能完全说明微波辐射计对相对湿度的探测精度低，上节的对比结果显示，底层大气微波辐射计与探空探测的相对湿度具有较好相关性，均方根误差也较小。与天顶观测相比，斜天顶观测模式下探测的水汽密度与探空探测的水汽密度具有更好的相关性。斜天顶观测下的水汽密度系统误差及均方根误差也明显减小，特别是20:00, 系统误差为-0.00g.m-3。与温度对比结果类似，斜天顶观测时，14:00的系统误差及均方根误差明显高于08:00及20:00。
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表 2 降水条件下微波辐射计天顶与斜天顶观测的廓线对比结果 Table 2 The comparison results of MWR profiles between zenith and off-zenith observation when precipitating. |
利用武汉观象台2010年6—7月及2013年6月的加密探空资料和地基微波辐射计资料，用两种方法对地基微波辐射计探测精度的变化特征进行了分析，并对比了降水条件下微波辐射计天顶与斜天顶的探测偏差，得到如下结论：
(1) 微波辐射计探测的温度与相对湿度在14:00的系统误差整体上较08:00及20:00偏大，特别是在无降水条件下; 与08:00及14:00相比，相对湿度在20:00的相关系数明显偏小，但系统误差也明显偏小; 水汽密度在08:00的系统误差和均方根误差均为最小。
(2) 无降水时，4 km以上，20:00的均方根误差明显大于08:00及14:00;温度的系统误差在三个时次均随高度递增，在14:00最大; 水汽密度在20:00的均方根误差明显偏大。降水时，7 km以上，相对湿度在20:00的系统误差明显偏小，4 km以上，14:00的均方根误差明显偏小；温度在08:00的均方根误差明显偏小; 2— 7.5 km，水汽密度在08:00的均方根误差明显偏小。
(3) 斜天顶观测时，14:00的探测偏差仍较08:00及20:00偏大，这表明14:00的探测偏差偏高，不仅仅受该时刻多发生降水影响，可能还与其他因素也有相关，但由于本文中对比个例偏少，具体原因未分析，还有待进一步讨论。
基于探空资料，分别分析了有无降水时微波辐射计的探测精度，讨论了08: 00、14: 00及20: 00三个时次之间的差异。14: 00的探测偏差偏大，可能因为此时的大气层结不稳定且强降水多发生在午后所致，但具体原因需后续更深人探索研究。相对湿度的探测精度明显低于温度及水汽密度，可能是由于大气中相对湿度波动性大，探空仪在探测时存在漂移，探测的相对湿度也会出现较大波动。由于对比数据的时间范围较短，且数据筛选过程要求较严格，文中筛选得到的降水对比个例较少，因此对比结果中可能会存在一定的系统误差，后期可以尝试利用更长时间序列的数据进行对比，以得到更全面的对比结果。
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