微波辐射计通过接收来自大气的微波辐射探测大气温度和湿度垂直廓线，具有24 h连续工作、时间分辨率高、无人值守工作等优点，是对常规探空的有益补充，在暴雨天气预报、雾霾过程分析等方面有重要应用价值^[1-6]。但不同季节和天气条件下微波辐射计探测资料的精度有差异^[7-14]。神经网络反演系数不当、天线罩上的积水、无线电干扰等会导致观测数据出现错误。因此，开展系统的质量控制是合理有效使用微波辐射计探测资料的基础。

针对探空资料开展质量控制的常用方法有气候极值、时间一致性、空间一致性、静力学检查、风切变检查等^[15-18]。Durre等^[19]针对全球探空数据集 (Integrated Global Radiosonde Archive) 设计了一套完整的质量控制系统，对温度超过气候极值、垂直一致性差、僵值、时间突变等多种类型的疑误数据设计了不同的检查方法，结果显示，该系统可以有效剔除探空资料中的错误数据。但微波辐射计资料的时间分辨率更高，探测原理、错误来源、疑误数据表现形式等与探空资料存在差异，针对探空资料设计的上述方法不完全适用。目前微波辐射计资料质量控制方法主要针对亮温数据展开^[20-21]，针对温湿度廓线资料的相关工作很少, 需要研制一套适用于微波辐射计探测资料的质量控制方法。

本研究利用上海宝山站的历史探空资料 (2004年1月—2014年12月) 和上海世博园气象站的MP-3000A型地基微波辐射计温湿度资料 (2012年1月—2014年5月)，设计了一套适用于微波辐射计探测数据的质量控制方法，为业务中有效使用微波辐射计温湿度廓线资料提供技术支持。

安装在上海世博园气象站的地基微波辐射计是美国Radiometrics公司生产的35通道MP-3000A型，其中21个通道位于水汽敏感的K波段 (22~30 GHz)，14个通道位于温度敏感的V波段 (51~59 GHz)，采用Zenith观测方式。天线和接收机系统测量各个通道的辐射强度，产生输出电压，通过一定的算法将电压值转换为亮温值，再应用斯图加特神经网络算法进行反演，可输出天顶方向地面至10 km高度 (共58层) 温、湿度廓线资料。本研究选用2012年1月1日—2014年5月31日 (2012年3月13—27日连续缺测) 上海世博园气象站MP-3000A型地基微波辐射计温度 (单位:℃) 和水汽密度 (单位:g·m^-3) 廓线资料，其中非缺测廓线共1190716条 (占总数的93.75%)。时间分辨率为1 min，垂直分辨率在0.5 km高度以下为50 m，0.5~2 km高度为100 m，2 km高度以上为250 m。同时段的逐时降水量、云量等资料来自上海浦东气象站，距离世博园气象站4.6 km。

探空资料来自上海宝山站的L波段雷达探空系统，该站位于世博园气象站东北向约23 km处。宝山站的L波段雷达探空系统自2004年开始投入业务使用。本研究采用2004年1月—2014年12月每日两个时次 (08:00，20:00，北京时，下同) 的探空资料，每组数据包括0~10 km高度范围内，间隔50 m的各个高度的温度、露点温度、相对湿度等信息。上述探空资料已经完成了台站级质量控制，本文参考Durre等^[19]工作，使用历史极值检查、垂直一致性检查等方法进一步开展质量控制，结果表明，上述探空资料质量可靠。利用式 (1)~式 (2) 计算水汽密度^[22]：

(1)

(2)

其中，T是绝对温度，T_d是露点温度，e是实际水汽压，ρ_w是水汽密度。

上海宝山站探空观测时间为每日的07:15和19:15，两套资料进行对比时，微波辐射计探测资料选用07:15—08:15和19:15—20:15两个时段的平均廓线分别代表 08:00和20:00的探测值。

极值检查、时间一致性检查、内部一致性检查、空间一致性检查等^[23]是常用的气象资料质量控制方法。本研究根据资料特点，设计了适用于微波辐射计探测资料的质量控制方法。

将超过气候极值范围的数据标记为疑误，主要针对大气温 (湿) 度超过极值的疑误廓线。大气温度和湿度存在季节差异，因此，以自然月为划分单位，参考宝山站历史探空资料的统计结果，针对1—12月分别设置极值检查的阈值。考虑到微波辐射计和L波段雷达探测原理存在差异、世博园站 (市中心) 和宝山站 (近郊) 所处环境不同等因素，对阈值进行了一定尺度的放宽。逐层开展极值检查，若有1层及以上的数据不能通过检查，则该条廓线被标记为疑误。

时间一致性检查适用于存在温 (湿) 度突变的疑误廓线。微波辐射计资料时间分辨率高，本研究分析温度和湿度1 min变化值。相邻时次，气象要素的变化幅度应在一定范围内^[23]。定义相邻时次要素变化值超过其平均值m倍标准差的数据为疑误 (疑误数据定义如式 (3))，逐层开展时间一致性检查^[17]，有1个及以上数据不能通过时间一致性检查的廓线定义为疑误廓线。

(3)

(4)

(5)

其中，V_t和V_t+1分别为t和 (t+1) 时刻气象要素的值；是dV平均值，n是样本量；σ是dV_t的标准差，m为偏离标准差的倍数。

温度1 min变化值时间序列如图 1所示 (以50 m高度的数据为例)。定义温度1 min变化值超过其平均值3倍标准差的数据为疑误。

图1

图1 2012年1月—2014年5月微波辐射计测量的50 m高度温度的1 min变化值 Fig.1 Minutely variations of air temperature from microwave radiometer at 50 m height from Jan 2012 to May 2014

湿度1 min变化值存在显著的季节差异 (图 2，以50 m高度的数据为例)。开展时间一致性检查时采用动态阈值，即当日的阈值基于同一时间窗内 (以当天为中心，步长为15 d) 的数据确定，定义湿度1 min变化值超过其平均值4倍标准差的数据为疑误。

图2

图2 2012年1月—2014年5月微波辐射计测量的50 m高度水汽密度的1 min变化值 Fig.2 Minutely variations of water vapor density from microwave radiometer at 50 m height from Jan 2012 to May 2014

温度随高度变化具有规律性，相邻两个高度的温度差异应在一定范围内。因此，探空温度资料质量控制系统一般都包含垂直一致性检查^[19]。常见的不满足垂直一致性的情况有温度廓线垂直方向存在野点、温度层际变化大等。因此，针对这些情况，以温度垂直变化率^[24] (定义如式 (6)，单位:℃·(100 m)^-1) 作为指标，设计了极值和标准差检查两种方法。

(6)

其中，dT_h为第h层的温度垂直变化率，T_h和T_h+1分别为第h层和第 (h+1) 层的温度，H_h和H_h+1为对应的高度。

定义温度垂直变化率超过极值范围的数据为疑误，该方法适用于垂直方向存在野点的温度疑误廓线。参考宝山站历史探空资料的统计结果设置阈值，考虑到微波辐射计和L波段雷达探测原理存在差异，对阈值进行了一定尺度的放宽。

温度垂直变化率标准差的定义如式 (7) 所示，

(7)

式 (7) 中, dT_h为第h层的温度垂直变化率，dT是同一廓线各高度dT_h的平均值。该方法主要用于挑选温度层际变化过大的疑误廓线 (图 3)。微波辐射计探测资料温度垂直变化率标准差的频数概率分布如图 4所示，本研究定义dT_h的标准差超过0.8℃·(100 m)^-1的廓线为疑误廓线。

图3

图3 2013年10月8日06:01温度层际变化大的疑误廓线示例 (a) 温度，(b) 相应的温度垂直变化率 Fig.3 Example of a suspected profile with excessive level-to-level fluctuations at 0601 BT 8 Oct 2013 (a) temperature, (b) corresponding temperature differences between vertical adjacent levels

图4

图4 微波辐射温度垂直变化率标准差的频数概率分布 Fig.4 Probability distribution of standard deviation of temperature differences between consecutive levels

根据微波辐射计温湿度资料的特点，本研究设计了极值检查、时间一致性检查和垂直一致性检查等几种质量控制方法。已有研究^[8,10]表明，不同天气条件下，微波辐射计探测资料的精度存在差异。因此，将上海世博园站2012—2013年 (其中2012年7月、2013年10—12月没有云量资料，未考虑) 的微波辐射计温湿度廓线资料，按照晴空 (云量0成，无降水)、有云 (云量1~10成，无降水) 和降水等不同天气条件，分为3组 (样本量分别为145983，285503，375512条)，分别开展质量控制。

表 1显示，本研究设计的质量控制方法能挑选多种类型的温湿度疑误廓线，疑误廓线类型和频数与天气条件有关，其中降水天气的各类温度和湿度疑误廓线频数均远远高于有云和晴空天气。对不同天气条件下的疑误廓线类型进行分析发现，降水天气出现的各类温度疑误廓线中，以不满足垂直一致性的疑误廓线最多；有云和晴空天气，温度超过极值的疑误廓线最多。降水天气出现的各类型湿度疑误廓线中，以湿度超过极值的疑误廓线为主，有云和晴空天气，则湿度突变疑误廓线更多。

表 1

表 1 不同天气条件下的微波辐射计疑误廓线数统计 Table 1 Number of suspected temperature and vapor density profiles flagged by quality control in different weather conditions 质量控制方法 温度疑误廓线样本量 湿度疑误廓线样本量 降水天气 有云天气 晴空天气 降水天气 有云天气 晴空天气 极值检查 32131 8332 6470 73528 1488 168 时间一致性检查 9806 4043 2318 27873 12491 3569 温度垂直变化率的极值检查 38733 149 170 温度垂直变化率的标准差检查 52090 3232 3822

表 1 不同天气条件下的微波辐射计疑误廓线数统计 Table 1 Number of suspected temperature and vapor density profiles flagged by quality control in different weather conditions

将微波辐射计资料 (仅选取08:00和20:00的资料) 与同期探空资料进行对比 (如图 5所示)。质量控制前，降水天气各个高度上的温度相关性小，尤其是0.5 km以上高度，相关系数低于0.6，均方根误差偏大，部分高度的均方根误差甚至达到10℃，说明降水时微波辐射计在这些高度上对温度的反演存在较大偏差，张文刚等^[7]也发现类似现象。降水时，天线罩上出现液态水，这些液态水会导致亮温测值偏高，使得微波辐射计探测资料严重失真，这可能是造成上述现象的主要原因。其他两组 (有云和无云) 微波辐射计温度资料与探空资料的相关系数较高，6 km以下均超过0.9，均方根误差较小。质量控制后，降水天气所有高度相关系数均超过0.8，均方根误差显著减少，变化最大的高度均方根误差从10℃减少至2.5℃，与无降水天气 (有云和晴空) 相当；无降水天气，相关系数和均方根误差也有变化，但幅度很小。

图5

图5 质量控制前后2012年1月—2013年12月微波辐射计与探空温度的相关系数和均方根误差 Fig.5 The correlation coefficient and root mean square error of temperature profiles between the microwave radiometer and radiosonde from Jan 2012 to Dec 2013 before and after quality control

水汽密度廓线也有类似现象 (图 6)。质量控制后，降水天气各高度相关系数增大，均方根误差减少，0.5~4 km高度范围内这一变化尤其显著，相关系数和均方根误差与无降水天气的值十分接近。

图6

图6 质量控制前后2012年1月—2013年12月微波辐射计与探空水汽密度的相关系数和均方根误差 Fig.6 The correlation coefficient and root mean square error of vapor density profiles between the microwave radiometer and radiosonde from Jan 2012 to Dec 2013 before and after quality control

上述结果表明，本研究设计的质量控制方法对不同天气条件下出现的微波辐射计温湿度疑误廓线均有效。质量控制后，不同天气条件下的微波辐射计探测资料质量均有提高，其中降水天气的质控效果最明显。

利用2012年1月—2014年5月上海世博园站MP-3000A型地基微波辐射计探测资料和宝山站10年历史探空资料，根据数据本身规律以及各种类型的错误数据表现形式，首次研制了适用于地基微波辐射计探测资料的质量控制方案，并将质量控制前后的微波辐射计资料分别与探空资料进行对比，主要结论如下：

1) 本研究设计的质量控制方案包括极值检查、时间一致性检查和垂直一致性检查等多种方法。极值检查用于挑选温 (湿) 度超过气候极值的疑误廓线，时间一致性检查适用于存在温 (湿) 度突变的疑误廓线，垂直一致性检查主要针对垂直方向上温度存在野点或温度层际变化过大的疑误廓线。

2) 不同天气条件下的温湿度疑误廓线类型和频数存在差异。其中降水天气各类温度和湿度疑误廓线的频数均远高于无降水天气 (有云和晴空天气)。降水天气出现的温度疑误廓线中，不满足垂直一致性的疑误廓线最多，湿度疑误廓线则以湿度超过极值这一疑误类型最多。

3) 质量控制后，微波辐射计探测资料的质量提高。将质量控制前后的微波辐射计资料分别与同期探空资料进行对比，结果显示：质量控制前后，0~10 km高度范围内的所有层次，两套资料的相关系数增加，均方根误差一致减少，其中，降水天气两套资料的相关系数和均方根误差变化最显著。

上述结果表明：不同天气条件下微波辐射计温湿度疑误廓线类型和频数存在差异，降水天气各类温 (湿) 度疑误廓线频数远高于无降水天气，可见降水对微波辐射计探测资料的质量有较大影响，其他工作也发现这一现象^[10-11,13]，因此, 应用微波辐射计探测资料时，需将未受到和受到降水影响的资料分开^[8,10]，一般以观测站降水记录作为主要依据，将有降水记录的时段对应的探测资料定义为受降水影响，其他时段定义为不受降水影响。但有降水记录的时段与探测资料受到降水影响的时段并不完全对应，这一处理方法有局限性。张文刚等^[7]、徐桂荣等^[9]研究指出，降水对微波辐射计反演的影响与降水类型和强度有关。张泽娇等^[25]指出前一次降水的影响完全消除需要4~6 h。因此，挑选受降水影响的资料时，上述处理方法有局限性，可能漏判或误判。另外，未受降水影响的探测资料中也可能存在疑误数据，这些疑误数据将严重影响后续科学分析。本研究设计的质量控制方法能准确识别各类疑误廓线，尤其是那些受降水影响导致失真的疑误廓线，为有效使用微波辐射计探测资料提供了技术支持。