刘萱 岳增祥 陈后财 海阿静

（中国电波传播研究所 山东省青岛市 266000）

1 引言

大气参数垂直剖面特征对无线电系统性能、气象预报等都有着重要影响[1-2]。探空是测量大气参数剖面的基本方式，但其在时间和空间分辨率存在局限性。微波辐射计应用遥感技术进行大气监测，可实时获得高时空分辨率温湿廓线等大气参数，具有全天候连续观测的优势。微波辐射计可用于监测中小尺度天气现象，是探空气球、天气雷达和探空雷达等观测手段的有益补充，可在人工影响天气、数值天气预报等业务工作中起重要作用[3-5]。

微波辐射计近年来在气象科研和业务中的应用日趋广泛。刘红燕分析显示不同季节两种测量技术存在不同差异[6-7]。李青等[8]曾在2014年分析了北京微波辐射计的观测数据的有效性，发现亮温探测受天线周围环境影响不可忽略，但目前与已业务化应用的L 波段探空雷达进行的对比研究较少。本文利用L 波段探空雷达与微波辐射计探测的大气温度和相对湿度廓线数据，以较全面的验证微波辐射计数据在青岛地区的有效性及探测精度。有利于更好地将微波辐射计资料应用于在气象观测中，对全国探空业务的发展具有积极意义。

2 资料与方法

2.1 仪器

观测仪器是L 波段探空雷达与中国电子科技集团有限公司第二十二研究所自主研发的QFW-6000 型微波辐射计。L 波段探空雷达是常规气象观测用来探测高空气象要素的常规仪器，它与GTS1型数字式电子探空仪配合，测量高空的温度、气压、湿度、风向、风速等气象要素，提供高时空分辨率的气象资料。QFW-6000 型微波辐射计采用滤波器组件技术实现K 波段（22GHz~32GHz，8 个通道）和V 波段（50GHz~60GHz，8 个通道）并行探测，同时选取1 个红外观测通道，通过接收的辐射电压值标定成亮温，结合微波辐射计实测地面气象要素值，运用神经网络等反演算法长期、自动、连续地输出0~10km 的温湿度廓线及大气积分水汽含量、路径液态水含量等多种数据；同时采用纳米天线罩并在其旁边安置鼓风机，以保障降雨时的连续观测。

2.2 资料说明

选取青岛地区2018年12月1日至2019年11月20日L 波段探空雷达和微波辐射计实测的温度和相对湿度数据进行分析。微波辐射计全天候无间断探测，每1min 输出一次廓线数据，垂直分辨率为500 米以下50 米每层，500 米至2000 米100 米每层，2000m以上250m，共58 层。将微波辐射计07:30-08:30 与19:30-20:30 的廓线值取平均值后，作为与探空时段对应的实测值进行数据分析。

图1：各高度层温度均方根偏差

表1：无降水天气整层均方根偏差

图2：各高度层相对湿度均方根偏差

2.3 分析方法简介

在进行数据的对比分析前，对二者的相关系数进行了计算，温度的相关系数为0.98，相对湿度的相关系数为0.82，温度的相关性较大，这与大气温度变化比较平稳而相对湿度较剧烈有关。本文主要通过计算均方根偏差来定量分析微波辐射计与探空仪探测数据的差异。各高度层的均方根偏差计算公式如下：

公式（1）中，均方根偏差RMSE 为某高度处两种观测仪器数据的偏差，xi和yi分别为某高度处微波辐射计和L 波段探空雷达的观测数据，i 为第i 次探空，N 为探空的总次数，通过计算RMSE可以分别得到58 层的均方根偏差。

为了更直观的比较输出廓线在整个对流层的反演精度，此处定义整层均方根偏差进行分析。

公式（2）中，整层均方根偏差σ 为两种观测仪器数据在k 次探空所有高度层的整体偏差，x(i,j)和y(i,j)分别为第i 次探空j 高度处微波辐射计和L 波段探空雷达的观测数据，通过计算σ 可以分别得到所有探空时段58 层的二者均方根偏差。

3 结果及分析

按春、夏、秋、冬四季进行划分，有效样本数分别为135 次、124 次、136 次、144 次。通过计算二者在0-10km 共58 层的探测数据的均方根偏差，分析两类测量技术下温度和相对湿度的差异。

图1 为不同高度处二者探测温度的均方根偏差。由图知，四季均呈现出二者差异在近地面偏差最小、随高度逐渐增大的现象，整层均方根偏差夏季最小、冬季最大。春季二者均方根偏差为1.34℃，从低空到高空基本为逐层递增的趋势，波动范围在0.5℃—2.0℃之间。夏季均方根偏差为四季中最小，为1.27℃，近地层误差随高度呈波动递减，0.7km 以上波动增加，并在5.5km 处有极大值，在5.5km—7.5km 的对流层高层，偏差随高度波动减小，7.5km 以上再次波动上升，并在9.25km 处有最大偏差。秋季均方根偏差为1.31℃，在0.4km 米高度处均方根偏差出现一最小值0.2℃，随后整体呈升高趋势，在10km 处达到最大，其在对流层中高层均方根偏差最大。冬季均方根偏差为1.45℃，其偏差的最小值出现在地面，随后在1.5km 和5.7km 高度处分别出现一极大值和极小值。

相对湿度廓线的四季的差异如图2所示。春季，相对湿度在地面层误差最小，随后呈波动增加趋势，在8km 以上偏差开始减小，整层均方根偏差为13.5%。夏季从地面往上到1.3km 左右，偏差急剧增大，在1.9km—4.75km，偏差呈波动减小，随后偏差又随高度逐渐增大，7.5km 以上，偏差再次随高度波动减小，整层均方根偏差为15.03%。秋季在4.25km 以下呈增加趋势，随后又呈现波动减少的趋势，整层均方根偏差为16.04%。冬季在近地面层偏差很小，1km—4km 高度范围内，在1km 高度处最大，在4km—6km 范围内，偏差又随高度显著降低，在6km—8km 范围内则随高度波动增加，8km以上又随高度递减，整层均方根偏差为12.7%，为偏差最小季节。

可以看出，廓线差异在不同的季节变化规律不同，但在某些高度范围内，仍具有共同点，温度廓线的差异以随高度增加而增加为主，相对湿度廓线以先增加再降低为主。整体来说，微波辐射计对温湿度廓线的探测精度在对流层的中低层较高，这与它是地基被动式遥感观测设备密切相关；温度廓线的整层均方根偏差在夏季最小、冬季最大，主要是由于大气温度在夏季变化较小、冬季波动较大，同样在近地面也是冬季波动较大，而微波辐射计的反演精度受历史样本和实时输入数据波动的影响，这直接影响其反演能力，使冬季偏差在近地层较大；而相对湿度廓线的整层均方根偏差在冬季最小、秋季最大，也主要是因为相对湿度在冬季测量值最小，而秋季在大气中层变化较大。无降水天气下四季的整层均方根偏差如表1所示。

4 结论与展望

以L 波段探空雷达数据为观测数据，按四季分类，进行均方根偏差统计分析，验证了微波辐射计资料的可靠性。得到主要结论如下：

（1）不同季节、不同天气条件下，微波辐射计对与L 波段探空雷达对温度、相对湿度的测量偏差随高度的变化特征不同，微波辐射计的探测精度较高。

（2）对于温度廓线的探测，在不同季节二者偏差均呈现低空较小、高空较大的特征，夏季整层均方根偏差最小冬季最大，分别为1.27℃、1.45℃。春季、夏季呈波动式增加的趋势，冬季、秋季在2km 左右均出现一极大值。

（3）对于相对湿度的探测，偏差随高度以先增加再降低的趋势为主，整层均方根偏差最小值出现在冬季，为16.04%，最大值出现在秋季，为12.7%。

因此，微波辐射计可有效弥补L 波段探空雷达时空分辨率不足的问题。由于数据时间序列只有一年，下一步将深入探寻其偏差来源，为微波辐射计的改进及其资料的使用提供理论依据。