QFW-6000型微波輻射計(jì)探測(cè)精度分析

劉萱 岳增祥 陳后財(cái) 海阿靜

（中國(guó)電波傳播研究所 山東省青島市 266000）

1 引言

大氣參數(shù)垂直剖面特征對(duì)無(wú)線電系統(tǒng)性能、氣象預(yù)報(bào)等都有著重要影響[1-2]。探空是測(cè)量大氣參數(shù)剖面的基本方式，但其在時(shí)間和空間分辨率存在局限性。微波輻射計(jì)應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)獲得高時(shí)空分辨率溫濕廓線等大氣參數(shù)，具有全天候連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)。微波輻射計(jì)可用于監(jiān)測(cè)中小尺度天氣現(xiàn)象，是探空氣球、天氣雷達(dá)和探空雷達(dá)等觀測(cè)手段的有益補(bǔ)充，可在人工影響天氣、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等業(yè)務(wù)工作中起重要作用[3-5]。

微波輻射計(jì)近年來(lái)在氣象科研和業(yè)務(wù)中的應(yīng)用日趨廣泛。劉紅燕分析顯示不同季節(jié)兩種測(cè)量技術(shù)存在不同差異[6-7]。李青等[8]曾在2014年分析了北京微波輻射計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，發(fā)現(xiàn)亮溫探測(cè)受天線周圍環(huán)境影響不可忽略，但目前與已業(yè)務(wù)化應(yīng)用的L 波段探空雷達(dá)進(jìn)行的對(duì)比研究較少。本文利用L 波段探空雷達(dá)與微波輻射計(jì)探測(cè)的大氣溫度和相對(duì)濕度廓線數(shù)據(jù)，以較全面的驗(yàn)證微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)在青島地區(qū)的有效性及探測(cè)精度。有利于更好地將微波輻射計(jì)資料應(yīng)用于在氣象觀測(cè)中，對(duì)全國(guó)探空業(yè)務(wù)的發(fā)展具有積極意義。

2 資料與方法

2.1 儀器

觀測(cè)儀器是L 波段探空雷達(dá)與中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第二十二研究所自主研發(fā)的QFW-6000 型微波輻射計(jì)。L 波段探空雷達(dá)是常規(guī)氣象觀測(cè)用來(lái)探測(cè)高空氣象要素的常規(guī)儀器，它與GTS1型數(shù)字式電子探空儀配合，測(cè)量高空的溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素，提供高時(shí)空分辨率的氣象資料。QFW-6000 型微波輻射計(jì)采用濾波器組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)K 波段（22GHz~32GHz，8 個(gè)通道）和V 波段（50GHz~60GHz，8 個(gè)通道）并行探測(cè)，同時(shí)選取1 個(gè)紅外觀測(cè)通道，通過(guò)接收的輻射電壓值標(biāo)定成亮溫，結(jié)合微波輻射計(jì)實(shí)測(cè)地面氣象要素值，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等反演算法長(zhǎng)期、自動(dòng)、連續(xù)地輸出0~10km 的溫濕度廓線及大氣積分水汽含量、路徑液態(tài)水含量等多種數(shù)據(jù)；同時(shí)采用納米天線罩并在其旁邊安置鼓風(fēng)機(jī)，以保障降雨時(shí)的連續(xù)觀測(cè)。

2.2 資料說(shuō)明

選取青島地區(qū)2018年12月1日至2019年11月20日L 波段探空雷達(dá)和微波輻射計(jì)實(shí)測(cè)的溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。微波輻射計(jì)全天候無(wú)間斷探測(cè)，每1min 輸出一次廓線數(shù)據(jù)，垂直分辨率為500 米以下50 米每層，500 米至2000 米100 米每層，2000m以上250m，共58 層。將微波輻射計(jì)07:30-08:30 與19:30-20:30 的廓線值取平均值后，作為與探空時(shí)段對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1：各高度層溫度均方根偏差

表1：無(wú)降水天氣整層均方根偏差

圖2：各高度層相對(duì)濕度均方根偏差

2.3 分析方法簡(jiǎn)介

在進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比分析前，對(duì)二者的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，溫度的相關(guān)系數(shù)為0.98，相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為0.82，溫度的相關(guān)性較大，這與大氣溫度變化比較平穩(wěn)而相對(duì)濕度較劇烈有關(guān)。本文主要通過(guò)計(jì)算均方根偏差來(lái)定量分析微波輻射計(jì)與探空儀探測(cè)數(shù)據(jù)的差異。各高度層的均方根偏差計(jì)算公式如下：

公式（1）中，均方根偏差RMSE 為某高度處兩種觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)的偏差，xi和yi分別為某高度處微波輻射計(jì)和L 波段探空雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，i 為第i 次探空，N 為探空的總次數(shù)，通過(guò)計(jì)算RMSE可以分別得到58 層的均方根偏差。

為了更直觀的比較輸出廓線在整個(gè)對(duì)流層的反演精度，此處定義整層均方根偏差進(jìn)行分析。

公式（2）中，整層均方根偏差σ 為兩種觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)在k 次探空所有高度層的整體偏差，x(i,j)和y(i,j)分別為第i 次探空j 高度處微波輻射計(jì)和L 波段探空雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算σ 可以分別得到所有探空時(shí)段58 層的二者均方根偏差。

3 結(jié)果及分析

按春、夏、秋、冬四季進(jìn)行劃分，有效樣本數(shù)分別為135 次、124 次、136 次、144 次。通過(guò)計(jì)算二者在0-10km 共58 層的探測(cè)數(shù)據(jù)的均方根偏差，分析兩類測(cè)量技術(shù)下溫度和相對(duì)濕度的差異。

圖1 為不同高度處二者探測(cè)溫度的均方根偏差。由圖知，四季均呈現(xiàn)出二者差異在近地面偏差最小、隨高度逐漸增大的現(xiàn)象，整層均方根偏差夏季最小、冬季最大。春季二者均方根偏差為1.34℃，從低空到高空基本為逐層遞增的趨勢(shì)，波動(dòng)范圍在0.5℃—2.0℃之間。夏季均方根偏差為四季中最小，為1.27℃，近地層誤差隨高度呈波動(dòng)遞減，0.7km 以上波動(dòng)增加，并在5.5km 處有極大值，在5.5km—7.5km 的對(duì)流層高層，偏差隨高度波動(dòng)減小，7.5km 以上再次波動(dòng)上升，并在9.25km 處有最大偏差。秋季均方根偏差為1.31℃，在0.4km 米高度處均方根偏差出現(xiàn)一最小值0.2℃，隨后整體呈升高趨勢(shì)，在10km 處達(dá)到最大，其在對(duì)流層中高層均方根偏差最大。冬季均方根偏差為1.45℃，其偏差的最小值出現(xiàn)在地面，隨后在1.5km 和5.7km 高度處分別出現(xiàn)一極大值和極小值。

相對(duì)濕度廓線的四季的差異如圖2所示。春季，相對(duì)濕度在地面層誤差最小，隨后呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，在8km 以上偏差開始減小，整層均方根偏差為13.5%。夏季從地面往上到1.3km 左右，偏差急劇增大，在1.9km—4.75km，偏差呈波動(dòng)減小，隨后偏差又隨高度逐漸增大，7.5km 以上，偏差再次隨高度波動(dòng)減小，整層均方根偏差為15.03%。秋季在4.25km 以下呈增加趨勢(shì)，隨后又呈現(xiàn)波動(dòng)減少的趨勢(shì)，整層均方根偏差為16.04%。冬季在近地面層偏差很小，1km—4km 高度范圍內(nèi)，在1km 高度處最大，在4km—6km 范圍內(nèi)，偏差又隨高度顯著降低，在6km—8km 范圍內(nèi)則隨高度波動(dòng)增加，8km以上又隨高度遞減，整層均方根偏差為12.7%，為偏差最小季節(jié)。

可以看出，廓線差異在不同的季節(jié)變化規(guī)律不同，但在某些高度范圍內(nèi)，仍具有共同點(diǎn)，溫度廓線的差異以隨高度增加而增加為主，相對(duì)濕度廓線以先增加再降低為主。整體來(lái)說(shuō)，微波輻射計(jì)對(duì)溫濕度廓線的探測(cè)精度在對(duì)流層的中低層較高，這與它是地基被動(dòng)式遙感觀測(cè)設(shè)備密切相關(guān)；溫度廓線的整層均方根偏差在夏季最小、冬季最大，主要是由于大氣溫度在夏季變化較小、冬季波動(dòng)較大，同樣在近地面也是冬季波動(dòng)較大，而微波輻射計(jì)的反演精度受歷史樣本和實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)波動(dòng)的影響，這直接影響其反演能力，使冬季偏差在近地層較大；而相對(duì)濕度廓線的整層均方根偏差在冬季最小、秋季最大，也主要是因?yàn)橄鄬?duì)濕度在冬季測(cè)量值最小，而秋季在大氣中層變化較大。無(wú)降水天氣下四季的整層均方根偏差如表1所示。

4 結(jié)論與展望

以L 波段探空雷達(dá)數(shù)據(jù)為觀測(cè)數(shù)據(jù)，按四季分類，進(jìn)行均方根偏差統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了微波輻射計(jì)資料的可靠性。得到主要結(jié)論如下：

（1）不同季節(jié)、不同天氣條件下，微波輻射計(jì)對(duì)與L 波段探空雷達(dá)對(duì)溫度、相對(duì)濕度的測(cè)量偏差隨高度的變化特征不同，微波輻射計(jì)的探測(cè)精度較高。

（2）對(duì)于溫度廓線的探測(cè)，在不同季節(jié)二者偏差均呈現(xiàn)低空較小、高空較大的特征，夏季整層均方根偏差最小冬季最大，分別為1.27℃、1.45℃。春季、夏季呈波動(dòng)式增加的趨勢(shì)，冬季、秋季在2km 左右均出現(xiàn)一極大值。

（3）對(duì)于相對(duì)濕度的探測(cè)，偏差隨高度以先增加再降低的趨勢(shì)為主，整層均方根偏差最小值出現(xiàn)在冬季，為16.04%，最大值出現(xiàn)在秋季，為12.7%。

因此，微波輻射計(jì)可有效彌補(bǔ)L 波段探空雷達(dá)時(shí)空分辨率不足的問(wèn)題。由于數(shù)據(jù)時(shí)間序列只有一年，下一步將深入探尋其偏差來(lái)源，為微波輻射計(jì)的改進(jìn)及其資料的使用提供理論依據(jù)。