QFW-6000微波輻射計(jì)福州冬季反演誤差分析

岳增祥 劉萱 任雍 陳后財(cái) 海阿靜

（1.中國電波傳播研究所 山東省青島市 266107 2.福建省大氣探測技術(shù)保障中心 福建省福州市 350028）

探空是目前常用的大氣參數(shù)垂直廓線探測手段[1]，由于探空是真實(shí)測量各高度的氣象參數(shù)，因此探空數(shù)據(jù)測量的大氣參數(shù)垂直廓線數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，但是在時(shí)效性和地域性有一定的局限[2]。

中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所設(shè)計(jì)研發(fā)的QFW-6000型微波輻射計(jì)通過接收K/V 波段微波通道大氣微波輻射信號，計(jì)算得到亮溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合地面氣象數(shù)據(jù)及本地化區(qū)域模式算法實(shí)現(xiàn)0～10km 高度大氣輻射亮溫、溫濕度廓線、VL 的長期、自動、連續(xù)監(jiān)測?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)測大氣的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其演變過程，實(shí)現(xiàn)對中尺度強(qiáng)天氣系統(tǒng)大氣層結(jié)的監(jiān)測和預(yù)警、短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)[3]、云物理特征的監(jiān)測和人工影響天氣科研及業(yè)務(wù)的應(yīng)用[4]、霧霾天氣等邊界層大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測。

目前對微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及其應(yīng)用已經(jīng)有了較多的研究，劉紅燕[5]、徐桂榮[6]等分別對微波輻射計(jì)與探空、GPS/MET在水汽廓線、溫濕度廓線、可降水量等氣象要素進(jìn)行了分析對比，張文剛[7]雷恒池[8]等分析微波輻射計(jì)測量的液態(tài)水和水汽含量，提出微波輻射計(jì)能夠應(yīng)用于人工影響天氣及降雨短臨預(yù)報(bào)中。

本文以2016年12月福州地區(qū)的微波輻射計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)為例，分析了一個月內(nèi)微波輻射計(jì)的測量結(jié)果，為微波輻射計(jì)資料在氣象應(yīng)用中提供一定的參考。

1 資料與方法

選取2016年12月1日至31日共61 次探空數(shù)據(jù)與對應(yīng)時(shí)段6000 型微波輻射計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根誤差比對。同時(shí)，對一次降水過程（2016年12月21日至22日）分析微波輻射計(jì)對實(shí)時(shí)天氣的反應(yīng)情況。

在分析中，使用探空值為真值，將對流層的溫度廓線和濕度廓線進(jìn)行均方根誤差統(tǒng)計(jì)，在分析中按逐高度層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即對廓線每個高度層內(nèi)的所有探空時(shí)次進(jìn)行均方根誤差統(tǒng)計(jì)。該方法可得到各個高度上的誤差，便于分析輻射計(jì)測量誤差隨高度的變化特征。

圖1：微波輻射計(jì)實(shí)測(左)與探空實(shí)測(右)結(jié)果對比

圖2：積分水汽含量(左)、積分液態(tài)水含量(右)實(shí)測與探空計(jì)算圖

其中，i 為高度層，j 為第j 次探空，RMS(i)為高度層i 上的均方根誤差，fsj(i,j)為高度層i 上第j 次探空的輻射計(jì)的實(shí)測值，tk(i,j)為高度層i 上第j 次探空的探空真值，n 為探空總次數(shù)。

圖3：微波輻射計(jì)與探空數(shù)據(jù)的均方根誤差

圖4：微波輻射計(jì)實(shí)測結(jié)果

2 微波輻射計(jì)與L波段探空數(shù)據(jù)對比

探空時(shí)段輻射計(jì)與探空實(shí)測的溫度廓線、濕度廓線、水汽密度廓線、VL 含量的時(shí)空演變圖分別如圖1、圖2所示。圖1 左側(cè)為輻射計(jì)實(shí)測，右側(cè)為探空實(shí)測，橫軸為第n 次探空，縱軸為探測高度，由圖可知，微波輻射計(jì)的測量結(jié)果與探空結(jié)果一致性良好。

將探空時(shí)段輻射計(jì)與探空各高度層（53 層）的數(shù)據(jù)均方根誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。溫度的均方根誤差在0.3℃～2.2℃之間，誤差的最小值出現(xiàn)在200m 處，最大值出現(xiàn)在7km 左右，7km以下為波動增加的趨勢。相對濕度的均方根誤差在2.5%～12.5%之間波動，誤差由地面至1.6km 呈逐漸增加的趨勢，在1.6km 出現(xiàn)最大值，并在7km 處出現(xiàn)了極大值約8%。水汽密度的均方根誤差在0.2g/m3～1.3g/m3之間波動，最大值出現(xiàn)在1.8Km 左右，并在2km左右出現(xiàn)了一個極小值。

計(jì)算兩種資料的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)08 時(shí)和20 時(shí)兩種資料溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.994 和0.996，水汽密度的相關(guān)系數(shù)分別為0.978和0.977，相對濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.743 和0.700，且均通過了置信度為0.01 的顯著性檢驗(yàn)，說明兩種資料的垂直分布變化趨勢較為一致，其中溫度和水汽密度廓線的一致性明顯優(yōu)于相對濕度的。

3 降水前水汽總含量與液態(tài)水總含量隨時(shí)間的演變特征

選取2016年12月21日至22日的微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降水個例分析。圖4 為48 小時(shí)的微波輻射計(jì)實(shí)測的VL、溫濕度廓線、水汽密度廓線隨時(shí)空變化的分布圖，橫軸為時(shí)間序列。

由圖4 知，21日0 時(shí)至16 時(shí)，大氣的溫度和水汽含量變化較為平穩(wěn)，隨后V 和L 出現(xiàn)小幅度的起伏。在降水開始前3～4h，地面溫度有一個下降的過程，0°層高度約4500m 左右，-20℃層在8000 米左右，符合暴雨發(fā)生的環(huán)境空氣溫度條件。相對濕度和水汽密度在降水前呈增大趨勢，低層水汽被上升氣流向上傳輸，低層暖濕氣流的輸送使大氣中低層濕度臨近降水時(shí)增大并接近飽和，這種結(jié)構(gòu)有利于降水的形成。

16 時(shí)10 分左右，測站上方水汽快速聚集，V 和L 分別達(dá)到極值。大氣中低層水汽含量趨于飽和，17 時(shí)10 分左右，5500m 以下的大氣整層濕度含量較高，水汽充足，17：40 左右，降水形成，直至22日中午，降水結(jié)束。

4 結(jié)論

（1）微波輻射計(jì)反演的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與L 波段探空數(shù)據(jù)雖有所差異，但總體來說一致性較好，可靠性較強(qiáng)。微波輻射計(jì)可應(yīng)用于日常業(yè)務(wù)工作和科研中。

（2）在降水過程中，微波輻射計(jì)與降水過程天氣變化形勢一致性較好，且在降雨前2h 左右，積分水汽、液態(tài)水總含量會大幅增加，說明降水云系正在發(fā)展，可作為降水預(yù)警的有效參考，對降水的良好指示可應(yīng)用于人工增雨作業(yè)條件的識別，有利于增加降水量或加速降水的到來。