黃海海域FY4A衛(wèi)星溫濕廓線適用性分析

范潤(rùn)龍 孫立東 楊 晨

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.92602部隊(duì) 寧波 315000）（3.92919部隊(duì) 寧波 315000）

1 引言

蒸發(fā)波導(dǎo)、懸空波導(dǎo)和表面波導(dǎo)是在海洋大氣環(huán)境中易出現(xiàn)的三種大氣波導(dǎo)［1］。大氣波導(dǎo)的出現(xiàn)，會(huì)顯著影響通信和雷達(dá)等的工作性能。溫度、濕度是分析大氣波導(dǎo)的重要影響因素［2］，通過(guò)計(jì)算大氣折射率廓線來(lái)監(jiān)測(cè)大氣波導(dǎo)需要用到溫度、比濕等數(shù)據(jù)。長(zhǎng)期以來(lái)，獲取大氣溫度、濕度信息主要來(lái)源于無(wú)線電探空儀，無(wú)線電探空儀測(cè)量的主要缺點(diǎn)是一次發(fā)射只能提供一個(gè)垂直剖面，對(duì)于開(kāi)放海域的大范圍測(cè)量難以完成，因此通過(guò)無(wú)線電探空儀測(cè)量來(lái)覆蓋大范圍的區(qū)域幾乎是不可能的，科學(xué)氣象研究對(duì)時(shí)空分辨率的要求通過(guò)無(wú)線電探空儀測(cè)量難以滿足［3～4］。近年來(lái)，遙感衛(wèi)星的大力發(fā)展使得通過(guò)遙感數(shù)據(jù)分析研究大范圍的大氣中溫濕度成為可能［5］，在科學(xué)氣象研究中的作用越來(lái)越重大［6～7］。許多專家學(xué)者們?cè)陲L(fēng)云系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)精度評(píng)估檢驗(yàn)等方面做了許多的研究工作。羅清等［8］指出在不同氣壓層上FY2E衛(wèi)星的濕度數(shù)據(jù)可靠性有所差異。唐維堯等［9］給出了FY3A氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品不同下墊面下反演精度有所不同的結(jié)論。周愛(ài)明等［10］對(duì)比分析了FY4A高光譜紅外垂直探測(cè)儀GIIRS與IASI兩種模擬資料反演大氣溫濕廓線的精度?，F(xiàn)有研究成果說(shuō)明當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中所需要的信息風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)都能夠正確提供［11］，但因?yàn)樘綔y(cè)器［12］，反演方法［13］等不同因素影響，在探測(cè)的精度上可能存在較大的差異，因此在不同環(huán)境下風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性有待進(jìn)一步研究。

FY4A衛(wèi)星是我國(guó)第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星，在一天內(nèi)能夠獲取多個(gè)時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)，其搭載了世界首個(gè)靜止軌道干涉式紅外探測(cè)儀。這個(gè)探測(cè)儀能夠獲取大氣在垂直方向上的氣象數(shù)據(jù)，1h就能完成一次對(duì)我國(guó)及周邊區(qū)域大氣的垂直探測(cè)，與傳統(tǒng)探空站12h的探測(cè)間隔相比，在時(shí)間分辨率方面優(yōu)勢(shì)明顯。其次，與平均間隔為200km的探空站相比，干涉式紅外探測(cè)儀的空間分辨率是16km，這對(duì)于提高大氣波導(dǎo)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性來(lái)說(shuō)十分重要［14］，目前，尚無(wú)學(xué)者對(duì)FY4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于大氣波導(dǎo)的監(jiān)測(cè)做出研究，因此FY4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)能否很好地反映實(shí)際溫度、比濕，成為我們急需研究的問(wèn)題。

1月至3月，冬季風(fēng)盛行于黃海海域，入海變性的高壓和中國(guó)大陸東移的低槽或低壓對(duì)大氣波導(dǎo)層結(jié)的形成十分有利［15］，考慮到數(shù)據(jù)連續(xù)性和準(zhǔn)確性，因此本文以黃海海域?yàn)槔?，通過(guò)整理1月至3月該海域的探空數(shù)據(jù)，對(duì)同期FY4A衛(wèi)星溫度、比濕資料進(jìn)行對(duì)比分析，研究FY4A衛(wèi)星溫度及比濕數(shù)據(jù)的區(qū)域可靠性，為后期風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)大氣波導(dǎo)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究資料與方法

2.1 資料來(lái)源

本文使用的FY4A資料來(lái)自于風(fēng)云遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)，由GIIRS通道匹配數(shù)據(jù)集反演的區(qū)域大氣溫度廓線產(chǎn)品。產(chǎn)品為GIIRS原始分辨率（星下點(diǎn)約16km），內(nèi)容包括：每條掃描各個(gè)視場(chǎng)的地理經(jīng)緯度、海陸掩碼、高程、太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)方位角、衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星方位角，以及每個(gè)視場(chǎng)的大氣溫度廓線產(chǎn)品，我們選取其中的大氣溫度、比濕廓線產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)垂直方向上有101層，提供了0hPa～1100hPa中101層的氣壓、溫度、比濕信息；探空數(shù)據(jù)取自懷俄明大學(xué)大氣科學(xué)系網(wǎng)站，該數(shù)據(jù)通過(guò)探空氣球來(lái)收集世界時(shí)（UTC）每天0點(diǎn)和12點(diǎn)的高空氣象數(shù)據(jù)，可以獲近地層到高層空間的溫度、露點(diǎn)溫度、位勢(shì)高度、風(fēng)速風(fēng)向等氣象要素，遇到特殊天氣（臺(tái)風(fēng)等）會(huì)進(jìn)行加密觀測(cè)。探空數(shù)據(jù)在分析檢驗(yàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面有著非常強(qiáng)的指示作用，因此我們將探空數(shù)據(jù)作為參考值來(lái)評(píng)估分析FY4A產(chǎn)品的可靠性。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)匹配

衛(wèi)星觀測(cè)是每隔一段時(shí)間對(duì)采樣區(qū)域的瞬時(shí)觀測(cè)值，而探空觀測(cè)是探空站點(diǎn)從放飛探空氣球開(kāi)始，至氣球到達(dá)預(yù)定高度的連續(xù)觀測(cè)值，在時(shí)間和空間上兩種數(shù)據(jù)存在不同。使用探空數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行FY4A數(shù)據(jù)對(duì)比分析前，需將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的匹配。

在時(shí)間匹配上，懷俄明大學(xué)探空數(shù)據(jù)采取的時(shí)間為世界時(shí)（UTC），每天探測(cè)兩次，分別為00：00、12：00，同時(shí)，篩選出在時(shí)間上與探空數(shù)據(jù)最為相似的FY4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

在空間匹配上分為水平方向上的經(jīng)緯度匹配和垂直方向上的氣壓層匹配。由于探空站所在地區(qū)經(jīng)緯度固定，而FY4A數(shù)據(jù)采樣區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)經(jīng)緯度不一定和探空站經(jīng)緯度完全相同，因此，我們選取距離探空站點(diǎn)最近的衛(wèi)星采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)集，完成水平方向上的經(jīng)緯度匹配；在垂直方向上，作為參考值的探空數(shù)據(jù)每個(gè)時(shí)間段探測(cè)高度的氣壓值與FY4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)的氣壓值有所差異，我們需要將探空站各時(shí)間段氣壓層和FY4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)的氣壓值一一對(duì)應(yīng)，本文選擇將氣壓層相差最小，且不超過(guò)±5hPa的兩組數(shù)據(jù)匹配，也就是找出離探空站每個(gè)時(shí)間段各氣壓層最近的一個(gè)數(shù)據(jù)匹配，如果探空數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的FY4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)，則舍棄該氣壓層的數(shù)據(jù)。

2.2.2 “野值”的處理

基于不損失大量有效信息和盡可能多的剔除“野值”兩個(gè)方面考慮，根據(jù)前人處理風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)“野值”的經(jīng)驗(yàn)，將大于平均值加2倍標(biāo)準(zhǔn)差和小于平均值減2倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)定義為“野值”［16］，并予以剔除。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每次剔除的“野值”數(shù)量大致在10%左右，因此我們選擇剔除10%的數(shù)據(jù)。

2.2.3 誤差檢驗(yàn)

3 數(shù)據(jù)評(píng)估

相關(guān)文獻(xiàn)表明，表面波導(dǎo)的高度一般在300m以下，懸空波導(dǎo)通常出現(xiàn)在3000m高度以下，而蒸發(fā)波導(dǎo)通常在6m～30m之間［17］，高度3000m的氣壓大致為700hPa左右，因此，本文重點(diǎn)研究700hPa～1100hPa這一氣壓層的數(shù)據(jù)，分析F4YA衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)三種波導(dǎo)的適用性有何差異。

我們將各月的數(shù)據(jù)按700hPa～800hPa、800hPa～900hPa、900hPa～1000hPa、1000hPa～1100 hPa共4個(gè)氣壓層分別進(jìn)行分析，分別計(jì)算各月不同氣壓層對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)（溫度、比濕、大氣折射率）偏差的均值，剔除“野值”后各月不同氣壓層數(shù)據(jù)偏差的均值、各月數(shù)據(jù)的均方根誤差以及偏差的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)進(jìn)行對(duì)比，從而分析不同氣壓層FY4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、離散程度及月變化規(guī)律。

3.1 各月不同氣壓層溫度偏差的均值及剔除“野值”后不同氣壓層溫度偏差的均值對(duì)比分析

從圖1中可以看出，剔除“野值”后的曲線趨勢(shì)與剔除前相比，剔除“野值”后各氣壓層溫度偏差的均值均有所減小，各月趨勢(shì)相似，在700hPa～900hPa這一氣壓層區(qū)間，表現(xiàn)為FY4A衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)偏小，1000hPa～1100hPa這個(gè)氣壓層區(qū)間整體偏大。

圖1 剔除野值前后溫度偏差的均值

從800hPa～900hPa這個(gè)氣壓層到900hPa～1000hPa這個(gè)氣壓層，可以明顯看出溫度偏差的均值變化較大，分析其原因是該氣壓層處于對(duì)流層底部區(qū)域，大氣環(huán)境不穩(wěn)定，對(duì)FY4A衛(wèi)星探測(cè)影響較大。

3.2 各月不同氣壓層溫度偏差的均方根誤差及剔除“野值”后不同氣壓層溫度偏差的均方根誤差對(duì)比分析

從圖2中可以看出，剔除“野值”后的曲線與剔除前相比，各氣壓層溫度數(shù)據(jù)的均方根誤差都有明顯的降低，在700hPa～900hPa這個(gè)氣壓層區(qū)間，可以看出從1月到3月，溫度的均方根誤差逐漸減小，呈現(xiàn)明顯的月相關(guān)性，而在900hPa～1100hPa這個(gè)氣壓層，則沒(méi)有明顯的規(guī)律。

圖2 剔除野值前后溫度數(shù)據(jù)的均方根誤差

3.3 各月不同氣壓層比濕偏差的均值及剔除“野值”后不同氣壓層比濕偏差的均值對(duì)比分析

從圖3中可以看出，剔除“野值”后的曲線趨勢(shì)與剔除前相比，各氣壓層比濕偏差的均值都有明顯的降低。在700hPa～1000hPa這個(gè)氣壓層區(qū)間，從1月到3月，比濕偏差的均值都為“正”，說(shuō)明在這一氣壓層，F(xiàn)Y4A比濕數(shù)據(jù)比探空數(shù)據(jù)偏大，在1000hPa～1100hPa這個(gè)氣壓層，則沒(méi)有明顯的規(guī)律。

圖3 剔除野值前后比濕偏差的均值

3.4 各月不同氣壓層比濕偏差的均方根誤差及剔除“野值”后不同氣壓層比濕偏差的均方根誤差對(duì)比分析

從圖4中可以看出，剔除“野值”后的曲線趨勢(shì)與剔除前相比，各氣壓層均方根誤差明顯降低，在700hPa～1000hPa這個(gè)氣壓層區(qū)間，各月均方根誤差趨勢(shì)相同，而在900hPa～1100hPa這個(gè)氣壓層，沒(méi)有明顯的規(guī)律，反映了地表水汽環(huán)境的多變性增加了測(cè)量的誤差。

圖4 剔除野值前后比濕數(shù)據(jù)的均方根誤差

3.5 兩組數(shù)據(jù)偏差對(duì)大氣折射率（N）的影響

大氣折射率是影響大氣環(huán)境中電磁波傳播特性的主要大氣因子，大氣折射率可以表達(dá)為水汽壓（e）、氣壓（P）和溫度（T）的函數(shù)［18］，即

目前，對(duì)于大氣高精度探測(cè)的探空系統(tǒng)，以芬蘭的維薩拉系統(tǒng)最為出名。其中又以RS80探空儀為主流，其濕度精度為±2%，氣壓精度為±0.5hPa、溫度精度為±0.2℃。以這樣的精度測(cè)得折射率的精度只能達(dá)到±2.0N單位，若考慮到實(shí)際測(cè)量計(jì)算的誤差，最好的精度也不超過(guò)±6.5N單位。若加入響應(yīng)速度的影響，測(cè)量誤差將會(huì)更大［19］。在南海海域放探空球的試驗(yàn)過(guò)程中，探空球共升高1700m，到達(dá)海拔3173.7m的位置，水平方向位置變化4100m，在FY4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)與探空值的空間匹配上，由于水平方向上探空球的位置發(fā)生了變化，因此探空數(shù)據(jù)也存在一定的測(cè)量誤差。

剔除“野值”前后FY4A數(shù)據(jù)計(jì)算得出的大氣折射率與“探空參考值”見(jiàn)圖5。可以看出剔除“野值”前偏差的均值最大的不超過(guò)10N單位，剔除“野值”后偏差的均值最大的不超過(guò)6N單位，因此剔除“野值”后的FY4A數(shù)據(jù)計(jì)算大氣折射率廓線與探空儀精度大致相當(dāng)，偏差的均值無(wú)明顯的月相關(guān)性。

圖5 剔除野值前后N值偏差的均值

圖6表示剔除野值前后各氣壓層N值的均方根誤差，可以看出剔除“野值”后，均方根誤差明顯減小，求取剔除“野值”后N值的均方根誤差時(shí)，只要溫度和比濕數(shù)據(jù)有一項(xiàng)是認(rèn)定的“野值”，則認(rèn)為N值也是野值，根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，在1000hPa～1100hPa剔除認(rèn)定為“野值”的N值占比遠(yuǎn)大于700hPa～1000hPa認(rèn)定為“野值”的N值占比，且相對(duì)于1000hPa～1100hPa，700hPa～1000hPa的數(shù)據(jù)數(shù)量明顯高于1000hPa～1100hPa的數(shù)據(jù)數(shù)量，因此，F(xiàn)Y4A數(shù)據(jù)在700hPa～1000hPa這個(gè)氣壓層表現(xiàn)要優(yōu)于1000hPa～1100hPa，F(xiàn)Y4A衛(wèi)星在1000hPa～1100hPa處分辨率明顯低于700hPa～1000hPa，而在700hPa～900hPa，F(xiàn)Y4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量又要優(yōu)于900hPa～1000hPa，不考慮極端天氣影響，我國(guó)大部分海域1000hPa氣壓對(duì)應(yīng)的海拔高度都在50m以上，因此FY4A衛(wèi)星對(duì)于蒸發(fā)波導(dǎo)的監(jiān)測(cè)有一定的困難；表面波導(dǎo)的高度一般在300m以下，提高分辨率的情況下可以監(jiān)測(cè)表面波導(dǎo)，懸空波導(dǎo)通常出現(xiàn)在3000米高度以下，F(xiàn)Y4A衛(wèi)星可以較好地監(jiān)測(cè)懸空波導(dǎo)。

表1 剔除“野值”后不同氣壓層剩余數(shù)據(jù)比例

圖6 剔除野值前后N值的均方根誤差

4 結(jié)語(yǔ)

本文以懷俄明大學(xué)探空探測(cè)數(shù)據(jù)為參照，對(duì)FY4A衛(wèi)星溫度、比濕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1）基于本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在溫度數(shù)據(jù)上，F(xiàn)Y4A衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)相比，偏差的均值區(qū)間為-2.35℃～1.35℃，均方根誤差區(qū)間為2.11℃～4.73℃；在比濕數(shù)據(jù)對(duì)比上，F(xiàn)Y4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)相比，偏差的均值區(qū)間為-0.02g/kg～0.35g/kg，均方根誤差區(qū)間為0.30g/kg～0.51g/kg；大氣折射率偏差的均值區(qū)間為0.48～5.50N，均方根誤差區(qū)間為2.75N～7.14N。

2）FY4A衛(wèi)星在1000hPa～1100hPa處數(shù)據(jù)“野值”占比較大，鑒于地表環(huán)境的復(fù)雜多變性，對(duì)于該氣壓層數(shù)據(jù)使用應(yīng)該慎重。

3）FY4A衛(wèi)星可以較好地運(yùn)用于監(jiān)測(cè)懸空波導(dǎo)，在提高分辨率的情況下可以用于監(jiān)測(cè)表面波導(dǎo)，但對(duì)于蒸發(fā)波導(dǎo)的監(jiān)測(cè)有一定的困難。