微波辐射数据在高时空分辨力探空资料中的应用

微波辐射数据在高时空分辨力探空资料中的应用

微波辐射计探测精度的方法研究微波辐射仪通过接收特定于气候的多个波长的微波辐射来测量温度、相对湿度、水密度和溶液中液体水的垂直分布结构。它具有连续观测、时间分辨率高、可用性强等优点。广泛应用于数据同源化和灾害天气分析等领域。但作为一种新型探测设备,其在推广应用中也面临许多问题,如设备探测精度如何、探测会受哪些因素影响等。随着近几年微波辐射计在天气预报分析、灾害天气监测等应用领域的推广使用,国内外针对其探测精度进行了许多分析研究,并取得了一些成果,同时也尝试开展了一些提高其探测精度的方法研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。目前对于微波辐射计探测精度的主要分析方法是与其他探测手段进行对比,包括探空、GPS等,J.L.Sánchez等对微波辐射计与相邻的探空资料进行了对比分析,然而由于两者距离较远且资料时间跨度短,其结果代表性不强;同址观测资料的对比也主要是针对廓线的整体对比,刘建忠等利用北京大型活动期间的探空资料对不同时次微波辐射计的反演产品进行了评价分析,指出降水会对微波辐射计影响较大,微波辐射计在20:00的反演误差相对较小。由于目前常规探空只在北京时08:00和20:00进行,因此利用常规探空资料与微波辐射计进行对比分析也仅限于这两个时刻,难以进行探测误差的日变化特征分析。本文所使用的加密探空资料较好的解决了这一问题,能够对微波辐射计探测偏差的日变化特征进行较为详细的分析。同时,通过微波辐射计与探空的连续长时间序列对比,并附以降水量信息,可以对微波辐射计的探测精度有一个更清晰直观的了解。1探测高度及时域分析本文所用的探空资料为武汉观象台(114.0°E,30.6°N,海拔高度23.6m)2010年6月16日至2010年7月30日的高分辨力探空观测资料,时间分辨力为3h,空间垂直分辨力为30m;微波辐射计资料是与探空资料同址同期MP-3000A型地基微波辐射计观测资料(两者之间直线距离小于30m)。MP-3000A型地基微波辐射计由美国Radiometrics公司生产,具有35个观测通道,配置有红外温度计,可在降水天气下进行观测,每3min左右完成一次全天空扫描观测,并反演得到地面至10km高度共58层的廓线数据。探空从地面探测至10km高空所需时间为30min左右,因此取探空廓线观测时间内所有微波辐射计探测廓线的平均值与探空廓线进行对比分析。微波辐射计廓线的空间垂直分辨力在500m以下为50m、500m至2km为100m、2km以上为250m,探空廓线为30m,为了便于两者之间的对比,需要将探空廓线插值到微波辐射计的58层探测高度。关于微波辐射计在不同高度探测偏差的分析之前已有研究,因此本文主要利用加密探空资料对微波辐射计探测偏差的日变化及时间序列变化特征进行分析,其中日变化分析中,利用2010年6月16日至2010年7月31日的加密探空资料,与相应时间的微波辐射计资料进行对比,探测偏差为微波辐射计58层高度探测偏差的平均值。探空不能直接探测得到水汽密度,需要间接进行计算,水汽密度的计算采用以下公式:其中,e为水汽压,单位为hPa;td为露点温度,单位为℃;T为绝对温度,单位为K;ρv为水汽密度,单位为g·m-3。通过对比微波辐射计资料与探空资料,计算两者之间的系统误差、标准偏差和相关系数,分日变化及时间序列来进行特征分析,并分析其原因,在时间序列特征分析过程中,还讨论了有无降水及降水量多少对微波辐射计的探测误差所带来的影响。文中的差值均为“微波辐射计探测值”减去“探空值”所得。系统误差、标准偏差及相关系数的计算公式如下:式(3)~(5)中,E为系统误差,s为标准偏差,r为相关系数,xi为微波辐射计探测值,珚x为微波辐射计探测平均值,yi为探空值,珔y为探空平均值,n为测量次数,i=1,2,…,n。2微波辐射计对温度的探测效果本文所用的探空资料为加密观测资料,具有较高的时间分辨力(3h),这为微波辐射计探测误差的日变化特征分析提供了有利条件。本节主要分析了温度、相对湿度及水汽密度廓线偏差的日变化特征,图1~3分别给出了微波辐射计温度、水汽密度及相对湿度廓线探测误差和相关系数的日变化。由图1可见,温度廓线的系统误差小于0,表明微波辐射计对温度的探测整体偏低,但两者之间相关系数达到0.997以上,具有非常好的一致性,标准偏差也在1.4℃以下,总体而言,微波辐射计对温度具有较高的探测准确度。整体上,温度的探测偏差白天时要大于夜间,主要是因为夜间的温度较稳定,不会出现大的波动,系统误差的大值区主要是在正午前后,主要是因为此时的温度高,对流旺盛,温度容易出现较大的波动。由图2可见,微波辐射计对水汽密度的探测同样具有较高的准确度,系统误差分布在0g/m3附近,其探测偏差大值区主要在夜间至凌晨时段,该时段温度降低,水汽会发生凝结,影响微波辐射计的探测准确度。由图3可见,微波辐射计与探空相对湿度廓线的相关系数明显小于温度及水汽密度,这与相对湿度本身数值变化幅度大有一定关系,凌晨时刻偏差较大,此时温度降低,水汽会出现凝结,影响微波辐射计对相对湿度的探测。3降水时变化幅度较大时湿度对微波辐射计的影响利用2010年6月16日至7月30日的探空资料及微波辐射计资料,分析了微波辐射计探测偏差的时间序列变化特征,并在分析过程中讨论了降水对微波辐射计观测的影响,图4~6分别给出了微波辐射计温度、水汽密度及相对湿度廓线探测误差、相关系数和降水量的时间序列变化,其中由于某些时次的数据缺测,时间序列中显示为空。由图4可见,温度廓线的偏差呈现较为明显的变化,其抖动频繁,特别是在有较大降水时(7月8—15日,7月20—24日),变化幅度明显增大,廓线系统误差由负值趋近于0,甚至变为正值,这说明降水会使得微波辐射计对温度的探测值偏高,影响微波辐射计的反演准确度。Ware等利用架设在同一地点的两台微波辐射计(其中一台减弱了降水的影响),通过对比降水时两者的观测数据发现,未减弱降水影响所得的观测数据会出现急剧增大和减小的现象,这表明降水集结在微波辐射计天线罩上会影响微波辐射计的反演准确度。由图5可见,水汽密度的偏差变化较小,且集中分布在0g/m3附近,说明微波辐射计对水汽密度的探测准确度较高,同时也发现,降水会使得空气中水汽发生较强烈的变化,引起探测偏差增加、相关系数减小,导致微波辐射计对水汽密度的探测出现偏差。由图6可见,相对湿度廓线的偏差较温度、水汽密度偏大,变化幅度大,频率高,且相关系数会出现负相关的情形,主要是因为大气相对湿度的变化频繁且幅度较大。在该观测时段内,共有272组样本,其中降水及未降水分别有27和245组,分别计算有无降水时相对湿度的标准偏差平均值,得到的标准偏差平均值分别为13.29%和16.05%。图中在7月15日及7月21日相对湿度的标准偏差虽然有明显增大,但在整体上,微波辐射计探测的相对湿度在降水时的变化要小于无降水时,这与作者先前的研究结果较吻合。4温度和湿度的变化(1)微波辐射计的探测误差有一定的日变化特征,其中温度的大值区出现在午后,而水汽密度及相对湿度的大值区则出现在凌晨。(2)温度及相对湿度探测误差的时间序列变化起伏性较大,这