黃明明 邢騰飛 趙文芳 孟慧芳

1 北京市氣象數(shù)據(jù)中心，北京 100089

2 滴滴出行，北京 100193

1 引言

小海坨山位于北京市延慶區(qū)張山營鎮(zhèn)與河北省赤城縣交界處，是北京2022 年冬奧會延慶賽區(qū)高山滑雪競賽場地，國家高山滑雪中心的雪道在此依山而建。高山滑雪被稱為冬奧會“皇冠上的明珠”，是最精彩、最刺激的項目，也是所有冬奧會比賽項目中對氣象條件要求最為苛刻的賽事之一。小海陀山海拔2198 m，地形地貌復(fù)雜，山高坡陡，觀測難度大、氣象資料積累少，實現(xiàn)冬奧會高標(biāo)準(zhǔn)百米級分鐘級氣象預(yù)報服務(wù)具有極大的挑戰(zhàn)性（李炬等, 2020）。針對高山滑雪賽場氣象保障和服務(wù)需求，北京市氣象局從2014 年開始在賽區(qū)及周邊部署地面及探空設(shè)備?？紤]到地基微波輻射計具有全天候無人值守連續(xù)觀測的優(yōu)勢，可以彌補氣象探空在時間分辨率上的不足（韓玨靖等, 2015; 申翔,2017; Bernet et al., 2017; Zhang et al., 2018），2020年1 月，賽區(qū)布設(shè)了2 部微波輻射計，用以監(jiān)測賽場上空大氣溫度、濕度、水汽密度以及云液態(tài)水廓線。這些連續(xù)的大氣廓線為捕捉中小尺度系統(tǒng)的精細熱力結(jié)構(gòu)提供了可能，為氣象服務(wù)提供有效觀測和數(shù)據(jù)保障（徐桂榮等, 2019）。相關(guān)研究也指出（張秋晨等, 2017; Illingworth et al., 2019），高精度大氣溫濕廓線對深入研究大氣特性和改進數(shù)值模式的預(yù)報能力具有重要作用，研究分析微波輻射計資料反演的大氣溫濕廓線性能具有重要的現(xiàn)實意義和潛在的實用價值。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對地基微波輻射計的反演精度進行了研究，探討了微波輻射計的優(yōu)勢與不足。孫磊和張濤（2021）用成都溫江3 年的RPG HATPRO-G4 型地基微波輻射計和L 波段探空數(shù)據(jù)，比較了微波輻射計反演和探空觀測的氣溫、相對濕度差異，指出氣溫的相關(guān)性較相對濕度的相關(guān)性更好，冬季的氣溫、相對濕度以及春夏季的氣溫數(shù)據(jù)可直接使用，其他季節(jié)的需訂正后才能使用，特別是相對濕度除晴空和冬季外，其他時段均需訂正?？追渤龋?021）利用冬奧會云頂賽場自動站以及張家口探空資料，分析了微波輻射計反演溫濕廓線的精度，發(fā)現(xiàn)溫度和水汽密度與自動站、探空之間一致性較好，相對濕度略差，溫度的平均誤差在各層次相對不大，而相對濕度在多數(shù)層次上均較大。但該研究主要對微波輻射計反演的0～3 km共21 個高度層溫濕廓線進行了分析，未對3～10 km高度上溫濕廓線反演精度進行進一步的探討。李禧亮等（2021）采用統(tǒng)計和小波方法對比分析了張家口賽區(qū)微波輻射計和探空資料，研究表明微波輻射計探測的溫度最好，水汽含量次之，相對濕度最差，三者從高層到低層表現(xiàn)出疏散到密集的分布特征。許皓皓等（2020）通過使用無人機搭載探空儀實測得到的溫度和相對濕度，對微波輻射計反演的溫濕度廓線進行了誤差定量分析，克服了傳統(tǒng)氣球探空水平方向漂移問題，但探空高度有限，未覆蓋該型號微波輻射計整個探測范圍的探測能力。劉建忠等（2012）利用北京大型活動期間的探空和微波輻射計資料，對02:00（北京時間，下同）、08:00、14:00、20:00 的地基微波輻射計反演產(chǎn)品進行了評估，指出微波輻射計探空精度受降水影響較大，20:00 誤差小一些，分析過程主要針對的是特定層高度。張文剛等（2017）利用武漢觀象臺的加密探空資料，討論了有無降水時微波輻射計的探測精度及08:00、14:00、20:00 探測偏差的變化特征，由于降水對比樣本數(shù)較少，結(jié)果可能會存在一定的系統(tǒng)誤差。上述利用探空資料評估微波輻射計反演產(chǎn)品的研究中，部分研究（孔凡超等, 2021）中探空觀測站與微波輻射計均是不同址的。事實上，就地基微波輻射計和探空觀測站不同址時，微波輻射計反演產(chǎn)品評估問題，張秋晨等（2017）利用與L 波段探空站具有不同直線距離的RPG-HATPRO-G3 型號微波輻射計，開展了三時段微波輻射計反演精度對比試驗。該試驗中第一時段處于調(diào)試階段的微波輻射計緊靠章丘L 波段探空站，第二、三時段內(nèi)，基本穩(wěn)定運行和穩(wěn)定運行的微波輻射計距離章丘探空站約50 km，試驗發(fā)現(xiàn)第二、三時段雖然微波輻射計距離探空站較遠，但溫度和水汽密度數(shù)據(jù)相關(guān)性和誤差均較A 時段好，相對濕度在3 個時段離散度均較大，沒有一定相關(guān)性。也就是說，探空觀測站雖與微波輻射計不同址，但是穩(wěn)定運行的微波輻射計反演溫度和水汽密度與探空資料仍具有好的相關(guān)性，相對濕度無論是否同址離散度均較溫度和水汽密度大。

雖然國內(nèi)外對地基微波輻射計的反演精度進行了較多研究，但以往大部分研究主要集中在利用探空資料評估微波輻射計反演產(chǎn)品，而對比同址不同高度自動站資料的分析研究尚少。本文利用2021年1～10 月自動氣象站資料、北京南郊L 波段探空數(shù)據(jù)對同期延慶賽區(qū)高山滑雪賽場MP-3000A 型地基微波輻射計反演的溫濕廓線，按照不同時次、不同天氣（有無降水）等條件進行分類對比分析，探討微波輻射計的反演溫濕廓線的精度及在賽場的適用性。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 使用資料

本文使用的地基微波輻射計位于北京延慶賽區(qū)高山滑雪賽場競技3 號站點，海拔1519.8 m。該設(shè)備是美國Radiometrics 公司生產(chǎn)的MP-3000A 型，由35 個觀測通道組成，利用自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實時自動反演得到0～10 km 高度的58 層要素廓線數(shù)據(jù)，包括溫度、相對濕度、水汽密度及液態(tài)水含量。地基微波輻射計觀測的時間頻率近似每分鐘一組，廓線的空間垂直分辨率在0.5 km 以下為50 m、0.5 km 至2 km 為100 m，2 km 以上為250 m，即0～0.5 km 范圍內(nèi)每50 m 設(shè)一層，0.5～2 km 范圍內(nèi)每100 m 設(shè)一層，2～10 km 范圍內(nèi)每250 m 設(shè)一層。

高山滑雪賽場海拔落差較大，賽道起點位于山頂，終點在山谷，落差高達900 m。其中賽場的競速5 號站（海拔高度為1669.1 m）、競技2 號站（海拔高度為1770 m）、競速4 號站（海拔高度為1839.9 m）、競速3 號站（海拔高度為1925 m）、競速2 號站（海拔高度為2050 m）和競速1 號站（海拔高度為2177.5 m），與微波輻射計（海拔高度為1519.8 m）的水平距離分別為360 m、572 m、715 m、961 m、1043 m 和1349 m，垂直方向分別位于微波輻射計上方149.3 m、250.2 m、320.1 m、405.2 m、530.2 m 和657.7 m 的位置。自動站均可觀測溫度、相對濕度、氣壓、風(fēng)等氣象要素，觀測時間間隔為1 min。

探空數(shù)據(jù)利用北京南郊觀象臺的L 波段探空秒級資料，該探空站海拔高度為34 m，距離高山滑雪賽場微波輻射計的直線距離為84.7 km。該站每日兩次施放探空氣球，進行溫度、壓強、濕度和風(fēng)等氣象要素的觀測，時間為07:15 和19:15，使用的探空儀為數(shù)字GTS1 型數(shù)字式探空儀。

2.2 分析方法

本文主要對高山滑雪賽場地基微波輻射計反演的溫度和濕度廓線進行精度分析。為了進一步考察微波輻射計反演數(shù)據(jù)在賽場的適用性，不僅對比分析探空和微波輻射計反演的溫度、相對濕度之間的相關(guān)系數(shù)、平均偏差、平均誤差及均方根誤差，并且分析了賽場不同海拔高度的地面自動站與微波輻射計反演的溫度、相對濕度之間的相關(guān)系數(shù)、平均偏差、平均誤差及均方根誤差。

開展微波輻射計、探空和地面自動氣象站溫度和相對濕度的對比分析，應(yīng)在時空一致的前提下進行，所以需對這些資料先進行時間和空間的相應(yīng)處理（范藝等, 2016; 謝慧玲等, 2018）。

2.2.1 時空同步

由于微波輻射計只在0～10 km 高度的58 個高度層上有數(shù)據(jù)，且1 min 左右就可得到一次觀測數(shù)據(jù)。而探空氣球上升至10 km 高度需要大約27 min，所以選取07:15 至07:42 和19:15 至19:42 微波輻射計溫度和相對濕度平均值作為08:00 和20:00 的整時值，與對應(yīng)的08:00 和20:00 探空廓線及自動氣象站數(shù)據(jù)匹配。

探空秒級數(shù)據(jù)使用的是位勢高度，而微波輻射計反演數(shù)據(jù)使用的是幾何高度，兩者存在誤差（崔喜愛等, 2017; 喬賀等, 2019），空間同步前必須進行高度轉(zhuǎn)換。文中將位勢高度轉(zhuǎn)換為幾何高度，計算公式（中國氣象局, 2010）如下：

其中，Z為幾何高度（單位：m），H為位勢高度（單位：gpm）， ?為地理緯度，g?0為緯度是 ?海平面處的重力加速度。R為地球半徑，取值6371000 m；g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，取值9.80665 m/s2。

利用公式（1）將探空位勢高度轉(zhuǎn)換為幾何高度后，參考微波輻射計58 個高度層，采用3 次樣條插值方法對探空的溫度和相對濕度數(shù)據(jù)進行插值處理，插值到微波輻射計0～10 km 廓線上的對應(yīng)58 個高度層上，保證數(shù)據(jù)的高度一致，將探空廓線與對應(yīng)層次上匹配的微波輻射計廓線進行比較。此外，考慮到自動站海拔高度，將競速5 號站和競技2 號站觀測數(shù)據(jù)分別與微波輻射計0.15 km 和0.25 km 高度反演數(shù)據(jù)進行對比。

2.2.2 誤差標(biāo)準(zhǔn)

為客觀準(zhǔn)確評估微波輻射計溫濕廓線的精度，采用衡量兩隨機變量之間線性相關(guān)程度的相關(guān)系數(shù)（Correlation Coefficient, CC）、反映數(shù)據(jù)離散程度的均方根誤差（Root-Mean-Squared Error, RMSE）、體現(xiàn)測量值準(zhǔn)確度的平均偏差（Average Deviation,AD）以及體現(xiàn)設(shè)備由于結(jié)構(gòu)不完善或未經(jīng)標(biāo)校等原因而產(chǎn)生的平均誤差（Mean Error, ME），評估微波輻射計與探空或自動站的趨勢吻合度、測量精度、準(zhǔn)確度和系統(tǒng)偏差，計算公式如下：

其中，xi為輻射計某一高度層溫度或相對濕度的反演結(jié)果，為輻射計反演結(jié)果的平均值，yi為對應(yīng)高度層上的探空測量值，為探空測量平均值，n為探測次數(shù)。

3 對比結(jié)果分析

3.1 總體情況

采用前述的時空同步處理方法，在2021 年1 月2 日至10 月31 日期間，利用個人編寫的python 程序自動進行時空同步處理，匹配得到的0～10 km全部58 個層次上的同時刻（08:00、20:00）的微波輻射計和探空數(shù)據(jù)對共52548 對，匹配得到的微波輻射計和自動站數(shù)據(jù)對為1714 對。分別對這52548 對、1714 對的大氣溫度和相對濕度進行整體對比分析，結(jié)果如表1。由表1 可見，輻射計反演的溫度與自動站和探空觀測溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.97 和0.93，均能通過置信度為0.001 的顯著性水平檢驗，說明微波輻射計反演溫度與自動站和探空觀測均有很好的一致性。微波輻射計與自動站、探空站溫度的平均誤差分別為0.84°C 和0.21°C，均方根誤差分別為2.8°C 和4.58°C，與探空站平均偏差為3.5°C，與自動站平均偏差僅為1.93°C，這也就表明微波輻射計反演的溫度與實況的誤差不大，可用性較好。相比于溫度，在近地面層微波輻射計和自動站的相對濕度的一致性稍遜，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.81，但能通過置信度為0.001 的顯著性水平檢驗，平均誤差為-4.54%，均方根誤差為16.61%，平均偏差為12.39%；但微波輻射計與探空站相對濕度相關(guān)系數(shù)只有0.36，未能通過0.1 的顯著性檢驗，平均誤差為6.4%，平均偏差和均方根誤差較大，分別為24.86%和31.71%，這可能與相對濕度時空變化劇烈及微波輻射計距離探空站較遠有關(guān)?？傮w來看，微波輻射計反演的相對濕度數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯不如溫度高，離散度較大，可用性總體較差，國內(nèi)不同地區(qū)的對比分析也得出類似結(jié)論（張秋晨等, 2017; 張文剛等, 2017; 徐桂榮等, 2019; 孔凡超等, 2021）。

表1 2021 年1 月2 日至10 月31 日期間08:00 和20:00 冬奧會延慶賽區(qū)高山滑雪賽場微波輻射計與自動站及北京南郊觀象臺探空溫度和相對濕度平均狀況Table 1 Mean temperature and relative humidity retrieved by microwave radiometer with radiosonde at Yanqing District Alpine Ski Field of the Winter Olympics and automatic stations at 0800 LST and 2000 LST from 2 Jan to 31 Oct 2021

3.2 不同高度層對比

為更好了解微波輻射計反演溫度和相對濕度隨高度的變化情況，對各高度層同時刻的微波輻射計反演溫度、相對濕度與探空觀測進行了對比。圖1給出了全天候下微波輻射計反演溫濕廓線相對探空觀測的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差、平均偏差和平均誤差的各高度層對比結(jié)果。

圖1 2021 年1 月2 日至10 月31 日冬奧會延慶賽區(qū)高山滑雪賽場不同高度上微波輻射計反演和探空廓線溫度（左列）和相對濕度（右列）的（a、e）相關(guān)系數(shù)、（b、f）平均誤差、（c、g）均方根誤差和（d、h）平均偏差廓線Fig. 1 (a, e) Correlation coefficient, (b, f) mean error, (c, g) root-mean-squared error, and (d, h) average deviation for temperature (left column) and relative humidity (right column) retrieved by microwave radiometer with radiosonde in different heights at Yanqing District Alpine Ski Field of the Winter Olympics

微波輻射計和探空溫度的相關(guān)系數(shù)隨高度增加逐漸減小，從地面大值隨高度遞減到10 km 處的0.7 左右，8 km 以下相關(guān)性都在0.91 以上，任一高度層均通過置信度為0.001 的顯著性水平檢驗，這說明兩條廓線的吻合度較高（圖1a）。平均誤差在0.25 km 以下為負值，0.25～2.5 km 平均誤差轉(zhuǎn)為正值，表現(xiàn)為先增大后減小趨勢，2.5 km 以上整體表現(xiàn)出先減小，后增大，再減小的特點，除10 km高度外，各高度層的平均誤差均在2°C 之內(nèi)（圖1d）。均方根誤差和平均偏差在3 km 高度以下約為3.39°C 和2.48°C，隨高度增加重復(fù)呈現(xiàn)出先減（到0.3 km 高度達到最?。┖笤龅奶攸c，3 km 以上，基本呈現(xiàn)出隨高度遞增的特點（圖1b 和圖1c）。由圖1e 可以看出，相較于溫度，相對濕度的相關(guān)系數(shù)明顯偏小，這可能與大氣中的相對濕度變化劇烈而溫度相對穩(wěn)定等因素有關(guān)。相對濕度的相關(guān)系數(shù)在2 km 以下隨高度遞減，3 km 以上整體呈現(xiàn)增大趨勢，1.5 km 高度處減小到0.17，但1.5 km 以下，3 km 以上相對濕度均能通過置信度為0.05 的顯著性水平檢驗。4.75 km 以下，相對濕度平均誤差整體表現(xiàn)為隨高度增加先減小，后增大，再減小的趨勢，以上相對比較復(fù)雜，增減相間。0.8～1.9 km平均誤差明顯表現(xiàn)為負值，其他高度均為正值，其中正平均誤差極大值23.67%出現(xiàn)在3.75 km 高度，而負平均誤差極大值-2.78%出現(xiàn)在1.7 km 高度（圖1h）。均方根誤差和平均偏差在5 km 以下，大體呈現(xiàn)隨高度先減小再增加后減小的趨勢，以上相對稍復(fù)雜。

由于微波輻射計和探空站不同址，為了進一步了解微波輻射計反演溫度和相對濕度隨高度的變化情況，利用與微波輻射計同址的地面不同海拔高度自動氣象站（與輻射計最大水平間距不超過1.35 km）、不同址探空站對應(yīng)高度的探空數(shù)據(jù)和地基微波輻射計反演溫度和相對濕度進行對比分析。賽場各自動氣象站包括競速5 號站、競技2 號站、競速4 號站、競速3 號站、競速2 號站和競速1 號站，根據(jù)自動站海拔高度，將上述6 個自動站、探空站分別與微波輻射計0.15 km、0.25 km、0.3 km、0.4 km、0.5 km、0.6 km 高度資料進行比較，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可見，在0.15～0.6 km 高度，輻射計反演溫度與同址自動站、不同址探空觀測均具有較強相關(guān)性，最小的相關(guān)系數(shù)仍分別為0.966、0.957，均出現(xiàn)在0.3 km 高度，且都能通過置信度為0.001 的顯著性水平檢驗；在0.15～0.6 km 高度，微波輻射計反演相對濕度和探空的相關(guān)性與微波輻射計和自動站相關(guān)性總體趨勢一致，最小相關(guān)系數(shù)均出現(xiàn)在0.6 km高度，分別為0.705、0.675。在0.15～0.6 km 高度，微波輻射計反演溫度與探空、自動站的均方根誤差和平均偏差隨高度增加均呈現(xiàn)相反趨勢，其中微波輻射計與自動站的最大均方根誤差和平均偏差為4.42°C、3.79°C，微波輻射計與探空的最大均方根誤差和平均偏差為2.97°C、2.02°C，均方根誤差和平均偏差最大相差僅為1.45°C、1.77°C。微波輻射計反演相對濕度和探空的均方根誤差、平均偏差與微波輻射計和自動站的均方根誤差、平均偏差在0.15～0.6 km 高度隨高度的總體變化趨勢一致。由于本次對比試驗，限于探測設(shè)備探空高度有限，探究了在0.15～0.6 km 高度，微波輻射計反演溫度、相對濕度與不同址探空、同址自動站的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差、平均偏差的變化情況。因此，有待進行0.6 km 高度以上微波輻射計反演溫度和相對濕度與不同址探空觀測、同址自動站或者其他探空設(shè)備的對比試驗和研究。

圖2 2021 年1 月2 日至10 月31 日冬奧會延慶賽區(qū)高山滑雪賽場不同高度上微波輻射計反演溫度和濕度廓線與自動站、探空廓線的對比Fig. 2 Comparison of error statistics for temperature and relative humidity retrieved by microwave radiometer with automatic stations and radiosonde in different heights at Yanqing District Alpine Ski Field of the Winter Olympics

3.3 不同時次及天氣條件對比

為了進一步探討不同時次微波輻射計反演溫度和相對濕度的性能以及降水對微波輻射計反演溫度和相對濕度性能的影響，針對不同時次（08:00、20:00）及不同天氣條件（降水、無降水）微波輻射計反演的溫度和濕度廓線與探空數(shù)據(jù)進行對比分析。樣本的有無降水分類利用微波輻射計帶有的降水傳感器，若數(shù)據(jù)為0 時判斷為無降水，若數(shù)據(jù)為1 時判斷為有降水。通過此方法，分別得到有降水情況下，08:00 的微波輻射計和探空數(shù)據(jù)的對比廓線樣本數(shù)70 組，其中溫度、相對濕度樣本分別為35 組，20:00 共有80 組，溫度和相對濕度樣本分別為 40 組；無降水情況下，08:00 有380 組，其中溫度和相對濕度樣本分別為190 組，20:00 共有376 組，溫度和相對濕度樣本分別為188 組。

圖3 給出了有無降水天氣條件下，兩個時次微波輻射計與探空溫度廓線的相關(guān)系數(shù)、平均誤差、均方根誤差和平均偏差分布。由圖可見，無降水時，0.8 km 高度以下，08:00 和20:00 相關(guān)系數(shù)均在0.91 以上，兩個時次溫度相關(guān)性相似，隨高度上升呈現(xiàn)遞減趨勢，在低空的相關(guān)性較高，尤其是20:00 在0.5～1.7 km 高度相關(guān)系數(shù)均為0.97；有降水時，2 個時次相關(guān)系數(shù)隨高度變化相比無降水時更復(fù)雜，變化幅度大。相對而言，有降水時20:00隨高度變化較08:00 的幅度小一些，基本維持在0.85 左右（圖3a）。由相關(guān)系數(shù)分布可以看出，在有無降水這兩種天氣狀況下，微波輻射計反演溫度與探空觀測值在低層相關(guān)性較好。由圖3b 不難發(fā)現(xiàn)，無降水時，兩個時次平均誤差隨高度的變化表現(xiàn)出2 個極大值、1 個極小值的特點。8 km 高度以上變化規(guī)律比較明顯，隨高度增加負向增大，20:00 的平均誤差大于08:00。8 km 高度以下，相對比較復(fù)雜，總體上看，08:00 的平均誤差相對大一些。降水天氣情況下，兩個時次的平均誤差分布趨勢類似，在多數(shù)高度上溫度平均誤差大于無降水條件，在水汽較為集中的低層，微波輻射計反演溫度明顯偏大，尤其在1.4 km 附近，08:00 二者差值達到4.7°C。無降水時溫度的均方根誤差在450 m以下受降水影響小，且其隨高度增加呈現(xiàn)增大趨勢；在450 m 高度以上，有降水時兩個時次溫度的均方根誤差明顯大于非降水時（圖3c）。相同天氣條件下（有降水或無降水），兩個時次的溫度平均偏差幾乎同時增大或減小，有較一致的變化趨勢，0.5 km 以上兩個時次溫度的平均偏差大于非降水條件（圖3d）。

圖3 2021 年1 月2 日至10 月31 日冬奧會延慶賽區(qū)高山滑雪賽場有降水和無降水情況下微波輻射計反演溫度廓線與探空廓線在08:00 和20:00 的（a）相關(guān)系數(shù)、（b）平均誤差、（c）均方根誤差、（d）平均偏差對比Fig. 3 Comparisons of the (a) correlation coefficient, (b) mean error, (c) root-mean-squared error, and (d) average deviation for temperature profiles with and without rain effect for temperature retrieved by microwave radiometer with radiosonde at 0800 LST and 2000 LST at Yanqing District Alpine Ski Field of the Winter Olympics

圖4 給出了有無降水天氣下，兩個時次微波輻射計與探空相對濕度廓線的相關(guān)系數(shù)、平均誤差、均方根誤差和平均偏差分布。由圖4a 可以看到，無降水時，兩個時次微波輻射計與探空相對濕度的相關(guān)系數(shù)在1.6 km 以下隨高度呈現(xiàn)遞減的特點，其他基本呈現(xiàn)階梯型遞增的趨勢，1.7～3.75 km 之間甚至出現(xiàn)負相關(guān)，可能是微波輻射計對相對濕度的探測受云層影響出現(xiàn)不穩(wěn)定，或是反演方法沒有充分考慮云層影響的處理，有待改進和提高。有降水時，兩個時次相關(guān)系數(shù)隨高度的變化相對無降水時更復(fù)雜，08:00 和20:00 隨高度變化近似反相位，特別是08:00 微波輻射計反演得到的相對濕度在1.7～4 km 高度呈負相關(guān)。由微波輻射計和探空的平均誤差圖（圖4b）可以發(fā)現(xiàn)，相同天氣條件下，兩個時次微波輻射計和探空的相對濕度平均誤差變化趨勢一致。不同天氣條件下，兩個時次相對濕度平均誤差隨高度變化不一樣：無降水時，兩個時次大體上皆為正誤差，2～5 km 高度之間偏濕較明顯，表現(xiàn)為先增大后減小趨勢，2 km 以下、5 km 以上呈現(xiàn)按階梯型減小趨勢；有降水時，兩個時次平均誤差呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，在0.8～5 km 高度之間平均誤差均為負，其余為正。總體而言，在有無降水這兩種天氣條件下，整體上20:00 的相對濕度平均誤差小于08:00。無降水時，相對濕度均方根誤差在5 km 以下，兩個時次均呈現(xiàn)出隨高度增加先減小后增大再減小趨勢，5 km 以上呈現(xiàn)階梯型遞減的特點，在2～4 km 高度之間的均方根誤差相對較大，且20:00 較大一些。降水時，0.45～4.75 km及8.25 km 以上，相對濕度在08:00 均方根誤差大于20:00，微波輻射計在08:00 的探測精度偏低。降水天氣下，相對濕度在多數(shù)高度兩個時次的均方根誤差和平均偏差大于無降水時，但在低層大氣中多數(shù)高度均方根誤差和平均偏差較無降水時明顯減?。?8:00 2.5～4 km 和20:00 0.4～4 km 高度間，均方根誤差和平均偏差較無降水條件減小，且20:00 減小幅度更大些；在0.04 km 高度以下，08:00相對濕度的平均偏差降水天氣較無降水時減小。

圖4 同圖3，但為相對濕度Fig. 4 Same as Fig. 3, but for relative humidity

4 小結(jié)

本文利用自動站、探空觀測資料對地基微波輻射計反演大氣溫濕廓線的誤差進行了分析，得到如下結(jié)論。

（1）就0～10 km 全部58 個層次，總體上微波輻射計反演得到的溫度與自動站、探空觀測的相關(guān)系數(shù)均超過0.93，達到0.001 顯著性水平，與自動站和探空均有較好的一致性，誤差范圍相對較小，可用性較好。相比于溫度，微波輻射計反演得到的相對濕度和自動站的一致性稍遜，相關(guān)系數(shù)為0.81，能通過置信度為0.001 的顯著性水平檢驗；與探空站的相關(guān)系數(shù)只有0.36，未能通過0.1 的顯著性檢驗。微波輻射計反演得到的相對濕度與同址自動站的平均誤差、均方根誤差和平均偏差分別為-4.54%、16.61%和12.39%；與探空的平均誤差、均方根誤差和平均偏差依次為6.4%、31.71%和24.86%。這反映出微波輻射計反演相對濕度準(zhǔn)確性稍差，可用性弱于溫度，有待改進和提高。

（2）在0～10 km 高空，微波輻射計反演溫度與探空觀測值在各個高度層均為顯著正相關(guān)，保持了較好的一致性，且低層相關(guān)性高于高層；各個高度層（除10 km 外）平均誤差均在2°C 之內(nèi)，均方根誤差和平均偏差在3 km 高度以下約為3.39°C和2.48°C，3 km 高度以上基本呈現(xiàn)隨高度遞增的趨勢。相對濕度廓線之間的相關(guān)性明顯不如溫度，2.75～3.5 km 高度表現(xiàn)出負相關(guān)，但在1.5 km 以下，3 km 以上高度均能通過置信度為0.05 的顯著性水平檢驗；均方根誤差和平均偏差在各個層次都明顯較溫度大，平均誤差在多數(shù)層次上均較大，最大可達23.67%?？煽闯鑫⒉ㄝ椛溆嫹囱莸玫降臏囟缺认鄬穸雀咏娇铡?/p>

（3）在0.15～0.6 km 高度，由微波輻射計與同址自動站、不同址探空的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和平均偏差隨高度變化來看，微波輻射計反演溫度與同址自動站、不同址探空均具有較強相關(guān)性，且都能通過置信度為0.001 的顯著性水平檢驗，均方根誤差和平均偏差隨高度增加均呈現(xiàn)相反趨勢，但二者均方根誤差和平均偏差最大相差分別僅為1.45°C、1.77°C；微波輻射計反演相對濕度與探空、自動站的相關(guān)性、均方根誤差、平均偏差隨高度的總體變化趨勢一致。由于本次對比試驗，探空高度有限，有待進行0.6 km 高度以上微波輻射計反演溫度和相對濕度與不同址探空、同址自動站或者其他探空設(shè)備的對比試驗和研究。

（4）由微波輻射計與探空溫度廓線的相關(guān)系數(shù)、平均誤差、均方根誤差和平均偏差隨高度的變化來看，無降水時各個時次隨高度變化規(guī)律性明顯，趨勢一致；有降水時，各時次隨高度變化較無降水時更復(fù)雜，整體看各時次誤差比無降水時大。無降水時，相對濕度的相關(guān)系數(shù)、平均誤差、均方根誤差和平均偏差隨高度變化規(guī)律性明顯，趨勢基本一致；降水破壞08:00 微波輻射計反演相對濕度的正相關(guān)性，導(dǎo)致1.7～4 km 高度上的廓線呈負相關(guān)。有降水時，在低層大氣中多數(shù)高度均方根誤差和平均偏差較無降水時明顯減小：08:00 2.5～4 km 和20:00 0.4～4 km 高度間，均方根誤差和平均偏差較無降水條件減小，且20:00 減小幅度更大些。