地基微波辐射计与GPS无线电探空和GPS_MET的观测对比分析

降水的天气下（6 月 29 日 20 时），微波辐 射 计 和 GPS 无线电探空温度之间的平均偏差和均方差都较小，分 别为-0.6 ℃和 0.6 ℃。 由此可见，微波辐射计的温度 廓线与 GPS 无线电探空结果具有很好的正相关，但两 者存在系统偏差，该偏差在不同天气条件下表现不同。
高 度/m
10000 9000
1 引言
地 基 微 波 辐 射 计 是 利 用 大 气 在 22~200 GHz 的 频率带中的微波辐射进行测量的，它通过测量氧气在 60 GHz 附近的辐射强度或亮温温度得出温度分布，通 过观测来自于 22 GHz（适合潮湿地区反演）和 183 GHz （适合干环境反演）处水汽谐振带水汽线压力增宽的辐 射的强度和形状的信息得到水汽廓线，通过测量云液 态水对各类不透明的大气光谱的贡献可以得出有限 的云液态水廓线的分辨率；此外，可选的纵向红外温 度计可以证明云的存在与否（仅 MP-3000A 能做到）， 同时测量有云时的云底温度，在知道云底温度的情况 下可以得出云底的水汽密度（饱和情况），再结合温度 廓 线 ，求 出 云 底 高 度[1]。 地 基 微 波 辐 射 计 可 反 演 得 到 从地面至 10 km 高度的温度、湿度和水汽廓线等大气 信息，其观测是准连续的，观测时间步长小于 3 min， 可以弥补常规探空因观测间隔较长而获取大气信息 的不足，有利于分析降水过程对流层快速变化的热力 学 信 息[2]和 微 尺 度 及 中 尺 度 现 象 的 温 度 、湿 度 变 化[3]。
(1)
式（1）中，e 为水汽压；T 为绝对温度；ρv 为水汽密度，其 单位为 kg·m-3 或 g·m-3。
利用 GPS 无线电探空资料和微波辐射计 资 料 计
算 可 降 水 量 （PW，precipitation water） 时 ， 对 如 下 公 式
进行数值积分可以求得[6]：
乙 PW= 1
ps
开发的 GAMIT 软件并采用一定的反演方法可以得到
大气整层可降水量[5]。
2009 年 6 月 8 日 20 时至 9 日 14 时和 6 月 29 日
14 时至 7 月 1 日 08 时， 中国气象局武汉暴雨研究所
开展了 GPS 无线电探空、 微波辐射计和 GPS/MET 的
同址同步观测试验，试验期间每 6 小时进行一次 GPS
qdp
ρw g 0
(2)
式（2）中，q 为比湿，它随气压 p 而变化；g 为重力加速
度，ps 为地面气压。 利用 GPS/MET 观测资料计算可降
水量时，天顶静力延迟（ZHD，zenith hydrostatic delay）
采用 Hopfield 模型[7]进行计算：
乙
乙乙乙ZHD=1.552(h-H)
相关 GPS 技术测量的高性能有效测风数据，每次探测
结果经校正处理后输出时间分辨率为 2 秒的高精度
PTU 数据（压强、温度、相对湿度、露点温度和风向、风
速 ） [4]。 GPS/MET 设 备 为 瑞 士 Leica 公 司 生 产 的
GRX1200PRO 型 GPS 接收机，利用美国麻省理工学院
r=0.9970 bias=1.3 rmse=1.3
6 月 30 日 10 时
r=0.9962 bias=1.0 rmse=2.0
6 月 30 日 14 时
r=0.9993 bias=-2.3 rmse=0.9
收 稿 日 期 ：2010-06-15 ；定 稿 日 期 ：2010-08-25 资助项目：中国气象局武汉暴雨研究所科研业务项目（0903），湖北省气象局科技发展 基 金 （2009Y06），中 国 气 象 局 武 汉 暴 雨 研 究 所 科 研 业 务 项 目 （1007 ） 作者简介：徐桂荣，男，1973 年生，副研究员，博士，主要从事暴雨监测技术与应用研究。 E-mail: grxu2007@gmail.com
探空廓线对比时，将 GPS 无线电探空采样时间内微波
辐射计的观测值做平均处理，然后用得到的平均值与
对应整点的 GPS 无线电探空廓线作比对分析。 在对上
述两种探测设备得到的大气整层可降水量进行对比
ຫໍສະໝຸດ Baidu
时，也采用同样处理方法。 GPS/MET 每半小时可获得一
次大气整层可降水量资料，由于 GPS 无线电探空资料
去 1 h 累计降水量见图 4a。 此外，还利用 2008 年 6 月
至 2009 年 12 月微波辐射计和 GPS/MET 的观测数据，
对不同天气条件下两种设备反演得到的大气可降水
量进行了对比分析。
利用 GPS 无线电探空资料计算水汽密度时，采用
如下公式计算[6]：
ρv=2.167×10-3
e T
地基微波辐射计与 GPS 无线电探空和 GPS/MET 的观测对比分析
徐桂荣 1，孙振添 2，李武阶 1，齐 麟 3，冯光柳 1
（1.中国气象局武汉暴雨研究所，武汉 430074；2.中国地质大学地球物理与空间信息学院，武汉 430074； 3.湖北省咸宁市气象局，咸宁 437100）
摘 要:利用同址 GPS 无线电探空和 GPS 气象学（GPS/MET）的观测数据，对微波辐射计反演的气象要素进行了对比分析。 与 GPS 无线电探空结果对比，微波辐射计的温度和水汽密度廓线具有很好的正相关，而微波辐射计相对湿度廓线的正相 关系数受到天气的明显影响。 微波辐射计和 GPS 无线电探空的观测结果之间具有系统偏差，该偏差在无降水时较小，而 在有降水时较大。这个系统偏差可能与两种探测设备采样方法的差异、微波辐射计反演算法以及降水影响等有关。尤其是 降水时，天线罩上形成的液态水将会导致亮温测值的偏高，进而会给反演结果带来较大的系统偏差。降水的影响同样会体 现在微波辐射计反演大气整层可降水量上。 与 GPS 无线电探空结果相比，在无降水时，微波辐射计的可降水量偏小，两者 的系统偏差在 4 mm 以内，而在有降水时，微波辐射计的可降水量明显偏大，两者的系统偏差也较大。 与 GPS/MET 的结果 相比，微波辐射计的可降水量总体上偏大，在无降水时，微波辐射计的可降水量与 GPS/MET 的结果具有很好的正相关，两 者的系统偏差小于 2 mm，而在有降水时，随着雨强的增加，微波辐射计与 GPS/MET 可降水量之间的相关系数会减小，同 时两者的系统偏差会增大。 关键词：微波辐射计；GPS 无线电探空；GPS 气象学；可降水量；相关性 中图分类号：P414.4 文献标识码：A 文章编号:1004-9045(2010)04-0315-07
无线电探空观测， 总共获得 12 次 GPS 无线电探空廓
线数据， 其中 6 月 30 日 08 时由于气球过早爆炸，因
此 10 时重新放球探测。 利用试验所得 GPS 无线电探
空数据，对微波辐射计反演得到的温度、水汽密度和
湿度廓线进行对比分析，同时也对微波辐射计反演得
到的可降水量进行对比分析。 黑山观测站试验期间过
态水的廓线数据，其廓线空间垂直分辨率在 500 m 以
下 为 50 m，在 500 m 至 2 km 为 100 m，在 2 km 之
上为 250 m[1]。 GPS 无线电探空设备为芬兰 Vaisala 公
司最近几年推出的 RS92 型 GPS 无线电探空系统，它
结合了 RS90 的压力、温度和湿度传感器，并提供以码
316
暴雨灾害
第 29 卷
射 计 为 美 国 Radiometrics 公 司 生 产 的 MP-3000A， 它
配置了红外温度计，可在降水天气下进行观测。 微波
辐射计每 3 分钟完成一次全天空扫描观测，利用观测
到的亮温数据，通过神经网络反演，最后输出天顶方
向地面至 10 km 高度共 58 层的温度、湿度、水汽和液
第4期
徐桂荣等：地基微波辐射计与 GPS 无线电探空和 GPS/MET 的观测对比分析
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偏差在 500~3 000 m 高度表现更明显；在无降水的天 气下（6 月 9 日 14 时，6 月 30 日 02 时以及 6 月 30 日 20 时至 7 月 1 日 08 时），微波辐射计的温度明显低于 GPS 无线电探空， 两者的平均偏差在-2.6~-1.0 ℃之 间，这种偏差在 1 000 m 以下高度要小些。 而在微弱
只有整点值，因此，本文只选取 GPS/MET 整点可降水
量进行分析。 另外，在对上述三种探测设备的可降水量
进行对比分析时，也仅针对大气整层可降水量来进行。
3 结果对比和讨论
3.1 微波辐射计与 GPS 无线电探空廓线的对比 图 1 给出微波辐射计与 GPS 无线电探 空 温 度 廓
线。 从中可以看到，微波辐射计的温度廓线和 GPS 无 线电探空结果具有很好的相关性，两者的相关系数都 在 0.99 以上，这说明两种设备观测的温度廓线结构吻 合得很好。 另外，微波辐射计与 GPS 无线电探空温度 之间存在明显的系统偏差， 两者的平均偏差在-2.6~ 3.5 ℃之间，均方差在 0.6~2.0 ℃之间。 结合图 4a 给出 的 1 h 累计降水情况发现， 在有明显降水的天气下（6 月 8 日 20 时至 9 日 08 时，6 月 29 日 14时以及 6 月 30 日 10 时至 14 时）， 微波辐射计的温度明显高于 GPS 无线电探空，两者的平均偏差在 1.0~3.5 ℃之间，这种
折射系数，Tm 为大气加权平均温度。 Tm 与地面绝对温
度 Ts 具有很好的线性相关， 可通过如下 Tm 本地化模 型进行计算[5]：
Tm=53.7754+0.7765Ts
(5)
由于 GPS 无线电探空资料都是整点资料，其采样
时间多超过 30 min，而微波辐射计不到 3 min 可获得
一次观测数据，本文在进行微波辐射计与 GPS 无线电
地基微波辐射计主要在非降水天气下使用，因为 降水会在微波辐射计天线罩上形成水膜，而水膜的形 成会降低微波辐射计的测量准确度，且微波辐射计的 反演通常没有考虑雨水的散射、发射及吸收效应。 最 近，在减小雨水效应对微波辐射计反演的方法研究上 取得一些进展，如使用纳米材料制作天线罩，并配置 鼓风机向天线罩表面吹气流等，采用这些方法可使微 波辐射计在降水天气下反演得到的热力学廓线的准 确度达到合理的程度[2]。
乙乙PW=Π×ZWD
乙
乙
乙
乙乙Π=
106
乙 乙 乙 乙 乙
ρw
Rv(
k3 Tm
'
+k2 )
(4)
乙
乙
乙'
k乙
乙 乙
2
乙
=k2-k1
Mw Md
上 式 中 ρw为 液 态 水 密 度 ，Rv 是 水 汽 气 体 常 数 ，Mw、Md
分 别 为 水 汽 和 干 空 气 分 子 摩 尔 质 量 ，k1、k2、k3 为 大 气
第 29 卷 第 4 期 2010 年 12 月
暴雨灾害 TORRENTIAL RAIN AND DISASTERS
Vol．29 No．4 Dec． 2010
徐桂荣，孙振添，李武阶，等.地基微波辐射计与 GPS 无线电探空和 GPS/MET 的观测对比分析[J].暴雨灾害,2010,29(4)：315-321
6 月 8 日 20 时
6 月 9 日 02 时
6 月 9 日 08 时
6 月 9 日 14 时
6 月 29 日 14 时
6 月 29 日 20 时
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000 1000 100000 9000
r=0.9947 bias=1.4 rmse=1.7
6 月 30 日 02 时
本文利用并址观测的 GPS 无线电探空和 GPS 气 象学（GPS/MET）的观测资料，对同址的 MP-3000A 型 地基微波辐射计反演的热力学廓线和大气整层水汽 含量进行对比分析，定量评估微波辐射计反演的气象 要素的准确性。
2 设备、数据和方法
中国气象局武汉暴雨研究所在湖北省咸宁市气 象局黑山观测站同址布设了地基微波辐射计、GPS 无 线电探空和 GPS/MET 接收站等观测设备。地基微波辐
乙
Ps Ts
乙
(3)
乙乙乙h=40.082+0.14898(Ts-273.16)
式（3）中，Ps 为地面气压（单 位 为 hPa）；Ts 为 地 面 绝 对
温度；H 为测站海拔高度（单位为 km）。 而由天顶湿延
迟（ZWD，zenith wet delay）反演可降水量时，采用 Bevis
等[8]给 出 的 公 式 进 行 计 算 ：