1. 引言
高时空分辨率的大气温、湿度垂直结构信息对于航空气象保障、数值天气预报以及气候研究具有重要意义。目前，获取高空温、湿度资料的主要手段包括无线电探空仪、微波辐射计、飞机探测(AMDAR)以及卫星遥感等。其中，微波辐射计是被动接受环境发射的微波辐射而进行遥感探测的仪器，由于微波波长较长，能穿透一定云层，因此具有高时空分辨率和全天候探测等优点，被广泛应用于大气遥感探测[1] [2]。
作为一种新型的探测设备，近些年针对微波辐射计探测精度的评估和研究一直在进行，并取得较好进展。Chan [3]利用香港探空资料和GPS数据分别与微波辐射计探测的温度、相对湿度廓线和水汽总量进行对比分析，结果表明，微波辐射计与探空观测资料之间虽存在一定差异，但其仍可为天气预报提供有用信息。赵玲等[4]选取乌鲁木齐2008年6月的微波辐射计观测数据与同期探空数据进行对比分析表明，两者探测的温度、相对湿度均具有较好的相关性，都通过了置信度为0.001的显著性水平检验，其总体趋势是相似的。徐桂荣等[5]在对比分析咸宁地区地基微波辐射计和GPS无线电探空资料时发现，温度及水汽密度廓线具有较高的相关性，而相对湿度廓线的相关性不如温度及水汽密度。
重庆江北国际机场地处四川盆地东部，地形复杂，气候湿润多雾，其独特的局地气候特征可能对微波辐射计的探测性能产生特定影响。目前，针对该地区微波辐射计探测精度，特别是分季节的系统性评估研究尚显不足。因此，本研究旨在利用重庆江北国际机场的微波辐射计观测数据与同期的实况探空资料，系统对比分析不同季节下温度与湿度的垂直探测精度，明确其误差特征与季节变化规律，以期为该设备在西南复杂地形区航空气象业务中的可靠应用提供科学依据。
2. 分析资料与方法
2.1. 资料说明
使用2023年1~12月的重庆江北国际机场的微波辐射计观测资料进行研究，气象要素包括地面的高空的温度和相对湿度。作为参考标准的高空温度、相对湿度来源于重庆沙坪坝站探空资料。沙坪坝站位于重庆江北国际机场西南方向直线距离约24 km，两地空间距离较近。沙坪坝站海拔高度290米，重庆江北国际机场微波辐射计安装点海拔高度约350米，两者有约60米的高度差。作为参考标准的地面温度、相对湿度，来源于重庆江北国际机场逐时观测资料，均为自动气象观测系统仪器测得。
2.2. 数据处理与匹配
由于微波辐射计数据与探空数据的高度和时间分辨率均不同，需要先对两种设备的数据处理后再进行匹配。本研究采用以下方法对探空数据和微波辐射计数据在时间和高度上进行匹配。
① 统一以探空资料、机场逐小时观测资料为参考标准，微波辐射计资料为验证值。
② 时间匹配：由于获取的探空资料并不包含每个高度层的准确探测时间，但已知每天07:15、19:15开始观测，探空气球上升至10 km高度大约需要27 min。取每日07:15~07:45和19:15~19:45两个半小时中间的微波辐射计数据进行平均处理，再与探空资料进行时间上的匹配。
③ 空间匹配：由于沙坪坝探空资料第一层海拔高度在500米左右，且2000米以下每两个相邻高度层差值在20~100米不等，2000~10000米高度每两个相邻高度层差值在100~400米不等，且每一时次探空高度层并不完全相同，所以把探空资料高度层作为参考高度层会非常繁琐。此处新建标准高度层，500~2000米(含)以100米为差值递增，代表边界层内的大气状况。2200~10000米(含)以200米为差值递增，代表对流层的大气状况。由于边界层内大气受天气、地表、人为活动等影响较多，所以需要更细致的高度层分层。把探空资料每个时次不同的高度层通过线性插值统一到标准高度层。由于微波辐射计资料高度层为离地高度，需统一为海拔高度，及H = H0 + 350 (当地海拔高度)，同样通过线性插值统一到标准高度层。
2.3. 样本选取
根据微波辐射计的故障日志和人工设备维护记录表，将台站断电、设备信号异常、维修维护和标定期间的异常数据剔除，共剔除高空和地面数据各4组。探空气球被施放后，会受到风向风速影响而导致气球飘移的现象。在上升过程中，主要以纬向飘移为主，经向飘移很小，这是由于大气环流在风力和风向上以偏西风和偏东风为主，全国118个有效站点基本站平均纬向偏差(飘移量)为0.617˚；平均经向偏差(飘移量)为0.14˚ [6]。此处剔除了经纬度偏差大于全国平均值的探空数据4组。两种数据缺失其中任何一种数据都无法完成对比验证，所以本研究共剔除高空数据8组，见表1。保留2023年全年有效高空数据722组。机场逐时观测数据完整，所以共剔除地面数据4组，保留2023年全年有效地面数据726组。
Table 1. Elimination of high-altitude data
表1. 高空数据剔除情况
数据类型 |
时间 |
处理情况 |
微波辐射计 |
20230303 00 |
剔除 |
微波辐射计 |
20231104 12 |
剔除 |
微波辐射计 |
20231105 00 |
剔除 |
微波辐射计 |
20231118 00 |
剔除 |
探空 |
20230331 12 |
剔除 |
探空 |
20230525 00 |
剔除 |
探空 |
20230617 12 |
剔除 |
探空 |
20230901 00 |
剔除 |
从不同季节分别对比检验微波辐射计温湿度数据的精度。按照表2中的划分方式，分别得到春夏秋冬四个季节的有效数据181、183、178、180组。
Table 2. Sample selection by season
表2. 按季节样本选取
季节 |
时间 |
有效数据(组) |
春季 |
3~5月 |
181 |
夏季 |
6~8月 |
183 |
秋季 |
9~11月 |
178 |
冬季 |
1~2月、12月 |
180 |
使用皮尔森相关系数(r)来反映不同季节微波辐射计与探空的温度、湿度和水汽密度在不同高度层上的线性相关程度，r值介于−1到1之间，绝对值越大表明相关性越强。采用平均偏差(BIAS)和均方根误差(RMS)来表示不同高度层微波辐射计和探空数据的离散程度。
3. 地面温湿度对比分析
3.1. 地面温度
从表3中地面温度的年均值来看，地面温度的平均偏差在0.23℃，均方根误差在0.57℃，说明微波辐射计探测的温度比自动气象观测系统探测的温度略高，但差值很小。相关系数在0.99，说明微波辐射计探测的温度与自动气象观测系统探测的温度变化规律基本一致，正相关性很高。分季节来看，地面温度的平均偏差和均方根误差在夏季最小，分别为0.09℃和0.46℃，在冬季最大，分别为0.37℃和0.67℃。相关系数在春季、夏季最高，秋季、冬季略低，但差值也仅有0.01。
Table 3. Comparison of ground temperature by season (unit: ˚C)
表3. 地面温度分季节对比(单位：℃)
|
平均温度 |
平均偏差 |
均方根误差 |
相关系数 |
春季 |
18.5 |
0.2 |
0.56 |
0.99 |
夏季 |
26.6 |
0.09 |
0.46 |
0.99 |
秋季 |
19.4 |
0.25 |
0.58 |
0.98 |
冬季 |
8.5 |
0.37 |
0.67 |
0.98 |
年均值 |
18.2 |
0.23 |
0.57 |
0.99 |
从图1逐月对比情况来看，地面温度的平均偏差和均方根误差变化基本是同步的，与月平均温度呈现出负相关，即温度越高，温度的平均偏差和均方根误差都越小。平均偏差在5~8月均低于0.2℃，均方根误差在5~8月维持在0.4℃~0.5℃左右的较低位置，两者都在7月达到最低。8月平均温度比7月更高，温度的平均偏差和均方根误差略高，但也仅高于0.1℃以内，这种误差基本可以忽略。6月呈现出一个小峰值，可能与6月降水较多相关。两组数据的相关系数都在0.97以上，4~9月都维持在0.99以上，说明温度较高的月份，两组数据的相关性更高。
总体来说，地面温度的年平均偏差在0.23℃，年平均均方根误差在0.57℃，每月平均偏差都在0.6℃以内，每月均方根误差都在0.9℃以内，每月相关系数都在0.97以上，说明微波辐射计探测的地面温度与自动气象观测系统探测的温度具有较高的相关性，微波辐射计探测的地面温度略高，但差值在0.7℃以内。
Figure 1. Monthly comparison of ground temperature
图1. 地面温度逐月对比
3.2. 地面相对湿度
从表4中地面相对湿度的年均值来看，地面相对湿度的平均偏差在−8.6%，均方根误差在9.7%，说明微波辐射计探测的相对湿度比自动气象观测系统探测的相对湿度偏低，但差值都在10%以内。相关系数在0.96，说明微波辐射计探测的相对湿度与自动气象观测系统探测的相对湿度变化规律基本一致，正相关性很高。分季节来看，地面相对湿度的平均偏差在夏季最小，为−6.8%，均方根误差在春季最小，为7.7%，但是在春季和夏季，平均偏差和均方根误差都比较接近。在秋季两者达到最大，分别为−10.5%和11.8℃，同样在秋季和冬季，平均偏差和均方根误差也都比较接近。相关系数在春季、夏季更高，秋季、冬季略低，但差值只有0.04。
Table 4. Comparison of ground relative humidity by season (unit: %)
表4. 地面相对湿度分季节对比(单位：%)
|
平均相对湿度 |
平均偏差 |
均方根误差 |
相关系数 |
春季 |
75.4 |
−6.9 |
7.7 |
0.98 |
夏季 |
76.2 |
−6.8 |
7.9 |
0.98 |
秋季 |
82.1 |
−10.5 |
11.8 |
0.96 |
冬季 |
80.2 |
−10.3 |
11.3 |
0.94 |
年均值 |
78.5 |
−8.6 |
9.7 |
0.96 |
从图2逐月对比情况来看，地面相对湿度的每月平均偏差都在−5%~−13%之间，每月均方根误差都在6%~14%之间。5~8月平均偏差的绝对值和均方根误差较小，都在10%以内，1月、10~12月平均偏差的绝对值和均方根误差较大，都在10%以上。从逐月相对湿度平均值来看，4~5月、7~9月相对湿度较低，6月由于降水偏多出现一个小峰值，1~3月、10~12月相对湿度较高。这种规律大体与平均偏差和均方根误差的变化规律对应。即：相对湿度较低时，微波辐射计探测的相对湿度偏差较小；相对湿度较高时，微波辐射计探测的相对湿度偏差较大。两组数据的相关系数都在0.9以上，其中4~9月都维持在0.98以上，说明温度较高相对湿度较低的月份，两组数据的相关性更高。
Figure 2. Monthly comparison of ground relative humidity
图2. 地面相对湿度逐月对比
总体来说，地面相对湿度的年平均偏差在−8.6%，年平均均方根误差在9.7%，每月平均偏差都在−5%~−13%之间，每月均方根误差都在6%~14%之间，每月相关系数都在0.9以上，4~9月相关系数都在0.98以上。说明微波辐射计探测的地面相对湿度与自动气象观测系统探测的相对湿度具有较高的相关性，微波辐射计探测的地面相对湿度偏小，差值大致在6%~14%。微波辐射计探测的地面相对湿度需要进行订正再使用。
4. 高空温湿度对比分析
4.1. 高空温度
从图3来看，相对于年度平均温度大小，误差棒不突出，温度偏差总体不大。年度平均偏差在−2.2~−0.6℃之间，都是负数，说明微波辐射计探测的高空温度整体偏低，这与前面地面温度的偏差情况是相反的。在2~3 km高度，平均偏差绝对值较大，2.4 km附近达到最大，达到2.2℃。在3.4~5.4 km高度，平均偏差绝对值较小，都在1℃以内。分季节来看，冬季平均偏差整体偏大，特别是在4 km以下，平均偏差绝对值都在2℃以上，在2.4 km附近达到最大5.4℃。对比其他季节，在4 km以下平均偏差绝对值都在1.2℃以内，说明年度平均偏差在2~3 km高度处的平均偏差绝对值较大是由于冬季平均偏差较大导致的。秋季平均偏差整体偏小，大多都在−1℃~−0℃之间。分高度来看，在0~2 km的边界层，秋季和夏季平均偏差绝对值最小，春季次之，冬季最大。在2~4.4 km高度，春季、夏季和秋季平均偏差绝对值大多都在−1℃~−0℃之间，都较小，冬季较大。在4.4~9 km高度，秋季平均偏差绝对值最小，夏季次之，春季和冬季都偏大。在9~10 km高度，秋季平均偏差绝对值最小，夏季次之，春季偏大，冬季平均偏差开始由负转正。
Figure 3. Comparison of high altitude temperatures
图3. 高空温度对比
从均方根误差来看，年度均方根误差在2.2℃~3.8℃之间。在2~3 km高度，均方根误差较大，2.4 km和9.6 km附近出现两个峰值，分别达到3.6℃和3.8℃。在3.6~5.8 km高度，均方根误差较小，都在2.5℃以内。分季节来看，冬季均方根误差整体偏大，特别是在1.7~3.4 km，均方根误差都在4℃以上，在2.4 km附近达到最大5.9℃。对比其他季节，在3.4 km以下均方根误差都在3℃以内，说明年度均方根误差在2~3 km高度处较大是由于冬季均方根误差较大导致的。秋季、夏季均方根误差整体偏小，大多都在2.5℃以内。分高度来看，在0~2 km的边界层，秋季、夏季和秋季均方根误差在不同高度变化较大，但都在3℃以内，冬季明显更大。在2~4.4 km高度，夏季均方根误差大多都在1.5℃附近，秋季均方根误差大多都在2℃附近都较小，春季均方根误差大多都在1.5℃~2.5℃之间，冬季均方根误差大多都在3.5℃~6℃之间。在4.4~9 km高度，夏季均方根误差最小，秋季次之，春季高度越高均方根误差越大，在9 km附近误差和冬季已经相当。在9~10 km高度，夏季和秋季均方根误差最小，春季和冬季都较大。
从相关系数来看，秋季最稳定，基本都在0.9附近，春季次之，8 km以下都在0.9~1之间，8~10 km逐渐变低。春季、冬季相关系数都较小，且波动较大。从高度来看，在0~2 km的边界层，春季最稳定，相关系数最高，夏季波动最大。2~8 km高度，秋季、春季最稳定，夏季、冬季相关系数都较低，冬季在5 km高度附近相关系数低于0.5。8~10 km高度，秋季最稳定，春季随着高度增加相关系数逐渐降低，到9 km附近和夏季相当，冬季依然最低。
总体来看，除了冬季外，其余季节各高度层的温度的平均偏差基本都在−2℃~0℃之间，冬季4 km以下高度平均偏差大多都在−5℃~−2℃之间，4~9 km高度平均偏差大多都在−2℃~0℃之间，9~10 km高度平均偏差大多都在0℃~2℃之间。夏季、秋季和春季的8km以下，均方根误差都在3℃以内，冬季和春季的8~10 km高度，均方根误差大多都在3℃~6℃。春季和秋季的相关系数都在0.8以上，夏季和冬季的相关系数都较低。
为了便于比较，把高度层统一为0~2 km (边界层)、2~5 km (对流层中层)、5~8 km (对流层中上层)、8~10 km (对流层顶)四个高度层，如表5和表6所示。综合对比来看，秋季表现最稳定，平均偏差和均方根误差在各个高度都较低，相关系数最高；夏季次之，平均偏差和均方根误差在各个高度都较低，但相关系数偏低；春季再次之，平均偏差和均方根误差在8 km以下高度较低，但8~10 km高度较高；冬季表现最差，平均偏差和均方根误差都比较高，相关系数偏小。
Table 5. Average temperature deviation (unit: ˚C)
表5. 温度平均偏差(单位：℃)
|
春季 |
夏季 |
秋季 |
冬季 |
0.5~2 km |
−1.2 |
−0.4 |
−0.4 |
−3.3 |
2~5 km |
−0.5 |
−0.5 |
−0.6 |
−2.7 |
5~8 km |
−1.8 |
−1.2 |
−0.7 |
−1.7 |
8~10 km |
−2.1 |
−1.6 |
−0.4 |
−0.3 |
平均值 |
−1.3 |
−0.9 |
−0.5 |
−2.2 |
Table 6. Temperature root mean square error (unit: ˚C)
表6. 温度均方根误差(单位：℃)
|
春季 |
夏季 |
秋季 |
冬季 |
0.5~2 km |
2.4 |
2 |
2.2 |
4 |
2~5 km |
1.9 |
1.5 |
2 |
4.3 |
5~8 km |
2.8 |
2.2 |
2.5 |
3.8 |
8~10 km |
4.1 |
2.2 |
2.6 |
4.7 |
平均值 |
2.7 |
2 |
2.3 |
4.1 |
4.2. 高空相对湿度
从图4来看，相对于年度平均相对湿度大小，误差棒较为突出，在近地面0.5~0.8 km、1.8~3 km和5~8 km三个高度层，误差棒较大，0.5 km附近达到最大，达到−9.1%。在1~2 km和3.5~4.5 km两个高度层，误差棒较低。年度平均偏差在−9.1%~8.4%之间，5 km以下大多都是负值，5 km以上大多都是正值，说明微波辐射计探测的相对湿度在5 km以下偏低，5 km以上偏高。分季节来看，从低到高四季都呈现出一峰一谷的变化趋势，从近地面到高空，到1.2km高度达到波峰，再逐渐减小，到2.4km高度附近达到波谷，再逐渐增大至6 km高度，6~10 km高度的垂直变化率较小。在0.5~2 km高度冬季平均偏差最大，春夏秋季差距不大；在2~7 km夏季平均偏差偏大，在7~10 km春季平均偏差偏大，秋季表现最稳定。
Figure 4. Comparison of relative humidity at high altitude
图4. 高空相对湿度对比
从均方根误差来看，年度均方根误差在9.4%~23.5%之间，呈现出自地面到高空逐渐增大的变化趋势。分季节来看，春夏秋季都呈现出与年度均方根误差类似的变化规律，且三季在6 km以下的数值都比较接近，而冬季有明显的不同。冬季的相对湿度均方根误差在3 km以下随高度的增加有明显的增大，在3 km高度达到最大26.7%，在3~5 km又缓慢降低，在5~10 km高度都在15%左右波动变化。分高度来看，在0.5~2 km的边界层内，四季的相对湿度均方根误差都在10%附近，差距不大；在2~6 km高度，春季的均方根误差最小，夏季次之，秋季再次之，冬季最大；在6~10 km高度，冬季的均方根误差最小，秋季次之，夏季再次之，春季最大。
从相关系数来看，四季都呈现出自地面到高空逐渐降低的变化趋势。7 km以下，春季的相关系数最高，秋季次之，夏季再次之，冬季最低，四季的数值差距不大，都在0.7~0.9之间。7~10 km高度，秋季最高，夏季次之，冬季再次之，春季明显偏低，且随高度的增加逐渐降低至0.5以下，而春夏秋三季除个别数值外，基本都在0.5以上。
把高度层统一为0~2 km (边界层)、2~5 km (对流层中层)、5~8 km (对流层中上层)、8~10 km (对流层顶)四个高度层，如表7和表8所示。从平均值来看，相对湿度偏差和均方根误差都是秋冬季最小，春夏季偏大，但差值都在5%以内。春夏季平均数值偏大，主要是因为5~10 km高度的相对湿度偏差和均方根误差较大导致的，0.5~5 km高度四季的相对湿度偏差和均方根误差基本是接近的。单看冬季，0.5~5 km高度的相对湿度偏差正负值相互抵消，所以偏差值并不大，但是均方根误差明显偏大。
总体来说，相对湿度的平均偏差大多都在−10%~15%之间，5 km以下以负值为主，即微波辐射计探测的相对湿度比实况偏低，差值大多在−10~0%之间，5 km以上以正值为主，即微波辐射计探测的相对湿度比实况偏高，差值都在0~15%之间。相对湿度的均方根误差大多都在10~25%之间，5 km以下大多都在10~20%之间，5 km以上大多都在15~25%之间。在0.5~5 km高度，春夏秋季的相对湿度偏差和均方根误差比较接近，冬季的均方根误差明显偏大，主要是因为在3 km附近冬季的均方根误差有个明显的峰值导致的。在5~10 km高度，春夏季的相对湿度偏差和均方根误差都比秋冬季的数值偏大。
Table 7. Average deviation of relative humidity (unit: %)
表7. 相对湿度平均偏差(单位：%)
|
春季 |
夏季 |
秋季 |
冬季 |
0.5~2 km |
−5 |
−4 |
−3 |
2 |
2~5 km |
−5 |
3 |
−4 |
−3 |
5~8 km |
11 |
10 |
4 |
2 |
8~10 km |
11 |
8 |
2 |
−1 |
平均值 |
2 |
4 |
−1 |
0 |
Table 8. Relative humidity root mean square error (unit: %)
表8. 相对湿度均方根误差(单位：%)
|
春季 |
夏季 |
秋季 |
冬季 |
0.5~2 km |
11 |
11 |
10 |
12 |
2~5 km |
16 |
17 |
18 |
21 |
5~8 km |
23 |
24 |
19 |
18 |
8~10 km |
26 |
24 |
20 |
17 |
平均值 |
18 |
18 |
16 |
17 |
5. 结论
利用沙坪坝站探空资料、自动气象观测系统资料作为参考标准，对重庆江北国际机场微波辐射计探测的2023年温湿度数据进行了质量评估。结论如下：
(1) 微波辐射计探测的地面温度与自动气象观测系统探测的温度具有较高的相关性，微波辐射计探测的地面温度略高，但差值在0.7℃以内。平均偏差和均方根误差在夏季最小，冬季较大。
(2) 微波辐射计探测的地面相对湿度与自动气象观测系统探测的相对湿度具有较高的相关性，微波辐射计探测的地面相对湿度偏小，差值大致在6%~14%，建议在使用该数据时进行分季节的线性偏差订正。
(3) 微波辐射计探测的高空温度，秋季的平均偏差和均方根误差在各个高度都较低，平均偏差在−1℃~0℃之间，均方根误差大多在2℃~3℃之间；夏季次之，平均偏差和均方根误差在各个高度都较低，但相关系数偏低；春季再次之，平均偏差和均方根误差在8 km以下高度较低，但8~10 km高度较高；冬季表现最差，平均偏差和均方根误差都明显偏高，相关系数偏小。在使用春夏秋季数据时，建议进行分季节的线性偏差订正，在使用冬季数据时，建议参照其他探测资料进行综合订正。
(4) 微波辐射计探测的高空相对湿度，平均偏差大多都在−10%~15%之间，均方根误差大多都在10%~25%之间。平均偏差和均方根误差在秋冬季最小，春夏季偏大，但差值都在5%以内，建议在使用该数据时进行分季节的线性偏差订正。