引言

探空是测量大气中各种气象要素廓线的基本方法(周秀骥，1983；廖国男，2004)，传统定点、定时的氢气球探空观测具有较高的代表性和可信度(伊里哈木等，2009)，然而有限的站点分布和无法连续观测，使得探空的时空密度达不到气象事业发展的要求(赵伯林等，1980；Hogg et al，1983)。为弥补常规探空的不足，飞机、GPSmet和遥感技术等探测手段被广泛用于气象领域，其中被动地基遥感的仪器结构相对简单，能在无人看守情况下进行连续观测。微波辐射计作为被动微波遥感的唯一传感器(赵雅静等，2010)，已发展了地基、空基、星基等基于各种平台的产品，其中地基和空基微波辐射计发展迅猛(Wilso et al，1986；Gailiano，1990；Chen，1998；肖志辉等，2000；王黎俊等，2007; 黄治勇等，2014)，尤其是地基微波辐射计可以连续进行气象观测，包括温度、水汽等气象要素的廓线以及环境温度等，时间分辨率精确到分钟(Westwater et al，2005)，已经成为常规探空的重要补充。国外有大量关于地基微波辐射计的研究(Hill，1991；Liu et al，2001；Ivanova et al，2002)，国内对其探测原理(赵玲等，2009)、数据反演(黄建平等，2010)、资料同化(王叶红等，2010)、误差比较(徐桂荣等，2010；赵玲等，2010；姚作新等，2011)、个例分析(周嵬等，2011)等方面均进行了研究和探讨。刘红燕等(2009)比较了地基微波辐射计与探空和GPSmet之间的差异、高金辉等(2009)比较了地基微波辐射计和地面翻斗式雨量计的结果、刘建中等(2010)对地基微波辐射计和探空进行了定量误差分析，结果均证明了地基微波辐射计探测的可靠性。同时，大气中的水汽密度、液态水含量等要素与降水联系紧密，利用地基微波辐射计进行这方面的研究已经开展(段英等，1999；郭伟等，2010；敖雪等，2011；廖晓农等，2013)，张志红等(2010)用雷达回波垂直分布趋势与地基微波辐射计液态水的垂直分布趋势进行了对比，证明两者有较好的对应，并且低层液态水的分布与降雨有直接关系。

以往的工作多着眼于地基微波辐射计探测、反演原理和产品使用的定性分析，以及反演数据误差的定量研究，而对地基微波辐射计在不同天气过程中的表现没有系统的分析和比较，缺乏其产品对天气指示意义的研究。本文使用苏州MP-3000A型地基微波辐射计数据，首先分析其性能和质量情况，然后选取不同的天气过程，对探测数据的特征进行研究和比较，尤其关注液态水含量在不同天气过程中的垂直分布，为揭示大气中水汽相态发生变化(即凝结)的高度，以及为降水和大雾的机理研究提供一定参考，以期对天气分析和预报、天气过程研究做出一定的帮助，并为构建新型探空数据、弥补本地无线电探空缺乏提供可能。

1 资料说明与计算方法 1.1 资料说明

苏州站(120.38°N、31.19°E)2011年1月1日至12月28日MP-3000A型地基微波辐射计资料，探测高度为0~10 km，垂直58层，时间间隔约3 min，输出的观测要素有温度、相对湿度和液态水含量。南京(118.8°N、32°E)、上海(121.46°N、31.41°E)和杭州(120.17°N、30.23°E)2011年1月1日至12月28日的探空资料，每天00和12UTC两次观测，输出的要素有温度和露点温度。苏州自动气象站逐小时能见度和降水量观测。

1.2 计算方法

利用马格努斯经验公式对探空的温度和露点温度进行计算，得到相对湿度。不同观测资料的差异使用均方根偏差(Wang et al，2008)计算，公式如下：

$ RMSE=\sqrt{\frac{1}{\mathit{n}}\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left({{\mathit{x}}_{\mathit{i}}}-{{\mathit{y}}_{\mathit{i}}} \right)}^{2}}}} $

(1)

式中，x_i和y_i分别为两种不同的观测数据。

个例比较中用A指数和对流性稳定度指数(I_conve指数)进行分析。A指数计算方法如下：

$ \begin{align} & A={{T}_{950}}-{{T}_{520}}-[{{\left(T-{{T}_{\mathit{d}}} \right)}_{850}}+ \\ & \ \ \ \ \ \ \ {{\left(T-{{T}_{\mathit{d}}} \right)}_{700}}+{{\left(T-{{T}_{\mathit{d}}} \right)}_{500}}] \\ \end{align} $

式中，T为温度，T_d为露点温度，A指数不仅包含了温度递减率，还包含了各层的温湿度条件，因此数值越大，大气越潮湿(不稳定)。

对流性稳定度指数计算方法如下：

$ {{\mathit{I}}_{\rm{conve}}}={{\theta }_{\rm{se500}}}-{{\theta }_{\rm{se850}}} $

式中，θ_se为假相当位温，I_conve＞0，为对流性稳定，I_conve＜0，为对流性不稳定。

2 偏差分析

选取距离苏州站最近的三个常规探空站点：南京、上海和杭州，筛选出以上四站在同一天气系统影响下的资料，用同一时刻相对探空高度±100 m范围内的微波辐射计观测与探空观测进行均方根偏差计算(表 1)，温度和相对湿度均找到约12000对数据。

苏州站微波辐射计和南京、上海探空的温度偏差约为2.9℃，和杭州探空的温度偏差约为3.8℃；相对湿度的偏差在28%~30%。温度的相关系数均在0.98以上，相对湿度的相关系数则在0.5左右，魏东等(2011a)的研究指出，由于微波辐射计的相对湿度偏差较大，与常规探空的一致性上温度更高。

同一天气系统影响下的三站探空间的比较显示(表 2)，温度和相对湿度的均方根偏差大约分别为2℃和25%，相关系数分别在0.99以上和0.6左右，这与表 1的结果相差不大，说明苏州微波辐射计的探测性能可能略低于常规探空，但仍能近似代替常规探空进行本地气象监测，Ware等(1997)的研究指出，微波辐射计资料和探空资料具有同等的准确性。

温度偏差随高度的递增而增大，这与刘红燕(2011)的研究结果一致，苏州站微波辐射计与杭州探空的温度偏差始终较大(图 1a)。1.6 km以下与上海探空的比较偏差最小为2℃左右，与南京和杭州的偏差在2~3℃；1.6~7 km与上海和南京的比较结果差别不大，在3℃附近波动，与杭州探空比较的偏差较大，在4℃上下；7 km以上偏差随高度逐渐增大到6~7℃，与南京探空的偏差最小。

相对湿度偏差在1 km以下变化较大, 偏差随高度的递增而显著增大，1~6 km变化平缓，在30%~40%波动，6 km以上再次出现偏差随高度递增的现象(图 1b)。

3 个例比较 3.1 降水过程

2011年6月17日受梅雨锋影响，苏州出现了区域性暴雨、局部大暴雨。从微波辐射计观测来看，6月16日20时至17日01时苏州站上空1.5 km以下的相对湿度有所变化，1.5~2.5 km的相对湿度稳定在90%以上，并向4~5 km高度发展(图 2a)，这时苏州站未出现降水。17日01—15时5 km以下均维持90%以上的相对湿度；15—20时大湿区顶降低到3.5 km，并在大湿区顶上出现10%~20%的显著干区(图 2a)。17日06时、11—12时、15—21时2~3.5 km的液态水含量出现激增，16—19时3~3.5km处出现6.5 g·m^-3以上的高值中心(图 2b)。17日04时起苏州站出现弱降水，而明显的降水分别在06—07时(7 mm)、11—12时(1.6 mm)、15—22时(2.3~19.6 mm)，其中16—17时和18—19时分别对应16.1和19.6 mm的降水(图 2b)。17日20时后大湿区顶抬高, 显著干区消失，降水也逐渐减小。

A指数从16日19时开始增大，17日00时后增大到0℃以上，05时前后刚开始出现弱降水时(小时雨强0.2 mm以下)增大到15℃，06—07时出现明显降水时，激增到52℃附近，07时后一直稳定在10℃左右；I_conve指数在17日05时前后小幅下降到37℃，06—07时骤减到-10℃，其余时间基本稳定在45~50℃(图 2c)。

6月17日的降水中，6 km以下的相对湿度在降水开始前约6 h出现明显增大；出现明显降水时3 km上下的液态水含量激增，较强降水时相对湿度大值区顶略有降低并在上面出现显著干区(这可能和较强降水伴随低层辐合上升、高层辐散下沉增强，高层增强的下沉气流将上层水汽带下来，同时抬升气流中的水汽凝结成雨滴降落有关)。对明显降水前出现的弱降水，A指数和I_conve指数在变化趋势上有所体现，刚开始出现明显降水时也有较好的对应，但与明显降水后的降水实况对应较差，这应该和微波辐射计的探测原理有关(Ware et al，1997；赵玲等，2009)，降水干扰会导致测量的亮温出现偏差，虽然包括防水罩和鼓风机在内的液体隔离缓解系统能减少降雨时天线罩上的液态水，但当出现明显降水后，降水干扰仍可能对温湿要素的反演结果产生影响，由温湿要素定量计算得到的天气指数也随之出现偏差。

3.2 强对流过程

2011年8月10日受午后热力抬升影响，苏州出现局地强对流天气，以短时集中降水和雷雨大风为主。8月10日09：00—12:40的0.5~1.5 km相对湿度增大到90%以上(图 3a)，此时苏州站并无降水。12:40—14：00 90%以上的湿区迅速向上下层发展，4 km以下基本均为高湿区，2~3.5 km处的液态水含量同时激增，并在3~3.5 km处出现6.5 g·m^-3以上的高值中心(图 3b)，12：55和13：13苏州站先后出现16.2和14.3 m·s^-1的7级大风，13—14时出现7.1 mm的降水。14—15时0.2~4 km的湿度逐渐从90%以上减小到80%~90%，降水减弱；15—16时4 km以下恢复90%以上的大湿区，对应0.6 mm的降水。16时后90%以上的大湿区迅速消失，降水停止。

10日13时前A指数在-1~5℃，I_conve指数在35~40℃；接近13时A指数增大到27℃，I_conve指数减小到11℃(此时出现大风)；13—14时A指数激增到40~50℃，I_conve指数骤降到-10~-8℃(对应大风和明显降水)；14—15时降水减弱，A指数回落至4~11℃，I_conve指数回升到34~37℃；15—16时A指数再次增大到25℃左右，I_conve指数减小到18℃附近，此时出现弱降水；16时后A指数和I_conve指数分别稳定在0℃和34℃附近(图 3c)。

此次强对流过程中，6 km以下的水汽累积距离强天气(16.2 m·s^-1大风)出现的时间较短，时间差在半小时之内；而高空3 km上下的水汽激增和站点上的明显降水仍然有很好的对应关系；A指数和I_conve指数的变化趋势与强对流天气对应较好，尤其出现明显降水时，趋势和数值均有良好反映，对明显降水后的弱降水，A指数和I_conve指数从变化趋势上也有所体现。

3.3 大雾过程

2011年11月27日20：00后0.5 km下的相对湿度逐渐增大，尤其在28日02时后近地层湿度达到90%以上，并向0.5 km高度扩展(图 4a)。28日04—10时1.5 km以下液态水含量出现增大趋势，主要集中在0.2~1 km(图 4b)。27日20时后能见度持续下降，尤其28日04时能见度从1304 m迅速下降到05时的234 m，28日05—09时能见度维持在500 m以下。28日10时后低层大湿区消失，同时能见度也恢复到2424 m以上。

A指数在出现能见度＜1000 m的大雾时(28日05—09时)数值增大，说明湿度条件变好；I_conve指数均在0℃以上，即大气始终保持对流性稳定(图 4c)。

在大雾过程中，低空0.5 km以下相对湿度的增加和实况中能见度下降几乎同时发生，1.5 km以下液态水含量的激增对应出现能见度＜500 m的大雾，垂直高湿层的消失也与能见度提高同时变化；指数分析表明大气始终保持对流性稳定且能见度降低时湿度增大。

4 特征分析

选取2011年夏季21个过程(5例强对流和16例降水)，分析每个过程对应的液态水含量垂直剖面(图略)，发现2.25~3.25 km的液态水含量变化最显著。比较21例过程与2011年全年的平均液态水含量垂直分布(图 5a)发现，两者在2 km以上的变化趋势一致(均在2.25和3.25 km处明显增大，2.5 km处为两显著峰值间的低谷，3.25 km以上迅速减小)，2 km以下则几乎呈反相位变化；与年平均液态水含量相比，21例过程平均液态水含量在2.25~3.25 km处激增的现象十分显著；21例过程平均液态水含量的量级明显大于年平均液态水含量。21例过程平均液态水含量(图 5a)和年最大液态水含量(图 5b)的垂直变化趋势十分接近，两者都体现了3.25 km以上液态水含量急剧减小、2.25和3.25 km处存在显著峰值的特征，虽然在2.5 km处均出现了两显著峰值间的低谷，但对整体而言，两者在2.25~3.25 km都明显增大；年最大液态水含量几乎是21例过程平均液态水含量的5倍。

21例过程的相对湿度垂直剖面分析(图略)表明，相对湿度在强对流过程中有30分钟以内的提前量，降水过程中相对湿度的变化集中在6 km以下，大多数个例中相对湿度对于降水过程的提前响应时间为0.5~1 h。

对2011年秋季4次大雾天气的分析(图略)表明，相对湿度均在3~3.5 km以下变化，相对于能见度持续降低的提前时间并不明显。

5 结论

(1) 苏州地基微波辐射计与邻近三站探空的比较表明，温度和相对湿度的均方根偏差大约分别为3.2℃和29%，相关系数分别在0.98以上和0.5左右，苏州微波辐射计的探测性能可能略低于常规探空，但仍能近似代替常规探空进行本地气象监测。

(2) 偏差随高度的递增而增大，地基微波辐射计在低空的反演结果优于高空(周玉驰，2003)，这是导致偏差随高度递增而增大的原因之一。此外，水汽主要集中在大气低层，中高层大气的水汽含量逐渐减少，但相对湿度偏差在高层仍然较大，表明微波辐射计高层的相对湿度资料在使用时需仔细分析。

(3) 在降水和强对流过程中，6 km以下的相对湿度有提前增大的现象，湿度增大的提前时间(即湿度增大相比于天气过程发生的提前时间，下同)在降水过程中较长、在强对流过程中较短(30 min以内)，这和强对流能量积蓄时间较短、突发性强有关。大雾过程伴随3~3.5 km以下相对湿度增大，但这一现象与能见度降低的时间差并不明显。

(4) 在不同天气过程中，液态水含量的变化与天气现象有良好对应关系(李铁林等，2007)：降水和强对流对应3.5 km以下的液态水含量增大，且2.25~3.25 km处激增明显，与年平均状态相比，降水和强对流过程中2.25~3.25 km处液态水含量显著激增的现象十分明显；大雾对应1.5 km以下的液态水含量激增。相对湿度和液态水含量的显著变化在大雾过程中出现在较低层，这和雾是由一种悬浮于近地面层大量水滴或冰晶造成且发生在边界层内的天气现象有关(Leipper，1994；陆春松等，2011；蔡子颖等，2012)。

(5) 物理量分析表明，在出现明显降水后，A指数和I_conve指数可能失去指示意义；从变化趋势上看对弱降水有所体现，在明显降水以及大雾过程中，数值和变化趋势均与实况对应较好。

微波辐射计和风廓线雷达等新型气象探测，为不具备无线电探空的台站提供了构建探空数据的条件(魏东等，2011b)，基于微波辐射计观测建立本地探空数据集将是本研究的下一步工作。