雾(霾)天气条件下不同型号微波辐射计观测反演数据分析

20181113-14日北京出现了一次较强雾(霾)过程。通过对比分析四种型号的微波辐射计(以下分别以MAMBMCMD表示)同时段观测反演数据(温度湿度、水汽密度、液态水含量等)时空剖面、以及雾(霾)期间的探空数据,认为总体上几种辐射计均具有较好的表现,能够十分明显地反应出雾(霾)期间,温湿度、水汽密度、液态水含量的垂直分布及时间变化,如近地层的逆温、辐射降温、水汽凝结等现象(见图1)。四种辐射计的观测反演数据也存在一些细小的差别,主要体现在相对湿度、水汽密度、液态水含量垂直分布上。正是这些细节上的差别,反应了各型辐射计及反演算法的特质。

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图1: 111216-1410时(UTC时间)四种型号辐射计同步观测反演温湿度、水汽密度时间剖面

1、反演数据与探空(实况)对比

选取了北京雾霾期间1311时、1323时(UTC时间,北京时1319时、1407时)两个时次的探空数据作为参照(见图2A2B)。图中红色实线为探空数据廓线,蓝色实线为各型辐射计反演得到温度、湿度廓线。由图2B可以看出,1323时(北京时1407时)雾(霾)严重时,地面到2000米高度存在2个明显的逆温层:逆温层顶一个位于400-500米高度,一个在2000米附近;近地面600-700米以下相对湿度出现了饱和(RH>85%),700米向上,相对湿度迅速减小。说明雾层主要集中出现在700米以下近地层。与探空廓线相比,各型辐射计观测反演数据温度廓线拟合较好,但相对湿度廓线与探空廓线存在较大偏差,不能客观体现相对湿度随高度变化剧烈、不连续的特点。

1544591466364479.png      图2A:11月13日11时(UTC时间)四种型号辐射计同步观测反演温湿度、液态水廓线

1544592722124925.png  图2B:11月13日23时(UTC时间)四种型号辐射计同步观测反演温湿度、液态水廓线



2、辐射计探测反演数据的一致性分析

利用辐射计配备的红外测温仪,可以在天空有云时测得云底温度,从而得到云底高度;由云底高度可以粗略判断液态水、水汽饱和区出现的高度。图3A-3D分别给出了各型辐射计自带的红外测温仪(云底高度)、反演积分液态水、反演剖面数据的时间序列分析图。由图可见 ,雾出现主要时段处的云底高度、相对湿度饱和区、液态水及积分液态水出现的时段、高度等一致性较好,但也存在多处不一致的地方。

图片7.png     图3A:MA型辐射计一致性分析

1544592330127016.png    图3B:MB型辐射计一致性分析


MA型辐射计存在两处明显不一致的时段:一是111310-1324时(UTC时间)前后,液态水含量与积分液态水不一致;液水含量最大区大于0.4;二是121624时,红外测温仪没有测到云底,却在液态水剖面图中反演出液态水(见图3A)。

MB型辐射计也存在类似的情况。但在700米以上,1216-24时、1310-1408时两个时段在相对湿度远未饱和的区域反演数据出现了液态水(见图3B)。

MC型辐射计在1320-1401时时段,在相对湿度远未饱和的区域反演数据出现了液态水(见图3C)。

MD型辐射计在1320-1408时时段,在相对湿度远未饱和的区域(700米以上)反演数据出现了液态水(见图3D),但其量级较小,在0.01左右。

12日16-24时,与MAMB型辐射计反演数据出现了液态水不同,MCMD型辐射计在这一时段相应的高度上没有反演出液态水。

1544591936178538.png    图3C:MC型辐射计一致性分析

1544592012388275.png    图3D:MD型辐射计一致性分析


3、几种微波辐射计观测反演数据时空差异分析

综合对比几种微波辐射计观测反演数据的高度廓线分析图、时间高度剖面图,不难看出几种微波辐射计所反演的物理量时空分布的相似点及其主要差别。导致这些差别的原因除辐射计调校、工作状态等本身的差异外,主要可能还与不同辐射计所使用的反演算法不同有关。目前,比较流行的反演算法是采用神经网络加气候统计特征算法,这种算法基于温湿度等要素由地面向上递减这一统计规律,利用观测反演数据对气候统计廓线进行订正,或用气候统计特征加以对观测数据进行订正,-不妨称之为“气候态反演算法”。其优势是在大样本时可能会提高反演数据与探空数据的相关性。 

“气候态反演算法”由于基于统计规律,反演出的温湿度廓线(特别是湿度廓线)往往比较平滑不能客观地体现相对湿度随高度、时间变化剧烈、不连续的特点。如图2B-B、图2B-C的湿度廓线,不但平滑,且在垂直变化趋势、变化规律上与图2A相应的廓线差别不大,有似曾相识的感觉;同样,这种算法也会产生自下而上的传递现象,使相对湿度、液态水含量等层次分布明显的要素受下层或地面影响而变得模糊不清,如图3B,在1000-2000米的高度范围和相对湿度未饱和区出现液态水,应是这种不合理传递的结果。

“气候态反演算法”虽然较好的反演出大多情况下的大气结构,但当出现特定天气时,比如有雾、雨、锋面、切变、湍流、天空有多层云等,这种算法往往会与实际的大气温湿度垂直分布相距甚远,而我们更关心是出现各类天气时的大气结构,这是一个严重的问题。


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