大气物理研究所微波遥感团队发布2013—2022年香河地基微波辐射计亮温与温湿廓线数据集
- ：微波遥感团队
- ：2026-10-14
近期，中国科学院大气物理研究所微波遥感团队通过国家生态科学数据中心生态网络云平台（https://www.nesdc.org.cn/）发布了2013—2022年香河地基微波辐射计亮温与温湿廓线数据集，用户可在线访问获取数据。该数据集基于香河综合观测站连续10年的地基微波辐射计观测构建，是我国首个十年尺度的地基微波辐射计亮温与大气温湿廓线综合数据集。相关研究成果以“The first decadal-scale ground-based microwave radiometer dataset in China: brightness temperature and thermodynamic profiles from Xianghe (2013–2022)”为题发表在国际地球科学数据期刊 Earth System Science Data（ESSD）。
大气温度和湿度的垂直分布是表征大气热力状态的重要基础参数，对边界层过程、天气演变、空气污染和数值天气预报等研究具有重要意义。传统探空观测精度较高，但常规观测通常每天仅开展两次，难以连续刻画边界层大气快速变化过程。地基微波辐射计能够通过观测氧气和水汽等大气成分的微波辐射，实现分钟级连续温湿度探测，是常规探空的重要补充。然而，长期连续观测中受到仪器运行状态、云和降水等因素影响，亮温质量控制及不同天气条件下的温湿廓线反演仍存在较大挑战，国内长期、系统化、高时间分辨率的地基微波辐射计公开数据集也较为缺乏。
研究团队利用部署在中国科学院大气物理研究所香河综合观测站的RPG-HATPRO地基微波辐射计2013—2022年连续观测资料，系统开展了原始亮温数据质量控制、天气状态识别、辐射传输模拟评估以及温湿廓线反演。仪器包含14个微波观测通道，其中22.24～31.40 GHz的7个通道主要对水汽敏感，51.26～58.00 GHz的7个通道主要对大气温度敏感。研究同时融合了红外云观测、降水标识、ERA5再分析资料和北京站探空资料，对长期观测数据进行质量评估和算法优化。
在数据集构建过程中，研究团队首先对秒级微波亮温观测进行质量控制和天气状态分类，并形成1分钟时间分辨率的14通道亮温及质量控制/天气状态标识产品。每条记录均包含质量控制标识和天气条件分类信息，可用于数据可靠性筛选以及晴空、云天和降水等不同条件下的分析。辐射传输模拟结果表明，2013—2022年观测亮温与模拟亮温具有较好的一致性，各通道相关系数均超过0.97，表明仪器长期运行整体稳定。
在此基础上，针对不同天气条件的辐射特征，研究团队研发了大气温湿廓线反演算法：晴空条件下采用基于物理约束的最优估计方法（Optimal Estimation，OE），云天条件下采用深度神经网络（Deep Neural Network，DNN）方法。最终形成了10分钟时间分辨率、地面至10 km高度的大气温度和相对湿度廓线产品，并在数据中提供相应的反演方法标识。这种针对不同天气状态采用不同反演方法的策略，在保证长期数据连续性的同时，提高了不同天气条件下温湿廓线反演的可靠性。与独立探空观测对比表明，所采用的反演方法能够明显改善大气温湿廓线精度。在晴空条件下，OE方法相对于仪器业务反演产品，在0～10 km范围内的温度和相对湿度反演精度分别提高约35%和25%；在云天条件下，DNN方法的温度和相对湿度反演精度分别提高约39%和28%。其中，近地层及边界层内的改善尤为明显。
图1 2013—2022年香河地基微波辐射计亮温及温湿廓线数据集构建流程
基于该数据集，研究团队进一步分析了香河地区2013—2022年大气热力结构的长期变化特征。结果显示，地面逆温具有明显的季节差异，其发生频率由夏季约6%增加至冬季约68%。结合2018—2019年PM2.5观测发现，随着PM2.5浓度升高，地面逆温的发生频率、厚度和强度总体增加，在PM2.5浓度超过250 μg m⁻³的严重污染条件下，地面逆温发生频率超过60%。研究结果表明，高时间分辨率的长期温湿廓线资料可有效刻画边界层稳定度及其与空气污染之间的关系。
图2 2013—2022年地面逆温季节变化及不同PM2.5浓度条件下的逆温特征
该数据集兼具十年连续观测、分钟级时间分辨率、亮温质量控制、天气状态分类以及大气温湿廓线反演等特点，可为大气边界层过程、天气和气候变化、空气污染机理研究、数值模式验证、资料同化及温湿廓线反演算法研发等提供长期基础观测资料。数据产品主要包括两部分：一是1分钟分辨率的多通道亮温及质量控制/天气状态标识产品；二是10分钟分辨率、覆盖地面至10 km的温度和相对湿度廓线产品。
该项研究工作和数据制备得到了国家重点研发计划（2022YFF0801301、2017YFC1501700）、中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室创新基金项目（2023CPML-A01）、大气环境和极端气象全国重点实验室（2024QN11）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0760402）以及中国气象局城市气象重点开放实验室开放基金（LUM-2024-06）等项目的资助。
论文信息：
Gong, Y., He, W., Fu, D., Xia, X., Shi, H., Nan, W., Wang, P., and Chen, H. The first decadal-scale ground-based microwave radiometer dataset in China: brightness temperature and thermodynamic profiles from Xianghe (2013–2022). Earth System Science Data, 18, 4725–4744, 2026.
DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-4725-2026
数据链接：2013—2022年香河地基微波辐射计亮温与温湿廓线数据集