19世纪60年代，文献[1]提出了利用无线电掩星（radio occultation，RO）技术探测地球大气的思想。1995年美国大学大气研究中心主持开展了首个GPS掩星任务——全球定位系统/气象学（Global Positioning System/Meteorology，GPS/MET）。之后，挑战性小卫星有效载荷（Challenging Minisatellite Payload，CHAMP），科学应用卫星-C(Scientific Application Satellite-C, SAC-C)，气象、电离层和气候卫星联合观测系统（Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate, COSMIC）和气象业务卫星（meteorological operational satellite，MetOp）等掩星任务相继实施。文献[2]评估了CHAMP和SAC-C的掩星产品精度，发现5~25 km折射率相对精度达到0.3%~ 0.5%；文献[3]以探空数据为参考，对2007—2010年全球COSMIC掩星中性大气产品进行精度分析，发现COSMIC资料可作为其他大气资料的检核基准^[3]。掩星资料具有高垂直分辨率、全球覆盖、高精度、全天候和无需定标等优点，可弥补常规大气探测手段的不足，对数值天气预报及气候变化研究有重要应用价值^[4]。

2013年发射的风云3C (FY-3C)气象卫星是中国第二代极轨气象卫星FY3系列的首颗业务星。其星载全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收机可实现对GPS和北斗二代导航卫星的掩星观测，是中国首颗进行GNSS RO观测的气象卫星, 其掩星产品质量对该系列后续卫星及中国其他掩星计划的实施有重要参考价值^[5]。

目前，国际上关于COSMIC、CHAMP等掩星任务的产品验证已有大量成果^[2-3]，但针对FY-3C掩星产品进行质量分析的文献很少。文献[5]以常规无线电探空资料为参考，对2013年10月至11月的FY-3C中性大气产品精度进行了检核，认为FY-3C掩星产品的精度基本达到预定目标；此后又以ERA-Interim再分析资料为参考，对该年11月至12月的FY-3C中性大气产品进行检核，得出FY-3C和COSMIC、GRACE等已有RO任务的数据验证结果一致的结论^[6]。在上述有限的FY-3C掩星中性大气产品的验证工作中，所使用的都是产品正式发布之前短时间段内的数据。虽对产品精度进行了检验，但并未对精度特征进行分析。本文分别以IGRA2探空资料和COSMIC掩星资料为参照，对2015—2017年3 a的FY-3C掩星折射率、温度及比湿等中性大气产品的精度进行分析，并进一步对精度随季节、纬度带、昼夜和海陆分布的变化进行了讨论。

1 数据和方法 1.1 数据介绍

国家卫星气象中心发布了2014年6月以来的FY-3C掩星大气产品（http://satellite.nsmc.org.cn/PortalSite/Data/DataView.aspx），其中中性大气产品包括折射率、密度、温度及低层大气比湿廓线等全球数据产品，其垂直高度可达到40~60 km，不同廓线产品垂直分辨率在150 ~1 000 m之间。由于大气密度和折射率成一定比例关系^[5]，故本文仅对折射率进行分析。为了对各年的数据质量进行比较，本文使用了2015—2017年共3 a的数据产品。

本文的分析验证采用了两类参照数据，第一类是无线电探空数据。本文采用的是美国国家气候数据中心整合的一套高质量探空数据集——全球无线电探空数据集(Integrated Global Radiosonde Archive, IGRA)自2014年更新后的IGRA2版本（ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/），其较之前的版本增加了衍生数据集IGRA2/Drived，提供了露点温度、压强、水汽压等参数推算出的折射率数据。由于探空气球放飞高度有限，IGRA2在30 km以上的观测资料很少，故以IGRA2资料为参照时，主要讨论FY-3C掩星产品在0~30 km高度区间的质量。第二类参照数据是COSMIC掩星中性大气产品。本文采用的是该产品中的wetPrf廓线，其垂直范围为0~40 km，分辨率为100 m。

由于IGRA2和COSMIC产品不直接提供比湿数据，故在对FY-3C掩星比湿廓线进行质量分析之前，将该两类参照数据提供的水汽压参数转换为比湿参数：

$q = \frac{{\varepsilon e}}{{p - 0.378e}}$

(1)

式中，q为比湿，单位为g/kg；e为水汽压，单位为hPa；p为大气压强，单位为hPa；ε为常量，其值为622。

1.2 数据匹配

掩星事件全球全天分布，而探空站点位置固定，且只有通用协调时(universal time coordinated, UTC) 00时和12时两个时刻的观测数据。在进行对比分析之前，需将FY-3C掩星大气参数廓线分别与IGRA2探空廓线和COSMIC掩星廓线在时间和空间上进行匹配。本文采用观测时间差限值为±1 h，水平距离限值为200 km的时空匹配窗口；并在垂直方向上采用气象统计分析中常用的三次样条插值将各参数插值到相同高度层^[7]。以2015年为例，将FY-3C掩星分别与IGRA2和COSMIC掩星大气折射率廓线进行匹配后，各得到2 312、3 026对匹配样本，其空间分布如图 1所示。

图 1表明FY-3C掩星与IGRA2的匹配样本的空间分布取决于探空站点的空间分布，北半球中纬度地区样本数最多；而FY-3C掩星和COSMIC掩星的匹配样本集中在中、高纬度带，这是由FY-3C和COSMIC卫星的轨道特征决定的^[6]。

1.3 精度评定方法

获得匹配廓线对后，采用气象统计分析中常用的平均偏差、偏差标准差、平均相对偏差、相对偏差标准差等质量评定参数^[8-10]对FY-3C掩星的折射率、温度、比湿廓线分别进行质量评定。各参数定义如下。

用X_i表示待评估数据，X_i⁰表示评估参照数据，i(i=1, 2…n)表示第i对匹配样本，n表示样本总数，则X_i的偏差ΔX_i和相对偏差Rⁱ_ΔX分别为：

${\rm{\Delta }}{X_i} = {X_i} - X_i^0$

(2)

$ R_{{\rm{\Delta }}X}^i = \frac{{{X_i} - X_i^0}}{{X_i^0}}, i = 1, 2 \cdot \cdot \cdot n $

(3)

平均偏差ΔX、偏差标准差σ_ΔX、平均相对偏差R_ΔX、相对偏差标准差σ_RΔX分别由式（4）~（7）定义：

${\rm{\Delta }}\bar X = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\rm{\Delta }}{X_i}$

(4)

${\sigma _{{\rm{\Delta }}X}} = \sqrt {\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{({\rm{\Delta }}{X_i} - {\rm{\Delta }}\bar X)}^2}} $

(5)

$\bar R_{{\rm{\Delta }}X} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n R_{{\rm{\Delta }}X}^i$

(6)

${\sigma _{{R_{{\rm{\Delta }}X}}}} = \sqrt {\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{(R_{{\rm{\Delta }}X}^i - \bar R_{{\rm{\Delta }}X)}}^2}} $

(7)

本文对折射率廓线质量用平均相对偏差和相对偏差标准差来评定，对温度廓线和比湿廓线质量用平均偏差和偏差标准差来评定。

1.4 质量控制

虽然FY-3C数据处理中心对其产品进行了质量控制，但仍存在一定粗差廓线^[5]。为避免它们对质量分析结果的影响，需从上述匹配样本中剔除这类廓线。本文参考文献[2]，对于折射率廓线，如果相对误差大于10%的高度层数超过总高度层数的20%，则将该廓线对剔除；对于温度廓线，采用统计检验最常用的均值显著性分析方法确定质量合格的廓线对；对于比湿廓线，则删除平均相对误差超出-90%~900%范围的廓线对。此外，进一步对各类廓线的各高度层差异做统计分析，以3σ为限差剔除超限高度层的数据^[6]。最终得到折射率匹配样本剔除率为6%~17%，温度匹配样本剔除率约5%，比湿匹配样本剔除率在10%左右。

2 质量评定结果 2.1 折射率廓线的质量评定

图 2给出了2015—2017年各年FY-3C掩星与IGRA2和COSMIC掩星的折射率廓线N的对比结果。由图 2（a）~2(c)可见，以IGRA2探空资料为参照，从2015年到2017年FY-3C掩星折射率的质量在不断提高，平均相对偏差越来越稳定，相对偏差标准差逐年减小。图 2（d）~2(f)显示，2015—2017年FY-3C掩星相对于COSMIC掩星的折射率精度不断提高，这与FY-3C掩星和IGRA2的对比结果是一致的。由图 2(f)可见，在整个0~40 km高度层FY-3C掩星相对于COSMIC掩星的折射率平均相对偏差绝对值≤0.2%，相对偏差标准差≤1.5%，表明FY-3C掩星的折射率廓线相对于COSMIC掩星没有系统性偏差。FY-3C掩星和COSMIC掩星折射率对比符合最好的高度区间为5~25 km，相对偏差标准差约1%，优于FY-3C掩星和IGRA2的对比结果。这与两个掩星任务的折射率参数反演机制相同有关。由于COSMIC卫星逐渐老化，近年来所提供的廓线数逐渐减少，因此FY-3C掩星和COSMIC掩星的匹配样本数比FY-3C掩星和IGRA2的少，但不存在探空资料由于探测高度有限而导致的高层匹配样本数迅速减小的情况。

2.2 温度廓线的质量评定

图 3是2015—2017年各年FY-3C掩星和IGRA2及COSMIC掩星的温度廓线T的对比结果。由图 3（a）~3(c)可见，2015和2016年FY-3C掩星相对于IGRA2的温度偏差绝对值整体上≤1 K，15~20 km高度内为微弱正偏差，其他高度范围内温度偏差皆为负，25 km以上温度负偏差更明显；2017年，FY-3C掩星相对于IGRA2温度偏差绝对值整体上≤0.5 K，各高度层均为负。故从2015到2017年，FY-3C相对于IGRA2的温度偏差不断稳定，且为负；而温度偏差标准差不断减小（2015年最大达3.0 K，2016年为2.7 K，2017年为2.5 K）。图 3(c)表明，2017年FY-3C掩星相对于IGRA2的温度标准差在5~20 km约1.5 K，20 km以上增大到约2.2 K，这可能是由于热噪声、电离层残差等因素的综合影响^[11-12]。另一方面，近地层温度标准差也渐增，这和FY-3C掩星与IGRA2的折射率对比结果一致，体现了温度和折射率产品质量的相关性。图 3(d)~3(f)表明，20 km以下FY-3C温度相对于COSMIC无系统偏差，温度标准差在2 K内；20 km以上，FY-3C温度相对于COSMIC存在随高度增加越来越明显的负偏差（2015年偏差最大达到-6.3 K，2016年达到-5.6 K，2017年达到-4.7 K），相应温度偏差标准差也随高度增加而逐渐增大（2015—2017年标准差最大分别为6.9 K、5.0 K、4.5 K）。FY-3C温度与COSMIC的符合程度逐年提高，这和FY-3C与IGRA2的温度对比结果一致。但与折射率对比结果不同，FY-3C掩星相对于COSMIC的温度标准差比FY-3C相对于IGRA2的更大，其原因是温度产品的质量不仅和折射率产品质量相关，还和在一维变分同化过程中采用的背景场有关，FY-3C掩星和COSMIC采用了不同背景场^[5]。

2.3 比湿廓线的质量评定

图 4是2015—2017年各年FY-3C掩星与IGRA2和COSMIC掩星的比湿廓线q的对比结果。由于水汽主要集中在10 km以下^[5]，故图 4仅给出0~10 km的对比结果。

图 4（a）~4(c)，显示从2015—2017年FY-3C相对于IGRA2的比湿偏差和标准差几乎没有变化，且越趋地面，FY-3C掩星相对于IGRA2的比湿偏差和标准差越大。6 km以下，FY-3C掩星存在负的比湿偏差，近地面达到-0.4 g/kg，比湿标准差为0.5~1.2 g/kg，这和文献[13]给出的METOP掩星的比湿廓线在5 km以下达0.25~1.0 g/kg的精度相当；而6 km以上，FY-3C掩星相对于IGRA2比湿偏差接近0，标准差≤0.5 g/kg。由图 4（d）~4(f)可见，FY-3C掩星和IGRA2的比湿廓线对比结果一致，FY-3C掩星相对于COSMIC的比湿偏差和标准差在这3 a也无明显变化，在近地表取得最大值。6 km以下，FY-3C相对于COSMIC掩星的比湿存在0.05~0.25 g/kg的正偏差，比湿标准差为0.2~1.0 g/kg；而6 km以上，二者比湿偏差≤0.05 g/kg，标准差≤0.15 g/kg。故FY-3C掩星比湿廓线精度在2015—2017年无明显变化，越接近地表，比湿质量越低。FY-3C掩星与COSMIC掩星的比湿符合程度比其与IGRA2探空资料的更好。

3 质量特征分析

由§2分析可见，2017年FY-3C掩星大气产品精度最好，故本节对2017年FY-3C掩星大气产品的质量随季节、纬度带、昼夜及海陆变化的特征进行讨论。

3.1 不同季节的对比

按照北半球的3月—5月，6月—8月，9月—11月和12、1、2月和南半球的9月—11月，12、1、2月，3月—5月和6月—8月分别定义春、夏、秋、冬四季，将2017年FY-3C掩星分别与IGRA2及COSMIC掩星资料匹配得到的折射率N、温度T和比湿q的廓线按季节进行分组比较，结果如图 5所示。各分图中实线和虚线分别代表平均相对偏差和相对偏差标准差。

从图 5(a)可见，在5~20 km区间，FY-3C掩星相对于IGRA2的折射率平均相对偏差和相对偏差标准差随季节变化不明显，在25 km以上，FY-3C掩星折射率在秋季有明显正偏差（2.8%），夏季有明显负偏差（-3.0%），春季有较小正偏差（1.0%），冬季无明显系统性偏差；夏季相对标准差最小，冬季最高。5 km以下，夏、秋折射率有较小正偏差，春秋两季折射率相对标准差介于冬夏之间。故FY-3C掩星与IGRA2在冬季的折射率一致性最好，但相对标准差比其他三季稍大。而图 5(d)表明，10 km以上，FY-3C掩星折射率相对于COSMIC掩星在夏季有明显负偏差；25 km以上，冬季折射率相对标准差最大。图 5(b)表明，在5~20 km，FY-3C掩星相对于IGRA2的温度平均偏差在不同季节相差不到0.5 K，标准差在冬季最大。在20 km以上，除了夏季温度偏差接近于0，其他三季均为负，其中秋季最大，约1.2 K。图 5(e)则表明，在10~25 km区间，FY-3C掩星相对于COSMIC掩星的温度偏差在四季无显著差异，25 km以上，温度负偏差在秋季最大；15 km以上，FY-3C掩星相对于COSMIC掩星的温度标准差在冬季最大。由图 5(c)、5(f)可以看出，6 km以下，FY-3C掩星四季的比湿相对于IGRA2都有越趋近地面越明显的负偏差，夏季负偏差最大（-0.75 g/kg），其他三季则和年平均偏差相当；在近地面到10 km，夏季比湿标准差远大于其他三季，达到1.7 g/kg；FY-3C掩星比湿相对于COSMIC掩星，比湿偏差在秋季最大，春季最小，整体上比湿标准差依次按冬、春、秋、夏递增。

3.2 不同纬度带的对比

为进一步分析FY-3C掩星大气产品在不同纬度带的质量特征，定义低、中、高3个不同纬度带为：低纬度带（30°N~30°S）、中纬度带（30°N~60°N，30°S~60°S）以及高纬度带（60°N~90°N，60°S~90°S）。如图 1所示，由于FY-3C掩星和IGRA2探空资料的匹配样本主要分布在北半球，为避免因此导致的统计误差，本节只给出FY-3C掩星和COSMIC掩星的对比结果，如图 6所示。各图中实线和虚线分别代表平均相对偏差和相对偏差标准差。

由图 6(a)可见，FY-3C相对于COSMIC掩星的折射率平均相对偏差随高度的变化在中、高纬度带要比低纬度带变化幅度小，且折射率相对偏差在低纬度带最显著，尤其是在10 km以下，折射率正偏差最大达到1.2%。在10 km以上，低、中纬度带折射率相对偏差的标准差比高纬度高；在10 km以下，低纬度带折射率标准差增大到4%。由图 6(b)可见，在10~25 km区间，温度偏差在不同纬度带无明显差异；25 km以上，不同纬度带温度都表现出越往高层越明显的负偏差，且高纬度温度负偏差最大；10 km以下，高纬度带温度有较小的正偏差，低、中纬度带温度为负偏差。15 km以下，低纬度温度标准差最小（0.9~2.1 K），中、高纬度带温度标准差相近；15~35 km内，不同纬度带温度标准差略有不同；35 km以上，温度标准差从低纬到高纬依次增大。由图 6(c)可见，7 km以下，低纬度带比湿有明显正偏差，比湿偏差达到0.8 g/kg；中纬度比湿偏差接近于0；4 km以下，高纬带比湿有较小正偏差。10 km至近地层，比湿标准差在中纬度带最小（≤0.5 g/kg），低纬度带最大（≤-1.8 g/kg），高纬度带居中（≤1.0 g/kg），这与10 km以下折射率的比较结果一致。

3.3 昼夜对比

FY-3C掩星的折射率N、温度T、比湿q相对于IGRA2和COSMIC掩星资料在白天和夜间（昼夜通过太阳高度角区分）的对比情况如图 7所示。各分图中实线和虚线分别代表平均相对偏差和相对偏差标准差。从图 7(a)、7(d)可见，无论是与COSMIC掩星还是与IGRA2对比，在5~25 km高度区间，FY-3C掩星白天的折射率偏差绝对值比晚上更小，而在5 km以下和25 km以上则相反；FY-3C掩星折射率标准差在白天和晚上则无明显差异。图 7(b)、7(e)表明，相对于IGRA2，FY-3C掩星温度廓线在白天存在约-0.5 K的负偏差，夜间温度偏差接近0；而FY-3C掩星相对于COSMIC掩星的温度廓线偏差在白天和夜间无明显区别。整体而言，FY-3C掩星的温度廓线标准差在白天比夜间整体上偏小。图 7(c)、7(f)表明，相对于IGRA2，FY-3C掩星比湿在夜间存在明显负偏差，在白天5 km以上偏差接近0，5 km以下有显著负偏差；而相对于COSMIC掩星，FY-3C掩星的比湿在夜间和白天均呈现正偏差。FY-3C掩星比湿标准差的昼夜差异不大，都在0~1.5 g/kg范围内。

3.4 海陆对比

图 8给出了FY-3C掩星的折射率N、温度T、比湿q分别与IGRA2和COSMIC掩星资料在海洋和陆地的对比。各分图中实线和虚线分别代表平均相对偏差和相对偏差标准差。如图 8(a)~8(c)所示，相对于IGRA2探空资料，除了5 km以下和15 km以上，陆地地区折射率相对偏差绝对值更小，FY-3C掩星折射率相对偏差和相对标准差在陆地和海洋区域整体无明显差异；温度比较结果在海陆地区差异较明显，陆地温度偏差在0 K附近波动，而海洋地区FY-3C温度有约-0.5 K的负偏差，温度标准差廓线却表明海洋温度标准差比陆地小；FY-3C比湿廓线质量在陆地比海洋区域更好。由图 8(d)~8(f)可见，相较于COSMIC，FY-3C掩星折射率在陆地存在较小负偏差，在海洋存在较小正偏差；FY-3C温度偏差和标准差无明显海陆差异；3 km以下，FY-3C掩星比湿偏差在海域小于陆地，而比湿标准差总体上无明显海陆差异。

4 结语

本文以IGRA2探空资料和COSMIC掩星大气产品为参照，对2015—2017年FY-3C掩星大气产品的折射率、温度和比湿廓线进行质量评估，并对2017年FY-3C掩星大气产品数据质量特征随季节、纬度带、昼夜和海陆变化的情况进行分析，得到如下结论：

1）2015—2017年除比湿廓线质量无明显差异外，FY-3C掩星折射率和温度廓线的质量均在逐年提高。

2) FY-3C掩星温度与IGRA2探空资料的符合程度比与COSMIC掩星资料的符合程度好，而折射率和比湿廓线则相反。

3) FY-3C折射率廓线25 km以下整体无系统偏差，相对偏差标准差≤5%；温度廓线存在系统负偏差（30 km以上尤为显著），标准差≥1.5 K；比湿廓线越趋地表质量越低，5 km以下有一定偏差，标准差≤1.2 g/kg。

4) FY-3C掩星折射率、温度和比湿廓线质量有一定季节性差异，在低纬度带折射率、比湿廓线质量最差，不同高度区间的低、中、高纬度带温度廓线质量存在差异；昼夜、海陆环境的差异也对其产品有一定影响。

随着风云系列卫星掩星资料的进一步积累和COSMIC2掩星任务的实施，今后可使用更丰富的数据资料进行相关数据产品的对比验证，为中国自主开展的掩星任务数据产品的气象与气候应用提供参考。

致谢: 感谢国家卫星气象中心廖蜜对本文数据处理提出建议；感谢国家卫星气象中心提供FY-3C掩星大气产品数据，CDAAC提供COSMIC掩星大气产品数据，NCAR提供全球实时探空数据集IGRA2。