2019, Vol. 38
2. 南京信息工程大学大气科学学院, 江苏 南京 210044
素有“亚洲水塔”之称的青藏高原(下称高原, QTP), 平均海拔超4000 m。高原地形强迫作用会影响大气环流特征, 地表辐射加热区可直抵对流层中层。已有大量研究表明, 高原不仅对东亚而且对全球的气候变化起着重要作用(Boos et al, 2010; Chen et al, 2011; Yang et al, 2014; 钱正安等, 2017; 刘维成等, 2017)。高原是发生平、对流层物质交换的关键区域(Tian et al, 2017)。当水汽通过高原上空进入平流层后, 会向其他区域扩散, 最终构成全球性的平流层环流(Fu et al, 2006)。平流层的水汽浓度可以影响辐射收支平衡, 并参与光化学过程改变臭氧浓度, 因此对评估全球气候特征具有指示性意义(Forster et al, 1999; Zhan et al, 2007; 敬文琪等, 2017)。
受自然环境所限, 常规气象测站主要分布在高原中东部的低海拔地区, 且观测站点覆盖率极低。长期以来, 再分析资料在高原的研究中发挥着重要作用(Duan et al, 2005; Zhan et al, 2007; Xu et al, 2008; 夏昕等, 2016)。吴国雄等(1998)利用ECMWF分析资料研究了在季节转换时期, 高原地区大气的热力学和环流特征。孙颖等(2002)采用NCEP/NCAR再分析资料发现, 高原的热源异常会诱发季风活动异常。何金海等(2011)综合多种再分析资料, 分析了高原上空大气视热源的合理性和可信性。但是, 在高原地区, 再分析资料存在着很大的不确定性(Smith et al, 2001; Rusticucci et al, 2002; Zhao et al, 2006; Feng et al, 2011; 徐桂荣等, 2016)。Bao et al(2013)指出, 高原上再分析资料具有较小的温度偏差和较大的相对湿度偏差。You et al(2013)研究表明, 受地势、站点位置等因素的影响, 在高原地区再分析资料都存在温度负偏差。Wang et al(2012)通过研究发现, 高原的再分析资料显现出可降水量的正偏差。
全球定位系统GPS(Global Positioning System)掩星RO(Radio Occultation)探测为天气和气候研究提供了高精度的观测数据(Anthes et al, 2008)。GPS掩星资料具有很高的垂直分辨率和大气参数反演精度; 具有全球覆盖、全天候的特性, 且受云、雨或是气溶胶的影响较小; 具有绝对定标的优势, 不存在频率漂移的问题, 能保证资料的长期稳定(Rocken et al, 1997; Steiner et al, 1998; Anthes et al, 2008; Sokolovskiy, 2003)。与无线电探空和大尺度分析场相比, 利用GPS/MET RO探测的温度廓线在5~30 km内偏差小于1.5 K (Kursinski et al, 1996; Ware et al, 1996)。Hajj et al(2002)表明CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)RO温度资料的精度可达0.6 K。在对流层顶以上, 利用CHAMP RO探测的温度资料与ECMWF分析资料的偏差小于1 K。在中高纬度地区垂直高度12~20 km内偏差更小, 数值不超过0.5 K (Wickert, 2001, 2004)。
近年来云对GPS RO测量的影响引起了学术界的高度重视。Zou et al(2012)从理论上推导了液态水、冰水与折射率的数学关系, 并发现云内COSMIC掩星探测折射率具有正偏差特征(Yang et al, 2012; Zou et al, 2012), 且在沿GPS射线的路径上, 云的覆盖度越大, 正偏差的数值也越大(Yang et al, 2017a)。而在COSMIC数据分析和存储中心CDAAC(COSMIC Data Analysis and Archive Center)的湿反演过程中, 以及在GPS折射率同化的观测算子中并没有考虑液态水和冰水的贡献。Yang et al(2012, 2017b)在向前模式中考虑了液态水和冰水项的贡献, 利用折射率反演了大气温度, 并分析了不同类型云内廓线的温度递减率特征。
由于在对流作用下云系发展强盛, 高原地区的数值预报水平一直受到观测资料缺乏的制约。而GPS掩星资料垂直分辨率高, 受云雨影响较小。消除水汽、云等因素引入的偏差、加强GPS掩星资料同化是提高高原地区数值预报水平的有效手段。郝民等(2010)指出GPS掩星资料对于提高高原数值预报具有重要意义。在利用GPS掩星资料同化初始场以后, 对流层下层的湿度场、中上层的风场预报效果得到了显著改善。Chen et al (2011)利用GPS掩星资料检验高原上空的对流层顶折叠事件, 发现事件发生频率远高于再分析资料的检测结果。GPS掩星资料的应用将会优化数值模式。马玉芬等(2013)将单次GPS掩星事件反演的资料融入了同化系统, 降低了高原地区的虚假预报降水量。观测资料误差的无偏性是资料同化的先决条件, 偏差订正是资料同化的前期准备。在资料同化时, 代价函数cost function算极小化的运算需设计观测资料与背景场的偏差。COSMIC掩星折射率的偏差在不同区域不同季节有差异, 引起折射率偏差的原因包括云水等。在进行资料同化时, 在受云水影响比较大的季节, 就需要在向前模式中加入液态水和冰水项。因此研究GPS掩星资料在高原地区的偏差特征, 对于反演和同化具有重要意义。
2 资料与方法目前拥有最先进的COSMIC低轨接收系列卫星LEO(Low-Earth Orbit), 由美国和中国台湾于2006年4月15日联合发射, 每天可以实现2500~3000次探测。COSMIC拥有6颗接收卫星, 而在此之前GPS掩星计划只配备一颗地球低轨卫星。因此, 与之前的GPS掩星计划相比, COSMIC将掩星的空间覆盖密度提高了一个数量级(Anthes et al, 2008; Son et al, 2011)。
当GPS卫星相对于地球低轨卫星COSMIC上升或者下沉时, 便会发生一次掩星事件。通过测量GPS卫星双频信号的多普勒频移, 可计算出折射角数据。在水汽浓度可以忽略不计的上对流层, 先通过Abel积分变换将折射角转化为折射率, 再根据流体静力学方程和理想气体方程得到温度、气压等大气参数信息。在对流层下层, 由于水汽模糊度的存在, 折射率N对水汽条件变得敏感。此时还需借助模式大气背景状态, 采用一维变分法求解水汽压(Ware et al, 1996; Zou et al, 1999)。在中性大气中, 大气折射率N可以看作气压P, 气温T, 水汽压Pw, 液态水项LWC(the liquid water content)和冰水项IWC(the ice water content)的函数, 函数关系表达式为(Yang et al, 2012, 2013):
| $\begin{array}{l} N = 77.6\frac{P}{T} + 3.73 \times {10^5}\frac{{{P_w}}}{{{T^2}}} + 1.45{q_{{\rm{LWC}}}} + 0.69{q_{{\rm{IWC}}}} = \\ {N^{{\rm{dry}}}} + {N^{{\rm{vapor}}}} + {N^{{\rm{LWC}}}} + {N^{{\rm{IWC}}}}, \end{array}$ | (1) |
其中: Ndry为干项, 对折射率的贡献率超过了90%; Nvapor为水汽项, 对折射率的贡献率达到了8% ~9%;液态水NLWC和冰水项NIWC对折射率的贡献率占0.1% ~0.3%, 小于水汽项两个数量级。以往研究者(Ho, 2009; Anthes, 2011; Steiner et al, 2011)认为GPS信号的波长较长, 云水对GPS掩星的影响可以忽略不计。因此, 在GPS RO的反演过程中忽视了液态水和冰水项对折射率的贡献(Yang et al, 2012, 2013)。
本研究使用的是2007年1月至2013年12月由COSMIC掩量反演所得的二级产品, 大气湿廓线wetPrf资料, 以及与之相配的ECMWF分析资料ecmPrf, 数据均由COSMIC资料分析和存储中心CDAAC提供。CDAAC提供的ecmPrf产品已经将分析资料水平插值到wetPrf对应的廓线位置, 由于ecmPrf和wetPrf资料的垂直分辨率不同, 为了便于比较, 将ECMWF分析资料三次样条插值到COSMIC掩量资料对应的高度层上。
双权重质量控制方法能基于观测资料本身的统计分布特征、观测资料与模式资料之间偏差的统计分布特征, 筛除不满足统计规律的数据(Zou et al, 2006)。本研究先利用范围检验, 剔除了折射率为负值的COSMIC资料。然后利用双权重质量控制方法, 剔除了超过COSMIC折射率资料双权重平均值上下三倍标准差的数据。
3 结果分析 3.1 折射率的偏差特征从2007—2013年COSMIC掩星资料在2°×2°格点内的样本数(图 1)中可以看出, 高原西部的资料样本数约为220个, 略多于高原以东的样本数180个。高原南部和北部的样本数均大于高原地区。在高原以南, 样本数超过了240个, 接近赤道时, 又减小到了160个。高原以北的大部分地区样本数都超过了240个, 甚至可以达到340个。夏季水汽的水平输送, 主要通过西南季风区进入高原。对于同一地区的平原地区, 高原对流层内气候特征也会因其热力性质具有特殊性。为了检验不同条件对GPS掩星资料偏差的影响, 选取高原(87°E—97°E, 31°N—36°N)、西南季风区(74°E—84°E, 21°N—26°N)以及平原地区(107°E—117°E, 31°N—36°N)为研究区域(图 1中白色方框所标注的区域)。在高原和平原地区的样本数为200个, 在西南季风区大部分数值超过了260个。
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图 1 2007—2013年COSMIC掩星资料在2°×2°格点内的样本数(单位:个) 白色方框代表研究区域 Fig. 1 Total number (unit: Pic) of COSMIC ROs within 2°×2° grid box during 2007—2013. The white squares represent the study areas |
从2007—2013年在高原、西南季风区和平原地区, 资料样本数的廓线(图 2)中可以看出, 冬季为12月至次年2月, 春季为3—5月, 夏季为6—8月, 秋季为9—11月。在春季和夏季, 资料的样本数比冬季和秋季略多。西南季风区资料总样本数最多, 数值在700~1100范围内。高原和同一纬度的平原地区总样本数近似, 数值在400~800之间波动。样本数的纬向分布差异与COSMIC卫星的轨道形态有关。对于同一地区, 由大气低层向高层, 样本数显著增大直至基本不变。这是因为在对流层下层, 受大气水平梯度、反演算法、射线追踪技术、地形条件等因素的影响, 仅有少量GPS探测信号进入对流层下层(Rocken et al, 1997; Anthes et al, 2008)。由于高原的平均海拔超过了4 km, 在该地区GPS信号的探测深度更浅。为了避免观测误差对分析结果产生影响, 在后续研究中只保留了超过总样本数90%的资料。
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图 2 2007—2013年高原(87°E—97°E, 31°N—36°N)(QTP)、西南季风区(74°E—84°E, 21°N—26°N)(SW)以及平原地区(107°E—117°E, 31°N—36°N)(Plain)的COSMIC掩星资料和ECMWF分析资料在四季的样本数 Fig. 2 Number of samples from COSMIC ROs and ECMWF analyses over Qinghai-Tibetan Plateau (87°E—97°E, 31°N—36°N) (QTP), southwest monsoon area (74°E—84°E, 21°N—26°N) (SW) and plain (107°E—117°E, 31°N—36°N) (Plain) in the four seasons from 2007 to 2013 |
从图 3中可以看出, 整体来看, 除了秋季的平原地区, 折射率偏差的标准差在不同地区的分布特征相似, 表明数据离散程度具有一致性。秋季在平原地区15 km高度附近出现的显著标准差, 与信噪比衰弱、残余电离层噪音增大有关(Wickert et al, 2001)。在低层折射率偏差的标准差均大于高层, 因此低层折射率偏差的离散程度更高。在对流层顶附近(12~17 km), COSMIC掩星资料折射率偏差平均值最小, 与ECMWF分析资料具有良好的一致性。在对流层中下层(8 km)折射率呈显著的偏差特性。冬季, 在不同区域均出现了绝对值小于0.3%的折射率负偏差。春季, 在西南地区的对流层中下层出现了小于-0.5%折射率负偏差; 高原地区出现了数值为0.4%的折射率正偏差; 此时平原地区折射率偏差不显著, 绝对值小于0.2%。夏季和秋季, 在对流层中下层均出现了折射率的正偏差。尤其是夏季, 在高原、西南季风区和平原地区折射率偏差的最大值分别超过了0.7%, 0.6%, 0.5%。
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图 3 2007—2013年高原(87°E—97°E, 31°N—36°N)(QTP)、西南季风区(74°E—84°E, 21°N—26°N)(SW)以及平原地区(107°E—117°E, 31°N—36°N)(Plain)COSMIC掩星资料与ECMWF分析资料折射率偏差((NGPS-NECMWF)/NGPS×100)在四季的平均值(上)及标准差(下) Fig. 3 Mean of fractional N difference ((NGPS-NECMWF)/NGPS×100) (up) and standard deviation of fractional N difference (down) derived from COSMIC ROs and ECMWF analyses in the four seasons over QTP (87°E—97°E, 31°N—36°N), southwest monsoon area (74°E—84°E, 21°N—26°N) (SW) and plain (107°E—117°E, 31°N—36°N) (Plain) during the period from 2007 to 2013 |
折射率和温度通常呈反向变化, 和水汽呈正向变化。从图 4中可以看出, 12~17 km高度处, 冬季和春季, 温度偏差的标准差在不同地区的分布较为一致; 夏季和秋季, 温度偏差的标准差在平原地区最大, 在西南季风区最小。说明西南季风区的温度偏差平均值最具代表性。标准差的差异与不同区域温度的日变化有关, 12~17 km垂直高度处对应平原地区的对流层附近, 以及西南季风区的对流层顶以下。对流层顶在白天抬升, 夜间下沉, 因此在这一高度区间内, 平原地区的温度日变化最大, 西南季风区的温度日变化最小。
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图 4 2007—2013年高原(87°E—97°E, 31°N—36°N)(QTP)、西南季风区(74°E—84°E, 21°N—26°N)(SW)以及平原地区(107°E—117°E, 31°N—36°N)(Plain)COSMIC掩星资料与ECMWF分析资料温度偏差(TGPS-TECMWF)在四季的平均值(上)及标准差(下) Fig. 4 Mean of temperature difference (TGPS-TECMWF) (up) and standard deviation of temperature difference (down) derived from COSMIC ROs and ECMWF analyses over QTP (87°E—97°E, 31°N—36°N), southwest monsoon area (74°E—84°E, 21°N—26°N) (SW) and plain (107°E—117°E, 31°N—36°N) (Plain)in the four seasons from 2007 to 2013 |
在12~20 km区间内, 不同地区的温度偏差波动性都很强。西南季风区在不同季节均出现了温度的最大正偏差, 尤其是秋季[图 4(d)], 这一偏差的振幅在15 km附近可以达到0.8 ℃。在8~12 km内, 不同区域的温度偏差的绝对值均小于0.3 ℃。8 km以下, 温度偏差呈明显的季节性差异。冬季[图 4(a)], 在高原的对流层下层出现了-0.5 ℃的温度负偏差, 在西南季风区出现了高于0.3 ℃的温度正偏差; 春季[图 4(b)], 在8 km以下不同地区的温度偏差较为一致; 夏季和秋季[图 4(c), (d)], 在8 km以下的不同地区温度偏差均为负值。尤其是夏季, 不同区域的温度偏差相差较大:西南季风区的温度偏差可达-0.8 ℃, 平原地区的温度偏差可达-0.6 ℃, 而高原的温度偏差仅为-0.3 ℃。
15 km以上, 冬季和春季相对湿度偏差的标准差在西南季风区最大, 其数值可达18%。在夏季和秋季, 15 km以上不同地区的相对湿度偏差标准差都整体偏大, 且波动明显。此时标准差在西南季风区最大, 高原次之, 平原地区最小。夏季和秋季, 西南季风区的标准差最值出现在15 km附近, 数值分别为35%和34%;对应区域还出现了11%和10%的相对湿度偏差。15 km以上相对湿度偏差标准差的产生与水汽的平、对流交换有关。西南季风区是水汽由对流层进入平流层的关键区域, 因此在四季水汽偏差的标准差都最大。冬季和春季, 在高原和平原地区的水汽交换过程并不明显。一旦进入夏季, 尤其是在高原地区, 就会存在充足的水汽通过穿透性深对流和水平输送, 由对流层顶进入平流层。冬季、春季和秋季, 在高原上空8 km的区域出现了相对湿度负偏差[图 5(a), (b), (d)], 数值分别为-15%, -8%和-8%。夏季, 在8 km以下相对湿度偏差以正值为主[图 5(c)]。尤其是在高原地区, 相对湿度正偏差最大, 数值可达7%, 其次为西南季风区和平原地区。
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图 5 2007—2013年青藏高原(87°E—97°E, 31°N—36°N)(QTP)、西南季风区(74°E—84°E, 21°N—26°N)(SW)以及平原地区(107°E—117°E, 31°N—36°N)(Plain)COSMIC掩星资料与ECMWF分析资料相对湿度偏差(RHGPS-RHECMWF)在四季的平均值(上)及标准差(下) Fig. 5 Mean of relative humidity difference (RHGPS-RHECMWF) (up) and standard deviation of relative humidity difference (down) derived from COSMIC ROs and ECMWF analyses in the four seasons over QTP (87°E—97°E, 31°N—36°N), southwest monsoon area (74°E—84°E, 21°N—26°N) (SW) and plain (107°E—117°E, 31°N—36°N) (Plain) from 2007 to 2013 |
采用世界气象组织(WMO, 1957)定义的温度垂直递减率法LRT(lapse rate tropopause)判定对流层顶:随着高度上升, 温度垂直递减率降低到不超过2 ℃·km-1的最低高度; 与此同时, 在此高度以上2 km范围内所有高度层之间的平均垂直递减率也不能超过2 ℃·km-1。图 6中对流层顶高度和位温的计算均基于GPS掩星资料。对流层顶在25°N—45°N的区间内存在一个明显的断裂带。对流层顶平均高度在25°N以南约为17 km, 在45°N以北约为10 km。从低纬到高原以南, 对流层下层的等位温面缓慢下凹。在高原以北到高纬度地区, 等温线则呈抬升趋势。说明高原地区具有强烈的热力学效应。高原上空的热力学特征主要由发展旺盛的对流凝结潜热所主导(夏昕等, 2016)。在高原地区, 等位温面与对流层顶断裂带相交, 有利于水汽沿等位温面的水汽输送。上述条件均表明, 高原为水汽的跨对流层顶输送提供了优厚条件。
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图 6 COSMIC掩星资料和ECMWF分析资料之间的折射率偏差[(NGPS-NECMWF)/NGPS×100](a, 阴影区, 单位: %)、温度偏差(TGPS-TECMWF) (b, 阴影区, 单位: ℃)和相对湿度偏差(RHGPS-RHECMWF)(c, 阴影区, 单位: %), 以及利用掩星资料所判定的对流层顶高度(红色实线)和位温(黑色实线)沿西南季风区(79°E)的剖面 Fig. 6 Fractional N differences [(NGPS-NECMWF)/NGPS×100] (a, the shaded, unit: %), temperature biases (TGPS-TECMWF) (b, the shaded, unit: ℃), relative humidity biases (RHGPS-RHECMWF) (c, the shaded, unit: %) derived from COSMIC ROs and ECMWF analyses, tropopause heights (red solid line) and potential temperature (black solid line) derived from COSMIC ROs taken at southwest monsoon area (along 79°E) |
在高原以南8~20 km的高度层内, 折射率偏差[图 6(a)]的绝对值小于0.2%。值得注意的是, 在热带对流层顶(30°N以南)下方出现了8%的相对湿度显著正偏差[图 6(c)]。在2~8 km的高度区间内可以看出, 在35°N以南出现了折射率正偏差[图 6(a)]。两个折射率正偏差的最值区出现在低纬地区(10°N—15°N)和高原(30°N—35°N)上空。出现在低纬地区的折射率正偏差可达0.8%, 出现在高原地区的折射率正偏差为0.4%。对应在低纬度地区和高原地区均出现了-0.8 ℃的温度负偏差[图 6(b)]和6%的相对湿度正偏差[图 6(c)]。在对流层低层存在显著的折射率负偏差、温度正偏差和相对湿度负偏差[图 6(a), (b), (c)]。
3.3 偏差产生的原因分析在对流层顶附近(12~17 km), COSMIC掩星的折射率偏差最小。此时COSMIC掩星资料与ECMWF分析资料具有良好的一致性。在对流层中下层(8 km)由廓线之间的无关性所带来的噪音干扰, 大气中水汽、云的小尺度变化都有可能是产生偏差的原因。在近地层水汽模糊度和折射率梯度增大造成的观测误差, 为COSMIC掩星资料引入了负偏差(Rocken et al, 1997; Kursinski et al, 1997)。
冬季大气状态干燥而稳定, 在对流层中下层折射率偏差[图 3(a)]的绝对值非常小, 但是受反演误差的影响, 整体呈现出绝对值小于0.3%的折射率负偏差。受季风活动影响, 春季对流层中下层的水汽浓度剧增、折射率的水平梯度增大, 在西南地区出现了小于-0.5%的折射率负偏差[图 3(b)]。在高原地区出现了0.4%的折射率正偏差, 可能与地势梯度有关。夏季和秋季, 在对流层中下层的不同地区均出现了0.2% ~0.8%的折射率正偏差[图 3(c), (d)]。8 km高度层上, 折射率最大正偏差可超过0.8%, 出现在低纬地区[图 6(a)]。Zou et al(2012)发现在深对流云中出现了超过1.8%的折射率正偏差。由公式(1)可知, 大气折射率为气温T、水汽压Pw、气压P、液态水LWC与冰水IWC的函数。对折射率的贡献主要为第一项(干项)和第二项(水汽项)。因此在反演温度、水汽, 或是计算观测算子时往往忽略了第三项(LWC, 液态水含量项)和第四项(IWC, 冰水含量项)(Yang et al, 2013; Zou et al, 2012)。
| $\Delta {N_{O - R}} = ({N^{{\rm{obs}}}} - N_{{\rm{LWC}}}^{{\rm{obs}}} - N_{{\rm{IWC}}}^{{\rm{obs}}}) - (N_{{\rm{dry}}}^{{\rm{GPS}}} + N_{{\rm{vapor}}}^{{\rm{GPS}}}), $ | (2) |
NdryGPS和NvaporGPS分别为利用式(1)中的气压P、气温T、水汽压Pw计算的折射率干项和水汽项。云中液态水和冰水对折射率的贡献率为
由式(1)可知, 折射率偏差主要受温度、湿度与云的影响。温度与折射率负相关, 它对折射率的贡献率超过90%;水汽与折射率呈正相关关系, 它对折射率的贡献率可达8% ~9%;云中液态水和冰水可以引入折射率正偏差, 其贡献率占0.1% ~0.3%。
气温对折射率的贡献率主要源于干项77.6
水汽压对折射率的贡献主演源于水汽项3.73×105
沿西南季风区(79°E), 利用两种资料所判定对流层顶高度偏差的概率密度分布(图 7)显示, 对流层顶高度偏差的概率密度正值多于负值。对流层顶高度偏差最大概率密度分布在0~0.2 km, 数值超过1200;其次在0.2~0.4 km区域内, 样本数超过800个。利用COSMIC掩星资料判定的对流层顶通常比利用ECMWF分析资料判定的对流层顶高。在对流层顶附近, ECMWF分析资料的分辨率较低, 不能像GPS掩星资料一样灵敏地刻画大气波动状态, 因此存在系统性偏差(Santer et al, 2003; Borsche et al, 2007)。在利用COSMIC掩星资料判定的对流层顶下方, 往往对应着利用ECMWF分析资料判定的对流层顶上方。逆温层会造成水汽传输困难, 导致平流层中的水汽浓度远小于对流层。所以在对流层顶下方出现了相对湿度正偏差。在对流层顶发生的质量交换是大气模式中的一个关键过程, 迄今还不能被人们完全理解。因此, 对流层顶附近的水汽正偏差不仅与资料垂直分辨率有关, 还可能与模式误差有关(Zhan et al, 2007)。
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图 7 利用COSMIC掩星资料和ECMWF分析资料沿过西南季风区(79°E)的剖面所判定对流层高度偏差的概率密度分布 Fig. 7 Frequency distributions for tropopause height differences derived from COSMIC ROs and ECMWF analyses along the profile over southwest monsoon area (along 79°E) |
高原地形特殊, 对流活动频繁, 云水丰富, 小尺度天气活跃也限制了大部分卫星资料的同化应用。GPS无线电信号因波长很长(20 cm), 高垂直分辨率资料为研究小尺度天气过程提供更为精细的观测信息, 其资料同化应用是提高高原地区数值预报水平的重要保证。已有大量研究证明, GPS掩星资料在高原具有良好的适用性(郝民等, 2010; Chen et al, 2011; Feng et al, 2011; 马玉芬等, 2013; 徐桂荣等, 2016)。高原地区云系发展强盛, 而最新研究表明, 云水对GPS掩星观测的影响甚至可以达到它的反演误差(Zou et al, 2012; Yang et al, 2012)。因此, 分析高原地区GPS掩星资料的偏差特征可以为GPS掩星资料的同化和反演提供理论参考。
冬、春季节, 在高原对流层低层出现折射率负偏差, 这和GPS信号在水汽充沛的对流层容易出现多路径有关(Rocken et al, 1997)。夏季高原对流强烈, 对流层中下层云系发展旺盛, 折射率的正偏差可能和云中的液态水和冰水有关(Zou et al, 2012; Yang et al, 2012)。COSMIC掩星资料在对流层顶有很高的精度(Kursinski, 1997), ECMWF分析资料在对流层顶更干且对流层高度偏低, 因此夏季在西南季风区的对流层顶出现了相对湿度正偏差。夏季, GPS掩星资料在高原及其周边地区具有较大的偏差, 而在以前的GPS RO同化的观测算子中都没有考虑液态水和冰水项的贡献, 在GPS RO向前模式中引入云水的贡献, 分析云水对同化的影响是下一步工作的重点。
5 结论本文利用2007—2013年COSMIC掩星资料和ECMWF分析资料研究了大气折射率, 温度和相对湿度的偏差特征, 得到以下结论:
(1) 冬季和春季, 大气折射率在青藏高原对流层中下部有小的正偏差, 而在西南季风区和平原地区对流层中下部有明显的负偏差。
(2) 夏季, COSMIC掩星资料在对流层中下层(2~8 km)存在显著的折射率正偏差。在青藏高原、西南季风区和平原, 偏差数值可达0.7%、0.6%和0.5%。在折射率正偏差的出现区域, 会伴随着温度负偏差和水汽正偏差。在高原地区温度和相对湿度的偏差最显著, 可达-0.5 ℃和7%。
(3) 夏季和秋季, 在西南季风区的对流层顶附近出现了显著的相对湿度正偏差, 数值分别为11%和10%。
Anthes R A, Bernhardt P A, Chen Y, et al. 2008. The COSMIC/FORMOSAT-3-Mission early results[J]. Bulletin of Then American Meteorological Society, 89(3): 313–333.
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2. College of Atmospheric Science, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, Jiangsu, China