利用COSMIC掩星弯曲角数据分析中国区域对流层顶结构变化

徐晓华，高 攀，张小红

武汉大学测绘学院，武汉 430079

1 引 言

近年来，全球气候变暖问题倍受关注，联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）和世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）共同成立的联合国政府间气候变化专门委员会 （Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）就全球气候变化问题多次发布科学评估报告，指出由于人类的各种社会活动导致全球气候变暖.IPCC第四次评估报告指出全球平均气温在1906至2005年的一百年间升高了0.74℃［1］.由于全球气候变暖，对流层温度逐渐升高，平流层温度逐渐降低，介于平流层和对流层之间的对流层顶高度、温度、气压等参数也随着发生变化.对流层与平流层之间的物理、化学变化和辐射过程的耦合直接影响着气候变化，对流层顶的变化引起越来越多的关注.国际上有不少学者通过分析无线电探空观测数据［2－3］和欧洲中尺度天气预报中心（European Centre for Medium－Range Weather Forecasts，ECMWF）、美 国 国 家 环 境 预 报 中 心 （National Centers for Environmental Prediction，NCEP）等大气模式再分析数据［4－5］研究对流层顶结构.但无线电探空数据时间分辨率低（常规无线电探空仪每天只观测两次甚至只有一次），观测成本较高，探空站分布不均，沙漠地带、海洋区域等人烟稀少的地方很少有甚至没有无线电探空观测数据，而大气模式再分析数据垂直分辨率低.

自20世纪90年代中期以来，一种新型的地球大气探测技术——GPS无线电掩星技术受到越来越多的关注.该技术摆脱了传统大气探测手段的不足，可长期稳定地测定从地面至800km高空的大气参量和电离层电子密度的全球分布.当低轨道卫星上的GPS接收机接收到GPS卫星发射的穿过电离层和中性大气而发生折射的无线电波，就称之为发生了掩星事件.利用每次掩星事件的观测资料，可反演平流层、对流层的大气参数廓线.

GPS掩星观测资料具有全天候、高垂直分辨率、全球分布、观测长期稳定、无需仪器校正等优点，是进行对流层顶结构变化研究的理想资料［6－7］.随着各项GPS掩星任务的实施，一些学者利用掩星温度廓线进行了全球或区域的对流层顶结构分析，并取得了鼓舞人心的成果.Nishida等采用GPS／MET掩星观测资料得到了赤道附近对流层顶结构，并指出对流层顶温度在8、9月份较高，而在1—4月较低［8］.Schmidt等利用CHAMP掩星观测资料分析了对流层顶高度、温度、气压等参数的空间变化及年际变化［6］.Borsche等利用CHAMP掩星任务2001年9月至2006年8月的掩星观测资料分析了热带对流层顶温度和高度的分布及其变化特征，并与NCEP、ECMWF等大气模式再分析数据进行了比较［5］.Schmidt等联合利用CHAMP掩星任务2001年5月至2007年12月及GRACE掩星任务2006年7月的观测资料，通过分析对流层顶高度及温度的分带月平均，发现在该时间段内全球对流层顶高度有26～44m的上升，并发现对流层顶高度变化与平流层内的温度负相关，与对流层内的温度正相关［9］.王鑫等联合利用 CHAMP和SAC－C掩星温度观测资料，研究了青藏高原上空对流层顶结构，分析了青藏高原对流层顶高度及温度随时间、空间的变化［10］.Xu等利用CHAMP和COSMIC掩星观测资料分析了中国区域内对流层顶的时空变化特征，指出这两种掩星任务的温度廓线精度是一致的，并比较分析了温度最低点对流层顶与温度递减率对流层顶以及这两种对流层顶的变化趋势［7］.

在上述研究工作中，确定的对流层顶均为由GPS掩星资料反演的温度廓线得到的最冷点对流层顶（Cold Point Tropopause，CPT）或温度递减率对流层顶（Lapse Rate Tropopause，LRT）.但在掩星数据处理中，由弯曲角廓线到温度廓线的反演过程中应用了流体静力平衡方程、理想气体状态方程、大气球对称等假设［11］.另外，在采用变分同化反演温度廓线的过程中，需要由其它观测手段或者由数值天气预报模式提供的先验温度场信息，先验温度廓线的误差也会影响到掩星温度廓线的反演精度.因此，由掩星温度廓线出发确定对流层顶高度可能会受到上述各种因素带来的误差影响.

近年来，一些学者提出了直接从掩星观测资料中的弯曲角出发确定对流层顶高度，避免了上述相关假设所引起的温度反演误差对对流层顶结构研究带来的干扰.Rao等首先提出了由弯曲角梯度确定对流层顶的方法，利用该方法确定的对流层顶与利用掩星及其附近无线电探空观测的温度廓线确定的CPT和LRT对流层顶的比较表明，在南北两极，由弯曲角确定对流层顶更为可行［12］.Lewis提出了另一种由弯曲角自然对数经协方差变换确定对流层顶的方法，并验证了利用这种方法比由弯曲角梯度确定对流层顶更加稳健［13］.基于Lewis提出的方法，Schmidt等联合利用2001年至2008年的CHAMP掩星观测资料和2006年至2009年的COSMIC掩星观测资料，从弯曲角出发确定对流层顶高度，分析了全球对流层顶高度随纬度、时间的变化，给出了对流层温度升高、平流层温度降低与对流层顶高度上升的关系，并指出全球对流层顶在2001年至2009年间平均每年上升了5～9m［14］.

中国地域辽阔，南北纬度横跨约50°（3°51′N—53°33′N）、东西跨约62°（73°33′E—135°05′E），主要区域集中分布在亚热带和温带地区，拥有被称为“第三极”和“世界屋脊”的青藏高原，具有自己独特的气候特征.分析中国区域的对流层顶时空变化特征对研究中国气候变化具有重要的意义.因此，本文采用掩星弯曲角自然对数协方差变换法确定对流层顶，通过处理COSMIC任务实施以来近5年的掩星观测数据，深入分析中国区域对流层顶结构的时空变化特征.

2 数据与方法

2.1 数据说明

图1 中国区域无线电探空站和掩星事件分布图（a）中倒三角形表示探空站，（b）、（c）中小圆点分别表示COSMIC掩星任务2008年1月2日、2008年1月份的掩星事件.Fig.1 The locations of radiosonde stations（the inverted triangles in（a））and radio occultation observations on Jan 2，2008（the solid circles in（b））and in Jan 2008（the solid circles in（c））over China

图1a给出了全球常规无线电探空网络（Integrated Global Radiosonde Archive，IGRA）中探空站在中国区域内的分布，图1b、1c分别给出了COSMIC掩星任务2008年1月2日、2008年1月发生的掩星事件在中国区域的分布.通过比较图1a、1b、1c发现中国区域探空站稀疏且分布不均，在青藏高原、内蒙古高原、大兴安岭等人烟稀少的地区很少有甚至没有无线电探空观测数据.而在一天中COSMIC掩星观测数据量相对较少，但每次COSMIC掩星事件发生的地点是变化的，累积时间越长其空间采样点越多越密集，时间累积到一个月，如图1c所示，掩星观测数据量大，掩星事件稠密且基本均匀覆盖.本文为了分析中国区域对流层顶结构的时空变化特征，采用了COSMIC数据分析与处理中心（the COSMIC Data Analysis and Archive Center，CDAAC）提供的2007年1月1日至2011年12月31日的level2级COSMIC掩星数据产品，共有126949次掩星事件.

2.2 对流层顶高度确定方法

根据温度廓线数据确定对流层顶的方法主要有温度最冷点对流层顶CPT和温度递减率对流层顶LRT两种.CPT的确定方法是选取垂直温度廓线上温度数据的最小值作为对流层顶温度，对应的高度作为对流层顶高度；LRT的确定方法是根据WMO于1957年给出的定义：温度递减率小于或等于2℃／km且以上2km内温度递减率的平均值不大于2℃／km的大气层结所对应的最低高度［15］.

本文采用协方差变换法，利用掩星弯曲角廓线来确定对流层顶高度，由此确定的对流层顶在本文中称为弯曲角自然对数协方差变换对流层顶（Bending Angle Covariance Transform Tropopause，BACTT）.其基本原理如下［13］：

由随高度z变化的掩星弯曲角廓线α（z）出发，得到相应的弯曲角自然对数廓线lnα（z）.该廓线的局部协方差变换Wlnα（a，b）为：

（1）式中zb、zt分别为弯曲角廓线范围的最低点和最高点的高度，b为廓线上的高度为lnα（z）的一个梯度函数，定义为：

参数a的选取与廓线高度区间有关.当给定某个a 值后，Wlnα（a，b）将随着高度b 而变化.当Wlnα（a，b）取极大值时，对应的高度b＝bp即为对流层顶高度.

通过采用不同的a值进行比较，发现当a＝35km时，在低对流层中 Wlnα（a，b）的变化相对平滑，基本能过滤低对流层大气温度和湿度梯度引起的小尺度变化，而在对流层顶区域，Wlnα（a，b）变化剧烈，易于确定对流层顶［16］，因此本文a的取值为35km.

图2 弯曲角、弯曲角自然对数、弯曲角的自然对数协方差Wlnα（a，b）以及温度随高度变化的廓线（a）中的两条廓线分别为弯曲角和弯曲角自然对数廓线；（b）中的两条廓线分别为温度廓线与Wlnα（a，b）廓线，黑圆圈、横线与方框分别代表CPT、LRT与BACTT.Fig.2 The bending angle profile（the solid line in（a）），the natural logarithm of bending angle（the dashed line in（a）），the covariance transform of the natural logarithm of the bending angle（the solid line in（b）），and the temperature profile（the dashed line in（b））The solid circle，line and box in（b）represents CPT，LRT and BACTT，respectively.

以COSMIC 1号卫星2010年5月1日04∶57时在位置（60.68°N，114.50°E）上空的一次掩星事件的弯曲角廓线为例，笔者对利用本方法确定对流层顶的有效性进行了验证，图2给出了相应的验证结果.图2a的两条廓线分别给出了该掩星事件弯曲角和弯曲角的自然对数随高度的变化.从图中可以看出两条廓线在整个高度范围内变化比较平缓，弯曲角廓线上几乎看不见任何突变，仅弯曲角的自然对数在10km内有细微的抖动.因此直接由弯曲角或弯曲角自然对数廓线无法直观确定对流层顶高度.图2b给出了弯曲角自然对数廓线协方差变换后的参量Wlnα（a，b）随高度的变化，从图中可以看出，在Wlnα（a，b）的廓线图上有一个明显的极大值，该极大值即对应BACTT对流层顶高度，其值为9.97km.在图2b中同时给出了该掩星事件的温度廓线，及由该温度廓线确定的CPT和LRT，对应的高度分别为9.86km和9.76km.由图可见，三种方式确定的对流层顶高度基本一致，互差在0.21km内，验证了弯曲角自然对数协方差变换法的实用性.因此本文后续的研究采用该方法确定对流层顶高度.由每次掩星事件的弯曲角廓线确定的对流层顶高度出发，可得到相应的对流层顶温度与气压.

2.3 对流层顶结构变化分析方法

采用2°×2°网格法，把包括中国在内的16°N—54°N、72°E—136°E区域共分成19×32个网格单元，然后计算每个网格单元对流层顶高度、温度、气压的平均值，分析中国区域对流层顶参数随经纬度变化分布特征；通过计算每个网格单元对流层顶参数各季节平均值分析对流层顶参数的季节性变化；通过计算中国区域对流层顶参数的月平均值，利用去除季节性变化的距平［17］、中位数斜率回归法［18］（median of pairwise slopes regression）分析对流层顶参数的趋势变化.

去除季节性变化的距平计算方法如下：

其中n为研究时间段的总年数，i为研究时间段的年数，i＝1，2，…，n，j表示月份，j＝1，2，…，12，Fi，j为第i年第j月对流层顶参数的月平均值，ΔFi，j为相应年月对流层顶参数距平为研究时间段内第j月的同期平均值.

中位数斜率回归法的基本原理如下［18］：

其中（xi，yi）、（xj，yj）为任意可能的数据对，bk为斜率，最终斜率bs为所有bk的中位数.

3 结果与分析

3.1 对流层顶结构随经纬度的变化

利用2008年的COSMIC掩星观测资料，采用2.2节中弯曲角自然对数协方差变换法确定对流层顶高度，并对中国区域的对流层顶参数随纬度的变化进行分析.图3a—3d分别给出了中国区域对流层顶高度、温度、气压各参数随纬度的变化以及中国区域发生的掩星数目随纬度分布情况.由图3a可见，在中国区域内，对流层顶高度从低纬到高纬随纬度递减.15°N—25°N的热带区域内，对流层顶高度较高，为17km左右.而在45°N—55°N的中纬区域，对流层顶高度较低，为11km左右.图3b显示中国区域对流层顶温度随纬度的变化，从图中可以看出在17°N—45°N 对 流 层 顶 温 度 随 纬 度 升 高，而 在45°N—53°N对流层顶温度随纬度缓慢降低.图3c显示中国区域对流层顶气压随纬度变化趋势与对流层顶高度变化趋势相反，对流层顶气压从低纬到高纬升高.从图3a、3b、3c还可看出在30°N—40°N 的亚热带区域，对流层顶高度、温度、气压随纬度变化剧烈.图3d显示每2°纬度带内掩星事件数大于1000次，表明COSMIC掩星任务为分析中国区域对流层顶结构时空变化特征提供了丰富的观测资料.

图4a—4d分别给出了2008年中国区域对流层顶高度、温度、气压及掩星事件随经纬度的分布.从图4a—4c可以看出，中国区域的对流层顶高度、温度与气压主要随纬度变化，随经度变化较小.图4a显示，在16°N—32°N内，对流层顶高度随纬度变化较小，基本都在16～18km内变化.在32°N—40°N的范围内，对流层顶高度从16km急剧下降至12km.在40°N—55°N的中纬度区域，对流层顶变化相对平缓.从图中还可以看出中国西部对流层顶高度高于同纬度的东部对流层顶.图4b显示中国西部对流层顶温度比同纬度东部对流层顶温度稍低.图4c显示对流层顶气压由南向北递增，在32°N左右，对流层顶气压急剧增加.在中国南部对流层顶气压随经度变化较小，东南部上空的对流层顶气压比西南部气压稍高；而在中国中部和北部，对流层顶气压随经度变化较明显，由东到西对流层顶气压逐渐降低，东北部的对流层顶气压比西北部对流层顶气压高约60hPa.从图4d可以看出在大部分2°×2°的经纬度网格单元内发生的掩星事件数大于30次.

图3 2008年中国区域对流层顶高度（a）、温度（b）、气压（c）和掩星事件数量（d）随纬度的变化Fig.3 The variation of tropopause height（a），temperature（b），pressure（c）and number of occultations（d）with latitude over China in 2008

3.2 对流层顶结构的季节性变化

为了研究对流层顶结构的季节性变化，将2008年中国区域的掩星事件按季节分组，对不同季节对流层顶参数的分布进行了比较.图5—图7分别显示了2008年中国区域对流层顶高度、温度、气压的季节性变化特征.

图5a—5d分别给出了2008年春、夏、秋、冬四个季节中国区域对流层顶高度随经纬度的分布.图5a—5d的比较显示随着春－夏－秋－冬－春的季节变换，对流层顶高度呈现逐渐升高－降低－降低－升高的趋势；夏季对流层顶最高，冬季对流层顶最低.在整个春夏秋冬四季，对流层顶高度分别在32°N、40°N、36°N、32°N区域，由南向北急剧降低.对流层顶高度最大值出现在夏季的青藏高原，为18km；最小值出现在冬季的中国东北地区，为9.0km.图5b显示，夏季青藏高原对流层顶高度明显高于中国其它区域.

图6a—6d分别给出了2008年春、夏、秋、冬四个季节中国区域对流层顶温度随经纬度的分布.对图6a与图6c两图进行比较发现，在春秋两季，中国区域对流层顶温度随经纬度的变化具有相似特征：东部对流层顶温度高于西部.而在夏冬两季，中国北方对流层顶温度随经纬度变化刚好相反：在夏季，西北地区对流层顶温度高于东北地区；在冬季，东北地区对流层顶温度高于西北地区，从Xu等［7］的研究成果中也可发现这一现象.

图7a—7d分别给出了2008年春、夏、秋、冬四个季节中国区域对流层顶气压随经纬度的分布.从图中可看出，夏季对流层顶气压最低，冬季对流层顶气压最高；对流层顶气压最大值出现在冬季的东北地区，最小值出现在夏季的青藏高原.在四个季节中，在中国北方，东部地区的对流层顶气压高于西部，而在南方对流层顶气压随经度变化较小.在夏季，青藏高原对流层顶气压明显低于同纬度带的中国东部地区.

3.3 对流层顶参数趋势变化

图8 2007年1月至2011年12月中国区域对流层顶高度月平均变化（a）表示对流层顶高度的月平均变化，（b）表示去除季节性变化的对流层顶高度月平均距平变化.Fig.8 The tropopause height monthly means（a）and its de－seasonal monthly anomalies（b）during the period between Jan 2007and Dec 2011over China

图8给出了中国区域对流层顶高度的月平均变化.从图8a中可以看出，对流层顶高度具有明显的季节性变化特征，对流层顶高度每年呈单峰型分布，在每年的7、8月份具有最大值，每年的1月份左右具有最小值.从1月份到7、8月份，对流层顶高度逐渐升高，从7、8月份到12月份，对流层顶高度逐渐下降.从图8b中看出，2009—2010年冬季对流层顶高度为2007—2011年5年同期最低，这可能与地表温度变化以及气候变化有关.美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）全球气象台（Earth Observatory）网站上公布的Terra卫星观测数据显示2009—2010年冬季中国区域地表温度远低于2000—2008年同期月平均温度［19］.与此同时，2009—2010年冬季我国大部分地区气候变化异常，许多地区最低温度创同期历史记录，中国气象局国家气候中心李毅指出这是在北半球大范围气候异常背景下发生的［20］.

图9给出了中国区域对流层顶温度的月平均变化.从图9a中可以看出，对流层顶温度的变化趋势比对流层顶高度变化复杂.在一年内，对流层顶温度具有多个峰值，每年的4—6月，对流层顶温度最高，9—10月温度最低.从图9b中可以看出2009年大部分月份对流层顶温度高于对流层顶同期平均温度，而2010年下半年和2011年各月对流层顶温度基本低于对流层顶同期平均温度.表明在2009年对流层顶温度升高，2010年下半年和2011年对流层顶温度降低.

图10给出了中国区域对流层顶气压的月平均变化.图10a显示对流层顶气压每年呈单峰型分布，具有明显的季节性变化特征.对图10a与图8a进行比较发现，对流层顶气压变化趋势与对流层顶高度变化趋势刚好相反.在冬季，对流层顶气压具有最大值；在夏季，对流层顶气压具有最小值.在春季，对流层顶气压降低，在秋季，气压升高.从图10b看出2007年对流层顶气压低于研究年份同期平均值且负距平趋势逐月降低，直到2009年1月对流层顶气压高于研究年份同期平均值且正距平趋势逐月升高.2010年5—6月对流层顶气压距平变化较大.

采用中位数斜率回归法对对流层顶参数月平均值进行了分析，发现在2007年至2011年中国区域对流层顶高度平均每年降低8m.而张红雨等利用华北地区12个探空站的观测数据发现1979—2008年该地区第一对流层顶高度平均每10年上升12.5m［21］.本文研究成果与张红雨等的研究成果有较大差异，可能是由于以下原因：一方面研究地域不同，张红雨等研究的是华北地区，而本文研究的是包括中国在内的16°N—54°N、72°E—136°E整个区域；另一方面观测时间段不同，本文主要研究2007年至2011年共5年对流层顶高度变化，时间段短；而张红雨等研究时间段为1979年至2008年共30年时间，时间段长.此外，从Hansen等的研究成果中可看出1979—2009年全球地表温度主要呈上升趋势，而2005—2009年全球地表温度降低［22］，与此同时Kerr等也指出最近几年全球气候变暖停滞甚至地表温度降低［23］.张红雨等得到的对流层顶高度升高是在全球地表温度上升的背景下发生的，而本文的研究结果对流层顶高度降低是在全球地表温度下降和最近几年中国气候变化异常的背景下发生的.

4 结 论

本文利用COSMIC掩星任务2007年1月至2011年12月的掩星数据产品，采用弯曲角自然对数协方差变换法确定对流层顶高度，并由此确定对流层顶的温度与气压.采用2°×2°网格法，把包括中国在内的16°N—54°N、72°E—136°E 区域共分成19×32个网格单元.通过计算每个网格单元内对流层顶参数的月平均值和季节平均值，分析了中国区域对流层顶高度、温度、气压等参数的空间分布和季节性变化特征.结果表明中国区域对流层顶高度、温度及气压呈明显的纬度分带分布特征.从低纬到高纬，对流层顶高度随纬度降低；在亚热带地域，对流层顶高度显著降低.中国西部对流层顶高度略高于东部，西部对流层顶气压和温度均低于东部.同时中国区域的对流层顶参数呈明显的季节性变化，在每年的7、8月份对流层顶高度最高、气压最低；在每年的2、3月份，对流层顶高度最低、气压最高.对流层顶温度变化规律相对复杂.采用中位数斜率回归法分析2007年1月至2011年12月中国区域对流层顶参数月平均值发现，近5年来中国区域对流层顶高度平均每年降低8m，这是在近5年来全球地表温度降低的背景下发生的.

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