卫星掩星资料研究对流层/下平流层ENSO响应

陈志平

东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌 330013

近20年来，频发的ENSO事件对地球环境造成了灾难性的破坏。由于传统的ENSO观测系统受到诸多限制因素的影响，难以进行长期持续的观测，阻碍了ENSO监测和预报工作的深入开展。GNSS掩星技术凭借其全球覆盖、高精度、高垂直分辨率、长期稳定、低成本且不易受干扰等优点，为ENSO观测提供了一种新的有效手段。由此，本文展开了COSMIC GNSS掩星技术的ENSO新观测系统的研究，尤其是对流层/下平流层(troposphere and lower stratosphere,TLS)大气中的比湿进行研究。提出从TLS比湿廓线中提取表征ENSO现象的指数(ENSO related signal,ENSORS)，并研究了其与ENSO事件的相关性。本文的研究工作主要有：COSMIC GNSS比湿廓线的可靠性验证、ENSO周期内比湿气候异常特征、ENSORS提取方法以及ENSO在TLS中的时间及空间响应。本文的主要内容如下：

(1) 全面系统地分析了COSMIC比湿廓线在对流层的相对误差分布情况。结果表明原有COSMIC比湿廓线的质量可靠性验证方法存在不足，因此，本文在展开Radiosonde和COSMIC比湿数据的比较研究时，采用更严格的配对标准，以不同纬度带、不同时间段、不同季节和不同低轨卫星，对两者进行了统计比较分析。结果证实了COSMIC比湿廓线精度在不同纬度带、时间段及季节，存在着差异，但不同卫星反演的廓线精度类似。COSMIC比湿廓线在对流层中上层(950～200 hpa)是可靠的，而在对流层下层，尤其是近地表面，其可靠性降低。为了进一步验证其可靠性，利用2006年6—11月的ERA-Interim再分析数据(未同化COSMIC掩星数据)和其进行了统计比较。结果验证了COSMIC比湿廓线的可靠性，为后续研究ENSO提供了数据保障。

(2) 从多个角度分析了ENSO周期内比湿气候异常特征，例如，北半球冬季全球比湿异常、比湿纬向平均异常、经向平均异常等。结果表明：①COSMIC比湿廓线很好地描述了ENSO事件的强弱及相位特征；②在对流层上层，ENSO信号相较于其他高度层有信号增强的现象。

(3) 全面分析了TLS各高度层COSMIC比湿的月异常信号中混合的各种信号。鉴于传统的ENSORS提取方法(正交经验函数EOF方法)，容易混入与ENSO不相关的信号，本文提出了一种融合最优低通滤波和EOF方法的组合方法，对比湿月异常数据进行处理，并得出其与海洋尼诺指数ONI最大相关的时间系列。结果表明：在TLS的所有高度层，利用组合方法提取ENSORS较EOF方法具有明显的改善作用，尤其是在下平流层和低对流层。组合方法提取的ENSORS信号与ONI之间相关系数在滞后3个月之后可以达到0.94以上，且其周期、振幅及趋势与ONI高度一致，表明由GNSS掩星廓线提取的ENSORS可以很好地描述ENSO现象。

(4) 利用组合方法分析了全球不同区域，TLS各高度层对ENSO的时空响应。总结出响应特征的规律，提出最适宜提取ENSORS的高度及地理区域范围，并重建了ENSO在TLS中的空间垂直结构。为了进一步验证比湿提取的ENSORS结果，本文利用全球不同区域内TLS各高度层的COSMIC干温廓线提取出ENSORS。结果表明：①ENSO在对流层中的响应普遍比ONI滞后0至6个月，在平流层则呈现出不统一的时间响应特征；②相较于干温，比湿廓线在提取ENSORS时更稳定，但从干温(0.96以上)提取的ENSORS与ONI的相关系数高于比湿(0.94以上)；③从比湿廓线提取的ENSORS信号在250～200 hpa高度区间和G25-G65的空间范围内最显著。从干温廓线提取的ENSORS信号在350～380 hpa高度区间和G40-G70的空间范围内最显著。