COSMIC掩星大气水汽廓线的质量分析

陈 冰，龚 绍 琦，张 存 杰，闵 爱 莲，王 海 君，韩 静

(1.南京信息工程大学遥感与测绘工程学院，江苏 南京210044；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 三亚 570203；3.国家气候中心，北京100081；4.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京210044)

0 引言

水汽是大气中最活跃的成分之一，其空间分布极不均匀、时间变化快，是生成云和降水的必要条件；同时，水汽通过大气平流和垂直输送、蒸发与凝结等过程影响大气辐射，进而影响地—气间的水分循环和能量平衡。因此，水汽是天气预报、气候变化乃至全球变化监测的重要对象。

目前可用的水汽资料包括：1)经验栅格模型的ECMWF[1]和NCEP/NCAR[2]再分析数据，多用于局部水汽研究，空间分辨率偏低(最高为0.125°×0.125°)；2)地基数据，包括探空数据[3]、GNSS反演水汽数据[4]、太阳光度计观测数据[5]、微波辐射计数据[6]和激光雷达数据[7]，除探空数据每天观测2次外，其他数据观测频率高达15 min/次甚至5 min/次，数据准确，但观测站点少且分布不均，无法进行有效的空间分布特征分析；3)空基水汽数据，源于微波遥感、热红外遥感[8]、近红外遥感[9]及GNSS掩星反演，时空分辨率高，但该类数据主要为大气总水汽量数据，很少有大气垂直剖面的水汽数据。随着低轨卫星无线电掩星技术不断发展，由低轨卫星搭载GNSS掩星接收机能在全球范围内获得大气剖面温湿压数据[9-12]，这些数据成本低、精度高、垂直分辨率高，且不受云雨天气影响，还能提供洋面上方的温湿廓线分布信息，是高空大气探测不可或缺的一部分。其中，COSMIC星座由6颗微小卫星组成[13]，卫星扫描周期为100 min，每天能得到约2 000个近实时掩星点的大气垂直剖面数据[14]，是当前GNSS掩星数据最多的一个星座。然而，当前国内外研究主要利用探空数据和再分析数据对COSMIC大气温湿和折射率廓线进行局部区域质量分析[15-20]，缺少对全球范围的深度研究。因此，本文利用全球探空数据对COSMIC大气水汽廓线数据进行不同高度、纬度和季节的质量评估，选取近地面和对流层顶两个典型高度分析全球水汽的时空分布特征，为COSMIC大气水汽廓线数据在全球数值天气预报中的应用奠定基础。

1 数据与研究方法

1.1 数据

1.1.1 COSMIC掩星数据 COSMIC星座中每个微小卫星都搭载了高精度GPS双频接收机，能精确记录由GPS卫星发射的微波信号。COSMIC掩星数据反演步骤为：根据多普勒频移原理计算微波信号的相位延迟，通过相位延迟序列获取多普勒残差，并结合精密GPS和LEO卫星轨道信息，计算GPS信号的弯曲角变化函数；然后用Abel积分逆变换对弯曲角序列反演得到大气折射指数剖面；最后通过理想气体状态方程、流体力学方程和大气折射率方程反演得到水汽压数据[21]。本文采用的COSMIC掩星水汽廓线数据源于美国COSMIC数据分析与存档中心(Data Analysis and Archive Center)后处理的二级产品(WetPrf)，即基于前面反演得到的水汽压数据，结合ECMWF再分析资料经过一维变分同化方法反演得到的大气廓线，包括气压、海平面高度、折射率、气温和水汽压数据，垂直分辨率为100 m，时间选择2016年1月、4月、7月和10月，即一年中典型月份，数据下载网址为https://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/cdaac/products.html#cosmic。

1.1.2 无线电探空水汽压数据 本文所用探空数据来源于南京信息工程大学气象台，数据日期与COSMIC掩星数据一致。无线电探空仪是高层大气观测的主要仪器，全球共分布1 000多个探空站，每天早晚两次通过释放探空气球观测大气剖面，并在UTC 0时和12时发布数据，观测要素有位势高度、气压、气温、相对湿度、风速和风向，观测的特征层高度分别为从地表到大气剖面1 000 hpa、925 hpa、850 hpa、700 hpa、500 hpa、400 hpa、300 hpa、250 hpa、200 hpa、150 hpa和100 hpa的位置。理想条件下，经过校准的无线电探空大气温度数据精度为±0.5 ℃，相对湿度精度为±5%[15]，因此，无线电探空数据是目前精准的大气观测资料之一[3]，可作为其他观测数据的基准。本文首先利用探空观测的露点温度t(适用范围为-45～60℃)根据饱和水汽压公式(1)[22]计算出特征层的大气水汽压esw，再与对应高度的COSMIC掩星水汽压进行比较。

esw=e0×exp[17.15×t/(235+t)]

(1)

式中：e0=6.112 hpa，为0℃时的饱和水汽压。

1.2 研究方法

本文首先对无线电探空数据、COSMIC掩星数据进行100 km空间距离和2 h观测间隔的匹配，剔除匹配数据中的异常值；然后基于无线电探空数据，选择平均偏差(MB)、均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(MAPE)分别从不同高度、季节和纬度对COSMIC水汽压进行质量评估，确定COSMIC水汽压的精度；最后，通过克里金插值对全球水汽压在近地面(925 hpa)和对流层顶(300 hpa)两个典型高度层的空间分布特征进行分析。具体流程如图1所示。

图1 数据处理与评估流程Fig.1 Flow chart of data processing and evaluation

1.2.1 COSMIC水汽压与探空水汽压匹配 COSMIC掩星点的位置每天都会发生变化，而无线电探空观测除由探空气球漂移引起的微小变化外，其观测站点的位置相对固定。因此，在进行COSMIC水汽压和探空水汽压比较前，需对两种数据集在每个观测点上进行空间位置和观测时间匹配。参考前人研究，选择COSMIC掩星时间与探空观测前后1 h、掩星点距探空站点100 km(≈1°)内的数据进行匹配[23-25]。具体实现过程为：1)水平空间匹配(由ArcGIS软件完成)。首先，根据探空站点的经纬度生成点矢量文件，并在每个探空站周围创建半径为100 km的圆形缓冲区；其次，根据每天COSMIC所有掩星点的经纬度坐标生成点矢量文件，用探空站缓冲区对其裁剪，得到的掩星点实现了与探空站点的空间匹配；最后将裁剪后的COSMIC掩星点矢量文件与探空站点矢量文件进行属性关联，以便进行时间匹配。2)观测时间匹配。由于全球无线电探空仪的观测时间为UTC 0时和12时，而COSMIC掩星观测时间为UTC 0-23时，因此，在完成水平空间匹配的数据对中，将前一天23-24时和当天0-1时之间的COSMIC数据与0时的探空数据进行匹配，将当天11-13时的COSMIC数据与12时的探空数据匹配，即实现两种数据的时间匹配。以2016年4月的匹配结果(图2)为例，由于探空数据的观测站点相对固定，每天满足匹配的COSMIC数据的空间位置变化不大，所以部分匹配数据重叠导致视觉上时空匹配结果较少。3)垂直空间匹配。由于无线电探空和COSMIC数据的垂直分辨率不同，因此，以探空数据特征层高度为基准，取两种数据中具有相同气压的数据进行垂直高度匹配，选取气压为1 000 hpa、925 hpa、850 hpa、700 hpa、500 hpa、400 hpa、300 hpa、250 hpa和200 hpa的高度，然后比较对应高度的COSMIC水汽压与探空水汽压。

注：基于自然资源部标注地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1663号的标准地图制作，底图无修改，下同。

1.2.2 COSMIC水汽压质量评估 在完成COSMIC与探空水汽压数据匹配后，需检查匹配数据对中可能存在的离群值或异常值。已有研究表明，COSMIC不同高度比湿受异常值影响，使得相对误差在-100%～1 000%之间[19]，参考本文COSMIC数据实际情况，将COSMIC水汽压与探空水汽压相对误差小于-60%或大于100%的数据对剔除。因此，每个大气层高度数据对的样本数不同。气压1 000 hpa高度的样本数为2 252，到700 hpa时增至最大值4 718，200 hpa时减少为2 329。为评估COSMIC水汽压相对于探空水汽压的精度，参考前人研究[26，27]，选择平均偏差(MB)、均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(MAPE)作为COSMIC水汽压数据质量的评价指标，MB越接近于0、RMSE和MAPE越小，则COSMIC水汽压的精度越高。计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：Sk为COSMIC水汽压值；Ik为探空水汽压值；N为样本数。

2 结果与分析

2.1 COSMIC水汽压与探空水汽压的高度差异

由COSMIC与探空水汽压在不同高度的散点图(图3)可知，匹配的数据点大部分在1∶1线附近，相关系数在0.785～0.881之间，表明COSMIC水汽压和探空水汽压一致性较好。随着气压由1 000 hpa降至200 hpa，相关系数先增大后减小，在500 hpa时达到最大值(R=0.881)；不同高度的MAPE在24.553%～37.956%之间，说明COSMIC水汽压相对于探空水汽压的精度随高度发生变化，RMSE和MB均随着高度的增加(气压的减小)而减小，一方面是由于大气中水汽压会随着高度的增加逐渐减小，另一方面是由于低层COSMIC掩星和探空观测的误差也相对较大。从各散点图中拟合直线与1∶1线的接近程度看，低层COSMIC水汽压与探空水汽压差异稍大，两条直线的差异也大；随着高度增加，大气水汽含量逐渐减小，两直线逐渐接近。

图3 不同高度COSMIC与探空水汽压的散点图Fig.3 Scatter plots of water vapor pressure of COSMIC and radiosonde at different atmospheric heights

为更直观地认识COSMIC与探空水汽压在不同高度上的差异，绘制二者MB、RMSE和MAPE的垂直剖面图(图4)。可以看出，COSMIC水汽压相对于探空水汽压为负偏差，且越接近地表，偏差越大，在对流层顶及以上高空，COSMIC水汽压与探空水汽压偏差较小，二者趋于一致；RMSE随高度增加而减小，且在对流层顶及以上高度趋向于0，这与徐桂荣等[28]在青藏高原地区得出的COSMIC水汽压与探空水汽压的结果相似，即在低层二者偏差较大，随着高度增加偏差逐渐减小，在气压低于500 hpa、高度大于5.6 km时，二者偏差趋向于0；MAPE在925 hpa和850 hpa附近较小，在700～200 hpa区间，MAPE随高度上升而逐渐增大，尤其是到500 hpa处及以上高度，误差显著增大至30%以上。杜明斌等[15]研究表明，中国区域和西北太平洋地区COSMIC水汽压相对于探空水汽压在925～200 hpa区间的RMSE为0～3 hpa；王洪等[17]对比分析2008年5-11月COSMIC水汽压与探空水汽压，发现二者的MB在30 km高度以内为-1～0.75 hpa，RMSE为0～3 hpa；马旭林等[23]研究表明，我国COSMIC水汽压在925～150 hpa区间的相对误差为0～45%。尽管本文选用COSMIC数据的时间、区域不同，但得到的结果与已有研究结果吻合，说明COSMIC掩星系统及反演算法稳定，数据质量好。

图4 不同高度COSMIC与探空水汽压差异Fig.4 Differences of water vapor pressure between COSMIC and radiosonde at different atmospheric heights

2.2 COSMIC水汽压与探空水汽压的纬度差异

为比较COMIC水汽压与探空水汽压在不同纬度带的质量差异，将全球划分为低纬度(热带)地区(30°S～30°N)、中纬度地区(南北半球30°～60°)及高纬度地区(南北半球60°～90°)，并计算3个纬度区不同高度COSMIC水汽压与探空水汽压的MB、RMSE和MAPE值(图5)。1)由图5a可知，在气压为1 000～400 hpa的高度，不同纬度地区的MB始终为负，并随着高度增加，MB的绝对值逐渐减小。低纬度地区的MB最大(-3.500～-0.030 hpa)，中纬度地区居中(-1.190～-0.020 hpa)，高纬度地区最小(-0.703～-0.012 hpa)，这主要与水汽含量的维度差异有关，低纬度地区水汽含量高于中、高纬度地区，导致COSMIC掩星和探空观测的误差均较大。在气压低于300 hpa的高度，MB接近0，几乎不随纬度变化而变化，主要是高空水汽含量低，其纬度差异很小，不同观测方式获得的水汽压结果相似。2)由图5b可知，在气压为1 000～400 hpa的高度，低纬度地区的RMSE最大(6.645～0.218 hpa)，中纬度地区次之(3.305～0.137 hpa)，高纬度地区最小(1.830～0.065 hpa)；当气压低于300 hpa时，不同纬度的RMSE均很小且接近。3)由图5c可知，在气压高于850 hpa的低层，低纬度同中、高纬度的MAPE差异较大，这是由于低层大气水汽含量大，COSMIC和探空观测的水汽压误差稍大；在气压为850～500 hpa的高度，不同纬度的MAPE差异相对较小，原因是中层大气水汽含量的纬度差异减小；而在气压低于400 hpa的高空，不同纬度的MAPE又变大，主要是高空水汽压较小，不同纬度水汽压细微的偏差都会引起MAPE较大的差异。

图5 不同纬度地区COSMIC与探空水汽压差异Fig.5 Differences of water vapor pressure between COSMIC and radiosonde in different latitude zones

由此可见，COSMIC水汽压随纬度变化存在明显差异，马旭林等[23]对比全球范围内不同纬度海洋与陆地区域COSMIC水汽压偏差，发现中低纬度陆地水汽压偏差为正值，洋面水汽压偏差为负值，由于海洋分布范围较陆地广，故中低纬度水汽压偏差总体为负，与本文研究结论一致。

2.3 COSMIC水汽压与探空水汽压的季节差异

为确定COSMIC水汽压在不同季节的差异性，以北半球的1月和南半球的7月代表冬季，北半球的4月和南半球的10月代表春季，北半球的7月和南半球的1月代表夏季，北半球的10月和南半球的4月代表秋季，计算不同季节COSMIC水汽压与探空水汽压的MB、RMSE和MAPE(图6)。1)由图6a可知，MB的绝对值随高度上升而减小，在气压为1 000～400 hpa的高度，夏季的MB最大(-3.457～-0.039 hpa)，秋、冬季次之(-2.081～-0.034 hpa、-1.428～-0.012 hpa)，春季最小(-1.263～-0.013 hpa)；在气压低于300 hpa的高度，不同季节的MB均接近于0。2)由图6b可知，不同季节的RMSE随高度上升而减小。在气压为1 000～400 hpa的高度，夏季的RMSE最大(5.357～0.248 hpa)，秋季次之(5.135～0.151 hpa)，春、冬季相对较小；当气压低于400 hpa时，不同季节的RMSE接近，均在0.08 hpa以下。3)从图6c可知，不同季节的MAPE随高度上升而增大，数值在19.225%～39.679%之间，且夏季MAPE最大，秋季最小；在气压低于300 hpa的高度，不同季节的MAPE均为37%左右。综上，COSMIC水汽压的质量存在明显的季节差异，夏季偏差最大，春、秋、冬季差异相对较小，与余君等[18]的研究结论相似。

图6 不同季节COSMIC与探空水汽压差异Fig.6 Differences of water vapor pressure between COSMIC and radiosonde in different seasons

2.4 COSMIC水汽压的全球时空分布特征

选择COSMIC 925 hpa和300 hpa对应的高度分别代表近地层和对流层顶两个典型高度，利用ArcGIS软件基于WGS84坐标系采用普通克里金插值法[29，30]对每天COSMIC所有掩星点在两个典型高度的水汽压数据以0.5°分辨率进行空间插值，用预测误差均值和标准RMSE评价插值精度，预测误差均值越小、标准RMSE越接近1，则插值质量越好。结果显示，COSMIC水汽压在近地层的误差均值和标准RMSE分别为0.16～0.55 hpa和0.75～1.28 hpa，对流层顶分别为-0.0006～0.013 hpa和0.80～1.18 hpa，由于近地层水汽压比对流层顶高，插值后的误差均值也相对较高，但两个高度的标准RMSE都接近1，表明COSMIC在两个典型高度空间插值精度均较高。由此可见，尽管每天COSMIC掩星点的空间位置和观测时间不固定，但其每天观测的样本数基本一致且在全球范围内均匀分布，故对空间插值结果的影响不大。在此基础上，对每天插值后的水汽压数据按月平均，得到2个典型高度在1月、4月、7月和10月的全球水汽压空间分布图(图7、图8，彩图见附录1)，显示了全球水汽压典型月份的平均水平。

图7 2016年1月、4月、7月和10月925 hpa气压高度的COSMIC水汽压全球分布Fig.7 Global distribution of COSMIC water vapor pressure at 925 hpa in January,April,July and October 2016

由图7可知，在气压925 hpa高度，全球水汽压值为0～24 hpa，高值(18～24 hpa)分布在低纬度地区，低值(12 hpa以下)分布在高纬度地区，特别是两极地区。从典型月份看，1月水汽压的高值区范围最小，低值区在北半球范围最大、南半球范围最小，主要是1月为北半球的冬季、南半球的夏季，北半球大气水汽含量相对较低、南半球相对较高；7月水汽压高值区范围较大，且主要分布在北半球，较大范围的低值区则分布在南半球；4月和10月在南北半球均为过渡性季节，水汽压的高值区和低值区分布适中。可见，除1月南半球高纬度地区水汽压低值区范围较小外，其他3个典型月份水汽压低值区范围相近，可能与南半球高纬度地区常年覆盖海冰、大气水汽含量较低有关。由图8可知，在气压300 hpa高度，全球水汽压总体很低(0～0.28 hpa)，但不同纬度和季节差异仍很明显，主要表现为低纬度地区水汽压高、高纬度地区水汽压低。北半球高纬度地区1月低水汽压范围最大，4月次之;北半球7月水汽压相对较高，10月次之;而南半球高纬度地区7月低水汽压范围最大，其他3个典型月份水汽压分布较一致。

图8 2016年1月、4月、7月和10月300 hpa气压高度的COSMIC水汽压全球分布Fig.8 Global distribution of COSMIC water vapor pressure at 300 hpa in January,April,July and October 2016

3 结论

本文评估了不同高度、纬度和季节COSMIC水汽压与探空水汽压的差异，分析了近地层(925 hpa)和对流层顶(300 hpa)COSMIC水汽压的全球时空分布特征。结论如下：1)COSMIC水汽压与不同高度的无线电探空水汽压存在良好一致性，其MB、RMSE、MAPE分别为-1.657～-1.088×10-5hpa、0.005～4.189 hpa和24.553%～37.956%。在气压高于300 hpa的对流层，COSMIC和探空水汽压的差异随高度上升而减小，在对流层顶及以上高度，由于水汽含量低，二者差异可忽略不计。2)COSMIC与探空水汽压的差异表现出明显的纬度变化，在不同高度，二者偏差在低纬度地区最大，中纬度地区次之，高纬度地区最小；COSMIC水汽压与探空水汽压的季节性差异明显，夏季差异最大，春、秋、冬季差异相对较小。3)在气压925 hpa和300 hpa两个典型高度，COSMIC水汽压在低纬度地区较高，高纬度地区较低，呈现由低纬向高纬递减的趋势；在1月和7月所属的两个典型季节，南北半球水汽压高值区和低值区在两个典型高度都很显著，4月和10月位于过渡性季节，水汽压的高值区和低值区变化不明显。

本文利用探空数据开展COSMIC大气水汽廓线质量分析，由于探空气球为倾斜式上升，探测路径与COSMIC掩星路径不同，特别是在对流层顶，探空仪的观测误差会增大。因此，利用探空数据对COSMIC掩星大气水汽进行质量分析存在一定误差。此外，本研究仅选择探空仪观测的特征层高度进行质量分析，由于COSMIC大气水汽廓线有400层数据，故对其验证也有局限性。随着COSMIC-2卫星的成功发射，有待用其他卫星的掩星产品或不同类型的卫星数据进行交叉检验，以期得到理想结果。