COSMIC掩星資料反演青藏高原大氣廓線與探空觀測的對比分析

徐桂榮，樂新安，張文剛，萬霞，馮光柳

（1.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都610072；

2.暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢430074；3.地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029）

COSMIC掩星資料反演青藏高原大氣廓線與探空觀測的對比分析

徐桂榮1，2，樂新安3，張文剛2，萬霞2，馮光柳2

（1.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都610072；

2.暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢430074；3.地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029）

利用青藏高原地區(qū)COSMIC掩星資料反演的大氣濕廓線WetPrf數(shù)據(jù)和8個(gè)站點(diǎn)的探空數(shù)據(jù)，分析了COSMIC反演大氣廓線和可降水量與探空觀測的偏差，并考查了偏差隨高度的變化特征。結(jié)果顯示：（1）COSMIC反演的溫度、壓強(qiáng)和水汽壓廓線與探空觀測具有很好的正相關(guān)；與探空觀測相比，COSMIC的溫度、壓強(qiáng)和水汽壓的偏差為-0.2℃、1.7 hPa和0 hPa，均方差為1.8℃、1.6 hPa和0.4 hPa；COSMIC反演大氣廓線與探空觀測的偏差基本上在大氣低層較大，然后隨高度增加而減小。（2）COSMIC反演的可降水量與探空觀測正相關(guān)較好；COSMIC反演的可降水量低于探空觀測，兩者的偏差為-5.0 mm，均方差為5.7 mm；兩者的負(fù)偏差在大氣低層最明顯。（3）探空觀測在近地層的不穩(wěn)定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地區(qū)描述大氣狀態(tài)的能力有限，是造成COSMIC反演大氣廓線和探空觀測的偏差在近地層較大的主要原因；COSMIC觀測的折射率偏小導(dǎo)致其反演的可降水量偏低。

COSMIC掩星；大氣廓線；可降水量；青藏高原；探空

徐桂榮，樂新安，張文剛，等.COSMIC掩星資料反演青藏高原大氣廓線與探空觀測的對比分析［J］.暴雨災(zāi)害，2016，35（4）：315-325

XU Guirong，YUE Xinan，ZHANG Wengang，et al.Comparison of atmospheric profiles between COSMIC radio occultation and radiosonde observations in the Qinghai-Tibetan Plateau［J］.Torrential Rain and Disaster，2016，35（4）：315-325

引言

水汽在地球大氣變化和水分循環(huán)中起著關(guān)鍵作用，它直接影響到大氣中云、霧、雨、雪、冰雹等自然天氣的形成，并能通過調(diào)節(jié)地球表面及大氣中的溫度來影響大氣運(yùn)動(dòng)中能量的轉(zhuǎn)換和輻射平衡等［1-2］。青藏高原是全球面積最大、海拔最高、地形最為復(fù)雜的高原，平均海拔4 000 m以上，占我國陸地面積的1/4。青藏高原的高大地形對我國東部水汽輸送起著重要作用，是我國區(qū)域洪澇異常水汽輸送的“大三角型”關(guān)鍵區(qū)，在全球水循環(huán)中起到一個(gè)“世界水塔”的作用，直接影響著下游地區(qū)的水循環(huán)［3-6］。將青藏高原及周邊地區(qū)大氣水汽資料同化到模式中，對于預(yù)報(bào)下游中國東部區(qū)域夏季暴雨降水強(qiáng)度與落區(qū)有改進(jìn)［7-8］。因此，研究青藏高原大氣水汽變化對亞洲天氣和氣候乃至全球水循環(huán)有著重要的科研意義。

目前，青藏高原大氣水汽信息的獲取主要通過探空或NECP再分析場濕度廓線積分、地面濕度參量建模估算、地基GPS水汽反演等手段［9-16］。然而，由于高原地形復(fù)雜、氣候惡劣，高原地區(qū)尤其是高原中部和西部地面氣象站點(diǎn)的布設(shè)相當(dāng)稀疏，而NCEP再分析資料會受系統(tǒng)誤差、有限時(shí)空分辨率等的限制，因此可用資料不多，對青藏高原大氣水汽的分布及其變化特征的認(rèn)識依然有限。

COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate）是美國大氣研究大學(xué)聯(lián)合會（UCAR）與臺灣太空署（NSPO）在1997年聯(lián)合制定實(shí)施的氣象、電離層及氣候衛(wèi)星探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2006年4月發(fā)射，是全球第一個(gè)能夠每天實(shí)時(shí)提供全球數(shù)千個(gè)大氣資料剖面的空基觀測網(wǎng)，對于改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測和空間天氣研究具有非常重要的意義［17-21］。COSMIC利用無線電掩星技術(shù)，通過觀測穿越大氣層的來自GPS無線電信號的彎曲程度，得到地球大氣層的水汽和其它物理參量的信息，在系統(tǒng)正常工作后，COSMIC衛(wèi)星每24 h在全球幾乎均勻分布的地點(diǎn)進(jìn)行大約2 500次觀測，每次觀測經(jīng)過處理后，其中的濕大氣剖面（wetPrf）直接給出0—40 km高度區(qū)間內(nèi)以100 m為間隔的大氣溫度、壓強(qiáng)和濕度廓線，這些高垂直分辨率的觀測資料，大大彌補(bǔ)了常規(guī)探空資料的不足，尤其是對于缺少探空觀測的地區(qū)，如高原、沙漠、兩極和海洋，這些資料更顯珍貴［22］。

由于COSMIC衛(wèi)星從2006年4月發(fā)射至今剛滿10年，COSMIC掩星反演產(chǎn)品在國內(nèi)的應(yīng)用研究還處于起步階段，中國區(qū)域COSMIC掩星反演產(chǎn)品的質(zhì)量評估工作近幾年陸續(xù)開展［23-26］，COSMIC掩星產(chǎn)品也逐漸被應(yīng)用到災(zāi)害天氣分析和數(shù)值預(yù)報(bào)研究中［20，27］。然而，關(guān)于COSMIC反演青藏高原大氣廓線的質(zhì)量評估及應(yīng)用研究的報(bào)道較少，而COSMIC可以反演得到與探空觀測一樣的溫度、壓強(qiáng)、濕度廓線，進(jìn)而也可以計(jì)算求得大氣水汽信息，這為研究青藏高原大氣水汽提供了新的途徑和數(shù)據(jù)。因此，本文擬利用2008年2—7月期間中日合作項(xiàng)目JICA在青藏高原開展的多站點(diǎn)GPS探空加密數(shù)據(jù)，對同期匹配的COSMIC反演的溫度、壓強(qiáng)和濕度廓線進(jìn)行對比分析，同時(shí)也考查兩種探測資料計(jì)算的大氣可降水量PW（Precipitable Water）的差異，用以評估青藏高原地區(qū)COSMIC反演大氣廓線的質(zhì)量情況，為在青藏高原地區(qū)更好地應(yīng)用COSMIC反演大氣廓線資料提供一些參考。

1　數(shù)據(jù)與方法

COSMIC掩星觀測系統(tǒng)包括低地球軌道LEO（Low Earth Orbiting）衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星，LEO衛(wèi)星上載有GPS信號接收機(jī)。GPS衛(wèi)星通過L1波段（1.57542 GHz）和L2波段（1.2276 GHz）持續(xù)向外發(fā)送信號。當(dāng)GPS衛(wèi)星從地球后面上升或下降時(shí)，LEO衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)可以追蹤到GPS衛(wèi)星的掩星信號。大氣折射率能夠影響無線電波的相位和振幅，這些相位和振幅隨衛(wèi)星位置和速度而變，是COSMIC掩星觀測系統(tǒng)的基礎(chǔ)觀測量。如果從射線的角度來考慮波傳播，大氣對穿越它的光線的影響可以用光線經(jīng)過大氣時(shí)的總彎曲角度來刻畫，而光線彎曲角可以從接收信號的相位測量中推導(dǎo)得出。

在利用COSMIC掩星資料反演大氣廓線的方法中［28］，忽略液水或冰水的相關(guān)小項(xiàng)，中性大氣的折射率N=（n-1）×106和大氣壓強(qiáng)P、溫度T和水汽壓e有如下關(guān)系式：

利用上式和下面的大氣靜壓平衡方程：

就可以從折射率N推導(dǎo)求得干空氣下的壓強(qiáng)P和溫度T。而反演濕大氣廓線則需要更多信息，由于折射率對水汽壓e的敏感性強(qiáng)于壓強(qiáng)P和溫度T，因此，一般利用模式或其他渠道估算壓強(qiáng)P或溫度T，然后再反演水汽壓e［29］。一個(gè)更好的方法是不直接使用模式確定的壓強(qiáng)P或溫度T，而是利用觀測的折射率N和模式背景大氣狀態(tài)｛P，T，e｝mod，并考慮各狀態(tài)量的誤差特征，來變分求解最優(yōu)一維大氣狀態(tài)｛P，T，e｝mod［30］。

總體來說，利用COSMIC掩星觀測反演大氣廓線的步驟如下［22，28］：

步驟一，測量GPS兩個(gè)波段（L1和L2）信號的相位和振幅；

步驟二，基于GPS和LEO衛(wèi)星的精確位置和速度，分別計(jì)算L1和L2的彎曲角；

步驟三，去除電離層的影響，重構(gòu)中性大氣彎曲角（它是影響參數(shù)的函數(shù)）；

步驟四，利用高空氣候?qū)W，優(yōu)化觀測的彎曲角；

步驟五，采用Abel反演技術(shù)，重構(gòu)折射率垂直廓線；

步驟六，利用折射率廓線，先通過靜壓平衡方程積分得到干溫度廓線，進(jìn)而結(jié)合全球再分析資料或預(yù)報(bào)場，推算水汽壓e和濕溫度T廓線。

本文使用的COSMIC數(shù)據(jù)是2008年2—7月青藏高原地區(qū)的大氣濕廓線wetPrf數(shù)據(jù)，它是COSMIC掩星觀測的二級數(shù)據(jù)，廓線參數(shù)包括溫度、壓強(qiáng)、水汽壓、折射率等，廓線探測高度為0—40 km，廓線垂直分辨率為100 m。該數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)站http://www.cosmic.ucar.edu獲取。

本文使用的探空數(shù)據(jù)來自中日合作項(xiàng)目JICA于2008年2—7月在青藏高原地區(qū)8個(gè)站點(diǎn)開展的GPS探空加密數(shù)據(jù)［31］，具體站點(diǎn)信息及探空加密情況見表1。8個(gè)站點(diǎn)海拔高度都在1 600 m以上，探空加密的時(shí)間間隔為6 h，探空廓線的垂直分辨率在改則、理塘和大理為10m，在那曲、拉薩、麗江、昆明和騰沖為100 m。

表1　2008年青藏高原GPS探空加密站點(diǎn)信息及試驗(yàn)情況Table 1 Information on the radiosonde field experiment in the Qinghai-Tibetan Plateau in 2008.

在匹配GPS探空數(shù)據(jù)和COSMIC數(shù)據(jù)時(shí)，兩者的采樣距離為300 km以內(nèi)，采樣時(shí)間差為2 h［32］。由于COSMIC反演大氣廓線的垂直分辨率為100 m，因此分析中將探空資料分別插值到與COSMIC對應(yīng)的100 m分辨率的垂直高度上。本文著重考察15 km以內(nèi)COSMIC反演的溫度、壓強(qiáng)和水汽壓廓線與探空觀測結(jié)果之間的差異，通過計(jì)算兩者之間的相關(guān)系數(shù)（R）、平均偏差（Bias）和均方差（RMSE，root-mean-square error）來對比分析［33］，同時(shí)也比較了GPS探空和COSMIC分別推算的大氣可降水量PW的差異。利用水汽壓e和壓強(qiáng)P廓線，可通過如下兩個(gè)公式推算大氣可降水量PW：

公式（3）中q為比濕。公式（4）中ρw為液態(tài)水密度，g為重力加速度，Ps為地面氣壓。

2　分析結(jié)果

在考查COSMIC反演大氣廓線與探空觀測結(jié)果偏差時(shí)，本文從兩個(gè)角度進(jìn)行分析：一是將匹配好的COSMIC反演廓線和探空廓線分別當(dāng)作兩個(gè)對應(yīng)好的數(shù)據(jù)序列，考查兩者的相關(guān)系數(shù)、平均偏差和均方差；二是在匹配好的COSMIC反演廓線和探空廓線中，分不同高度找出兩者對應(yīng)的數(shù)據(jù)序列，考查不同高度上COSMIC反演大氣要素與探測觀測之間的相關(guān)系數(shù)、平均偏差和均方差。第一種分析方法主要是從整體上（包括不同高度）考查COSMIC反演大氣要素與探空觀測的差異，第二種分析方法主要是考查各層高度上COSMIC反演大氣要素與探空觀測的差異。

2.1溫度的對比

圖1給出了青藏高原8個(gè)站點(diǎn)COSMIC反演溫度與探空溫度之間的整體對比結(jié)果。從圖中可以看到，COSMIC溫度與探空溫度具有很好的相關(guān)性，8個(gè)站點(diǎn)的溫度相關(guān)系數(shù)都在0.98以上。COSMIC溫度與探空溫度的偏差都在0.7℃以內(nèi)，在騰沖和改則，COSMIC溫度稍高于探空溫度，而在其它6個(gè)站點(diǎn)，COSMIC溫度則略低于探空溫度。分析表明，COSMIC溫度與探空溫度的偏差與站點(diǎn)高度沒有明顯的相關(guān)性，昆明的溫度偏差最大，COSMIC溫度比探空溫度低0.61℃，而騰沖的溫度偏差最小，COSMIC溫度比探空溫度高0.01℃。分析結(jié)果顯示，COSMIC溫度與探空溫度的均方差基本上隨站點(diǎn)高度的增高而增大，站點(diǎn)高度最低的騰沖具有最小的溫度均方差1.12℃，而站點(diǎn)高度最高的那曲具有最大的溫度均方差3.03℃。

各高度層上COSMIC溫度與探空溫度的對比結(jié)果見圖2。COSMIC溫度與探空溫度的相關(guān)系數(shù)，在昆明、大理、麗江、理塘、改則這5個(gè)站點(diǎn)，各高度層上均具有較好的正相關(guān)。在騰沖和那曲這2個(gè)站點(diǎn)，除個(gè)別高度上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)外，其余高度層也表現(xiàn)為較好的正相關(guān)。在拉薩站點(diǎn)，負(fù)相關(guān)的高度層有所增加，但多數(shù)高度層上依然具有較好正相關(guān)。COSMIC與探空的溫度偏差，在騰沖、昆明、大理、改則這4個(gè)站點(diǎn)，隨高度的變化較小，多數(shù)高度層的溫度偏差在1℃以內(nèi)，少數(shù)高度層在1.5℃以內(nèi)。在麗江、理塘這2個(gè)站點(diǎn)，2 km以下高度的溫度偏差較大，其中在近地層COSMIC溫度低于探空溫度2℃以上，其余高度層上的溫度偏差在2℃以內(nèi)。在拉薩站點(diǎn)，COSMIC與探空的溫度偏差在11 km以下約在1℃以內(nèi)，而在11 km以上，兩者的偏差隨高度增加而增大，在14 km以上溫度偏差超過了2℃。在那曲站點(diǎn)，COSMIC與探空的溫度偏差波動(dòng)較大，在8 km以下COSMIC溫度低于探空溫度，在8 km以上多數(shù)高度COSMIC溫度高于探空溫度，除少數(shù)高度層外，兩者的偏差都在2℃范圍內(nèi)。COSMIC與探空的溫度均方差隨站點(diǎn)高度的增加有增大的趨勢。在海拔高度較低的騰沖和昆明，各高度層的溫度均方差小于2℃。在海拔高度較高的大理和麗江，少數(shù)高度層的溫度均方差超過了2℃。在海拔高度更高的拉薩、理塘、改則和那曲，溫度均方差超過2℃的高度層明顯增多，尤其是那曲，多數(shù)高度層的溫度均方差都在2℃以上，其中近地層的溫度均方差超過了4℃。

2.2壓強(qiáng)的對比

青藏高原8個(gè)站點(diǎn)COSMIC反演壓強(qiáng)與探空壓強(qiáng)之間的整體對比結(jié)果見圖3?？梢钥吹?，COSMIC壓強(qiáng)與探空觀測結(jié)果具有很好的相關(guān)性，8個(gè)站點(diǎn)的壓強(qiáng)相關(guān)系數(shù)都在0.99以上。COSMIC壓強(qiáng)與探空壓強(qiáng)的偏差在各站點(diǎn)變化較大。在昆明、大理和麗江，COSMIC壓強(qiáng)和探空壓強(qiáng)的偏差很小，在0.5 hPa以內(nèi)。在理塘和改則，COSMIC和探空的壓強(qiáng)偏差在2.0 hPa以內(nèi)。在騰沖站，COSMIC與探空的壓強(qiáng)偏差為2.8 hPa。在拉薩和那曲，COSMIC與探空的壓強(qiáng)偏差超過了4.0 hPa，較大的壓強(qiáng)偏差在拉薩主要表現(xiàn)在大氣低層，而在那曲主要表現(xiàn)在大氣高層。COSMIC壓強(qiáng)和探空壓強(qiáng)的偏差與站點(diǎn)海拔高度的相關(guān)性不明顯。除拉薩和那曲外，各站點(diǎn)COSMIC與探空的壓強(qiáng)均方差在1.0～1.5 hPa，拉薩的壓強(qiáng)均方差為2.3 hPa，而那曲的壓強(qiáng)均方差最大，達(dá)到了4.2 hPa。COSMIC和探空的壓強(qiáng)均方差與站點(diǎn)海拔高度沒有明顯的相關(guān)性。

圖4給出了各高度層上COSMIC壓強(qiáng)與探空壓強(qiáng)的對比結(jié)果。在大理、理塘和改則，COSMIC壓強(qiáng)與探空壓強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)在各高度層上均具有很好的正相關(guān)。在騰沖、昆明、麗江和拉薩，除5 km以下少數(shù)高層表現(xiàn)為弱相關(guān)或負(fù)相關(guān)外，其余高度層都表現(xiàn)為較好的正相關(guān)。在那曲站點(diǎn)，COSMCI壓強(qiáng)和探空壓強(qiáng)在大氣低層具有很好的正相關(guān)，然而相關(guān)系數(shù)隨高度增加而減小，在7 km以上正相關(guān)性已經(jīng)變?nèi)酰译S高度增加，相關(guān)性在正相關(guān)和負(fù)相關(guān)之間切換。COSMIC與探空的壓強(qiáng)偏差隨高度的變化具有一定的站點(diǎn)差異性。在改則，COSMIC與探空的壓強(qiáng)偏差隨高度的變化較小，且都在2 hPa以內(nèi)。在理塘，COSMIC與探空的壓強(qiáng)偏差在近地層約為3 hPa，之后隨高度的增加而減小到2 hPa以內(nèi)。在騰沖和拉薩，COSMIC與探空的壓強(qiáng)偏差在近地層約為4 hPa和6 hPa，然后隨高度的增加而減小到15 km的2 hPa和3 hPa。在那曲，COSMIC與探空的壓強(qiáng)偏差在近地層較小，約為1 hPa，然后隨高度增加而增大到12.5 km的7.2 hPa，之后又隨高度變小到15 km的5 hPa。在昆明、大理和麗江站點(diǎn)，COSMIC與探空的壓強(qiáng)偏差在近地層約為-2 hPa，之后隨高度增加壓強(qiáng)偏差逐漸變小，到8 km之上壓強(qiáng)偏差變成正值，且正偏差隨高度變化較小，基本在1 hPa以內(nèi)。COSMIC與探空的壓強(qiáng)均方差隨高度的變化在多數(shù)站點(diǎn)具有相似性，即壓強(qiáng)均方差在大氣低層較大，之后隨高度增加而逐漸較小。在騰沖、昆明、大理、麗江和理塘，COSMIC和探空的壓強(qiáng)均方差從近地層的2 hPa左右隨高度增加而逐漸較小到15 km的1 hPa以內(nèi)。在拉薩，COSMIC與探空的壓強(qiáng)均方差在2.5 km有個(gè)3.9 hPa的峰值，之后隨高度增加而逐漸減小到15 km的0.9 hPa。在改則和那曲，COSMIC和探空的壓強(qiáng)均方差在近地層較小，然后隨高度增加先增大而后再減小，其中那曲的壓強(qiáng)均方差明顯大于改則。在改則，壓強(qiáng)均方差從近地層的0.5 hPa隨高度增加而增大到7.5 km的1.5 hPa，之后又減小到15 km的0.3 hPa。而在那曲，壓強(qiáng)均方差從近地層的1.2 hPa隨高度增加而增大到7.5 km的4.2 hPa，之后又減小到15 km的1.5 hPa。

2.3水汽壓的對比

青藏高原8個(gè)站點(diǎn)COSMIC反演水汽壓與探空水汽壓之間的整體對比結(jié)果見圖5?？梢钥吹?，COSMIC水汽壓與探空觀測結(jié)果還是具有良好的相關(guān)性的，除那曲的水汽壓相關(guān)系數(shù)為0.80外，其余7個(gè)站點(diǎn)的水汽壓相關(guān)系數(shù)都在0.95以上。COSMIC水汽壓與探空水汽壓的偏差在騰沖最好，其數(shù)值接近0 hPa。在昆明、大理、理塘和改則，COSMIC的水汽壓小于探空的水汽壓，偏差范圍在-0.012 hPa至-0.090 hPa之間。在麗江、拉薩和那曲，COSMIC的水汽壓大于探空的水汽壓，偏差范圍在0.005 hPa至0.139 hPa之間。無論正的水汽壓偏差還是負(fù)的水汽壓偏差，偏差的絕對值基本上隨站點(diǎn)海拔高度的增加而減小，這可能與海拔高度較高的站點(diǎn)其水汽壓較小有關(guān)。水汽壓隨海拔高度的增加而減小的特性也影響著COSMIC與探空的水汽壓偏差的站點(diǎn)差異性。除騰沖外，COSMIC與探空的水汽壓均方差在昆明最大，為0.741 hPa，然后在其余站點(diǎn)基本上隨海拔高度的增加而減小，在海拔高度最高的那曲，水汽壓均方差最小，為0.095 hPa。騰沖的海拔高度最低，然而COSMIC與探空的水汽壓偏差較小，為0.463 hPa，低于比高海拔高度的麗江的水汽壓均方差0.602 hPa。

圖6給出了各高度層上COSMIC水汽壓與探空水汽壓的對比結(jié)果。和氣壓的情況類似，在大理、理塘和改則，COSMIC水汽壓與探空水汽壓在各高度層上均具有很好的正相關(guān)。在騰沖、昆明、麗江和拉薩，COSMIC水汽壓與探空水汽壓的相關(guān)系數(shù)在除近地層和高層頂部表現(xiàn)為正相關(guān)變?nèi)趸蛉踟?fù)相關(guān)外，其余高度層都表現(xiàn)為較好的正相關(guān)。在那曲站點(diǎn)，COSMIC水汽壓和探空水汽壓的相關(guān)系數(shù)在多數(shù)高度層上表現(xiàn)為較好的正相關(guān)，而在1 km以下、6 km左右和13 km左右表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)或弱負(fù)相關(guān)。COSMIC與探空的水汽壓偏差隨高度的變化在各站點(diǎn)具有相似性，即水汽壓偏差在大氣低層較大，但隨著高度的增加而逐漸減小趨向0 hPa，另外，大氣低層水汽壓偏差的大小也隨著站點(diǎn)海拔高度的增加而逐漸變小。COSMIC與探空的水汽壓偏差隨高度增加而變小的變化特征，與水汽壓隨海拔高度的增加而減小的特性有關(guān)。COSMIC與探空的水汽壓均方差也具有類似特點(diǎn)。在騰沖、大理、拉薩、理塘、改則和那曲，COSMIC和探空的水汽壓均方差在近地層較大，而后隨高度增加而逐漸減小趨向0 hPa。而且，近地層的水汽壓均方差隨著站點(diǎn)海拔高度的增加也是逐漸減小的。稍有不同的是，在昆明和麗江，COSMIC與探空的水汽壓均方差的峰值出現(xiàn)2 km左右，之后水汽壓均方差隨高度增加而逐漸減小趨向0 hPa。

2.4可降水量的對比

利用COSMIC反演的大氣廓線資料可以計(jì)算得到可降水量PW，并將之與探空計(jì)算的可降水量進(jìn)行對比。圖7給出了青藏高原8個(gè)站點(diǎn)COSMIC可降水量與探空可降水量的整體對比結(jié)果?？梢钥吹?，COSMIC可降水量與探空可降水量具有正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)具有一定的測站差異性。在昆明和改則，可降水量的正相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)在0.82以上。其次是騰沖和大理，可降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.65和0.58。其余的麗江、拉薩、理塘和那曲的正相關(guān)系數(shù)相對較小，在0.44～0.49之間。COSMIC計(jì)算的可降水量小于探空可降水量，其中可降水量偏差在那曲最小，為-0.6 mm，在拉薩最大，為-9.5 mm。COSMIC與探空的可降水量偏差的絕對值并未明顯表現(xiàn)出隨站點(diǎn)海拔高度的增加而減小。COSMIC與探空的可降水量均方差也具有站點(diǎn)差異性?？山邓烤讲钤谀乔钚。瑸?.7 mm，然而可降水量均方差的最大值不是出現(xiàn)在拉薩，而是出現(xiàn)在大理，為10.1 mm。除騰沖和昆明外，可降水量均方差基本上隨站點(diǎn)海拔高度的增加而減小。騰沖和昆明的可降水量均方差小于大理，分別為7.2 mm和4.7 mm。

圖8給出了各高度層上COSMIC可降水量與探空可降水量的對比結(jié)果?？梢钥吹?，在海拔高度最高的改則和那曲，COSMIC可降水量與探空可降水量在各高度層上均有良好的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)都在0.8以上且隨高度變化較小。在其余海拔高度較低的站點(diǎn)，COSMIC可降水量與探空可降水量也有較好的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在近地層都在0.6以上且隨高度增加而增大，在2 km高度左右達(dá)到峰值，峰值都在0.8以上，隨后相關(guān)系數(shù)隨高度增加而減小。COSMIC與探空的可降水量偏差隨高度的變化在各站點(diǎn)具有相似性，即COSMIC可降水量在大氣低層明顯小于探空可降水量，之后可降水量偏差隨高度增加而減小，在2 km以上，可降水量偏差隨高度增加逐漸趨向0 mm。另外，近地層COSMIC與探空的可降水量負(fù)偏差峰值在昆明最小，為-1.8 mm，而在拉薩最大，為-6.4 mm。COSMIC與探空的可降水量均方差隨高度的變化在各站點(diǎn)也具有相似性，即COSMIC與探空的可降水量均方差在近地層較大，而后隨高度增加而逐漸減小趨向0 mm。近地層COSMIC與探空的可降水量均方差的極大值在改則和那曲最小，皆為3.5 mm，而在大理和麗江最大，皆為8.6 mm。

3　討論

青藏高原地區(qū)COSMIC反演大氣廓線與探空觀測的對比分析鮮見報(bào)道。王洪等［25］通過對2008年5月20日至2008年11月26日COSMIC資料與L波段探空秒數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，檢驗(yàn)了中國區(qū)域內(nèi)兩種觀測資料的平均偏差情況，結(jié)果顯示，在10 km高度以下，COSMIC與探空的溫度偏差為-0.5℃，溫度均方差為1.5℃；氣壓偏差為2.0 hPa，氣壓均方差為4.7 hPa；水汽壓偏差為0.1 hPa，水汽壓均方差為1.1 hPa。本文的分析結(jié)果顯示，在青藏高原地區(qū)，在15 km高度以下，COSMIC與探空的溫度偏差在-0.6～0.1℃之間（平均為-0.2℃），溫度均方差在1.1～3.0℃之間（平均為1.8℃）；氣壓偏差在-0.5～4.3 hPa之間（平均為1.7 hPa），氣壓均方差在1.0～3.2 hPa之間（平均為1.6 hPa）；水汽壓偏差在-0.1～0.1 hPa之間（平均為0 hPa），水汽壓均方差在0.2～0.7 hPa之間（平均為0.4 hPa）。對比之下，除溫度均方差稍大之外，青藏高原地區(qū)COSMIC大氣廓線與探空觀測的偏差是優(yōu)于中國區(qū)域平均水平，這或許與青藏高原高海拔地形下較低的溫度、壓強(qiáng)和水汽壓有關(guān)。圖9給出了2008年2—7月匹配的COSMIC資料與L波段探空資料得到的平均大氣廓線，可以看到，COSMIC反演的溫度和壓強(qiáng)廓線與探空觀測具有較好的一致性，在較低海拔高度站點(diǎn)COSMIC反演的水汽壓廓線與探空觀測的一致性也較好，但在較高海拔高度站點(diǎn)兩者水汽壓廓線的一致性在低層大氣有所減弱。如有條件，在后期利用長期歷史數(shù)據(jù)，開展不同區(qū)域COSMIC反演大氣廓線與探空觀測的對比分析，對進(jìn)一步細(xì)致評估COSMIC反演大氣廓線在中國區(qū)域的適用性是有益的。

本文的分析結(jié)果還顯示，青藏高原地區(qū)COSMIC反演大氣廓線與探空觀測的偏差基本上在大氣低層較大，然后隨高度增加而逐漸減小，這在大氣水汽壓和可降水量的對比中表現(xiàn)更明顯。這種現(xiàn)象與兩種探測手段的觀測方法有關(guān)。在探空觀測中，探空氣球在上升過程中是隨風(fēng)偏移的，而且在近地層探空觀測穩(wěn)定性稍差。在COSMIC觀測中，COSMIC反演大氣廓線的數(shù)據(jù)點(diǎn)是掩星切線點(diǎn)，其經(jīng)緯度也是隨高度變化的。此外，COSMIC反演大氣廓線采用了模式背景大氣狀態(tài)，并考慮各狀態(tài)量的誤差特征，來變分求解最優(yōu)一維大氣狀態(tài)［30］，而模式在青藏高原地區(qū)描述大氣狀態(tài)的能力較差［34］。因此，探空觀測在近地層的不穩(wěn)定性和COSMIC反演方法中模式在青藏高原地區(qū)描述大氣狀態(tài)的能力有限，是造成COSMIC反演大氣廓線和探空觀測之間偏差在近地層較大的主要原因。其中水汽的時(shí)空可變性甚于溫度和氣壓，使得這種偏差在水汽壓和可降水量的對比中表現(xiàn)得更明顯。

需要指出的是，在青藏高原地區(qū)，COSMIC反演的可降水量低于探空觀測結(jié)果，COSMIC與探空的可降水量偏差在-0.6～-9.5 mm之間，平均為-5.0 mm；可降水量均方差在0.7～10.1 mm之間，平均為5.7 mm。這種現(xiàn)象在平原地區(qū)地基GPS反演可降水量與探空觀測結(jié)果的對比分析中也有發(fā)現(xiàn)［33，35］，而且COSMIC反演可降水量與探空觀測的負(fù)偏差在大氣低層最為明顯。COSMIC反演可降水量偏低主要是由COSMIC觀測的折射率N偏低造成的，而導(dǎo)致COSMIC折射率偏低的重要因素有三個(gè)：其一，大氣多路徑傳播效應(yīng)；其二，對流層低層復(fù)雜的折射率結(jié)構(gòu)造成COSMIC掩星信號追蹤產(chǎn)生誤差；其三，大氣邊界層層頂?shù)某凵洮F(xiàn)象導(dǎo)致Abel反演的折射率N在大氣邊界層內(nèi)偏低［36］。

4　結(jié)論

本文利用2008年2—7月青藏高原地區(qū)COSMIC反演的大氣濕廓線wetPrf數(shù)據(jù)和8個(gè)站點(diǎn)的探空數(shù)據(jù)，分析了COSMIC掩星資料反演青藏高原大氣廓線與探空觀測的偏差，并對分析結(jié)果進(jìn)行了探討，得到結(jié)論如下。

（1）COSMIC反演的溫度、壓強(qiáng)和水汽壓廓線與探空觀測結(jié)果具有很好的正相關(guān)。與探空觀測相比，COSMIC的溫度偏差平均為-0.2℃，溫度均方差平均為1.8℃；氣壓偏差平均為1.7 hPa，氣壓均方差平均為1.6 hPa；水汽壓偏差平均為0 hPa，水汽壓均方差平均為0.4 hPa。COSMIC反演大氣廓線與探空觀測的偏差基本上在大氣低層較大，然后隨高度的增加而逐漸減小。

（2）COSMIC反演的可降水量與探空觀測結(jié)果也具有較好的正相關(guān)。COSMIC反演的可降水量低于探空觀測結(jié)果，兩者的偏差平均為-5.0 mm，兩者的均方差平均為5.7 mm。COSMIC反演可降水量與探空觀測的負(fù)偏差在大氣低層最為明顯。

（3）探空觀測在近地層的不穩(wěn)定性和COSMIC反演方法中模式在青藏高原地區(qū)描述大氣狀態(tài)的能力有限，是造成COSMIC反演大氣廓線和探空觀測之間偏差在近地層較大的主要原因。COSMIC觀測的折射率偏小導(dǎo)致COSMIC反演可降水量偏低。

COSMIC掩星觀測和探空觀測兩種探測手段的各自觀測特點(diǎn)及局限性是造成兩者觀測偏差的基本原因，青藏高原復(fù)雜的地形和大氣邊界層結(jié)構(gòu)可能會放大這種偏差。此外，匹配兩種觀測資料的取樣方法也會帶來一定的誤差。后期如有條件，利用長期歷史數(shù)據(jù)開展不同區(qū)域COSMIC反演大氣廓線與探空觀測的對比分析，對進(jìn)一步細(xì)致評估COSMIC反演大氣廓線在中國區(qū)域的適用性是有益的。

致謝：本文所用2008年青藏高原探空加密試驗(yàn)數(shù)據(jù)由中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室JICA項(xiàng)目組提供，特此感謝！

［1］Braun J，Rocken C，Ware R.Validation of line-of-sight water vapor measurements with GPS［J］.Radio Science，2001，18：223-234

［2］畢研盟，毛節(jié)泰，李成才，等.利用GPS的傾斜路徑觀測暴雨過程中的水汽空間分布［J］.大氣科學(xué)，2006，30（6）：1 169-1 174

［3］徐祥德，陳聯(lián)壽.青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（6）：756-772

［4］丁一匯，劉俊杰，孫穎，等.東亞梅雨系統(tǒng)的天氣-氣候?qū)W研究［J］.大氣科學(xué)，2007，31（6）：1 082-1 101

［5］Xu X，Lu C，Shi X，et al.World water tower：An atmospheric perspective［J］.Geophysical Research Letters，2008，35，L20815，doi：10.1029/ 2008GL035867

［6］Xu X，Lu C，Shi X，et al.Large-scale topography of China：A factor for the seasonal progression of the Meiyu rainband［J］.Journal of Geophysical Research，2010，115，D02110，doi：10.1029/2009JD012444

［7］Peng S，Xu X，Shi X，et al.The early-warning effects of assimilation of the observations over the large-scale slope of the“World Roof”on its downstream weather forecasting［J］.Chinese Science Bulletin，2009，54：706-710

［8］徐祥德.青藏高原“敏感區(qū)”對我國災(zāi)害天氣氣候的影響及其監(jiān)測［J］.中國工程科學(xué)，2009，11（10）：96-107

［9］楊景梅，邱金恒.用地面濕度參量計(jì)算我國整層大氣可降水量及有效水汽含量方法的研究［J］.大氣科學(xué)，2002，26（1）：9-22

［10］蔡英，錢正安，吳統(tǒng)文，等.青藏高原及周邊地區(qū)大氣可降水量的分布、變化與各地多變的降水氣候［J］.高原氣象，2004，23（1）：1-10

［11］周長艷，李躍清，李薇，等.青藏高原東部及鄰近地區(qū)水汽輸送的氣候特征［J］.高原氣象，2005，24（6）：880-888

［12］梁宏，劉晶淼，章建成，等.青藏高原大氣總水汽量的反演研究［J］.高原氣象，2006，25（6）：1 055-1 063

［13］施小英，施曉暉.夏季青藏高原東南部水汽收支氣候特征及其影響［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（1）：41-46

［14］Xu G，Cui C，Li W，et al.Variation of GPS precipitable water over the Qinghai-Tibet Plateau：possible teleconnection triggering rainfall over the Yangtze River Valley［J］.Terrestrial，Atmospheric and Oceanic Sciences，2011，22（2）：195-202

［15］Xu G，Cui C，Wan R，et al.Applicability of methods for estimating GPS precipitable water in the Qinghai-Tibet Plateau［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2012，89：76-82

［16］王炳忠，申彥波.我國上空的水汽含量及其氣候?qū)W估算［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2012，23（6）：763-768

［17］Rocken C，Kuo Y-H，Schreiner W S，et al.COSMIC system description［J］.Terrestrial，Atmospheric and Oceanic Sciences，2000，11（1）：21-52

［18］Anthes R A，Rocken C，Kuo Y-H.Applications of COSMIC to meteorology and climate［J］.Terrestrial，Atmospheric and Oceanic Sciences，2000，11（1）：115-156

［19］何文英，陳洪濱.COSMIC數(shù)據(jù)驗(yàn)證AMSU平流層低層觀測的初步分析結(jié)果［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52（12）：2 951-2 957

［20］唐細(xì)壩，薛紀(jì)善.COSMIC資料在GRAPES全球三維變分同化系統(tǒng)的初步研究［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2009，25（5）：521-531

［21］Yue X，Schreiner W S，Lei J，et al.Global ionospheric response observed by COSMIC satellites during the January 2009 stratospheric sudden warming event［J］.Journal of Geophysical Research，2010，115，A00G09，doi：10.1029/2010JA015466

［22］樂新安，郭英華，曾楨，等.近地空間環(huán)境的GNSS無線電掩星探測技術(shù)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2016，59（4）：1 161-1 188

［23］杜明斌，楊引明，丁金才.COSMIC反演精度和有關(guān)特性的檢驗(yàn)［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2009，20（5）：586-593

［24］茍小平，符養(yǎng)，郭粵寧，等.COSMIC計(jì)劃及掩星數(shù)據(jù)誤差分析［J］.氣象科學(xué)，2009，29（3）：348-354

［25］王洪，曹云昌，肖穩(wěn)安.COSMIC掩星數(shù)據(jù)與L波段探空數(shù)據(jù)的對比分析［J］.氣象，2010，36（9）：14-20

［26］王伯睿，劉曉陽，王久珂.COSMIC掩星反演數(shù)據(jù)質(zhì)量分析［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，49（2）：241-251

［27］丁金才，郭英華，郭永潤，等.利用COSMIC資料對17個(gè)臺風(fēng)熱力結(jié)構(gòu)的合成分析［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2011，27（1）：31-43

［28］Kuo Y H，Sokolovskiy S V，Anthes R A，et al.Assimilation of GPS radio occultation data for numerical weather prediction［J］.Terrestrial，Atmospheric and Oceanic Sciences，2000，11（1）：157-186

［29］Ware R，Exner M，F(xiàn)eng D，et al.GPS sounding of the atmosphere from low Earth orbit：Preliminary results［J］.Bulletin of the American Meteorological Society，1996，77：19-40

［30］Kuo Y H，Zou X，Huang W，et al.One-dimensional retrieval of temperature and moisture profiles from GPS/MET radio occultation soundings［C］.Proceedings，U.S.-Taiwan Bilateral COSMIC Science Workshop，Taipei，26-28 February 1998，79-82

［31］Xu X，Zhang R，Koike T，et al.A new integrated observational system over the Tibetan Plateau［J］.Bulletin of the American Meteorological Society，2008，89：1 492-1 496

［32］He W，Ho S P，Chen H，et al.Assessment of radiosonde temperature measurements in the upper troposphere and lower stratosphere using COSMIC radio occultation data［J］.Geophysical Research Letters，2009，36，L17807，doi：10.1029/2009GL038712

［33］徐桂榮，萬蓉，李武階，等.地基GPS反演大氣可降水量方法的改進(jìn)［J］.暴雨災(zāi)害，2009，28（3）：203-209

［34］Holtslag A A M，Svensson G，Baas P，et al.Stable atmospheric boundary layers and diurnal cycles：Challenges for weather and climate models［J］. Bulletin of the American Meteorological Society，2013，94，1 691-1 706

［35］徐桂榮，陳波，萬蓉，等.地基GPS不同水汽反演方法的誤差分析［J］.暴雨災(zāi)害，2008，27（4）：346-350

［36］Kuo Y H，Wee T K，Sokolovskiy S.Analysis and assimilation of GPS radio occultation data.［C］.Proc.Int.Workshop on GPS Meteorology，Tsukuba，Japan，14-16 January 2003

（責(zé)任編輯：鄧雯）

Comparison of atmospheric profiles between COSMIC radio occultation and radiosonde observations in the Qinghai-Tibetan Plateau

XU Guirong1，2，YUE Xinan3，ZHANG Wengang2，WAN Xia2，F(xiàn)ENG Guangliu2

（1.Institute of Plateau Meteorology，China Meteorological Administration，Chengdu 610072；2.Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research，Institute of Heavy Rain，China Meteorological Administration，Wuhan 430074；3.Key Laboratory of Earth and Planetary Physics，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029）

A comparison of atmospheric profiles between COSMIC radio occultation and radiosonde observations is performed to explore their discrepancies in the Qinghai-Tibet Plateau（QTP）.The results show as follows.（1）The atmospheric profiles of COSMIC have a satisfactory correlation to those of radiosondes.Compared to radiosondes，the COSMIC temperature，pressure and water vapor pressure have a bias of-0.2℃，1.7 hPa and 0 hPa，respectively，with a corresponding root-mean-square error（RMSE）of 1.8℃，1.6 hPa and 0.4 hPa.The discrepancies are larger in lower than upper troposphere and decrease with altitude.（2）The precipitable water（PW）calculated from the wet atmospheric profiles of COSMIC also has a reasonable correlation to that of radiosondes.However，the COSMIC PW is smaller than that of radiosondes，with a bias of-5.0 mm and a RMSE of 5.7 mm.The discrepancy between them is obvious in lower troposphere.（3）The instability of radiosonde sounding in near surface layer and the limited ability of model used in the COSMIC retrieval method in the QTP are mainly responsible for the discrepancy of atmospheric profile in lower troposphere，and the underestimated COSMIC PW is due to the underestimated COSMIC refractivity.

COSMIC radio occultation；atmospheric profile；precipitable water；Qinghai-Tibet Plateau；radiosonde

P412.2

A

10.3969/j.issn.1004-9045.2016.04.003

2016-04-25；定稿日期：2016-06-20

中國氣象局成都高原氣象研究所高原氣象開放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（LPM2014009）

徐桂榮，主要從事大氣探測研究。E-mail：grxu@whihr.com.cn