中國大陸地區(qū)GNSS ZTD對(duì)超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的響應(yīng)

于騰麗 王 勇,2 黃 靖 楊 軍 占 偉

1 天津城建大學(xué)地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津市津靜路26號(hào)，300384 2 中國科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市徐東大街340號(hào)，430077 3 中國地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津市耐火路7號(hào)，300180

水汽(precipitable water vapor, PWV)作為地球大氣的重要組成成分，是引發(fā)暴雨洪澇災(zāi)害的要素之一[1]。地基GNSS反演水汽具有全覆蓋、高精度、全天候等特點(diǎn)[2],被廣泛應(yīng)用于降雨、中尺度惡劣天氣和全球氣候變化預(yù)測(cè)[3-4]。來自西太平洋地區(qū)的水汽輸送是厄爾尼諾事件影響中國氣象因素的重要紐帶[5]。研究表明，中國大陸GNSS水汽變化對(duì)厄爾尼諾事件的響應(yīng)存在區(qū)域性規(guī)律，與氣候類型、地理區(qū)劃有關(guān)，且GNSS水汽可作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，指示厄爾尼諾事件的發(fā)生及演變[6-7]。2014-10～2016-04發(fā)生的超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件導(dǎo)致我國長(zhǎng)江以南大部分地區(qū)降水偏多，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)“冬汛”，反映出超強(qiáng)厄爾尼諾事件對(duì)中國大陸氣候的重要影響[8-9]。本文將基于CMONOC數(shù)據(jù)分析GNSS ZTD代替水汽的可行性，并利用FFT和WT分析中國大陸GNSS ZTD空間、時(shí)域、頻域變化對(duì)超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的響應(yīng)規(guī)律。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

1.1.1 GNSS 水汽

CMONOC連續(xù)觀測(cè)站分布如圖1所示。GNSS 水汽數(shù)據(jù)由GNSS ZTD結(jié)合氣壓、溫度數(shù)據(jù)反演而來[1]。由于獲取的CMONOC氣象資料有限，為保證GNSS 水汽時(shí)間序列的連續(xù)性，以及可分析站點(diǎn)的覆蓋率，需避免由于同期CMONOC氣象數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致GNSS水汽數(shù)據(jù)不完整的問題。因此，本文將首先分析利用GNSS ZTD代替GNSS 水汽的可行性。由于設(shè)站時(shí)間不同導(dǎo)致各站點(diǎn)積累的觀測(cè)資料的長(zhǎng)度不一，本文分析站點(diǎn)的最長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間序列為2008-01-01～2021-07-24，最短觀測(cè)時(shí)間序列為2012-01-01～2021-07-24。

圖1 CMONOC站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of CMONOC stations

1.1.2 厄爾尼諾事件

1.2 研究方法

FFT可從頻域上提取信號(hào)在時(shí)域上無法體現(xiàn)的周期特征。本文將利用加漢寧窗的FFT分析GNSS ZTD和IEP的頻率/周期的變化規(guī)律，從時(shí)域和頻域上探究二者的關(guān)系。

FFT可提取信號(hào)的顯著變化周期，而WT可提取顯著周期的對(duì)應(yīng)層數(shù)，獲取周期的具體變化情況。本文選擇緊支撐標(biāo)準(zhǔn)正交小波db6小波基函數(shù)對(duì)GNSS ZTD進(jìn)行分析。小波變換分層原理是采用2，4，8，16，…，2J作為尺度，將信號(hào)f(t)(頻段0～F)分解為J+1個(gè)信號(hào)頻段，其中0～F/2J頻段為低頻項(xiàng)(AJ)，F(xiàn)/2n～F/2n-1(n=1，2，3，…，J)為高頻項(xiàng)(D1,D2, …,DJ)。分層合格的標(biāo)準(zhǔn)為低頻信號(hào)AJ曲線呈單一遞增或遞減趨勢(shì)。經(jīng)試算，將GNSS ZTD時(shí)間序列劃分為17層可滿足分層合格標(biāo)準(zhǔn)，其中D1～D17層為高頻項(xiàng)，A17層為低頻項(xiàng)。

2 GNSS ZTD代替GNSS 水汽可行性分析

本文獲取的CMONOC氣象資料時(shí)間跨度為2013-01～2020-12，結(jié)合該時(shí)段的GNSS ZTD數(shù)據(jù)反演出各站點(diǎn)的GNSS水汽序列，并開展GNSS ZTD與GNSS水汽序列的相關(guān)性分析。利用FFT對(duì)GNSS ZTD與GNSS 水汽時(shí)間序列進(jìn)行頻域分析，并探究二者的頻域相關(guān)性。圖2為BJFS、WUHN站分析結(jié)果，圖中**表示相關(guān)性在0.01層上顯著。

圖2 GNSS ZTD與GNSS水汽時(shí)頻相關(guān)性Fig.2 Time-frequency correlation of GNSS ZTD and GNSS PWV

由圖2(a)、2(c)可知，GNSS ZTD與GNSS水汽原始序列吻合度較高，相關(guān)系數(shù)在0.9以上。從圖2(b)、2(d)可以看出，GNSS ZTD與GNSS 水汽頻域分析結(jié)果較為吻合，均存在極顯著的12個(gè)月變化周期(對(duì)應(yīng)頻率約為0.085)以及較顯著的9～10個(gè)月、5～6個(gè)月周期，且在頻率區(qū)間(0.3, 1.25)內(nèi)也存在較顯著的變化周期。綜上可知，GNSS ZTD與GNSS水汽序列在時(shí)域和頻域上均存在極強(qiáng)相關(guān)性，吻合度較高，利用GNSS ZTD代替GNSS 水汽開展研究具有可行性。

3 GNSS ZTD時(shí)空變化對(duì)超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的響應(yīng)分析

本節(jié)對(duì)此次超強(qiáng)厄爾尼諾事件期間GNSS ZTD與IEP的相關(guān)性進(jìn)行分析。GNSS ZTD原始時(shí)間序列存在顯著的年周期、季節(jié)性變化周期以及短期的隨機(jī)波動(dòng)與噪聲。而利用FFT分析IEP的顯著變化周期發(fā)現(xiàn)，其存在顯著的80個(gè)月(約7 a)、40個(gè)月(約3.5 a)、18個(gè)月(1.5 a)、14個(gè)月(約1 a)周期，這與GNSS ZTD的顯著變化周期存在較大差異。故對(duì)二者進(jìn)行相關(guān)性分析前，需要先排除GNSS ZTD隨機(jī)波動(dòng)與噪聲的干擾。利用WT方法對(duì)GNSS ZTD時(shí)間序列進(jìn)行分層處理。IEP顯著變化周期分別對(duì)應(yīng)小波分層的D15(4～8 a)、D14(2～4 a)、D13(1～2 a)層，故將GNSS ZTD進(jìn)行WT后的D13、D14、D15層進(jìn)行重構(gòu)。分析GNSS ZTD重構(gòu)高頻項(xiàng)與IEP的相關(guān)性，并將其與二者原始序列之間的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示，圖中sig值代表Pearson相關(guān)性雙尾檢驗(yàn)的顯著性系數(shù)，sig<0.01表示相關(guān)性在0.01層上顯著，sig<0.05表示相關(guān)性在0.05層上顯著。

圖3 GNSS ZTD與IEP相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between GNSS ZTD and IEP

由圖3(a)可知，中國大陸各區(qū)域GNSS ZTD與IEP存在正相關(guān)性，且均可通過0.01層顯著性檢驗(yàn)，基本呈弱或中度正相關(guān)。圖3(b)顯示，GNSS ZTD重構(gòu)高頻項(xiàng)與IEP的相關(guān)性相比于原始序列有顯著提高，其中1個(gè)站點(diǎn)可通過0.05層顯著性檢驗(yàn)，其余站點(diǎn)均通過0.01層顯著性檢驗(yàn)。大部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)在0.4～0.6范圍內(nèi)，呈中度正相關(guān)；熱帶、亞熱帶、川滇地區(qū)以及黑龍江部分站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)在0.6～0.8范圍內(nèi)，呈強(qiáng)正相關(guān)；個(gè)別站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)大于0.8，呈現(xiàn)出極強(qiáng)正相關(guān)。因此，超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件會(huì)導(dǎo)致中國大陸GNSS ZTD(水汽)增多，且對(duì)熱帶季風(fēng)和亞熱帶季風(fēng)區(qū)域以及川滇地區(qū)影響較為顯著。可能是因?yàn)槌瑥?qiáng)東部型厄爾尼諾事件導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)偏西，促使大量低緯度的水汽向我國輸送，使得中國大陸區(qū)域GNSS ZTD(水汽)整體增多；又因受西北太平洋對(duì)流層低層菲律賓反氣旋性異常環(huán)流的影響，中國東部出現(xiàn)偏南風(fēng)異常，從而導(dǎo)致南方地區(qū)水汽含量劇烈增加[9]。同時(shí)，中國大陸熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域以及川滇地區(qū)所處緯度較低，GNSS ZTD(水汽)比其他地區(qū)含量高[10]，變化較為活躍。

4 GNSS ZTD顯著變化的周期對(duì)超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的響應(yīng)分析

GNSS ZTD存在顯著的年、9～10個(gè)月、半年周期以及(0.3, 1.25)頻率區(qū)間內(nèi)的較顯著周期。本節(jié)將開展超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件對(duì)GNSS ZTD顯著變化周期的影響分析。為確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，選擇多個(gè)正常氣候時(shí)段的數(shù)據(jù)與之進(jìn)行對(duì)比。此次厄爾尼諾事件持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)19個(gè)月，而本文涉及時(shí)間序列中只包含一段與之對(duì)應(yīng)的正常氣候時(shí)段。因此，以該事件峰值時(shí)間為基準(zhǔn)向前后共截取12個(gè)月的時(shí)間長(zhǎng)度(2015-05～2016-04)開展分析，并選取2012-05～2013-04、2013-05～2014-04、2016-05～2017-04三個(gè)正常氣候時(shí)段與之進(jìn)行對(duì)比。利用FFT分析4個(gè)時(shí)間段內(nèi)GNSS ZTD的顯著變化周期，探究其在超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件期間與正常氣候時(shí)段的差異及規(guī)律。由于截選時(shí)長(zhǎng)為12個(gè)月，故只能對(duì)除年周期外的其他顯著周期進(jìn)行分析。本文截取各站點(diǎn)GNSS ZTD FFT結(jié)果中存在顯著周期的時(shí)段進(jìn)行對(duì)比，由于篇幅限制，僅展示溫帶季風(fēng)氣候地區(qū)2個(gè)站點(diǎn)的分析結(jié)果(圖4)。

圖4 溫帶季風(fēng)氣候地區(qū)GNSS ZTD顯著變化周期對(duì)比Fig.4 Comparison of significant change periods of GNSS ZTD in temperate monsoon climate region

由圖4可知，超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件發(fā)生期間，溫帶季風(fēng)氣候區(qū)域GNSS ZTD約9個(gè)月的顯著變化周期振幅明顯低于3個(gè)正常氣候時(shí)段；在(0.2, 1.4)頻率區(qū)間內(nèi)，超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件期間的GNSS ZTD顯著變化周期振幅較正常時(shí)段有不同程度的增長(zhǎng)。

綜合各區(qū)域站點(diǎn)的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的影響下，中國大陸區(qū)域GNSS ZTD約9個(gè)月的顯著變化周期振幅均存在不同程度的降低，而0.8個(gè)月、1個(gè)月、1.5個(gè)月、2～3個(gè)月的較小顯著變化周期振幅均有不同程度的增長(zhǎng)。表明超強(qiáng)東部型厄爾尼諾期間，GNSS ZTD較長(zhǎng)的顯著變化周期減弱，較短的顯著變化周期增強(qiáng)，GNSS ZTD變化更為活躍。

以3個(gè)正常氣候時(shí)段GNSS ZTD 9個(gè)月顯著變化周期對(duì)應(yīng)振幅(amplitude,A)的平均值為基準(zhǔn)，計(jì)算超強(qiáng)東部型厄爾尼諾期間GNSS ZTD 9個(gè)月顯著變化周期振幅的變化量(ΔA)；并以相同方法分別計(jì)算各站點(diǎn)0.8～3個(gè)月內(nèi)的顯著變化周期對(duì)應(yīng)振幅的增量，然后求其平均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 GNSS ZTD顯著變化周期對(duì)超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的響應(yīng)分析Fig.5 Response analysis of GNSS ZTD significant periods to super eastern Pacific El Nio event

由圖5(a)可知，在超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的影響下，中國大陸絕大部分站點(diǎn)GNSS ZTD 9個(gè)月顯著變化周期振幅均有不同程度的降低，熱帶地區(qū)和溫帶大陸西部地區(qū)振幅變化量最為顯著，個(gè)別顯示無變化規(guī)律的站點(diǎn)主要集中在中國大陸西北部地區(qū)。從圖5(b)可以看出，中國大陸絕大部分站點(diǎn)GNSS ZTD 0.8～3個(gè)月顯著變化周期振幅均有不同程度的增加，熱帶地區(qū)和亞熱帶地區(qū)振幅增量最為顯著，個(gè)別顯示無變化規(guī)律的站點(diǎn)主要集中在溫帶大陸地區(qū)北部。由此可知，在中國大陸西北部高原山地氣候區(qū)域的個(gè)別站點(diǎn)9個(gè)月顯著周期和中國大陸北部溫帶大陸氣候區(qū)域的個(gè)別站點(diǎn)0.8～3個(gè)月顯著周期對(duì)超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件響應(yīng)較差?？赡苁且?yàn)檫@些站點(diǎn)位于中國大陸緯度較高的地區(qū)，GNSS ZTD(水汽)含量較低，變化不活躍[10]，而且在此次超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件期間，北方地區(qū)偏北風(fēng)氣流受到抑制[9]，影響部分區(qū)域水汽的正常流通。

5 結(jié) 語

本文首先基于CMONOC提供的GNSS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析GNSS ZTD代替GNSS水汽的可行性，然后開展中國大陸GNSS ZTD對(duì)2014-10～2016-04超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的響應(yīng)分析，得到以下結(jié)論：

1)中國大陸各區(qū)域GNSS ZTD與IEP呈正相關(guān)，即超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件會(huì)導(dǎo)致中國大陸GNSS ZTD增大，且對(duì)熱帶季風(fēng)和亞熱帶季風(fēng)區(qū)域以及川滇地區(qū)影響較為顯著。

2)在超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件的影響下，中國大陸區(qū)域GNSS ZTD約9個(gè)月的顯著變化周期振幅均存在不同程度的降低；而0.8～3個(gè)月內(nèi)的較小顯著變化周期振幅均有不同程度的增長(zhǎng)。其中，熱帶地區(qū)與溫帶大陸西部地區(qū)GNSS ZTD 9個(gè)月顯著變化周期、熱帶與亞熱帶地區(qū)GNSS ZTD 0.8～3個(gè)月顯著變化周期對(duì)此次厄爾尼諾事件的響應(yīng)最為顯著，表明超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件期間GNSS ZTD變化更為活躍。