COSMIC與ERA-Interim折射率數(shù)據(jù)分析海洋邊界層時空分布的對比

袁帥 唐歌實(shí) 高鵬

摘要本文基于小波協(xié)方差變換法，使用COSMIC和ERA-Interim兩種數(shù)據(jù)的折射率獲取了全球海洋邊界層的時空分布情況并進(jìn)行了對比分析.結(jié)果表明：在空間上，由兩種數(shù)據(jù)反演出的海洋邊界層高度所顯示出的分布特征大致相同，即沿著赤道呈不完全對稱分布，僅在個別海域有所差別；在季節(jié)及月變化方面，兩者均呈現(xiàn)出夏季較高的特點(diǎn)；在日變化特征上，兩者變化均不明顯，但ERA-Interim數(shù)據(jù)的海洋邊界層高度的日變化特征與太陽輻射的日變化特征更加符合；在數(shù)值差異上，COSMIC數(shù)據(jù)要比ERA-Interim數(shù)據(jù)的結(jié)果高500～1 000 m，且低緯度地區(qū)兩者差異大于高緯度地區(qū)，夏季兩者差異小于冬季.

關(guān)鍵詞COSMIC掩星；ERA-Interim；折射率；海洋邊界層；小波協(xié)方差變換法；時空分布特征

中圖分類號

P407

文獻(xiàn)標(biāo)志碼

A

收稿日期

2021-07-08

資助項(xiàng)目

南京信息工程大學(xué)人才啟動經(jīng)費(fèi)（2018r074）；新羅區(qū)奇邁科技創(chuàng)新基金（XLQM004）

作者簡介袁帥，男，碩士生，主要研究方向?yàn)镚NSS氣象學(xué).1402303629@qq.com

唐歌實(shí)（通信作者），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)镚NSS大氣遙感.tanggeshi@nuist.edu.cn

1 南京信息工程大學(xué)遙感與測繪工程學(xué)院， 南京，210044

2龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，龍巖，364012

0 引言

大氣邊界層是地球大氣中的物質(zhì)、能量與動量上下交換的過渡層，對全球氣候系統(tǒng)有著重要的影響[1].大氣邊界層高度是描述大氣邊界層特征的一個關(guān)鍵參數(shù)，可以用來描述給定區(qū)域內(nèi)與之相關(guān)的晝夜、氣象和氣候過程，包括云特征以及地面和自由大氣之間的聯(lián)系[2]，可靠的邊界層高度信息對于天氣預(yù)報和氣候模式等研究有著重要的意義[3].

長期以來，邊界層高度的測量主要依靠無線電探空數(shù)據(jù)、星載遙感、雷達(dá)觀測資料等.但這些傳統(tǒng)的探測方法都有其局限性：無線電探空資料的地理分布有限，尤其是海上的站點(diǎn)更少，且每天只有兩次觀測數(shù)據(jù)，難以用來研究大范圍的邊界層高度；星載遙感資料雖然探測范圍廣，但對于邊界層研究來說其垂直分辨率較低[4]，并且星載遙感資料受天氣條件影響較大，僅在多云和晴空條件下有著較好的探測效果[5]；雷達(dá)觀測資料的觀測結(jié)果容易受到平流輸送[6]和環(huán)境噪聲的影響[7]且觀測的分辨率有限[8]，也同樣存在探測范圍較小的問題.

目前，對于大范圍的海洋邊界層高度的研究，通常使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)無線電掩星（Global Navigation Satellite System Radio Occultation，GNSS/RO）觀測資料和再分析資料.GNSS無線電掩星技術(shù)是一種全新的大氣廓線探測手段，具有高精度、高垂直分辨率、近實(shí)時、全天候、全球覆蓋、低成本、長期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn).以COSMIC為代表的掩星觀測衛(wèi)星在采用了“開環(huán)跟蹤”技術(shù)后，有效解決了大氣多徑效應(yīng)的影響，大大提高了低空的探測精度.廖麒翔等[9]、劉艷等[10]相繼使用COSMIC折射率數(shù)據(jù)進(jìn)行了邊界層高度的研究，取得了很好的結(jié)果.再分析資料是利用數(shù)值天氣預(yù)報資料同化系統(tǒng)給出的過去幾十年具有高度一致性的全球客觀資料，可以視為對大氣情況的“最優(yōu)”反映，目前已成為一種最主要的資料來源.ECMWF再分析（ECMWF Re-Analysis）資料由歐洲中期天氣預(yù)報中心發(fā)布，具有準(zhǔn)確、可信度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地運(yùn)用于氣象等領(lǐng)域，von Engeln等[1]就使用ECMWF再分析資料中的ERA-Interim數(shù)據(jù)獲取了大氣邊界層高度.Guo等[11]、周文等[12]分別探討了兩種資料在使用相同方法下獲取邊界層高度的計算結(jié)果，但前者對于兩種數(shù)據(jù)獲取的邊界層高度結(jié)果未深入到對時空分布進(jìn)行比較，而后者的研究區(qū)域則局限于青藏高原地區(qū).本文基于小波協(xié)方差方法，使用2008—2012年5年的COSMIC數(shù)據(jù)和ERA-Interim數(shù)據(jù)分析了海洋邊界層高度的時空分布特征，并詳細(xì)比較了兩種數(shù)據(jù)獲取的海洋邊界層高度在空間分布，季節(jié)、月變化及日變化方面的數(shù)值差異.

1.4 海洋邊界層結(jié)構(gòu)分析方法

由于使用的ERA-Interim數(shù)據(jù)為2°×2°的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，而掩星數(shù)據(jù)點(diǎn)的經(jīng)緯度是全球分布的，因此處理掩星數(shù)據(jù)時，將全球分為90×180個2°×2°的網(wǎng)格單元，計算每個單元內(nèi)大氣邊界層高度的年平均值、月平均值以及小時的平均值作為該網(wǎng)格單元的替代值，使得COSMIC數(shù)據(jù)與ERA-Interim數(shù)據(jù)保持形式上的一致.

2 海洋邊界層時空分布特征

2.1 海洋邊界層空間分布特征

圖2為2008—2012年5年的COSMIC折射率數(shù)據(jù)及ERA-Interim折射率數(shù)據(jù)所確定的海洋邊界層平均高度的全球分布情況.COSMIC數(shù)據(jù)顯示在45°N以北的北冰洋及附近海域以及45°S以南的海域有著較低的邊界層高度，約在1～1.5 km范圍內(nèi)，部分地方甚至低于1 km；ERA-Interim則顯示50°N以北及60°S以南有著較低的邊界層高度，在1 km以下.在南北美洲以及非洲西岸等大陸西海岸地區(qū)，兩者均對應(yīng)著較低的邊界層高度，COSMIC在1～1.5 km范圍內(nèi)，而ERA-Interim數(shù)據(jù)則在1 km以下.在孟加拉灣到中國南海再到爪哇海、西里伯斯海及班達(dá)海等印度尼西亞附近海域 ，同樣對應(yīng)著較低的邊界層高度，COSMIC在1～1.5 km范圍內(nèi)，ERA-Interim數(shù)據(jù)則在1 km以下.除去上述海域，在COSMIC邊界層45°N～45°S海域有著較高的邊界層高度，在1.5～2 km范圍內(nèi)，在南太平洋東部、北太平洋中東部、南美洲西岸及印度洋南部部分海域，甚至達(dá)到了2～2.5 km；ERA-Interim數(shù)據(jù)則在50°N～50°S海域有著1～1.5 km的邊界層高度，在南太平洋東部、北太平洋中東部、南美洲西岸及印度洋南部部分海域的邊界層高度則在1.5～2 km范圍內(nèi).整體而言，兩者有大致相同的分布情況，在忽略陸地分布的影響下，海洋邊界層高度大致呈現(xiàn)出沿著赤道為軸的不嚴(yán)格緯向?qū)ΨQ分布.由ERA-Interim數(shù)據(jù)確定的邊界層高度要比COSMIC所確定的低0.5～1 km左右，一方面與ERA-Interim模式系統(tǒng)性偏低相關(guān)，另一方面則是因?yàn)镋RA-Interim中的邊界層高度包含夜間穩(wěn)定邊界層和混合邊界層，而COSMIC數(shù)據(jù)由于探測最低高度有限只能檢測混合層高度，只有少部分廓線能檢測到夜間穩(wěn)定邊界層高度[12].

圖3a、圖3b分別為由COSMIC和ERA-Interim數(shù)據(jù)確定的海洋邊界層高度的發(fā)生頻率統(tǒng)計結(jié)果，橫坐標(biāo)為邊界層高度區(qū)間，縱坐標(biāo)為頻率.

由圖3可知：COSMIC邊界層1.4～1.6 km的占比最多，約25.7%，ERA-Interim邊界層1.0～1.2 km的占比最多，約26.8%；由COSMIC確定的邊界層高度大多位于1.2～1.8 km范圍內(nèi)，占比超過70%，而ERA-Interim在0.6～1.4 km范圍內(nèi)占比達(dá)85%左右；COSMIC邊界層高度在1 km以下的只占3.4%，而ERA-Interim邊界層高度在1 km以下占比則高達(dá)34.9%；在邊界層高度大于1.6 km的范圍內(nèi)，COSMIC的占比達(dá)33.8%，而ERA-Interim則低于3%.此統(tǒng)計結(jié)果的差異與上文由ERA-Interim數(shù)據(jù)確定的邊界層高度要比COSMIC所確定的低0.5～1 km左右的現(xiàn)象相符合.

將全球海域分為60°～90°N、30°～60°N、0°～30°N、0°～30°S、30°～60°S和60°～90°S共6個緯度帶對COSMIC數(shù)據(jù)和ERA-Interim數(shù)據(jù)所確定的邊界層高度做出差異分析.圖4a給出了COSMIC數(shù)據(jù)和ERA-Interim數(shù)據(jù)在這6個緯度帶的邊界層高度的平均值，COSMIC分別為1.18、1.58、1.74、1.77、1.48和1.16 km，而ERA-Interim分別為0.80、1.13、1.19、1.31、1.09和0.82 km.兩種數(shù)據(jù)所確定的海洋邊界層高度平均值最大的區(qū)域均位于0°～30°S，平均值最小的情況，COSMIC位于60°～90°S，ERA-Interim位于60°～90°N.圖4b為COSMIC數(shù)據(jù)和ERA-Interim數(shù)據(jù)在這6個緯度帶的邊界層高度的平均值的差異情況，差值最大為0.55 km，位于0°～30°N，最小差值為0.34 km，位于60°～90°S.總體來看，在南北半球，COSMIC數(shù)據(jù)和ERA-Interim數(shù)據(jù)邊界層高度平均值隨著緯度的增加而減小，在低緯度地區(qū)兩種數(shù)據(jù)的差異要大于高緯度地區(qū).

2.2 海洋邊界層的季節(jié)及月變化特征

圖5為2008—2012年海洋邊界層高度的季節(jié)分布，可以看出海洋邊界層高度有著明顯的季節(jié)變化特征.對于COSMIC數(shù)據(jù)，在北半球夏季時有著較高的邊界層高度，南半球則在冬季時有著較高的邊界層高度，這一現(xiàn)象在30°～90°N及30°～90°S的廣大區(qū)域更加明顯.例如在北冰洋地區(qū)部分海域冬春季節(jié)邊界層高度低于1 km，這是因?yàn)橄募緯r海冰密度小，海溫較高，產(chǎn)生湍流動能，有利于加深邊界層，而60°～90°S的海域則正好相反，在夏秋季節(jié)的邊界層高度明顯低于春冬兩季.對于ERA-Interim數(shù)據(jù)，沒有顯示出數(shù)值上的改變，但仍可以發(fā)現(xiàn)，夏季北半球高緯度邊界層低于1 km的區(qū)域有明顯的向北縮減的趨勢，在印度和阿拉伯半島之間的海域以及加拿大紐芬蘭附近的海域也有著明顯的邊界層高度的增加.南太平洋東部、南美洲東部、澳大利亞東部的南印度洋海域以及美國以北的太平洋東部海域由于常年位于信風(fēng)區(qū)，受四季變化影響較小，對應(yīng)著較高的邊界層.在北美洲西海岸地區(qū)、南美洲西海岸、0°～30°S的非洲西海岸這些盛行層狀云地區(qū)，同樣受四季影響較小，常年有著較低的邊界層.在0°～30°N的亞洲東海岸、西太平洋地區(qū)，邊界層頂呈現(xiàn)出明顯的夏低冬高的現(xiàn)象，Klein 等[18]認(rèn)為該地區(qū)冬季受寒潮或Hardly環(huán)流產(chǎn)生的層積云影響，因此冬季邊界層較高，而夏季該地區(qū)臺風(fēng)頻發(fā)是其邊界層較低的原因[11];墨西哥灣地區(qū)由于夏季颶風(fēng)頻發(fā)，邊界層較低，但冬季受到極地寒流向赤道移動和海上鋒面的影響[1，19] ，所以邊界層較高.在10°～30°N的北大西洋海域邊界層高度全年偏高，和廖麒翔等[9]所得到的情況相同.孟加拉灣到中國南海再到爪哇海、西里伯斯海及班達(dá)海等印度尼西亞附近等赤道暖池海域，常年降水豐富，長波輻射被用于水汽蒸發(fā)，導(dǎo)致邊界層內(nèi)對流能量減少，四季都有著較低的邊界層高度.總的來說，COSMIC數(shù)據(jù)和ERA-Interim數(shù)據(jù)所確定的海洋邊界層的四季分布大體一致，只在個別區(qū)域有差異.比如：ERA-Interim數(shù)據(jù)中，地中海地區(qū)的邊界層頂在冬季明顯偏高，而COSMIC數(shù)據(jù)則沒有這種現(xiàn)象；在非洲以東佛得角海域，COSMIC數(shù)據(jù)僅僅在夏季呈現(xiàn)出較低的邊界層高度，而ERA-Interim數(shù)據(jù)中該地區(qū)全年都對應(yīng)著較低的邊界層高度.

圖6為對COSMIC和ERA-Interim折射率所確定的海洋邊界層的月平均高度的統(tǒng)計.圖6a中藍(lán)線為COSMIC折射率海洋邊界層月平均高度，橙線為ERA-Interim折射率海洋邊界層月平均高度，可以看出COSMIC的1—12月的月均高度均保持在1.5 km左右，其中7月最高，達(dá)到1.55 km，4月最低為1.50 km，最大值與最小值相差50 m.在徐曉華等[15]的研究中，1—12月中月均邊界層高度的最大值與最小值相差100 m左右，但其統(tǒng)計的區(qū)域包括陸地，

而由于海洋熱容量較大及海洋上空云層對太陽短波輻射的反射，海洋的邊界層高度月變化幅度要小于陸地.ERA-Interim數(shù)據(jù)也在7月取得最大值，為1.11 km，最小值在1月，為1.04 km.由圖6a可知，海洋邊界層的月平均高度存在夏季月份較高、冬季月份較小的情況.圖6b為COSMIC和ERA-Interim數(shù)據(jù)海洋邊界層月平均高度的差值情況，8月兩者差值最小，為0.43 km，在2月差值最大，為0.48 km，夏季6—8月差值明顯小于冬季（12月至次年2月）.

2.3 海洋邊界層日變化特點(diǎn)

在研究海洋邊界層日變化時，由于ERA-Interim數(shù)據(jù)每天只有4個時刻的數(shù)據(jù)，所以需要選擇特定時區(qū)的海域進(jìn)行研究.本文將包含太平洋中部及部分北冰洋的西十區(qū)海域（142.5°～157.5°W）記為區(qū)域A、大西洋中部及部分北冰洋的西二區(qū)海域（22.5°～37.5°W）記為區(qū)域B、位于印度洋中部的海域（82.5°～97.5°E）記為區(qū)域C，將這3個海區(qū)作為典型的研究區(qū)域.在研究時，需要將COSMIC和ERA-Interim中 UTC時間轉(zhuǎn)化為當(dāng)?shù)貢r間，對于ERA-Interim數(shù)據(jù)來說，每天只有4個時刻，而對于COSMIC數(shù)據(jù)，取前后2 h的平均值作為某時刻的值.圖7為以上3個海域的年平均邊界層高度的日變化曲線，橙線為COSMIC的結(jié)果、藍(lán)線為ERA-Interim的結(jié)果.一般來說，由于太陽輻射的影響，在14時左右海面溫度達(dá)到最高值時，邊界層的高度會達(dá)到最高值，但圖7中顯示在A、B兩個海域邊界層高度全天變化較小，C海域變化較大，14時左右的邊界層高度也并不是最高，說明COSMIC數(shù)據(jù)確定的邊界層高度的日變化特征與太陽輻射的日變化特征符合程度較低，除與COSMIC數(shù)據(jù)本身性質(zhì)相關(guān)外，也與海水

比熱容較大、海溫日較差較小和不同海域云的影響有關(guān).相比較而言，ERA-Interim所得到平均邊界層高度的日變化在數(shù)值上要比COSMIC所得到的要低400～500 m，但也加更符合太陽輻射的特征，例如圖7a、7b和7c中分別在14、16和12時取得最大值.COSMIC數(shù)據(jù)和ERA-Interim數(shù)據(jù)所得到的海洋邊界層高度的日變化均較小，一般只有幾十米，這與其他研究者的結(jié)論相符合[9-10，15].

3 結(jié)論

本文分別采用2008—2012年的COSMIC折射率數(shù)據(jù)和ERA-Interim折射率數(shù)據(jù)，分析了全球海洋邊界層的空間分布特征、季節(jié)及月變化特征和日變化特征，并比較了兩種數(shù)據(jù)所得到的海洋邊界層變化特征的數(shù)值差異，得到如下結(jié)論：

1）兩種數(shù)據(jù)均顯示，海洋邊界層頂有明顯的空間分布特征.全球海洋邊界層高度大致呈現(xiàn)出沿著赤道為軸的不嚴(yán)格緯向?qū)ΨQ分布，邊界層高度隨著緯度的增加而降低，副熱帶地區(qū)的邊界層高度的幾個高值區(qū)與副熱帶系統(tǒng)位置較為一致.兩種數(shù)據(jù)所獲取的海洋邊界層在數(shù)值分布上存在差異，COSMIC數(shù)據(jù)要比ERA-Interim數(shù)據(jù)高500 m左右，且在高緯度地區(qū)兩者差異大于低緯度地區(qū).

2）在海洋邊界層的季節(jié)以及月變化特征方面，兩種數(shù)據(jù)大致相同，只在少數(shù)地區(qū)存在差異.兩種數(shù)據(jù)所得海洋邊界層平均高度均存在夏高冬低的現(xiàn)象，且兩者之間的差異則顯示出夏低冬高的現(xiàn)象.

3）兩種數(shù)據(jù)均顯示，海洋邊界層頂?shù)娜兆兓卣鞑幻黠@，一般只有幾十米.COSMIC數(shù)據(jù)要比ERA-Interim數(shù)據(jù)高500 m左右，ERA-Interim數(shù)據(jù)確定的邊界層高度的日變化特征與太陽輻射的日變化特征更加符合.

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Temporal and spatial distribution of oceanic boundary layer based on COSMIC and ERA-Interim refractive index

YUAN Shuai1 TANG Geshi1 GAO Peng2

1School of Remote Sensing & Geomatics Engineering，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044

2School of Resource Engineering，Longyan University，Longyan 364012

Abstract

The spatial and temporal distribution of the oceanic boundary layer height is determined by wavelet covariance transform method using COSMIC and ERA-Interim refractive index data independently，then the difference between results of the two datasets is comparatively analyzed.The results show that a roughly same spatial pattern of not completely symmetrical distribution of the boundary layer height along the equator is observed for the inversion results of the two datasets.As for the seasonal and monthly variations，the oceanic boundary layer is relatively high in summer.Though no obvious diurnal variation is observed，it should be noted that the diurnal variation of boundary layer height from ERA-Interim data is more consistent with that of solar radiation.The comparison shows that the inversion results of COSMIC data are about 500-1 000 meters higher than those of ERA-Interim data，and the difference is greater in high latitudes than in low latitudes and smaller in summer than in winter.

Key words COSMIC occultation;ERA-Interim;refractive index;oceanic boundary layer;wavelet covariance variation;spatial-temporal distribution characteristics