利用NCEP再分析資料建立全球大氣加權平均溫度模型*

陳 鵬 陳家君

1)西安科技大學測繪科學與技術學院，西安 710054

2)大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077

3)武漢大學測繪學院，武漢 430079

利用NCEP再分析資料建立全球大氣加權平均溫度模型*

陳 鵬1，2)陳家君3)

1)西安科技大學測繪科學與技術學院，西安 710054

2)大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077

3)武漢大學測繪學院，武漢 430079

針對全球加權平均溫度模型(GWMT)在海洋地區(qū)存在顯著異常的缺陷，利用2007～2011年NCEP再分析資料建立全球大氣加權平均溫度模型GWMT_N。利用2011年全球650個無線電探空站Tm數(shù)據(jù)和2011年COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)對GWMT_N模型的精度進行驗證。結果表明，GWMT_N模型避免了GWMT模型的缺陷，且在陸地地區(qū)的精度也得到了提高;GWMT_N模型的整體精度與采用地面實測溫度的Bevis公式相當，且無需已知地面實測溫度。

NCEP;GWMT_N;大氣加權平均溫度;探空站;COSMIC

利用GPS觀測數(shù)據(jù)可以精確得到對流層天頂總延遲(zenith total delay，ZTD)、對流層天頂干延遲(zenith hydrostatic delay，ZHD)、天頂濕延遲(zenith wet delay，ZWD)和大氣可降水量(precipitable water vapor，PWV)，而大氣加權平均溫度Tm是求解ZWD和PWV之間轉換系數(shù)的關鍵變量［1－3］。國內外學者對大氣加權平均溫度Tm的計算開展了大量研究［1，4－14］。Yao 等［8］借鑒 Bevis 公 式［1］和 GPT 模型［3］，利用2005～2009年全球135個探空站的探空觀測數(shù)據(jù)建立了與地面溫度無關的全球加權平均溫度模型(global weighted mean temperature，GWMT)，但建模時僅采用了探空站的數(shù)據(jù)，導致在海洋上空的計算精度和可靠性受到限制，在海洋上會出現(xiàn)明顯的異常。為此，本文提出利用NCEP再分析資料建立全球大氣加權平均溫度模型。

1 加權平均溫度Tm的獲取與全球加權平均溫度模型GWMT

目前，全球共有超過1 500個無線電探空站，每天UT0∶00和12∶00進行兩次探空觀測。利用無線電探空數(shù)據(jù)計算大氣加權平均溫度的公式為［8］:

Yao等［8］利用2005～2009年全球135個無線電探空站資料，建立的直接利用測站年積日和三維坐標計算全球加權平均溫度的模型GWMT為:

2 利用NCEP再分析資料建立全球加權平均溫度模型GWMT_N

NCEP/NCAR再分析資料由美國氣象環(huán)境預報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合制作。相對于地面探空站，NECP再分析資料的數(shù)據(jù)可以覆蓋全球。

本文在建立全球大氣加權平均溫度模型時采用一日4次再分析資料中的等壓面資料，該資料包括溫度、位勢高度、相對濕度和風速等參量，共分為17層，范圍為 90°N ～90°S，0°～357.5°E，空間分辨率為2.5°×2.5°，時間分辨率為6 h。

2.1 Tm時間序列頻譜特征分析

本文對2007～2011年NCEP再分析資料得到的每個時刻全球格網(wǎng)點Tm的平均值時間序列進行頻譜分析。從圖1可以看出，Tm除了存在顯著的年周期外，還存在著明顯的半年周期。

圖1 2007～2011年NCEP全球Tm格網(wǎng)均值頻譜分析結果Fig.1 Results of spectral analysis for mean of 2007 －2011 NCEP global Tmgrid

2.2 GWMT_N 模型

參考GWMT模型的建立方式，并考慮Tm半年周期項的影響，GWMT_N模型表達式為:

圖2給出了GWMT_N模型系數(shù)的全球分布圖。其中，α1表示海平面的平均Tm，是Tm的主要分量。從圖中可以看出，GWMT_N模型的α1以赤道為中心南北半球大致對稱，其變化主要沿緯度方向，而經(jīng)度方向變化不大，在南半球尤為明顯。模型系數(shù)在全球的分布更加符合真實狀況，在海洋地區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的異?，F(xiàn)象，表明本文采用NCEP再分析資料格網(wǎng)Tm數(shù)據(jù)建立的GWMT_N模型更符合實際情況。

2.3 GWMT_N模型精度檢驗

采用平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMS)作為評定模型精度的標準，進行檢核的數(shù)據(jù)包括2011年全球650個無線電探空站探測Tm數(shù)據(jù)和2011年COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)。無線電探空Tm數(shù)據(jù)共有185 790個比較樣本，COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)共有410 663個比較樣本。

2.3.1 無線電探空站Tm數(shù)據(jù)檢驗

圖2 GWMT_N模型系數(shù)α1、α2和α3的全球分布Fig.2 Global distribution of GWMT_N’s model coefficients α1，α2and α3

在全球1 500多個無線電探空站中選取均勻分布的650個站2011年的全年觀測數(shù)據(jù)對各個模型的精度進行檢驗，這些探空站主要分布在50°S～90°N范圍內。將探空數(shù)據(jù)計算出的Tm作為真值，對GWMT-N模型、GWMT模型、Bevis公式求得的Tm分別進行檢驗。其中，利用Bevis公式計算Tm時，地面溫度分別采用實測地面溫度和GPT模型計算的地面溫度。將各種模型計算的Tm與真實Tm作差，計算一年內每個探空站的MAE和RMS，如圖3所示，各個模型MAE和RMS的最大值、最小值和平均值如表1所示。從表1可知，GWMT_N模型MAE和RMS的平均值為3.45K和4.31K，精度與Bevis+實測Ts的精度相當，高于Bevis+GPT和GWMT模型，而且GWMT_N模型無需已知地面實測溫度，使用更為方便。從圖3可以看出，各種模型在低緯度地區(qū)的精度最高，而在中高緯度地區(qū)精度較低，尤其在東亞地區(qū)精度明顯低于其他地區(qū)，其原因有待進一步分析。

表1 各種模型結果與探空Tm數(shù)據(jù)之差統(tǒng)計Tab.1 MAE and RMS of the difference between various models and sounding Tm

2.3.2 COSMIC 掩星 Tm數(shù)據(jù)檢驗

從圖3可以看出，無線電探空站主要分布在北半球的大陸地區(qū)，且時間分辨率較低，每天只有兩次探空觀測數(shù)據(jù)。為了進一步分析GWMT_N模型在海洋等地區(qū)和一天中其他時刻的精度和可靠性，采用2011年全年的COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)對GWMT_N模型和其他各種模型的精度進行驗證。將COSMIC掩星數(shù)據(jù)計算的Tm作為真值，對不同方法的精度進行檢驗，其中在利用Bevis公式計算Tm時，地面溫度分別采用掩星大氣廓線最底層的溫度和GPT模型的計算值。將不同方法計算的Tm與真實的Tm求差，將結果在緯度方向以2.5°進行分段，每個分段內的所有數(shù)據(jù)進行綜合處理，求得每一個分段內所有差值的MAE和均方根，結果如圖4所示。

由圖4可知，GWMT_N模型在全球范圍內有著較高的精度，不存在明顯的異?，F(xiàn)象。模型精度在低緯度地區(qū)略高于高緯度地區(qū)，在南極地區(qū)精度最低。GWMT_N模型的精度高于Bevis+GPT的精度，與Bevis+實測Ts的精度基本相當。GWMT模型在80°S～20°N之間存在明顯的異常，這與該地區(qū)大部分被海洋覆蓋有關。各種模型結果與COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)之差的MAE和RMS統(tǒng)計如表2所示，Bevis+實測Ts精度最高，GWMT_N模型的精度與之基本相當，MAE和均方根的平均值分別為3.39 K和4.47 K。

表2 各種模型結果與COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)之差Tab.2 MAE and RMS of the difference between various models and COSMIC occultation Tm

3 結論

檢驗結果表明，GWMT_N模型避免了GWMT模型在海洋地區(qū)出現(xiàn)明顯異常的缺陷，同時陸地地區(qū)的精度也高于GWMT模型，是真正意義上全球適用的大氣加權平均溫度模型。GWMT_N無需地面實測溫度，只需年積日和測站三維坐標即可獲得高精度的Tm。

圖3 各種模型結果與探空Tm數(shù)據(jù)之差的MAE和RMSFig.3 MAE and RMS of the difference between the various models and sounding Tm

圖4 各種模型結果與COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)之差在不同緯度上的統(tǒng)計Fig.4 Difference between various models and COSMIC occultation Tm on different latitudes

1 Bevis M，et al.GPS meteorology:Remote sensing of atmospheric water vapor using the global positioning system［J］.Journal of Geophysical Research，1992，97(D14):15 787 －15 801.

2 Davis J L，et al.Geodesy by radio interferometry:Effects of atmospheric modeling errors on estimates of baseline length［J］.Radio Science，1985，20(6):1 593 －1 607.

3 Boehm J，Heinkelmann R，Schuh H.Short note:a global model of pressure and temperature for geodetic applications［J］.Journal of Geodesy，2007，81(10):679 －683.

4 Kuo Y H，et al.Comparison of GPS radio occultation soundings with radiosondes［J］.Geophysical Research Letters，32，L05817.

5 Rocken C，Van Hove T，Ware R.Near real-time GPS sensing of atmospheric water vapor［J］.Geophysical Research Letters，1997，24(24):3 221 －3 224.

6 Ross R J，Rosenfeld S.Estimating mean weighted temperature of the atmosphere for Global Positioning System applications［J］.Journal of Geophysical Research，1997，102(D18):21 719－21 730.

7 Wang J，Zhang L，Dai A.Global estimates of water-vaporweighted mean temperature of the atmosphere for GPS applications［J］.Journal of Geophysical Research，2005，110(D21).

8 Yao Y B，Zhu S，Yue S Q.A globally applicable，season-specific model for estimating the weighted mean temperature of the atmosphere［J］.Journal of Geodesy，2012，86(12):1 125－1 135.

9 李建國，等.使用全球定位系統(tǒng)遙感水汽分布原理和中國東部地區(qū)加權“平均溫度”的回歸分析［J］.氣象學報，1999，157(3):283 － 293.(Li Jianguo，et al.The approach to remote sensing of water vapor based on GPS and linear regression Tm in eastern region of China［J］.Acta Meteorological Sinica，1999，157(3):283 －293)

10 劉焱雄，陳永奇，劉經(jīng)南.利用地面氣象觀測資料確定對流層加權平均溫度［J］.武漢測繪科技大學學報，2000(5):400 － 404.(Liu Yanxiong，Chen Yongqi，Liu Jingnan.Determination of weighted mean tropospheric temperature using ground meteorological data［J］.Journal of wuhan Techrical University of Surveying and Mapping，2000(5):400－404)

11 王勇，等.基于無線電探空的武漢大氣加權平均溫度模型研究［J］.測繪科學，2010(2):112－113.(Wang Yong，et.al.Study on model about mean vapor pressureweighted temperature of the atmosphere based on radiosonde［J］.Science of Surveying and Mapping，2010(2):112 －113)

12 于勝杰，柳林濤.水汽加權平均溫度回歸公式的驗證與分析［J］.武漢大學學報:信息科學版，2009(6):741－744.(Yu Shengjie，Liu Lintao.Verification and analysis of the water-vpor-weighted mean temperature from Tm-Ts relationship［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009(6):741 －744)

13 李國翠，等.華北地區(qū)地基GPS水汽反演中加權平均溫度模型研究［J］.大氣科學學報，2009(1):80－86.(Li Guocui，et al.Weighted mean temperature models for mapping zenith wet delays onto precipitable water in North China［J］.Journal of Nanjing Institute of Meteorology，2009(1):80－86)

14 畢研盟，等.應用地基GPS遙感傾斜路徑方向大氣水汽總量［J］.地球物理學報，2006，49(2):335 －342.(Bi Yanmeng，et al.Use ground-based GPS to sense slant path integrated water vapor［J］.Chinese Journal of Geophysics，2006，49(2):335 －342)

ESTABLISHMENT OF GLOBAL ATMOSPHERIC WEIGHTED AVERAGE TEMPERATURE MODEL USING NCEP REANALYSIS DATA

Chen Peng1，2)and Chen Jiajun3)
1)College of Geomatics，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054
2)State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics，Wuhan 430077
3)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan430079

A New global weighted temperature model(GWMT_N)was built using reanalysis data during 2007－2011 offered by NCEP to solve the remarkable limitation in ocean area of Global Weighted Mean Temperature(GWMT)model.Periodically semiannual effect of Tmwas taken into account in the new model.The accuracy of GWMT_N model was verified with 650 radiosonde stations in 2011 and COSMIC occultation in 2011.The results show that GWMT_N successfully avoid the limitation of GWMT，and its accuracy on land was even improved.The overall accuracy of GWMT_N is equivalent to that of Bevis formula.For the new method does not require observed temperatures on land，it can be applied more widely in GPS meteorology.

NCEP;GWMT_N;weighted temperature;radiosonde;COSMIC

P228.42

A

1671-5942(2014)03-0133-04

2013-12-02

大地測量與地球動力學國家重點實驗室開放基金項目(SKLGED2013-4-10-EB);測繪遙感信息工程國家重點實驗室開放基金項目(13S03);地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(201318);武漢大學地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗室開放基金項目(12-01-07);西安科技大學培育基金項目(201204)。

陳鵬，男，1984年生，博士，講師，研究方向:GNSS電離層與對流層反演。E－mail:chenpeng0123@gmail.com。