利用GNSS掩星數(shù)據(jù)分析ENSO期間大氣壓強的變化

高坤,李英冰,2, 劉海珠

(1. 武漢大學 測繪學院,湖北 武漢 430079;2. 武漢大學 測繪學院時空大數(shù)據(jù)研究中心,湖北 武漢 430079)

0 引 言

厄爾尼諾和南方濤動(ENSO)是對全球氣候具有重要影響的海氣耦合現(xiàn)象,盡管ENSO發(fā)生于熱帶太平洋地區(qū),但其通過影響大氣環(huán)流,從而對全球氣候變化產(chǎn)生重要影響,例如導致破壞性干旱、洪水及暴風雨等[1].

ENSO影響范圍廣[2],由于發(fā)生在易到達的熱帶太平洋地區(qū),因而利用傳統(tǒng)的大氣探測存在觀測成本高、數(shù)據(jù)難以獲取、海洋地區(qū)的數(shù)據(jù)缺乏且分布不均勻等問題,極大地限制了對ENSO的研究分析. 針對以上問題,本文利用GNSS掩星探測技術獲取與ENSO相關的研究數(shù)據(jù). 通過對GNSS掩星數(shù)據(jù)進行反演可以獲得全球范圍內(nèi)的高垂直分辨率的大氣溫度、大氣壓強、大氣濕度、電離層電子密度等參數(shù)廓線[3]. 季宇虹等[4]指出GNSS掩星數(shù)據(jù)將有利于增強研究全球氣候變化的能力. 蔣虎[5]認為GNSS掩星技術可為研究ENSO提供輔助數(shù)據(jù). 宮曉艷[6]提出掩星觀測為遠海、深海地區(qū)的與厄爾尼諾事件相關的氣候變化研究提供了便利條件. 李鵬[7]提出利用由GNSS掩星數(shù)據(jù)反演的大氣參數(shù)制成的赤道太平洋地區(qū)大氣剖面,可以增強與ENSO相關的氣候變化研究. 南華、朱文耀[8]認為研究諸如厄爾尼諾和南方濤動這些氣候事件的特征時,對大氣壓強的研究至關重要.

本文采用幾何光學反演法由GNSS掩星數(shù)據(jù)反演出厄爾尼諾和拉尼娜期間全球的大氣壓強,并與正常年份的大氣壓強進行比較,繪制出全球范圍內(nèi)的大氣壓強變化圖,直觀地展現(xiàn)出ENSO對全球大氣壓強變化的影響. GNSS掩星探測的長期穩(wěn)定性、探測數(shù)據(jù)的精度高、可以全天候觀測、探測范圍廣且均勻分布以及數(shù)據(jù)垂直分辨率高等優(yōu)點[4],決定了在ENSO的研究分析中將發(fā)揮著越來越重要的作用. 此外,美國、俄羅斯、歐盟以及中國等正在致力于自己的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設和完善,同時許多國家也在實施掩星觀測衛(wèi)星計劃,加上已經(jīng)實施的掩星計劃,其規(guī)模已經(jīng)相當可觀,已經(jīng)積累了大量的掩星觀測數(shù)據(jù),而且未來還將會有海量的數(shù)據(jù). 目前有很多研究正在致力于GNSS衛(wèi)星信號跟蹤技術、接收機天線技術、GNSS掩星資料的反演技術等的發(fā)展改進, 這為利用GNSS掩星數(shù)據(jù)分析ENSO打下了堅實的基礎.

1 利用GNSS掩星數(shù)據(jù)反演大氣壓強的基本原理

GNSS掩星數(shù)據(jù)反演大氣的原理是指利用近地低軌LEO衛(wèi)星上的GNSS接收機記錄來自于被中性大氣層遮掩的高軌道GNSS衛(wèi)星所發(fā)出的信號,從信號中提取附加延遲量,再通過一套反演方法處理得到大氣壓強、大氣溫度、大氣濕度等大氣參數(shù)的過程[9].

目前應用較多的掩星數(shù)據(jù)反演方法是幾何光學反演法. 該反演方法的基本過程是對GNSS信號的相位觀測值進行處理得到時延率,利用LEO衛(wèi)星和GNSS衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù),再經(jīng)過多普勒(Doppler)觀測方程得到GNSS信號的折射角序列,利用折射角通過Abel變換求得折射率垂直廓線,由折射率就可以得到相應的大氣密度分布,經(jīng)過相關的積分就可以得到大氣壓強的分布情況[3].

對于局部球對稱的中性大氣,利用Abel積分變化法[10]可以求得自變量為每條信號路徑的影響參數(shù)a的大氣折射率μ(a):

(1)

式中，α(ξ)是影響參數(shù)為ξ時的折射角.求得大氣折射率以后,在理想氣體法則下并忽略水汽含量影響,利用大氣狀態(tài)方程可以解算出大氣密度ρ(h)和大氣壓強P(h)等大氣參數(shù):

ρ(h)=C1N(h)，

(2)

高度為h處的大氣壓強為P(h):

(3)

式中：g(h1)為高度為h1的局部重力加速度；ρ(h1)由式(2)得到,為h1高度處的大氣密度.

2 厄爾尼諾期間的大氣壓強變化

2.1 數(shù)據(jù)介紹

為了研究厄爾尼諾期間的大氣壓強變化,選取厄爾尼諾期間和正常時期的相同月份數(shù)據(jù)進行對比研究,月份分別是2006年12月和2008年12月.本文采用的數(shù)據(jù)是由COSMIC項目提供的從2006年5月到2009年12月所有的Level3數(shù)據(jù). COSMIC項目是由美國和中國臺灣聯(lián)合實施的衛(wèi)星星座計劃,由6顆微小衛(wèi)星組成. 由COSMIC掩星資料反演的大氣溫度、大氣壓強、大氣濕度剖面數(shù)據(jù)被廣泛地應用于大氣和氣候的研究,表現(xiàn)出巨大的潛力. 利用該數(shù)據(jù)可以獲得某一特定的經(jīng)緯度下0～40 km離地高度內(nèi)每隔0.1 km相應高度上的大氣溫度、大氣壓強、水汽壓、折射角等. 由于大氣多路徑效應和超折射的影響[7],高度較低的掩星數(shù)據(jù)反演精度低,高度過高則大氣壓強的變化不明顯,因此選取離地高度2 km處作為研究對象.

2.2 計算結果與分析

圖1是由2006年12月(厄爾尼諾期間)與2008年12月(正常時期)于離地2 km處同一經(jīng)緯度地區(qū)的大氣壓求差得到的數(shù)據(jù)繪制而成的差等值圖,可以直觀地呈現(xiàn)出厄爾尼諾對大氣壓的影響.其中氣壓的單位為百帕(hpa).

從圖1可以看出,在低緯度地區(qū)即30°N-30°S間,東半球的大氣壓強差值多數(shù)分布在0～3 hpa而西半球的大氣壓強差值多數(shù)分布在-3～0 hpa之間. 太平洋的經(jīng)度范圍大致為105°E-180°E-75°W,緯度范圍大致為66.5°S-66.5°N. 因此更準確地說,圖1示出厄爾尼諾會使太平洋西側地區(qū)(經(jīng)度范圍)的大氣壓明顯升高,太平洋東側地區(qū)(經(jīng)度范圍為105°E-145°E)的大氣壓明顯降低. 范圍在30°N-80°N,80°W-150°W地區(qū)的大氣壓強明顯升高;范圍在40°N-70°N, 50°W-80°E地區(qū)的大氣壓則明顯下降,在其東北方向地區(qū)的大氣壓則又會明顯升高,緊接著大氣壓則開始下降. 然而與其對應的南半球區(qū)域則有著大致相反的變化. 因此厄爾尼諾使得中高緯度地區(qū)的大氣壓強出現(xiàn)交叉升高和下降的情況,而且南北半球同緯度地區(qū)的氣壓變化呈現(xiàn)相反的情況,即一方氣壓升高,另一方氣壓降低.

3 拉尼娜期間的大氣壓強變化

本文選取拉尼娜期間的2007年12月與2008年12月的全球大氣壓強進行對比,來研究拉尼娜期間的大氣壓強變化. 圖2是由2007年12月(拉尼娜期間)與2008年12月(正常時期)于離地高度2 km處同一經(jīng)緯度地區(qū)的大氣壓強求差得到的數(shù)據(jù)繪制而成的差等值圖,可以直觀地呈現(xiàn)出拉尼娜對全球大氣壓強的影響. 其中氣壓的單位為百帕(hPa).

從圖2可以看出,與厄爾尼諾相反,拉尼娜會使得太平洋西側地區(qū)的大氣壓明顯降低,而太平洋東側地區(qū)的大氣壓則明顯上升.將圖1和圖2進行對比分析可知,拉尼娜現(xiàn)象會降低厄爾尼諾現(xiàn)象的影響.具體來講就是先出現(xiàn)的厄爾尼諾現(xiàn)象使得某些地區(qū)的大氣壓上升,那么緊接著出現(xiàn)的拉尼娜現(xiàn)象則會使已經(jīng)上升的大氣壓下降,因此就會使得圖1和圖2中這些地區(qū)的大氣壓上升的差值減小,甚至可能使得該地區(qū)的大氣壓低于正常年份的情況,反之亦然.因此,圖1和圖2的對比從側面揭示了拉尼娜現(xiàn)象為何被稱之為“反厄爾尼諾現(xiàn)象”.

4 結束語

本文介紹了利用GNSS掩星數(shù)據(jù)反演大氣壓強的原理及過程,反演出厄爾尼諾和拉尼娜期間全球范圍的大氣壓,并繪制出ENSO期間全球范圍的大氣壓強變化圖,分析了厄爾尼諾和拉尼娜對全球范圍的大氣壓強影響. 研究表明,利用GNSS掩星數(shù)據(jù)可以獲得與ENSO相關的大氣壓強數(shù)據(jù),便于對ENSO進行研究分析,同時通過繪制全球范圍某一高度的大氣壓強變化剖面圖,可以直觀地展現(xiàn)出ENSO期間的大氣壓強變化,為相關的氣候變化研究提供便利條件.

在本文的基礎上,可以進一步利用掩星數(shù)據(jù)反演出大氣溫度、水汽壓等來研究ENSO,此外還可以研究ENSO期間不同高度處的大氣壓強變化,對大氣環(huán)流進行深入的分析.

致謝:對COSMIC項目提供的數(shù)據(jù)表示感謝.