衛(wèi)星掩星資料研究對(duì)流層/下平流層ENSO響應(yīng)

陳志平

東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013

近20年來(lái)，頻發(fā)的ENSO事件對(duì)地球環(huán)境造成了災(zāi)難性的破壞。由于傳統(tǒng)的ENSO觀測(cè)系統(tǒng)受到諸多限制因素的影響，難以進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)的觀測(cè)，阻礙了ENSO監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)工作的深入開展。GNSS掩星技術(shù)憑借其全球覆蓋、高精度、高垂直分辨率、長(zhǎng)期穩(wěn)定、低成本且不易受干擾等優(yōu)點(diǎn)，為ENSO觀測(cè)提供了一種新的有效手段。由此，本文展開了COSMIC GNSS掩星技術(shù)的ENSO新觀測(cè)系統(tǒng)的研究，尤其是對(duì)流層/下平流層(troposphere and lower stratosphere,TLS)大氣中的比濕進(jìn)行研究。提出從TLS比濕廓線中提取表征ENSO現(xiàn)象的指數(shù)(ENSO related signal,ENSORS)，并研究了其與ENSO事件的相關(guān)性。本文的研究工作主要有：COSMIC GNSS比濕廓線的可靠性驗(yàn)證、ENSO周期內(nèi)比濕氣候異常特征、ENSORS提取方法以及ENSO在TLS中的時(shí)間及空間響應(yīng)。本文的主要內(nèi)容如下：

(1) 全面系統(tǒng)地分析了COSMIC比濕廓線在對(duì)流層的相對(duì)誤差分布情況。結(jié)果表明原有COSMIC比濕廓線的質(zhì)量可靠性驗(yàn)證方法存在不足，因此，本文在展開Radiosonde和COSMIC比濕數(shù)據(jù)的比較研究時(shí)，采用更嚴(yán)格的配對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，以不同緯度帶、不同時(shí)間段、不同季節(jié)和不同低軌衛(wèi)星，對(duì)兩者進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較分析。結(jié)果證實(shí)了COSMIC比濕廓線精度在不同緯度帶、時(shí)間段及季節(jié)，存在著差異，但不同衛(wèi)星反演的廓線精度類似。COSMIC比濕廓線在對(duì)流層中上層(950～200 hpa)是可靠的，而在對(duì)流層下層，尤其是近地表面，其可靠性降低。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性，利用2006年6—11月的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)(未同化COSMIC掩星數(shù)據(jù))和其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較。結(jié)果驗(yàn)證了COSMIC比濕廓線的可靠性，為后續(xù)研究ENSO提供了數(shù)據(jù)保障。

(2) 從多個(gè)角度分析了ENSO周期內(nèi)比濕氣候異常特征，例如，北半球冬季全球比濕異常、比濕緯向平均異常、經(jīng)向平均異常等。結(jié)果表明：①COSMIC比濕廓線很好地描述了ENSO事件的強(qiáng)弱及相位特征；②在對(duì)流層上層，ENSO信號(hào)相較于其他高度層有信號(hào)增強(qiáng)的現(xiàn)象。

(3) 全面分析了TLS各高度層COSMIC比濕的月異常信號(hào)中混合的各種信號(hào)。鑒于傳統(tǒng)的ENSORS提取方法(正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)EOF方法)，容易混入與ENSO不相關(guān)的信號(hào)，本文提出了一種融合最優(yōu)低通濾波和EOF方法的組合方法，對(duì)比濕月異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并得出其與海洋尼諾指數(shù)ONI最大相關(guān)的時(shí)間系列。結(jié)果表明：在TLS的所有高度層，利用組合方法提取ENSORS較EOF方法具有明顯的改善作用，尤其是在下平流層和低對(duì)流層。組合方法提取的ENSORS信號(hào)與ONI之間相關(guān)系數(shù)在滯后3個(gè)月之后可以達(dá)到0.94以上，且其周期、振幅及趨勢(shì)與ONI高度一致，表明由GNSS掩星廓線提取的ENSORS可以很好地描述ENSO現(xiàn)象。

(4) 利用組合方法分析了全球不同區(qū)域，TLS各高度層對(duì)ENSO的時(shí)空響應(yīng)?？偨Y(jié)出響應(yīng)特征的規(guī)律，提出最適宜提取ENSORS的高度及地理區(qū)域范圍，并重建了ENSO在TLS中的空間垂直結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證比濕提取的ENSORS結(jié)果，本文利用全球不同區(qū)域內(nèi)TLS各高度層的COSMIC干溫廓線提取出ENSORS。結(jié)果表明：①ENSO在對(duì)流層中的響應(yīng)普遍比ONI滯后0至6個(gè)月，在平流層則呈現(xiàn)出不統(tǒng)一的時(shí)間響應(yīng)特征；②相較于干溫，比濕廓線在提取ENSORS時(shí)更穩(wěn)定，但從干溫(0.96以上)提取的ENSORS與ONI的相關(guān)系數(shù)高于比濕(0.94以上)；③從比濕廓線提取的ENSORS信號(hào)在250～200 hpa高度區(qū)間和G25-G65的空間范圍內(nèi)最顯著。從干溫廓線提取的ENSORS信號(hào)在350～380 hpa高度區(qū)間和G40-G70的空間范圍內(nèi)最顯著。