全球大氣溫度廓線的統(tǒng)計(jì)特性分析

羅雙，尹球

(1.上海市氣象局，上海200030；2.中國(guó)氣象局氣象衛(wèi)星用戶辦公室，上海200030；3.中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100081)

1 引 言

而標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線主要用于遙感器、輻射傳輸和大氣反演方法模型的應(yīng)用性能評(píng)價(jià)與比較分析，它是典型的大氣模型，此模型提供了氣壓、溫度、濕度、氣體組分及其廓線分布等常規(guī)氣象參數(shù)[4]。標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線按覆蓋區(qū)域分為全球大氣（如ISO 2533、GRAM 1999、USSA-1976 等）、區(qū)域大氣（GJB5601-2006），按高度分為低層大氣（ICAO 7488）、中層大氣（AFGL）和高層大氣（Jacchia J70/NRL 等）[5]。

在大氣輻射傳輸計(jì)算方面，若要客觀評(píng)價(jià)模擬效果，對(duì)模式參數(shù)設(shè)置進(jìn)行對(duì)比分析，需要輸入統(tǒng)一的能反映全球或區(qū)域平均大氣狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，從而對(duì)地球大氣有概括的評(píng)價(jià)。每個(gè)大氣輻射傳輸軟件均需要嵌入大氣參數(shù)廓線，如國(guó)內(nèi)外流行的 MODTRAN[6]、LBLRTM[7-8]和 FASCODE[9]等輻射傳輸軟件中設(shè)置的廓線為1972年美國(guó)空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室（AFGL）建立的5種標(biāo)準(zhǔn)大氣模式[10]，分別為熱帶大氣（15°N）、中緯度夏季大氣（45°N，7月）、中緯度冬季大氣（45°N，1月）、副極地夏季大氣（60°N，7月）、副極地冬季大氣（60°N，1月） 及 1976年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣（US Standard Atmosphere）[11]，這些標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線包含了氣溫、水汽比濕、氣壓、空氣密度、氣體組分的含量等。利用不同季節(jié)和地理位置的標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線作為輸入?yún)?shù)，可以得到不同時(shí)空條件下的模擬值，以分析大氣溫度、水汽和氣體濃度等參數(shù)對(duì)模擬值的影響。此外，采用六種標(biāo)準(zhǔn)大氣作為輻射傳輸模式的重要輸入因子，魏合理等[12-13]進(jìn)行了大氣透過率的正演模擬計(jì)算；戴鐵等[14]仿真分析了衛(wèi)星傳感器的光譜通道特性；郭楊等[15]將標(biāo)準(zhǔn)大氣溫濕狀況作為VDISORT模式的輸入，進(jìn)行微波溫濕探測(cè)儀各通道上行輻射亮溫的模擬計(jì)算和敏感性分析；李云艷等[16]利用輻射傳輸模式和中緯度夏季標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線，提出了晴天地表太陽輻射的參數(shù)化方案。因此，標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線在大氣遙感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，意義重大。

AFGL的標(biāo)準(zhǔn)大氣模式和1976年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣這6種模式是基于對(duì)實(shí)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)和理論分析獲得[17]，其考慮了大氣參數(shù)隨緯度和季節(jié)的變化，但更新頻次低，在全球氣候變暖的大背景下，標(biāo)準(zhǔn)大氣模式的滯后必將帶來一定的誤差；其次，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線時(shí)空分布僅以某個(gè)緯度的夏季和冬季為代表，且未區(qū)分海洋和陸地，因此時(shí)空分布等細(xì)節(jié)特征體現(xiàn)不夠完整；另外，標(biāo)準(zhǔn)大氣模型是一種平均狀態(tài)，未反映其數(shù)據(jù)波動(dòng)特性，而方差和標(biāo)準(zhǔn)差在參數(shù)的離散度和穩(wěn)定性分析時(shí)尤為重要；此外，用戶通常只簡(jiǎn)單套用標(biāo)準(zhǔn)大氣模式，但對(duì)其時(shí)空特征不甚了解，例如為何AFGL標(biāo)準(zhǔn)廓線需要區(qū)分緯度？其熱帶大氣廓線為何不分季節(jié)？而中緯度和副極地為何只區(qū)分夏季和冬季？作者曾利用ERA-Interim再分析資料分析了風(fēng)云四號(hào)A星觀測(cè)區(qū)域大氣溫度平均值廓線的時(shí)空分布特征[18]，本文將在此基礎(chǔ)上，以全球?yàn)檠芯繀^(qū)域，除了分析溫度廓線的平均值分布特征外，還進(jìn)一步分析溫度廓線的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)空分布情況，并與國(guó)內(nèi)外常用的AFGL標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線進(jìn)行定性和定量對(duì)比，從根源處詳細(xì)解釋全球大氣溫度廓線平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨緯度、海陸和季節(jié)的時(shí)空分布特征，為輻射傳輸模擬計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)分析方法

2.1 數(shù)據(jù)源

全球再分析資料有多種，發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)的有美國(guó)的NCEP[19]、日本的JRA[20]以及歐洲的ERA[21]等。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF） 的再分析數(shù)據(jù)由地面觀測(cè)、航海觀測(cè)、飛機(jī)觀測(cè)、高空探測(cè)以及衛(wèi)星遙感資料等多源觀測(cè)數(shù)據(jù)同化構(gòu)成[22]。ERA-Interim是歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心發(fā)布的第三代全球大氣再分析產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了再分析資料質(zhì)量的提升[23]。目前已有眾多研究人員對(duì)ERA-Interim再分析資料進(jìn)行了應(yīng)用，并對(duì)其可信度和適用性進(jìn)行了評(píng)估，其數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的性能已經(jīng)得到公認(rèn)[24-28]，并被廣泛用于氣溫、降水、海洋參數(shù)等物理量的多年變化特征分析[29-31]。

ERA-Interim提供了自1979年1月1日至今覆蓋全球大氣的再分析資料，自2017年10月25日開始，數(shù)據(jù)的批量下載需要安裝ECMWF KEY，并使用Python腳本才可保存至本地。ERA-Interim數(shù)據(jù)分為每天四個(gè)時(shí)次（00、06、12、18 UTC）的逐日資料和月平均格點(diǎn)資料，空間分辨率從最高0.125 °×0.125 °至 3.0 °×3.0 °共 11種。除地面觀測(cè)外，還提供氣壓層（37層）和模式層（60層）的垂直廓線資料，包含溫度、比濕、臭氧混合比、渦度、散度等多個(gè)物理量。用戶可根據(jù)需要選擇所需區(qū)域地理范圍、物理量和數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率，下載的數(shù)據(jù)格式有GRIB和NetCDF兩種。

本文分析所使用的資料是1979—2016年共38年的ERA-Interim月平均溫度格點(diǎn)數(shù)據(jù)（單位：K），空間分辨率是2.5°×2.5°，垂直高度上從1 000 hPa到數(shù)值模式層頂（一般為10 hPa）共32層。具體分層方法為：1 000～775 hPa間隔25 hPa取一層，750～300 hPa間隔 50 hPa取一層，250 ～100 hPa間隔25 hPa取一層，再往上按照70 hPa、50 hPa、30 hPa、20 hPa、10 hPa分層。

如果非要討論宋代瓷器中的復(fù)古風(fēng)氣的話，不僅僅可以從鬲式爐、觚等這類瓷器中尋求例證。在《崛起的黑瓷文明——建盞》一書中有這樣的觀點(diǎn)，書中認(rèn)為在宋代風(fēng)行的黑瓷建盞中也潛藏著一股復(fù)古思潮。宋代建盞具備更多的原始瓷器的特征，例如胎土含鐵量高，釉色和坯體顏色不穩(wěn)定，常有蠟淚痕和聚釉現(xiàn)象并且只施半釉。宋代陶瓷上的很多新技法并沒有在建盞中表現(xiàn)，而是延續(xù)原始瓷器的元素，并在整個(gè)宋代社會(huì)風(fēng)行。從建盞這一別具宋風(fēng)的瓷器中，可以洞見宋瓷中涌動(dòng)的復(fù)古暗流。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

本文將從全球四百多萬條大氣溫度廓線樣本的總體特征入手，分析北半球和南半球大氣溫度廓線在高中低緯、海洋陸地、春夏秋冬的時(shí)空變化差異。由于南、北半球海陸覆蓋、人類活動(dòng)以及大氣環(huán)境存在明顯差異，因此需將兩半球溫度廓線分開統(tǒng)計(jì)。按緯度劃分，0～30°N/S為低緯、30～60 °N/S 為中緯、60～90 °N/S 為高緯；用相同空間分辨率的ERA-Interim海陸掩膜文件（該文件中0代表海洋，1代表陸地）進(jìn)行海洋和陸地判識(shí)（圖1），紅色為陸地，藍(lán)色為海洋。南、北半球各緯度帶的海洋和陸地像元個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。其中，北半球海洋像元總共有2 960個(gè)點(diǎn)，陸地像元累計(jì)1 792個(gè)點(diǎn)；南半球海洋和陸地像元分別為3 317和1 435個(gè)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)。由于南半球中緯度以海洋覆蓋為主，因此陸地像元僅71個(gè)采樣點(diǎn)。

圖1 ERA-Interim海陸掩膜文件

表1 各分析區(qū)域內(nèi)像元個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì) 單位：個(gè)。

對(duì)于季節(jié)的劃分則采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)：北半球（南半球）3月、4月、5月為春季（秋季），6月、7月、8月為夏季（冬季），9月、10月、11月為秋季（春季），12月、翌年1月和2月為冬季（夏季）。

本文涉及的統(tǒng)計(jì)量包括平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以了解多年大氣溫度垂直廓線的平均特征和離散度，計(jì)算公式如下所示。

其中k是垂直分層；t是時(shí)間，38年月平均資料共計(jì)456個(gè)元素；i是經(jīng)度范圍，按照2.5°×2.5°分辨率，全球從西經(jīng)到東經(jīng)共144個(gè)元素；j是緯度范圍，根據(jù)需要從90°S～90°N范圍內(nèi)取值。

3 大氣溫度廓線時(shí)空分布特征分析

3.1 總體特征

大氣的溫度是大氣與環(huán)境的重要參數(shù)，獲得連續(xù)的大氣溫度廓線數(shù)據(jù)對(duì)認(rèn)識(shí)各種尺度的天氣演變過程和做好臨近天氣預(yù)報(bào)具有重要意義[32]。已有研究分析了從對(duì)流層中部到平流層溫度廓線多年變化趨勢(shì)，再現(xiàn)了平流層降溫和對(duì)流層升溫的變化特征[33]，本文主要是對(duì)多年大氣溫度廓線進(jìn)行平均分析。首先針對(duì)南、北半球分別統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域內(nèi)所有大氣溫度廓線樣本的頻數(shù)分布。以0.5 K為間隔，將溫度分為281個(gè)等分點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)180～320 K各個(gè)區(qū)間內(nèi)溫度值出現(xiàn)的次數(shù)，即得到樣本頻數(shù)分布圖（如圖2）。圖中顏色越紅表征的是各個(gè)高度層上出現(xiàn)次數(shù)越多的溫度區(qū)間，顏色越藍(lán)表示的是各個(gè)高度層上出現(xiàn)次數(shù)越少的溫度區(qū)間。由圖2色標(biāo)可知，樣本頻數(shù)最多可達(dá)104量級(jí)，最少是103量級(jí)。同時(shí)，對(duì)多年溫度廓線進(jìn)行逐層統(tǒng)計(jì)，得到垂直方向各高度層上的溫度平均值，用黑色虛線表示。

北半球與南半球的各高度層溫度平均值、頻數(shù)最多的區(qū)間垂直分布特征類似，均為先隨高度減小至某一百帕后增加，拐點(diǎn)均出現(xiàn)在100 hPa左右（約16 km）。此外，平均值和頻數(shù)最多區(qū)間的交點(diǎn)出現(xiàn)在200 hPa（約12 km）處，此高度以下，頻數(shù)最多區(qū)間分布在平均數(shù)右側(cè)。南、北半球最小值垂直變化有所差異，但最大值垂直分布特征類似，均為隨高度減小至250 hPa附近然后增加。

利用38年的ERA-Interim月平均格點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算南、北半球大氣溫度廓線標(biāo)準(zhǔn)差垂直分布，發(fā)現(xiàn)其與每日4個(gè)時(shí)次逐日資料計(jì)算結(jié)果一致。由圖3可知，在大氣底層，多年的溫度波動(dòng)較大，南、北半球1 000 hPa處溫度標(biāo)準(zhǔn)差約為17 K，200 hPa處波動(dòng)達(dá)到最小，此處北半球溫度標(biāo)準(zhǔn)差約為5 K，南半球標(biāo)準(zhǔn)差約為7 K，隨后往上又有所增加，100 hPa處標(biāo)準(zhǔn)差約為12 K。因此，在100 hPa以下，南、北半球溫度標(biāo)準(zhǔn)差（即溫度波動(dòng)）總體上隨高度呈先減小后增大的“V”型變化趨勢(shì)。此外，同一高度處，南半球標(biāo)準(zhǔn)差比北半球略大。

圖2 大氣溫度廓線樣本頻數(shù)分布及平均值 a.北半球；b.南半球。顏色代表頻數(shù)。

圖3 南、北半球大氣溫度廓線標(biāo)準(zhǔn)差垂直分布

3.2 季節(jié)特征

利用ERA-Interim多年資料分別統(tǒng)計(jì)南、北半球春、夏、秋、冬各季節(jié)大氣溫度廓線的分布情況。由圖4a、4b可知，不論是南半球，還是北半球，在各高度層，夏季溫度最高，冬季溫度最低，春秋季介于兩者之間。且對(duì)于南、北半球的四個(gè)季節(jié)，從1 000～100 hPa垂直方向上，溫度隨高度遞減，這是由于在大氣低層，地面吸收太陽短波輻射后放出的長(zhǎng)波輻射加熱大氣，離地面越遠(yuǎn)時(shí)，溫度加熱逐漸減少，到達(dá)對(duì)流層頂部，溫度降至最低。需要說明的是，對(duì)于對(duì)流層頂?shù)拇_定有多種方法[34]，本文通過最小溫度法選取溫度數(shù)據(jù)的最小值作為對(duì)流層頂溫度，對(duì)應(yīng)的高度作為對(duì)流層頂高度（下同）。

對(duì)于北半球而言，對(duì)流層內(nèi)，夏季溫度垂直變化最大，從大氣底層到對(duì)流層頂溫度降低約80 K，冬季減小最慢（表2）。這主要是因?yàn)樗膫€(gè)季節(jié)下墊面吸收的熱量不同，以及對(duì)流層內(nèi)的大氣質(zhì)量和能量垂直交換不同，使得各季節(jié)的溫度變化率有所差異。平流層內(nèi)，溫度隨高度增加，且增溫速率比對(duì)流層降溫速率高一個(gè)量級(jí)，相比較而言，夏季增溫最快，春季次之。南半球大氣低層各季節(jié)溫度差異比北半球略小，且對(duì)流層溫度變化率相差不大，四季均為0.08 K/hPa左右（表2），平流層溫度垂直變化率從大到小依次為春、夏、秋、冬。

統(tǒng)計(jì)南、北半球各季節(jié)大氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差的垂直分布（圖4c、4d），在 200 hPa高度以下，夏季標(biāo)準(zhǔn)差最小，冬季標(biāo)準(zhǔn)差最大，春秋季介于兩者之間。對(duì)北半球而言，大氣底層氣溫變化較大，垂直向上逐漸減小，特別是400～200 hPa迅速減??；對(duì)南半球而言，1 000～400 hPa 波動(dòng)減小，400～200 hPa同樣迅速減小。南、北半球大氣溫度廓線標(biāo)準(zhǔn)差在200 hPa處達(dá)到極小值，向上至100 hPa有所增加。因此200 hPa是南、北半球大氣溫度廓線標(biāo)準(zhǔn)差的重要拐點(diǎn)。

圖4 各季節(jié)大氣溫度的垂直分布 a、c.北半球；b、d.南半球；a、b.平均值；c、d.標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 平流層和對(duì)流層各季節(jié)大氣溫度垂直變化率單位：K/hPa。

以下進(jìn)一步剖析南、北半球各緯度大氣溫度廓線的季節(jié)特征。由圖5可知，不論是北半球，還是南半球，低緯度溫度垂直廓線的季節(jié)性差異不大，差異主要集中在700 hPa對(duì)流層低層大氣；中緯度次之，季節(jié)差異主要體現(xiàn)在對(duì)流層內(nèi)，且南半球比北半球中緯度季節(jié)性差異??；高緯度季節(jié)差異尤為明顯，從低層到高空的整層大氣均存在四季區(qū)別。對(duì)于中、高緯度，對(duì)流層頂以下，大氣溫度夏季最高，冬季最低，春秋季居中。此外，300 hPa以上中高層大氣，冬、夏兩季溫度差較大。以上結(jié)論與風(fēng)云衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)域大氣溫度平均值廓線的季節(jié)分布特征一致[18]。

此外，還進(jìn)一步分析了北半球和南半球的海洋、陸地大氣溫度廓線的季節(jié)特征，結(jié)果表明，海洋和陸地特征類似（圖略）。

圖5 南、北半球各緯度帶大氣溫度廓線分布a、c、e.北半球；b、d、f.南半球；a、b.低緯度；c、d.中緯度；e、f.高緯度。

3.3 緯度和海陸特征

圖6 是高、中、低緯度的海洋和陸地上空多年平均大氣溫度垂直分布情況。各緯度帶用不同顏色區(qū)分，海洋和陸地分別用空心圓圈和實(shí)心點(diǎn)表示。從圖6a可以看到，北半球不論海洋還是陸地，各緯度帶溫度廓線的差異情況類似，200 hPa以下，在同一高度處溫度特征是低緯＞中緯＞高緯；200 hPa以上，同一高度處低緯度溫度小于中、高緯度溫度。低緯度溫度廓線在100 hPa（16 km左右）存在明顯的轉(zhuǎn)折，對(duì)流層頂清晰可見，而中高緯度對(duì)流層頂分別在 100～200 hPa和 200～300 hPa（9～12 km）之間，這與我們所知的大氣物理學(xué)原理也是一致的，隨著緯度增加，對(duì)流層頂高度降低[35]。南半球可以得到類似結(jié)論。

此外，南、北半球海陸差異有所不同，北半球海陸差異主要分布在中、低緯度大氣低層，且陸地大于海洋；而南半球海陸差異低緯度類似，中緯度和高緯度海陸差異較北半球大。

統(tǒng)計(jì)各緯度和海陸大氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差垂直分布（圖6c、6d）可知，低緯度標(biāo)準(zhǔn)差最小，北半球在6 K以內(nèi)，而南半球在4 K以內(nèi)，且海陸差異不大；200 hPa以上，高緯度標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大，南半球尤為明顯。

圖6 各緯度和海陸大氣溫度垂直分布 a、c.北半球；b、d.南半球；a、b.平均值；c、d.標(biāo)準(zhǔn)差。

前面提到，季節(jié)平均狀況下，不論對(duì)于海洋還是陸地，南、北半球緯度特征類似，以下將詳細(xì)分析各個(gè)季節(jié)和海陸大氣溫度廓線的緯度特征，北半球統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7（見下頁）所示。羅雙等[18]曾統(tǒng)計(jì)風(fēng)云四號(hào)A星觀測(cè)區(qū)域的北半球大氣溫度廓線的緯度特征（文獻(xiàn)[18]圖3），如果擴(kuò)展區(qū)域至北半球，結(jié)論與區(qū)域分析一致。對(duì)于各季節(jié)的海陸而言，北半球溫度廓線具有典型的緯度差異：200 hPa以下，在同一高度處，溫度分布低緯最高，高緯最低；200 hPa以上，除冬季中緯度溫度偏高外，其他季節(jié)特征相似。

同樣從圖7可以看到，對(duì)于春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)，北半球各緯度帶的海洋、陸地上大氣溫度廓線差異有所區(qū)別。低緯度的海陸差異主要體現(xiàn)在大氣低層（700 hPa以下），陸地略大于海洋；對(duì)于中緯度，春、夏季大氣低層陸地大于海洋，冬季高層海洋大于陸地；高緯度春、秋季海陸差異不大，夏季大氣低層陸地略大于海洋，冬季大氣低層海洋大于陸地。因此，北半球溫度廓線存在部分海陸差異，除冬季中緯度大氣廓線外，溫度廓線的海陸差異主要集中在大氣低層。

對(duì)于南半球（圖8，見下頁），各季節(jié)海陸差異與平均狀況較一致，中、低緯度主要集中在大氣低層，且陸地大于海洋；高緯度海陸差異較大，從1 000 hPa至數(shù)值預(yù)報(bào)模式層頂10 hPa均為海洋大于陸地。

4 與AFGL標(biāo)準(zhǔn)大氣模式對(duì)比分析

美國(guó)空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室1972年發(fā)布的第三版大氣光學(xué)特征說明給出了特定大氣折射率、均勻混合氣體和氣溶膠分布情況下，從熱帶至亞極地五種大氣模式的溫度廓線，垂直高度從地面至100 km（3×10-4hPa）。為便于對(duì)比，本文分析10 hPa高度以下的AFGL標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線，總共包含28層。圖9是AFGL五條大氣廓線分布情況，不同廓線用顏色進(jìn)行區(qū)分。由圖9可知，除亞極地冬季低層存在逆溫外，其余的溫度廓線均先隨高度減小至某一高度后增加或變化緩慢；200 hPa以下，在同一高度處，溫度自高到低依次為熱帶、中緯度夏季、亞極地夏季、中緯度冬季、亞極地冬季；在200 hPa以上，亞極地夏季溫度最高；熱帶地區(qū)對(duì)流層頂位于100 hPa附近清晰可見。

圖7 北半球各季節(jié)海洋和陸地的大氣溫度廓線 a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季。

圖8 南半球各季節(jié)海洋和陸地的大氣溫度廓線 a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季。

結(jié)合本文第三部分對(duì)ERA-Interim多年再分析資料進(jìn)行全球大氣溫度廓線時(shí)空分布特征研究可知，南、北半球大氣溫度廓線具有緯度差異，其中低緯度季節(jié)差異不大，中高緯度存在明顯季節(jié)差異，且各季節(jié)大氣溫度廓線的海陸差異不同，南半球海陸差異比北半球大。對(duì)比AFGL大氣標(biāo)準(zhǔn)廓線和根據(jù)ECMWF再分析資料構(gòu)建的溫度廓線，由表3可知，ECMWF資料構(gòu)建的廓線不僅具有AFGL廓線所體現(xiàn)的緯度和季節(jié)特征，還分別對(duì)南、北半球進(jìn)行了分析，且區(qū)分了海洋和陸地，并包含標(biāo)準(zhǔn)差信息，因此具有更多的細(xì)節(jié)特征。

表3 AFGL標(biāo)準(zhǔn)大氣模式與本文根據(jù)ECMWF資料構(gòu)建的溫度廓線特征對(duì)比

為了定量分析兩種廓線的差異，本文以中緯度夏季為例，對(duì)比分析各高度層AFGL標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線與利用ECMWF資料統(tǒng)計(jì)得到的平均溫度的差異。由于兩種廓線分層標(biāo)準(zhǔn)不完全一致，為保證對(duì)比的有效性，選取兩者近似同一高度處（氣壓相差5 hPa以內(nèi)）的溫度進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。通過對(duì)1 000～10 hPa共計(jì)10個(gè)高度的分析可知，兩者溫度略有差異，除175 hPa和150 hPa外，其余高度處AFGL溫度值較ECMWF統(tǒng)計(jì)值偏高1～3 K。溫度差最大的是175 hPa附近，AFGL比ECMWF統(tǒng)計(jì)結(jié)果低3.1 K，而125 hPa附近溫度差最小，AFGL比ECMWF統(tǒng)計(jì)結(jié)果高0.9 K。總體來說，利用ECMWF客觀資料統(tǒng)計(jì)得到的平均溫度與AFGL相差基本在3 K以內(nèi)；同時(shí)，新的廓線較AFGL有所調(diào)整，主要是由于AFGL中緯度夏季廓線僅以7月和45°N為代表，而ECMWF資料構(gòu)建的大氣溫度廓線中緯度夏季包含了6—8月的信息，并且是30～60°N的平均。此外，1979—2016年ECMWF再分析資料統(tǒng)計(jì)的大氣溫度廓線客觀上體現(xiàn)了近年來氣候變化的貢獻(xiàn)。需要說明的是，AFGL廓線由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和理論分析建立，而本文根據(jù)ECMWF構(gòu)建的大氣廓線是基于再分析資料，兩種廓線數(shù)據(jù)來源略有差異。

表4 各高度層AFGL標(biāo)準(zhǔn)大氣模式與本文根據(jù)ECMWF資料構(gòu)建的大氣廓線溫度差（北半球中緯度夏季）

5 主要結(jié)論

本文利用全球多年歐洲再分析資料，按照南、北半球不同緯度區(qū)域、海陸分布和季節(jié)變化的特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)分析了24條大氣溫度廓線平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的時(shí)空分布特征，得到以下結(jié)論。

（1）根據(jù)ECMWF多年再分析資料構(gòu)建的大氣溫度廓線與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線AFGL相比，不僅具有緯度和季節(jié)特征，還分別對(duì)南、北半球進(jìn)行了分析，且區(qū)分了海洋和陸地，并包含標(biāo)準(zhǔn)差信息，因此具有更多的細(xì)節(jié)特征。

（2）南、北半球各高度層溫度的平均值、頻數(shù)最多的溫度區(qū)間和最大值垂直分布均為先隨高度減小至某一百帕后增加。在大氣低層，多年的溫度波動(dòng)較大，隨著高度增加逐漸減小，200 hPa處波動(dòng)達(dá)到最小，隨后至對(duì)流層頂時(shí)又有所增加，溫度標(biāo)準(zhǔn)差廓線呈V型分布。

（3）南、北半球大氣溫度平均值廓線具有典型的緯度差異，其中低緯度季節(jié)性差異較小，中緯度次之，高緯季節(jié)性差異最大，各季節(jié)大氣溫度廓線的海陸差異不同，這與風(fēng)云衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)域大氣溫度平均值廓線時(shí)空分布特征一致。

（4）南、北半球大氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差廓線也存在時(shí)空分布差異，200 hPa以下，夏季溫度標(biāo)準(zhǔn)差最小，冬季標(biāo)準(zhǔn)差較大，春秋季居中；低緯度標(biāo)準(zhǔn)差小于中高緯度；北半球陸地上溫度廓線標(biāo)準(zhǔn)差略大于海洋。

本文重點(diǎn)對(duì)全球大氣溫度廓線多年再分析資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析各高度層上溫度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的時(shí)空分布特征，并與國(guó)際通用的AFGL標(biāo)準(zhǔn)大氣模式進(jìn)行定性和定量對(duì)比。研究對(duì)利用該資料構(gòu)建最新的大氣廓線樣本數(shù)據(jù)庫具有指導(dǎo)作用，從而為正演輻射傳輸模式提供更具區(qū)域性天氣、氣候等細(xì)節(jié)特征的輸入?yún)?shù)。