基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)對全球溫度變化趨勢的分析

李紅玲,樊 玲

(1.樂山師范學院 電子與材料工程學院，四川 樂山 614000；2.成都師范學院 計算機科學學院，四川 成都 610000)

0 引言

COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星數(shù)據(jù)具有全球覆蓋、高數(shù)據(jù)精度、高垂直分辨率、全天候、自校準的特點[1-4]，沒有儀器和軌道變化引入的誤差，因此資料質(zhì)量不受地理位置和天氣條件改變的影響，長期穩(wěn)定，可用于大氣長期變化的監(jiān)測[5]，為分析空間大氣提供了詳細而穩(wěn)定的信息支持。近二十年來，隨著衛(wèi)星氣象學的迅速發(fā)展，國內(nèi)外學者開始廣泛使用能夠覆蓋全球觀測的衛(wèi)星資料來研究氣候變化[6]。王伯睿[7]等對COSMIC掩星反演數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析顯示wetPrf的溫度數(shù)據(jù)與探空資料符合較好。肖衛(wèi)華[8]等利用COSMIC數(shù)據(jù)對平流層的溫度變化進行驗證，梁晨等[9-10]對平流層重力波進行分析均取得了很好的結(jié)果。劉久偉[11-14]等根據(jù)反演數(shù)據(jù)對對流層頂?shù)墨@取，變化進行分析均獲得了好的結(jié)果。以上是對對流層頂及以上區(qū)域的驗證與分析，本文則在0～25 km內(nèi)對全球溫度進行分析，數(shù)據(jù)采用的是COSMIC掩星的二級反演產(chǎn)品(wetPrf)，其中包含大氣壓、大氣溫度、水汽壓和折射指數(shù)等大氣參數(shù)廓線，垂直方向0～40 km，分辨率為100 m[1]，該數(shù)據(jù)是分析全球溫度變化的有效數(shù)據(jù)。

為了分析2014年和2015年溫度的變化特征，選取了夏季6—8月與冬季12月正午12時的溫濕度數(shù)據(jù)進行分析。經(jīng)緯度上，北半球選取了緯度33～35°、38～40°(青藏高原處于25～40°緯度下，青藏高原氣候的分析對我國西北地區(qū)干旱化、災(zāi)害性天氣的發(fā)生及氣候演變有著重要的影響，在全球大氣循環(huán)過程中扮演著重要的角色[16-17])和46～48°(該緯度下跨過了中國的首都以及美國的首都，同時跨越的陸地面積較廣具有大量的COSMIC掩星數(shù)據(jù))；南半球選擇緯度23～25°(南回歸線附近，跨過非洲，大洋洲以及南美洲，相較于南半球其他緯度具有更豐富的COSMIC掩星數(shù)據(jù))。圖1為所選區(qū)域內(nèi)一天內(nèi)發(fā)生掩星事件的分布圖，在本文中180°經(jīng)度表示0度本初子午線。

本文將在上述范圍內(nèi)對COSMIC數(shù)據(jù)進行篩選和處理，分析2014年、2015年夏季與冬季溫度的變化以及計算對流層頂?shù)奈恢谩?/p>

圖1 所選區(qū)域一天的掩星事件(紅點)分布

1 數(shù)據(jù)選取

盡管掩星資料具有高精度、無偏、穩(wěn)定的優(yōu)點，但由于探測過程中存在隨機誤差、探測誤差、反演誤差[1]等，本文分析時將統(tǒng)計樣本中具有明顯粗差的異樣數(shù)據(jù)剔除。具體步驟如下：

步驟一：剔除wetPrf(wetPrf廓線利用ECMWF再分析資料作為背景場, 通過一維變分同化反演得到[3])數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)(COSMIC數(shù)據(jù)中凡是-999均表示該數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)剔除)。

步驟二：在同一經(jīng)度同一高度下將多個溫度數(shù)據(jù)求平均，以平均值代表該高度處的溫度。

步驟三：根據(jù)溫度的連續(xù)性，將在整個高度上溫度變化梯度大于2倍梯度的數(shù)據(jù)剔除。

采用上述方法獲得有效數(shù)據(jù)后，下面我們將對不同經(jīng)緯度上的數(shù)據(jù)進行溫度分析，以獲取文章所選四個緯度下的溫度變化特征。

2 溫度數(shù)據(jù)分析

2.1 0～40 km的溫度數(shù)據(jù)

圖2到圖5分別給出了北緯32～34°、北緯38～40°、北緯46～48°和南緯23～25°下2014年和2015年的溫度沿高度的分布圖，其中高度范圍為0～40 km。

(a) 2014年北緯32～34°

(a) 2014年北緯38～40°

(a) 2014年北緯46～48°

(a) 2014年南緯23～25°

從圖2到圖5可以看出，高度在10～30 km范圍內(nèi)大氣溫度最低，大氣溫度在高度方向上有一個明顯的先減后升的過程。為了更好地分析圖一數(shù)據(jù)，我們提取出0～3 km和10～25 km處的溫度數(shù)據(jù)做進一步分析。

2.2 0～3 km溫度數(shù)據(jù)分析

0～3 km近地面數(shù)據(jù)的溫度對環(huán)境有較大影響，可以直觀地反應(yīng)人類生存環(huán)境溫度的變化，該溫度的變化可以反應(yīng)全球溫度變化趨勢。

將北半球在經(jīng)度方向上按陸地和海洋劃分成太平洋、北美洲、大西洋和亞洲4個區(qū)域，對這4個區(qū)域在1 km、2 km和850 hpa處的冬季和夏季溫度數(shù)據(jù)分別取平均，獲得2014年和2015年冬夏兩季溫度的平均值，再以2014年平均值為基準，計算兩者的差值，結(jié)果如圖6所示。

(a)北半球夏季溫差

(a)南半球夏季溫差

將南半球在經(jīng)度方向上按陸地和海洋劃分成太平洋、南美洲、大西洋、非洲、印度洋和大洋洲6個區(qū)域，對這6個區(qū)域在1 km、2 km和850 hpa處的冬季和夏季溫度數(shù)據(jù)分別取平均，獲得2015年與2014年各區(qū)域平均溫度差值圖，如圖7所示。

從圖6和圖7數(shù)據(jù)可以看出海洋上空溫度的變化小于陸地的變化。從圖6(a)北半球夏季溫度差值圖可以看出，除了太平洋上2015年平均溫度略低于2014年以外，其余各區(qū)域2015年溫度均高于2014年的，因此可以得出北半球2015年的夏季平均溫度相較于2014年有上升的趨勢。從圖6(b)可以看出，2015年各區(qū)域冬季平均溫度均低于2014年，可以得出北半球冬季溫度有下降趨勢。比較北半球冬季和夏季兩個季節(jié)2015和2014年平均溫度變化趨勢，我們可以看出冬季有下降趨勢，夏季有上升趨勢，這與全球溫度變暖的趨勢一致。

由于南半球COSMIC掩星數(shù)據(jù)過少，本文無法對其溫度的變化趨勢進行統(tǒng)計分析。

2.3 10～25 km溫度數(shù)據(jù)分析

對流層頂是介于對流層與平流層之間的過渡層[17-18]，它的高度因緯度而不同，在低緯度地區(qū)平均高度為17～18 km，在中緯度地區(qū)平均為10～12 km，極地平均為8～9 km[19-20]，厚度從數(shù)百米到1～2 km，在個別情況下為4～5 km。它是以溫度直減率的突變和濕度驟減，阻礙大氣外逸，對流層頂以下聚集了99%以上的大氣成分[21]，是人類賴以生存的空間。將圖1高度10～25 km區(qū)域放大，可以看到溫度隨高度先劇減后回升，對流層頂位于該區(qū)域內(nèi)，對該區(qū)域溫度數(shù)據(jù)求極致，如圖8綠點，為對流層頂?shù)奈恢谩?/p>

(a)2014年

通過COSMIC數(shù)據(jù)分析和處理，能獲得對流層頂?shù)奈恢?，為對流層頂?shù)姆治鎏峁?shù)據(jù)支持。

3 結(jié) 論

本文利用2014—2015年COSMIC掩星數(shù)據(jù)資料，分析了夏季6～8月和冬季12月北緯32～34°、38～40°、46～48°以及南緯23～25°處經(jīng)度0-360°的溫度，得到了如下結(jié)論：(a)北半球有較豐富的掩星數(shù)據(jù)，能看出2015年比2014年夏季溫度有上升趨勢，冬季溫度有下降趨勢；(b)采用COSMIC數(shù)據(jù)能獲得對流層頂位置，為對流層頂?shù)姆治鎏峁┲С帧?/p>