徐曉華，高 攀，張小紅

武漢大學測繪學院，武漢 430079

1 引 言

近年來，全球氣候變暖問題倍受關注，聯合國環(huán)境規(guī)劃署（United Nations Environment Programme，UNEP）和世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）共同成立的聯合國政府間氣候變化專門委員會 （Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）就全球氣候變化問題多次發(fā)布科學評估報告，指出由于人類的各種社會活動導致全球氣候變暖.IPCC第四次評估報告指出全球平均氣溫在1906至2005年的一百年間升高了0.74℃［1］.由于全球氣候變暖，對流層溫度逐漸升高，平流層溫度逐漸降低，介于平流層和對流層之間的對流層頂高度、溫度、氣壓等參數也隨著發(fā)生變化.對流層與平流層之間的物理、化學變化和輻射過程的耦合直接影響著氣候變化，對流層頂的變化引起越來越多的關注.國際上有不少學者通過分析無線電探空觀測數據［2－3］和歐洲中尺度天氣預報中心（European Centre for Medium－Range Weather Forecasts，ECMWF）、美 國 國 家 環(huán) 境 預 報 中 心 （National Centers for Environmental Prediction，NCEP）等大氣模式再分析數據［4－5］研究對流層頂結構.但無線電探空數據時間分辨率低（常規(guī)無線電探空儀每天只觀測兩次甚至只有一次），觀測成本較高，探空站分布不均，沙漠地帶、海洋區(qū)域等人煙稀少的地方很少有甚至沒有無線電探空觀測數據，而大氣模式再分析數據垂直分辨率低.

自20世紀90年代中期以來，一種新型的地球大氣探測技術——GPS無線電掩星技術受到越來越多的關注.該技術擺脫了傳統(tǒng)大氣探測手段的不足，可長期穩(wěn)定地測定從地面至800km高空的大氣參量和電離層電子密度的全球分布.當低軌道衛(wèi)星上的GPS接收機接收到GPS衛(wèi)星發(fā)射的穿過電離層和中性大氣而發(fā)生折射的無線電波，就稱之為發(fā)生了掩星事件.利用每次掩星事件的觀測資料，可反演平流層、對流層的大氣參數廓線.

GPS掩星觀測資料具有全天候、高垂直分辨率、全球分布、觀測長期穩(wěn)定、無需儀器校正等優(yōu)點，是進行對流層頂結構變化研究的理想資料［6－7］.隨著各項GPS掩星任務的實施，一些學者利用掩星溫度廓線進行了全球或區(qū)域的對流層頂結構分析，并取得了鼓舞人心的成果.Nishida等采用GPS／MET掩星觀測資料得到了赤道附近對流層頂結構，并指出對流層頂溫度在8、9月份較高，而在1—4月較低［8］.Schmidt等利用CHAMP掩星觀測資料分析了對流層頂高度、溫度、氣壓等參數的空間變化及年際變化［6］.Borsche等利用CHAMP掩星任務2001年9月至2006年8月的掩星觀測資料分析了熱帶對流層頂溫度和高度的分布及其變化特征，并與NCEP、ECMWF等大氣模式再分析數據進行了比較［5］.Schmidt等聯合利用CHAMP掩星任務2001年5月至2007年12月及GRACE掩星任務2006年7月的觀測資料，通過分析對流層頂高度及溫度的分帶月平均，發(fā)現在該時間段內全球對流層頂高度有26～44m的上升，并發(fā)現對流層頂高度變化與平流層內的溫度負相關，與對流層內的溫度正相關［9］.王鑫等聯合利用 CHAMP和SAC－C掩星溫度觀測資料，研究了青藏高原上空對流層頂結構，分析了青藏高原對流層頂高度及溫度隨時間、空間的變化［10］.Xu等利用CHAMP和COSMIC掩星觀測資料分析了中國區(qū)域內對流層頂的時空變化特征，指出這兩種掩星任務的溫度廓線精度是一致的，并比較分析了溫度最低點對流層頂與溫度遞減率對流層頂以及這兩種對流層頂的變化趨勢［7］.

在上述研究工作中，確定的對流層頂均為由GPS掩星資料反演的溫度廓線得到的最冷點對流層頂（Cold Point Tropopause，CPT）或溫度遞減率對流層頂（Lapse Rate Tropopause，LRT）.但在掩星數據處理中，由彎曲角廓線到溫度廓線的反演過程中應用了流體靜力平衡方程、理想氣體狀態(tài)方程、大氣球對稱等假設［11］.另外，在采用變分同化反演溫度廓線的過程中，需要由其它觀測手段或者由數值天氣預報模式提供的先驗溫度場信息，先驗溫度廓線的誤差也會影響到掩星溫度廓線的反演精度.因此，由掩星溫度廓線出發(fā)確定對流層頂高度可能會受到上述各種因素帶來的誤差影響.

近年來，一些學者提出了直接從掩星觀測資料中的彎曲角出發(fā)確定對流層頂高度，避免了上述相關假設所引起的溫度反演誤差對對流層頂結構研究帶來的干擾.Rao等首先提出了由彎曲角梯度確定對流層頂的方法，利用該方法確定的對流層頂與利用掩星及其附近無線電探空觀測的溫度廓線確定的CPT和LRT對流層頂的比較表明，在南北兩極，由彎曲角確定對流層頂更為可行［12］.Lewis提出了另一種由彎曲角自然對數經協(xié)方差變換確定對流層頂的方法，并驗證了利用這種方法比由彎曲角梯度確定對流層頂更加穩(wěn)健［13］.基于Lewis提出的方法，Schmidt等聯合利用2001年至2008年的CHAMP掩星觀測資料和2006年至2009年的COSMIC掩星觀測資料，從彎曲角出發(fā)確定對流層頂高度，分析了全球對流層頂高度隨緯度、時間的變化，給出了對流層溫度升高、平流層溫度降低與對流層頂高度上升的關系，并指出全球對流層頂在2001年至2009年間平均每年上升了5～9m［14］.

中國地域遼闊，南北緯度橫跨約50°（3°51′N—53°33′N）、東西跨約62°（73°33′E—135°05′E），主要區(qū)域集中分布在亞熱帶和溫帶地區(qū)，擁有被稱為“第三極”和“世界屋脊”的青藏高原，具有自己獨特的氣候特征.分析中國區(qū)域的對流層頂時空變化特征對研究中國氣候變化具有重要的意義.因此，本文采用掩星彎曲角自然對數協(xié)方差變換法確定對流層頂，通過處理COSMIC任務實施以來近5年的掩星觀測數據，深入分析中國區(qū)域對流層頂結構的時空變化特征.

2 數據與方法

2.1 數據說明

圖1 中國區(qū)域無線電探空站和掩星事件分布圖（a）中倒三角形表示探空站，（b）、（c）中小圓點分別表示COSMIC掩星任務2008年1月2日、2008年1月份的掩星事件.Fig.1 The locations of radiosonde stations（the inverted triangles in（a））and radio occultation observations on Jan 2，2008（the solid circles in（b））and in Jan 2008（the solid circles in（c））over China

圖1a給出了全球常規(guī)無線電探空網絡（Integrated Global Radiosonde Archive，IGRA）中探空站在中國區(qū)域內的分布，圖1b、1c分別給出了COSMIC掩星任務2008年1月2日、2008年1月發(fā)生的掩星事件在中國區(qū)域的分布.通過比較圖1a、1b、1c發(fā)現中國區(qū)域探空站稀疏且分布不均，在青藏高原、內蒙古高原、大興安嶺等人煙稀少的地區(qū)很少有甚至沒有無線電探空觀測數據.而在一天中COSMIC掩星觀測數據量相對較少，但每次COSMIC掩星事件發(fā)生的地點是變化的，累積時間越長其空間采樣點越多越密集，時間累積到一個月，如圖1c所示，掩星觀測數據量大，掩星事件稠密且基本均勻覆蓋.本文為了分析中國區(qū)域對流層頂結構的時空變化特征，采用了COSMIC數據分析與處理中心（the COSMIC Data Analysis and Archive Center，CDAAC）提供的2007年1月1日至2011年12月31日的level2級COSMIC掩星數據產品，共有126949次掩星事件.

2.2 對流層頂高度確定方法

根據溫度廓線數據確定對流層頂的方法主要有溫度最冷點對流層頂CPT和溫度遞減率對流層頂LRT兩種.CPT的確定方法是選取垂直溫度廓線上溫度數據的最小值作為對流層頂溫度，對應的高度作為對流層頂高度；LRT的確定方法是根據WMO于1957年給出的定義：溫度遞減率小于或等于2℃／km且以上2km內溫度遞減率的平均值不大于2℃／km的大氣層結所對應的最低高度［15］.

本文采用協(xié)方差變換法，利用掩星彎曲角廓線來確定對流層頂高度，由此確定的對流層頂在本文中稱為彎曲角自然對數協(xié)方差變換對流層頂（Bending Angle Covariance Transform Tropopause，BACTT）.其基本原理如下［13］：

由隨高度z變化的掩星彎曲角廓線α（z）出發(fā)，得到相應的彎曲角自然對數廓線lnα（z）.該廓線的局部協(xié)方差變換Wlnα（a，b）為：

（1）式中zb、zt分別為彎曲角廓線范圍的最低點和最高點的高度，b為廓線上的高度為lnα（z）的一個梯度函數，定義為：

參數a的選取與廓線高度區(qū)間有關.當給定某個a 值后，Wlnα（a，b）將隨著高度b 而變化.當Wlnα（a，b）取極大值時，對應的高度b＝bp即為對流層頂高度.

通過采用不同的a值進行比較，發(fā)現當a＝35km時，在低對流層中 Wlnα（a，b）的變化相對平滑，基本能過濾低對流層大氣溫度和濕度梯度引起的小尺度變化，而在對流層頂區(qū)域，Wlnα（a，b）變化劇烈，易于確定對流層頂［16］，因此本文a的取值為35km.

圖2 彎曲角、彎曲角自然對數、彎曲角的自然對數協(xié)方差Wlnα（a，b）以及溫度隨高度變化的廓線（a）中的兩條廓線分別為彎曲角和彎曲角自然對數廓線；（b）中的兩條廓線分別為溫度廓線與Wlnα（a，b）廓線，黑圓圈、橫線與方框分別代表CPT、LRT與BACTT.Fig.2 The bending angle profile（the solid line in（a）），the natural logarithm of bending angle（the dashed line in（a）），the covariance transform of the natural logarithm of the bending angle（the solid line in（b）），and the temperature profile（the dashed line in（b））The solid circle，line and box in（b）represents CPT，LRT and BACTT，respectively.

以COSMIC 1號衛(wèi)星2010年5月1日04∶57時在位置（60.68°N，114.50°E）上空的一次掩星事件的彎曲角廓線為例，筆者對利用本方法確定對流層頂的有效性進行了驗證，圖2給出了相應的驗證結果.圖2a的兩條廓線分別給出了該掩星事件彎曲角和彎曲角的自然對數隨高度的變化.從圖中可以看出兩條廓線在整個高度范圍內變化比較平緩，彎曲角廓線上幾乎看不見任何突變，僅彎曲角的自然對數在10km內有細微的抖動.因此直接由彎曲角或彎曲角自然對數廓線無法直觀確定對流層頂高度.圖2b給出了彎曲角自然對數廓線協(xié)方差變換后的參量Wlnα（a，b）隨高度的變化，從圖中可以看出，在Wlnα（a，b）的廓線圖上有一個明顯的極大值，該極大值即對應BACTT對流層頂高度，其值為9.97km.在圖2b中同時給出了該掩星事件的溫度廓線，及由該溫度廓線確定的CPT和LRT，對應的高度分別為9.86km和9.76km.由圖可見，三種方式確定的對流層頂高度基本一致，互差在0.21km內，驗證了彎曲角自然對數協(xié)方差變換法的實用性.因此本文后續(xù)的研究采用該方法確定對流層頂高度.由每次掩星事件的彎曲角廓線確定的對流層頂高度出發(fā)，可得到相應的對流層頂溫度與氣壓.

2.3 對流層頂結構變化分析方法

采用2°×2°網格法，把包括中國在內的16°N—54°N、72°E—136°E區(qū)域共分成19×32個網格單元，然后計算每個網格單元對流層頂高度、溫度、氣壓的平均值，分析中國區(qū)域對流層頂參數隨經緯度變化分布特征；通過計算每個網格單元對流層頂參數各季節(jié)平均值分析對流層頂參數的季節(jié)性變化；通過計算中國區(qū)域對流層頂參數的月平均值，利用去除季節(jié)性變化的距平［17］、中位數斜率回歸法［18］（median of pairwise slopes regression）分析對流層頂參數的趨勢變化.

去除季節(jié)性變化的距平計算方法如下：

其中n為研究時間段的總年數，i為研究時間段的年數，i＝1，2，…，n，j表示月份，j＝1，2，…，12，Fi，j為第i年第j月對流層頂參數的月平均值，ΔFi，j為相應年月對流層頂參數距平為研究時間段內第j月的同期平均值.

中位數斜率回歸法的基本原理如下［18］：

其中（xi，yi）、（xj，yj）為任意可能的數據對，bk為斜率，最終斜率bs為所有bk的中位數.

3 結果與分析

3.1 對流層頂結構隨經緯度的變化

利用2008年的COSMIC掩星觀測資料，采用2.2節(jié)中彎曲角自然對數協(xié)方差變換法確定對流層頂高度，并對中國區(qū)域的對流層頂參數隨緯度的變化進行分析.圖3a—3d分別給出了中國區(qū)域對流層頂高度、溫度、氣壓各參數隨緯度的變化以及中國區(qū)域發(fā)生的掩星數目隨緯度分布情況.由圖3a可見，在中國區(qū)域內，對流層頂高度從低緯到高緯隨緯度遞減.15°N—25°N的熱帶區(qū)域內，對流層頂高度較高，為17km左右.而在45°N—55°N的中緯區(qū)域，對流層頂高度較低，為11km左右.圖3b顯示中國區(qū)域對流層頂溫度隨緯度的變化，從圖中可以看出在17°N—45°N 對 流 層 頂 溫 度 隨 緯 度 升 高，而 在45°N—53°N對流層頂溫度隨緯度緩慢降低.圖3c顯示中國區(qū)域對流層頂氣壓隨緯度變化趨勢與對流層頂高度變化趨勢相反，對流層頂氣壓從低緯到高緯升高.從圖3a、3b、3c還可看出在30°N—40°N 的亞熱帶區(qū)域，對流層頂高度、溫度、氣壓隨緯度變化劇烈.圖3d顯示每2°緯度帶內掩星事件數大于1000次，表明COSMIC掩星任務為分析中國區(qū)域對流層頂結構時空變化特征提供了豐富的觀測資料.

圖4a—4d分別給出了2008年中國區(qū)域對流層頂高度、溫度、氣壓及掩星事件隨經緯度的分布.從圖4a—4c可以看出，中國區(qū)域的對流層頂高度、溫度與氣壓主要隨緯度變化，隨經度變化較小.圖4a顯示，在16°N—32°N內，對流層頂高度隨緯度變化較小，基本都在16～18km內變化.在32°N—40°N的范圍內，對流層頂高度從16km急劇下降至12km.在40°N—55°N的中緯度區(qū)域，對流層頂變化相對平緩.從圖中還可以看出中國西部對流層頂高度高于同緯度的東部對流層頂.圖4b顯示中國西部對流層頂溫度比同緯度東部對流層頂溫度稍低.圖4c顯示對流層頂氣壓由南向北遞增，在32°N左右，對流層頂氣壓急劇增加.在中國南部對流層頂氣壓隨經度變化較小，東南部上空的對流層頂氣壓比西南部氣壓稍高；而在中國中部和北部，對流層頂氣壓隨經度變化較明顯，由東到西對流層頂氣壓逐漸降低，東北部的對流層頂氣壓比西北部對流層頂氣壓高約60hPa.從圖4d可以看出在大部分2°×2°的經緯度網格單元內發(fā)生的掩星事件數大于30次.

圖3 2008年中國區(qū)域對流層頂高度（a）、溫度（b）、氣壓（c）和掩星事件數量（d）隨緯度的變化Fig.3 The variation of tropopause height（a），temperature（b），pressure（c）and number of occultations（d）with latitude over China in 2008

3.2 對流層頂結構的季節(jié)性變化

為了研究對流層頂結構的季節(jié)性變化，將2008年中國區(qū)域的掩星事件按季節(jié)分組，對不同季節(jié)對流層頂參數的分布進行了比較.圖5—圖7分別顯示了2008年中國區(qū)域對流層頂高度、溫度、氣壓的季節(jié)性變化特征.

圖5a—5d分別給出了2008年春、夏、秋、冬四個季節(jié)中國區(qū)域對流層頂高度隨經緯度的分布.圖5a—5d的比較顯示隨著春－夏－秋－冬－春的季節(jié)變換，對流層頂高度呈現逐漸升高－降低－降低－升高的趨勢；夏季對流層頂最高，冬季對流層頂最低.在整個春夏秋冬四季，對流層頂高度分別在32°N、40°N、36°N、32°N區(qū)域，由南向北急劇降低.對流層頂高度最大值出現在夏季的青藏高原，為18km；最小值出現在冬季的中國東北地區(qū)，為9.0km.圖5b顯示，夏季青藏高原對流層頂高度明顯高于中國其它區(qū)域.

圖6a—6d分別給出了2008年春、夏、秋、冬四個季節(jié)中國區(qū)域對流層頂溫度隨經緯度的分布.對圖6a與圖6c兩圖進行比較發(fā)現，在春秋兩季，中國區(qū)域對流層頂溫度隨經緯度的變化具有相似特征：東部對流層頂溫度高于西部.而在夏冬兩季，中國北方對流層頂溫度隨經緯度變化剛好相反：在夏季，西北地區(qū)對流層頂溫度高于東北地區(qū)；在冬季，東北地區(qū)對流層頂溫度高于西北地區(qū)，從Xu等［7］的研究成果中也可發(fā)現這一現象.

圖7a—7d分別給出了2008年春、夏、秋、冬四個季節(jié)中國區(qū)域對流層頂氣壓隨經緯度的分布.從圖中可看出，夏季對流層頂氣壓最低，冬季對流層頂氣壓最高；對流層頂氣壓最大值出現在冬季的東北地區(qū)，最小值出現在夏季的青藏高原.在四個季節(jié)中，在中國北方，東部地區(qū)的對流層頂氣壓高于西部，而在南方對流層頂氣壓隨經度變化較小.在夏季，青藏高原對流層頂氣壓明顯低于同緯度帶的中國東部地區(qū).

3.3 對流層頂參數趨勢變化

圖8 2007年1月至2011年12月中國區(qū)域對流層頂高度月平均變化（a）表示對流層頂高度的月平均變化，（b）表示去除季節(jié)性變化的對流層頂高度月平均距平變化.Fig.8 The tropopause height monthly means（a）and its de－seasonal monthly anomalies（b）during the period between Jan 2007and Dec 2011over China

圖8給出了中國區(qū)域對流層頂高度的月平均變化.從圖8a中可以看出，對流層頂高度具有明顯的季節(jié)性變化特征，對流層頂高度每年呈單峰型分布，在每年的7、8月份具有最大值，每年的1月份左右具有最小值.從1月份到7、8月份，對流層頂高度逐漸升高，從7、8月份到12月份，對流層頂高度逐漸下降.從圖8b中看出，2009—2010年冬季對流層頂高度為2007—2011年5年同期最低，這可能與地表溫度變化以及氣候變化有關.美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）全球氣象臺（Earth Observatory）網站上公布的Terra衛(wèi)星觀測數據顯示2009—2010年冬季中國區(qū)域地表溫度遠低于2000—2008年同期月平均溫度［19］.與此同時，2009—2010年冬季我國大部分地區(qū)氣候變化異常，許多地區(qū)最低溫度創(chuàng)同期歷史記錄，中國氣象局國家氣候中心李毅指出這是在北半球大范圍氣候異常背景下發(fā)生的［20］.

圖9給出了中國區(qū)域對流層頂溫度的月平均變化.從圖9a中可以看出，對流層頂溫度的變化趨勢比對流層頂高度變化復雜.在一年內，對流層頂溫度具有多個峰值，每年的4—6月，對流層頂溫度最高，9—10月溫度最低.從圖9b中可以看出2009年大部分月份對流層頂溫度高于對流層頂同期平均溫度，而2010年下半年和2011年各月對流層頂溫度基本低于對流層頂同期平均溫度.表明在2009年對流層頂溫度升高，2010年下半年和2011年對流層頂溫度降低.

圖10給出了中國區(qū)域對流層頂氣壓的月平均變化.圖10a顯示對流層頂氣壓每年呈單峰型分布，具有明顯的季節(jié)性變化特征.對圖10a與圖8a進行比較發(fā)現，對流層頂氣壓變化趨勢與對流層頂高度變化趨勢剛好相反.在冬季，對流層頂氣壓具有最大值；在夏季，對流層頂氣壓具有最小值.在春季，對流層頂氣壓降低，在秋季，氣壓升高.從圖10b看出2007年對流層頂氣壓低于研究年份同期平均值且負距平趨勢逐月降低，直到2009年1月對流層頂氣壓高于研究年份同期平均值且正距平趨勢逐月升高.2010年5—6月對流層頂氣壓距平變化較大.

采用中位數斜率回歸法對對流層頂參數月平均值進行了分析，發(fā)現在2007年至2011年中國區(qū)域對流層頂高度平均每年降低8m.而張紅雨等利用華北地區(qū)12個探空站的觀測數據發(fā)現1979—2008年該地區(qū)第一對流層頂高度平均每10年上升12.5m［21］.本文研究成果與張紅雨等的研究成果有較大差異，可能是由于以下原因：一方面研究地域不同，張紅雨等研究的是華北地區(qū)，而本文研究的是包括中國在內的16°N—54°N、72°E—136°E整個區(qū)域；另一方面觀測時間段不同，本文主要研究2007年至2011年共5年對流層頂高度變化，時間段短；而張紅雨等研究時間段為1979年至2008年共30年時間，時間段長.此外，從Hansen等的研究成果中可看出1979—2009年全球地表溫度主要呈上升趨勢，而2005—2009年全球地表溫度降低［22］，與此同時Kerr等也指出最近幾年全球氣候變暖停滯甚至地表溫度降低［23］.張紅雨等得到的對流層頂高度升高是在全球地表溫度上升的背景下發(fā)生的，而本文的研究結果對流層頂高度降低是在全球地表溫度下降和最近幾年中國氣候變化異常的背景下發(fā)生的.

4 結 論

本文利用COSMIC掩星任務2007年1月至2011年12月的掩星數據產品，采用彎曲角自然對數協(xié)方差變換法確定對流層頂高度，并由此確定對流層頂的溫度與氣壓.采用2°×2°網格法，把包括中國在內的16°N—54°N、72°E—136°E 區(qū)域共分成19×32個網格單元.通過計算每個網格單元內對流層頂參數的月平均值和季節(jié)平均值，分析了中國區(qū)域對流層頂高度、溫度、氣壓等參數的空間分布和季節(jié)性變化特征.結果表明中國區(qū)域對流層頂高度、溫度及氣壓呈明顯的緯度分帶分布特征.從低緯到高緯，對流層頂高度隨緯度降低；在亞熱帶地域，對流層頂高度顯著降低.中國西部對流層頂高度略高于東部，西部對流層頂氣壓和溫度均低于東部.同時中國區(qū)域的對流層頂參數呈明顯的季節(jié)性變化，在每年的7、8月份對流層頂高度最高、氣壓最低；在每年的2、3月份，對流層頂高度最低、氣壓最高.對流層頂溫度變化規(guī)律相對復雜.采用中位數斜率回歸法分析2007年1月至2011年12月中國區(qū)域對流層頂參數月平均值發(fā)現，近5年來中國區(qū)域對流層頂高度平均每年降低8m，這是在近5年來全球地表溫度降低的背景下發(fā)生的.

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