陳 鵬 陳家君

1)西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054

2)大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077

3)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079

利用NCEP再分析資料建立全球大氣加權(quán)平均溫度模型*

陳 鵬1，2)陳家君3)

1)西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054

2)大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077

3)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079

針對(duì)全球加權(quán)平均溫度模型(GWMT)在海洋地區(qū)存在顯著異常的缺陷，利用2007～2011年NCEP再分析資料建立全球大氣加權(quán)平均溫度模型GWMT_N。利用2011年全球650個(gè)無(wú)線電探空站Tm數(shù)據(jù)和2011年COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)對(duì)GWMT_N模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，GWMT_N模型避免了GWMT模型的缺陷，且在陸地地區(qū)的精度也得到了提高;GWMT_N模型的整體精度與采用地面實(shí)測(cè)溫度的Bevis公式相當(dāng)，且無(wú)需已知地面實(shí)測(cè)溫度。

NCEP;GWMT_N;大氣加權(quán)平均溫度;探空站;COSMIC

利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)可以精確得到對(duì)流層天頂總延遲(zenith total delay，ZTD)、對(duì)流層天頂干延遲(zenith hydrostatic delay，ZHD)、天頂濕延遲(zenith wet delay，ZWD)和大氣可降水量(precipitable water vapor，PWV)，而大氣加權(quán)平均溫度Tm是求解ZWD和PWV之間轉(zhuǎn)換系數(shù)的關(guān)鍵變量［1－3］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大氣加權(quán)平均溫度Tm的計(jì)算開(kāi)展了大量研究［1，4－14］。Yao 等［8］借鑒 Bevis 公 式［1］和 GPT 模型［3］，利用2005～2009年全球135個(gè)探空站的探空觀測(cè)數(shù)據(jù)建立了與地面溫度無(wú)關(guān)的全球加權(quán)平均溫度模型(global weighted mean temperature，GWMT)，但建模時(shí)僅采用了探空站的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在海洋上空的計(jì)算精度和可靠性受到限制，在海洋上會(huì)出現(xiàn)明顯的異常。為此，本文提出利用NCEP再分析資料建立全球大氣加權(quán)平均溫度模型。

1 加權(quán)平均溫度Tm的獲取與全球加權(quán)平均溫度模型GWMT

目前，全球共有超過(guò)1 500個(gè)無(wú)線電探空站，每天UT0∶00和12∶00進(jìn)行兩次探空觀測(cè)。利用無(wú)線電探空數(shù)據(jù)計(jì)算大氣加權(quán)平均溫度的公式為［8］:

Yao等［8］利用2005～2009年全球135個(gè)無(wú)線電探空站資料，建立的直接利用測(cè)站年積日和三維坐標(biāo)計(jì)算全球加權(quán)平均溫度的模型GWMT為:

2 利用NCEP再分析資料建立全球加權(quán)平均溫度模型GWMT_N

NCEP/NCAR再分析資料由美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合制作。相對(duì)于地面探空站，NECP再分析資料的數(shù)據(jù)可以覆蓋全球。

本文在建立全球大氣加權(quán)平均溫度模型時(shí)采用一日4次再分析資料中的等壓面資料，該資料包括溫度、位勢(shì)高度、相對(duì)濕度和風(fēng)速等參量，共分為17層，范圍為 90°N ～90°S，0°～357.5°E，空間分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間分辨率為6 h。

2.1 Tm時(shí)間序列頻譜特征分析

本文對(duì)2007～2011年NCEP再分析資料得到的每個(gè)時(shí)刻全球格網(wǎng)點(diǎn)Tm的平均值時(shí)間序列進(jìn)行頻譜分析。從圖1可以看出，Tm除了存在顯著的年周期外，還存在著明顯的半年周期。

圖1 2007～2011年NCEP全球Tm格網(wǎng)均值頻譜分析結(jié)果Fig.1 Results of spectral analysis for mean of 2007 －2011 NCEP global Tmgrid

2.2 GWMT_N 模型

參考GWMT模型的建立方式，并考慮Tm半年周期項(xiàng)的影響，GWMT_N模型表達(dá)式為:

圖2給出了GWMT_N模型系數(shù)的全球分布圖。其中，α1表示海平面的平均Tm，是Tm的主要分量。從圖中可以看出，GWMT_N模型的α1以赤道為中心南北半球大致對(duì)稱，其變化主要沿緯度方向，而經(jīng)度方向變化不大，在南半球尤為明顯。模型系數(shù)在全球的分布更加符合真實(shí)狀況，在海洋地區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的異?，F(xiàn)象，表明本文采用NCEP再分析資料格網(wǎng)Tm數(shù)據(jù)建立的GWMT_N模型更符合實(shí)際情況。

2.3 GWMT_N模型精度檢驗(yàn)

采用平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMS)作為評(píng)定模型精度的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行檢核的數(shù)據(jù)包括2011年全球650個(gè)無(wú)線電探空站探測(cè)Tm數(shù)據(jù)和2011年COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)。無(wú)線電探空Tm數(shù)據(jù)共有185 790個(gè)比較樣本，COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)共有410 663個(gè)比較樣本。

2.3.1 無(wú)線電探空站Tm數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

圖2 GWMT_N模型系數(shù)α1、α2和α3的全球分布Fig.2 Global distribution of GWMT_N’s model coefficients α1，α2and α3

在全球1 500多個(gè)無(wú)線電探空站中選取均勻分布的650個(gè)站2011年的全年觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)模型的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，這些探空站主要分布在50°S～90°N范圍內(nèi)。將探空數(shù)據(jù)計(jì)算出的Tm作為真值，對(duì)GWMT-N模型、GWMT模型、Bevis公式求得的Tm分別進(jìn)行檢驗(yàn)。其中，利用Bevis公式計(jì)算Tm時(shí)，地面溫度分別采用實(shí)測(cè)地面溫度和GPT模型計(jì)算的地面溫度。將各種模型計(jì)算的Tm與真實(shí)Tm作差，計(jì)算一年內(nèi)每個(gè)探空站的MAE和RMS，如圖3所示，各個(gè)模型MAE和RMS的最大值、最小值和平均值如表1所示。從表1可知，GWMT_N模型MAE和RMS的平均值為3.45K和4.31K，精度與Bevis+實(shí)測(cè)Ts的精度相當(dāng)，高于Bevis+GPT和GWMT模型，而且GWMT_N模型無(wú)需已知地面實(shí)測(cè)溫度，使用更為方便。從圖3可以看出，各種模型在低緯度地區(qū)的精度最高，而在中高緯度地區(qū)精度較低，尤其在東亞地區(qū)精度明顯低于其他地區(qū)，其原因有待進(jìn)一步分析。

表1 各種模型結(jié)果與探空Tm數(shù)據(jù)之差統(tǒng)計(jì)Tab.1 MAE and RMS of the difference between various models and sounding Tm

2.3.2 COSMIC 掩星 Tm數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

從圖3可以看出，無(wú)線電探空站主要分布在北半球的大陸地區(qū)，且時(shí)間分辨率較低，每天只有兩次探空觀測(cè)數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步分析GWMT_N模型在海洋等地區(qū)和一天中其他時(shí)刻的精度和可靠性，采用2011年全年的COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)對(duì)GWMT_N模型和其他各種模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證。將COSMIC掩星數(shù)據(jù)計(jì)算的Tm作為真值，對(duì)不同方法的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，其中在利用Bevis公式計(jì)算Tm時(shí)，地面溫度分別采用掩星大氣廓線最底層的溫度和GPT模型的計(jì)算值。將不同方法計(jì)算的Tm與真實(shí)的Tm求差，將結(jié)果在緯度方向以2.5°進(jìn)行分段，每個(gè)分段內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，求得每一個(gè)分段內(nèi)所有差值的MAE和均方根，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，GWMT_N模型在全球范圍內(nèi)有著較高的精度，不存在明顯的異?，F(xiàn)象。模型精度在低緯度地區(qū)略高于高緯度地區(qū)，在南極地區(qū)精度最低。GWMT_N模型的精度高于Bevis+GPT的精度，與Bevis+實(shí)測(cè)Ts的精度基本相當(dāng)。GWMT模型在80°S～20°N之間存在明顯的異常，這與該地區(qū)大部分被海洋覆蓋有關(guān)。各種模型結(jié)果與COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)之差的MAE和RMS統(tǒng)計(jì)如表2所示，Bevis+實(shí)測(cè)Ts精度最高，GWMT_N模型的精度與之基本相當(dāng)，MAE和均方根的平均值分別為3.39 K和4.47 K。

表2 各種模型結(jié)果與COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)之差Tab.2 MAE and RMS of the difference between various models and COSMIC occultation Tm

3 結(jié)論

檢驗(yàn)結(jié)果表明，GWMT_N模型避免了GWMT模型在海洋地區(qū)出現(xiàn)明顯異常的缺陷，同時(shí)陸地地區(qū)的精度也高于GWMT模型，是真正意義上全球適用的大氣加權(quán)平均溫度模型。GWMT_N無(wú)需地面實(shí)測(cè)溫度，只需年積日和測(cè)站三維坐標(biāo)即可獲得高精度的Tm。

圖3 各種模型結(jié)果與探空Tm數(shù)據(jù)之差的MAE和RMSFig.3 MAE and RMS of the difference between the various models and sounding Tm

圖4 各種模型結(jié)果與COSMIC掩星Tm數(shù)據(jù)之差在不同緯度上的統(tǒng)計(jì)Fig.4 Difference between various models and COSMIC occultation Tm on different latitudes

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10 劉焱雄，陳永奇，劉經(jīng)南.利用地面氣象觀測(cè)資料確定對(duì)流層加權(quán)平均溫度［J］.武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(5):400 － 404.(Liu Yanxiong，Chen Yongqi，Liu Jingnan.Determination of weighted mean tropospheric temperature using ground meteorological data［J］.Journal of wuhan Techrical University of Surveying and Mapping，2000(5):400－404)

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13 李國(guó)翠，等.華北地區(qū)地基GPS水汽反演中加權(quán)平均溫度模型研究［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1):80－86.(Li Guocui，et al.Weighted mean temperature models for mapping zenith wet delays onto precipitable water in North China［J］.Journal of Nanjing Institute of Meteorology，2009(1):80－86)

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ESTABLISHMENT OF GLOBAL ATMOSPHERIC WEIGHTED AVERAGE TEMPERATURE MODEL USING NCEP REANALYSIS DATA

Chen Peng1，2)and Chen Jiajun3)
1)College of Geomatics，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054
2)State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics，Wuhan 430077
3)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan430079

A New global weighted temperature model(GWMT_N)was built using reanalysis data during 2007－2011 offered by NCEP to solve the remarkable limitation in ocean area of Global Weighted Mean Temperature(GWMT)model.Periodically semiannual effect of Tmwas taken into account in the new model.The accuracy of GWMT_N model was verified with 650 radiosonde stations in 2011 and COSMIC occultation in 2011.The results show that GWMT_N successfully avoid the limitation of GWMT，and its accuracy on land was even improved.The overall accuracy of GWMT_N is equivalent to that of Bevis formula.For the new method does not require observed temperatures on land，it can be applied more widely in GPS meteorology.

NCEP;GWMT_N;weighted temperature;radiosonde;COSMIC

P228.42

A

1671-5942(2014)03-0133-04

2013-12-02

大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SKLGED2013-4-10-EB);測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(13S03);地理空間信息工程國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(201318);武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(12-01-07);西安科技大學(xué)培育基金項(xiàng)目(201204)。

陳鵬，男，1984年生，博士，講師，研究方向:GNSS電離層與對(duì)流層反演。E－mail:chenpeng0123@gmail.com。