基于COSMIC掩星數據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)掩星數據具有全球覆蓋、高數據精度、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，因此資料質量不受地理位置和天氣條件改變的影響，長期穩定，可用于大氣長期變化的監測[5]，為分析空間大氣提供了詳細而穩定的信息支持。近二十年來，隨著衛星氣象學的迅速發展，國內外學者開始廣泛使用能夠覆蓋全球觀測的衛星資料來研究氣候變化[6]。王伯睿[7]等對COSMIC掩星反演數據質量進行分析顯示wetPrf的溫度數據與探空資料符合較好。肖衛華[8]等利用COSMIC數據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果。劉久偉[11-14]等根據反演數據對對流層頂的獲取，變化進行分析均獲得了好的結果。以上是對對流層頂及以上區域的驗證與分析，本文則在0～25 km內對全球溫度進行分析，數據采用的是COSMIC掩星的二級反演產品(wetPrf)，其中包含大氣壓、大氣溫度、水汽壓和折射指數等大氣參數廓線，垂直方向0～40 km，分辨率為100 m[1]，該數據是分析全球溫度變化的有效數據。

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時的溫濕度數據進行分析。經緯度上，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干旱化、災害性天氣的發生及氣候演變有著重要的影響，在全球大氣循環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掩星數據)；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掩星數據)。圖1為所選區域內一天內發生掩星事件的分布圖，在本文中180°經度表示0度本初子午線。

本文將在上述范圍內對COSMIC數據進行篩選和處理，分析2014年、2015年夏季與冬季溫度的變化以及計算對流層頂的位置。

圖1 所選區域一天的掩星事件(紅點)分布

1 數據選取

盡管掩星資料具有高精度、無偏、穩定的優點，但由于探測過程中存在隨機誤差、探測誤差、反演誤差[1]等，本文分析時將統計樣本中具有明顯粗差的異樣數據剔除。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])數據中的無效數據和錯誤數據(COSMIC數據中凡是-999均表示該數據為異常數據，將該數據剔除)。

步驟二：在同一經度同一高度下將多個溫度數據求平均，以平均值代表該高度處的溫度。

步驟三：根據溫度的連續性，將在整個高度上溫度變化梯度大于2倍梯度的數據剔除。

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

2 溫度數據分析

2.1 0～40 km的溫度數據

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據，我們提取出0～3 km和10～25 km處的溫度數據做進一步分析。

2.2 0～3 km溫度數據分析

0～3 km近地面數據的溫度對環境有較大影響，可以直觀地反應人類生存環境溫度的變化，該溫度的變化可以反應全球溫度變化趨勢。

將北半球在經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個區域，對這4個區域在1 km、2 km和850 hpa處的冬季和夏季溫度數據分別取平均，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個區域，對這6個區域在1 km、2 km和850 hpa處的冬季和夏季溫度數據分別取平均，獲得2015年與2014年各區域平均溫度差值圖，如圖7所示。

從圖6和圖7數據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掩星數據過少，本文無法對其溫度的變化趨勢進行統計分析。

2.3 10～25 km溫度數據分析

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，在低緯度地區平均高度為17～18 km，在中緯度地區平均為10～12 km，極地平均為8～9 km[19-20]，厚度從數百米到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，對流層頂位于該區域內，對該區域溫度數據求極致，如圖8綠點，為對流層頂的位置。

(a)2014年

通過COSMIC數據分析和處理，能獲得對流層頂的位置，為對流層頂的分析提供數據支持。

3 結 論

本文利用2014—2015年COSMIC掩星數據資料，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°處經度0-360°的溫度，得到了如下結論：(a)北半球有較豐富的掩星數據，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數據能獲得對流層頂位置，為對流層頂的分析提供支持。