中國大陸地區GNSS ZTD對超強東部型厄爾尼諾事件的響應

于騰麗 王 勇,2 黃 靖 楊 軍 占 偉

1 天津城建大學地質與測繪學院，天津市津靜路26號，300384 2 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢市徐東大街340號，430077 3 中國地震局第一監測中心，天津市耐火路7號，300180

水汽(precipitable water vapor, PWV)作為地球大氣的重要組成成分，是引發暴雨洪澇災害的要素之一[1]。地基GNSS反演水汽具有全覆蓋、高精度、全天候等特點[2],被廣泛應用于降雨、中尺度惡劣天氣和全球氣候變化預測[3-4]。來自西太平洋地區的水汽輸送是厄爾尼諾事件影響中國氣象因素的重要紐帶[5]。研究表明，中國大陸GNSS水汽變化對厄爾尼諾事件的響應存在區域性規律，與氣候類型、地理區劃有關，且GNSS水汽可作為監測指標，指示厄爾尼諾事件的發生及演變[6-7]。2014-10～2016-04發生的超強東部型厄爾尼諾事件導致我國長江以南大部分地區降水偏多，部分地區甚至出現“冬汛”，反映出超強厄爾尼諾事件對中國大陸氣候的重要影響[8-9]。本文將基于CMONOC數據分析GNSS ZTD代替水汽的可行性，并利用FFT和WT分析中國大陸GNSS ZTD空間、時域、頻域變化對超強東部型厄爾尼諾事件的響應規律。

1 研究數據與方法

1.1 研究數據

1.1.1 GNSS 水汽

CMONOC連續觀測站分布如圖1所示。GNSS 水汽數據由GNSS ZTD結合氣壓、溫度數據反演而來[1]。由于獲取的CMONOC氣象資料有限，為保證GNSS 水汽時間序列的連續性，以及可分析站點的覆蓋率，需避免由于同期CMONOC氣象數據缺失導致GNSS水汽數據不完整的問題。因此，本文將首先分析利用GNSS ZTD代替GNSS 水汽的可行性。由于設站時間不同導致各站點積累的觀測資料的長度不一，本文分析站點的最長觀測時間序列為2008-01-01～2021-07-24，最短觀測時間序列為2012-01-01～2021-07-24。

圖1 CMONOC站點分布Fig.1 Distribution of CMONOC stations

1.1.2 厄爾尼諾事件

1.2 研究方法

FFT可從頻域上提取信號在時域上無法體現的周期特征。本文將利用加漢寧窗的FFT分析GNSS ZTD和IEP的頻率/周期的變化規律，從時域和頻域上探究二者的關系。

FFT可提取信號的顯著變化周期，而WT可提取顯著周期的對應層數，獲取周期的具體變化情況。本文選擇緊支撐標準正交小波db6小波基函數對GNSS ZTD進行分析。小波變換分層原理是采用2，4，8，16，…，2J作為尺度，將信號f(t)(頻段0～F)分解為J+1個信號頻段，其中0～F/2J頻段為低頻項(AJ)，F/2n～F/2n-1(n=1，2，3，…，J)為高頻項(D1,D2, …,DJ)。分層合格的標準為低頻信號AJ曲線呈單一遞增或遞減趨勢。經試算，將GNSS ZTD時間序列劃分為17層可滿足分層合格標準，其中D1～D17層為高頻項，A17層為低頻項。

2 GNSS ZTD代替GNSS 水汽可行性分析

本文獲取的CMONOC氣象資料時間跨度為2013-01～2020-12，結合該時段的GNSS ZTD數據反演出各站點的GNSS水汽序列，并開展GNSS ZTD與GNSS水汽序列的相關性分析。利用FFT對GNSS ZTD與GNSS 水汽時間序列進行頻域分析，并探究二者的頻域相關性。圖2為BJFS、WUHN站分析結果，圖中**表示相關性在0.01層上顯著。

圖2 GNSS ZTD與GNSS水汽時頻相關性Fig.2 Time-frequency correlation of GNSS ZTD and GNSS PWV

由圖2(a)、2(c)可知，GNSS ZTD與GNSS水汽原始序列吻合度較高，相關系數在0.9以上。從圖2(b)、2(d)可以看出，GNSS ZTD與GNSS 水汽頻域分析結果較為吻合，均存在極顯著的12個月變化周期(對應頻率約為0.085)以及較顯著的9～10個月、5～6個月周期，且在頻率區間(0.3, 1.25)內也存在較顯著的變化周期。綜上可知，GNSS ZTD與GNSS水汽序列在時域和頻域上均存在極強相關性，吻合度較高，利用GNSS ZTD代替GNSS 水汽開展研究具有可行性。

3 GNSS ZTD時空變化對超強東部型厄爾尼諾事件的響應分析

本節對此次超強厄爾尼諾事件期間GNSS ZTD與IEP的相關性進行分析。GNSS ZTD原始時間序列存在顯著的年周期、季節性變化周期以及短期的隨機波動與噪聲。而利用FFT分析IEP的顯著變化周期發現，其存在顯著的80個月(約7 a)、40個月(約3.5 a)、18個月(1.5 a)、14個月(約1 a)周期，這與GNSS ZTD的顯著變化周期存在較大差異。故對二者進行相關性分析前，需要先排除GNSS ZTD隨機波動與噪聲的干擾。利用WT方法對GNSS ZTD時間序列進行分層處理。IEP顯著變化周期分別對應小波分層的D15(4～8 a)、D14(2～4 a)、D13(1～2 a)層，故將GNSS ZTD進行WT后的D13、D14、D15層進行重構。分析GNSS ZTD重構高頻項與IEP的相關性，并將其與二者原始序列之間的相關性進行對比，結果如圖3所示，圖中sig值代表Pearson相關性雙尾檢驗的顯著性系數，sig<0.01表示相關性在0.01層上顯著，sig<0.05表示相關性在0.05層上顯著。

圖3 GNSS ZTD與IEP相關性分析Fig.3 Correlation analysis between GNSS ZTD and IEP

由圖3(a)可知，中國大陸各區域GNSS ZTD與IEP存在正相關性，且均可通過0.01層顯著性檢驗，基本呈弱或中度正相關。圖3(b)顯示，GNSS ZTD重構高頻項與IEP的相關性相比于原始序列有顯著提高，其中1個站點可通過0.05層顯著性檢驗，其余站點均通過0.01層顯著性檢驗。大部分區域相關系數在0.4～0.6范圍內，呈中度正相關；熱帶、亞熱帶、川滇地區以及黑龍江部分站點的相關系數在0.6～0.8范圍內，呈強正相關；個別站點相關系數大于0.8，呈現出極強正相關。因此，超強東部型厄爾尼諾事件會導致中國大陸GNSS ZTD(水汽)增多，且對熱帶季風和亞熱帶季風區域以及川滇地區影響較為顯著。可能是因為超強東部型厄爾尼諾事件導致西太平洋副熱帶高壓偏強偏西，促使大量低緯度的水汽向我國輸送，使得中國大陸區域GNSS ZTD(水汽)整體增多；又因受西北太平洋對流層低層菲律賓反氣旋性異常環流的影響，中國東部出現偏南風異常，從而導致南方地區水汽含量劇烈增加[9]。同時，中國大陸熱帶和亞熱帶季風氣候區域以及川滇地區所處緯度較低，GNSS ZTD(水汽)比其他地區含量高[10]，變化較為活躍。

4 GNSS ZTD顯著變化的周期對超強東部型厄爾尼諾事件的響應分析

GNSS ZTD存在顯著的年、9～10個月、半年周期以及(0.3, 1.25)頻率區間內的較顯著周期。本節將開展超強東部型厄爾尼諾事件對GNSS ZTD顯著變化周期的影響分析。為確保結果的準確性和可靠性，選擇多個正常氣候時段的數據與之進行對比。此次厄爾尼諾事件持續時間長達19個月，而本文涉及時間序列中只包含一段與之對應的正常氣候時段。因此，以該事件峰值時間為基準向前后共截取12個月的時間長度(2015-05～2016-04)開展分析，并選取2012-05～2013-04、2013-05～2014-04、2016-05～2017-04三個正常氣候時段與之進行對比。利用FFT分析4個時間段內GNSS ZTD的顯著變化周期，探究其在超強東部型厄爾尼諾事件期間與正常氣候時段的差異及規律。由于截選時長為12個月，故只能對除年周期外的其他顯著周期進行分析。本文截取各站點GNSS ZTD FFT結果中存在顯著周期的時段進行對比，由于篇幅限制，僅展示溫帶季風氣候地區2個站點的分析結果(圖4)。

圖4 溫帶季風氣候地區GNSS ZTD顯著變化周期對比Fig.4 Comparison of significant change periods of GNSS ZTD in temperate monsoon climate region

由圖4可知，超強東部型厄爾尼諾事件發生期間，溫帶季風氣候區域GNSS ZTD約9個月的顯著變化周期振幅明顯低于3個正常氣候時段；在(0.2, 1.4)頻率區間內，超強東部型厄爾尼諾事件期間的GNSS ZTD顯著變化周期振幅較正常時段有不同程度的增長。

綜合各區域站點的分析結果發現，在超強東部型厄爾尼諾事件的影響下，中國大陸區域GNSS ZTD約9個月的顯著變化周期振幅均存在不同程度的降低，而0.8個月、1個月、1.5個月、2～3個月的較小顯著變化周期振幅均有不同程度的增長。表明超強東部型厄爾尼諾期間，GNSS ZTD較長的顯著變化周期減弱，較短的顯著變化周期增強，GNSS ZTD變化更為活躍。

以3個正常氣候時段GNSS ZTD 9個月顯著變化周期對應振幅(amplitude,A)的平均值為基準，計算超強東部型厄爾尼諾期間GNSS ZTD 9個月顯著變化周期振幅的變化量(ΔA)；并以相同方法分別計算各站點0.8～3個月內的顯著變化周期對應振幅的增量，然后求其平均值，結果如圖5所示。

圖5 GNSS ZTD顯著變化周期對超強東部型厄爾尼諾事件的響應分析Fig.5 Response analysis of GNSS ZTD significant periods to super eastern Pacific El Nio event

由圖5(a)可知，在超強東部型厄爾尼諾事件的影響下，中國大陸絕大部分站點GNSS ZTD 9個月顯著變化周期振幅均有不同程度的降低，熱帶地區和溫帶大陸西部地區振幅變化量最為顯著，個別顯示無變化規律的站點主要集中在中國大陸西北部地區。從圖5(b)可以看出，中國大陸絕大部分站點GNSS ZTD 0.8～3個月顯著變化周期振幅均有不同程度的增加，熱帶地區和亞熱帶地區振幅增量最為顯著，個別顯示無變化規律的站點主要集中在溫帶大陸地區北部。由此可知，在中國大陸西北部高原山地氣候區域的個別站點9個月顯著周期和中國大陸北部溫帶大陸氣候區域的個別站點0.8～3個月顯著周期對超強東部型厄爾尼諾事件響應較差。可能是因為這些站點位于中國大陸緯度較高的地區，GNSS ZTD(水汽)含量較低，變化不活躍[10]，而且在此次超強東部型厄爾尼諾事件期間，北方地區偏北風氣流受到抑制[9]，影響部分區域水汽的正常流通。

5 結 語

本文首先基于CMONOC提供的GNSS連續觀測數據分析GNSS ZTD代替GNSS水汽的可行性，然后開展中國大陸GNSS ZTD對2014-10～2016-04超強東部型厄爾尼諾事件的響應分析，得到以下結論：

1)中國大陸各區域GNSS ZTD與IEP呈正相關，即超強東部型厄爾尼諾事件會導致中國大陸GNSS ZTD增大，且對熱帶季風和亞熱帶季風區域以及川滇地區影響較為顯著。

2)在超強東部型厄爾尼諾事件的影響下，中國大陸區域GNSS ZTD約9個月的顯著變化周期振幅均存在不同程度的降低；而0.8～3個月內的較小顯著變化周期振幅均有不同程度的增長。其中，熱帶地區與溫帶大陸西部地區GNSS ZTD 9個月顯著變化周期、熱帶與亞熱帶地區GNSS ZTD 0.8～3個月顯著變化周期對此次厄爾尼諾事件的響應最為顯著，表明超強東部型厄爾尼諾事件期間GNSS ZTD變化更為活躍。