COSMIC與ERA-Interim折射率數據分析海洋邊界層時空分布的對比

袁帥 唐歌實 高鵬

摘要本文基于小波協方差變換法，使用COSMIC和ERA-Interim兩種數據的折射率獲取了全球海洋邊界層的時空分布情況并進行了對比分析.結果表明：在空間上，由兩種數據反演出的海洋邊界層高度所顯示出的分布特征大致相同，即沿著赤道呈不完全對稱分布，僅在個別海域有所差別；在季節及月變化方面，兩者均呈現出夏季較高的特點；在日變化特征上，兩者變化均不明顯，但ERA-Interim數據的海洋邊界層高度的日變化特征與太陽輻射的日變化特征更加符合；在數值差異上，COSMIC數據要比ERA-Interim數據的結果高500～1 000 m，且低緯度地區兩者差異大于高緯度地區，夏季兩者差異小于冬季.

關鍵詞COSMIC掩星；ERA-Interim；折射率；海洋邊界層；小波協方差變換法；時空分布特征

中圖分類號

P407

文獻標志碼

A

收稿日期

2021-07-08

資助項目

南京信息工程大學人才啟動經費（2018r074）；新羅區奇邁科技創新基金（XLQM004）

作者簡介袁帥，男，碩士生，主要研究方向為GNSS氣象學.1402303629@qq.com

唐歌實（通信作者），男，博士，教授，主要研究方向為GNSS大氣遙感.tanggeshi@nuist.edu.cn

1 南京信息工程大學遙感與測繪工程學院， 南京，210044

2龍巖學院 資源工程學院，龍巖，364012

0 引言

大氣邊界層是地球大氣中的物質、能量與動量上下交換的過渡層，對全球氣候系統有著重要的影響[1].大氣邊界層高度是描述大氣邊界層特征的一個關鍵參數，可以用來描述給定區域內與之相關的晝夜、氣象和氣候過程，包括云特征以及地面和自由大氣之間的聯系[2]，可靠的邊界層高度信息對于天氣預報和氣候模式等研究有著重要的意義[3].

長期以來，邊界層高度的測量主要依靠無線電探空數據、星載遙感、雷達觀測資料等.但這些傳統的探測方法都有其局限性：無線電探空資料的地理分布有限，尤其是海上的站點更少，且每天只有兩次觀測數據，難以用來研究大范圍的邊界層高度；星載遙感資料雖然探測范圍廣，但對于邊界層研究來說其垂直分辨率較低[4]，并且星載遙感資料受天氣條件影響較大，僅在多云和晴空條件下有著較好的探測效果[5]；雷達觀測資料的觀測結果容易受到平流輸送[6]和環境噪聲的影響[7]且觀測的分辨率有限[8]，也同樣存在探測范圍較小的問題.

目前，對于大范圍的海洋邊界層高度的研究，通常使用全球導航衛星系統無線電掩星（Global Navigation Satellite System Radio Occultation，GNSS/RO）觀測資料和再分析資料.GNSS無線電掩星技術是一種全新的大氣廓線探測手段，具有高精度、高垂直分辨率、近實時、全天候、全球覆蓋、低成本、長期穩定性等優點.以COSMIC為代表的掩星觀測衛星在采用了“開環跟蹤”技術后，有效解決了大氣多徑效應的影響，大大提高了低空的探測精度.廖麒翔等[9]、劉艷等[10]相繼使用COSMIC折射率數據進行了邊界層高度的研究，取得了很好的結果.再分析資料是利用數值天氣預報資料同化系統給出的過去幾十年具有高度一致性的全球客觀資料，可以視為對大氣情況的“最優”反映，目前已成為一種最主要的資料來源.ECMWF再分析（ECMWF Re-Analysis）資料由歐洲中期天氣預報中心發布，具有準確、可信度高等優點，被廣泛地運用于氣象等領域，von Engeln等[1]就使用ECMWF再分析資料中的ERA-Interim數據獲取了大氣邊界層高度.Guo等[11]、周文等[12]分別探討了兩種資料在使用相同方法下獲取邊界層高度的計算結果，但前者對于兩種數據獲取的邊界層高度結果未深入到對時空分布進行比較，而后者的研究區域則局限于青藏高原地區.本文基于小波協方差方法，使用2008—2012年5年的COSMIC數據和ERA-Interim數據分析了海洋邊界層高度的時空分布特征，并詳細比較了兩種數據獲取的海洋邊界層高度在空間分布，季節、月變化及日變化方面的數值差異.

1.4 海洋邊界層結構分析方法

由于使用的ERA-Interim數據為2°×2°的格網數據，而掩星數據點的經緯度是全球分布的，因此處理掩星數據時，將全球分為90×180個2°×2°的網格單元，計算每個單元內大氣邊界層高度的年平均值、月平均值以及小時的平均值作為該網格單元的替代值，使得COSMIC數據與ERA-Interim數據保持形式上的一致.

2 海洋邊界層時空分布特征

2.1 海洋邊界層空間分布特征

圖2為2008—2012年5年的COSMIC折射率數據及ERA-Interim折射率數據所確定的海洋邊界層平均高度的全球分布情況.COSMIC數據顯示在45°N以北的北冰洋及附近海域以及45°S以南的海域有著較低的邊界層高度，約在1～1.5 km范圍內，部分地方甚至低于1 km；ERA-Interim則顯示50°N以北及60°S以南有著較低的邊界層高度，在1 km以下.在南北美洲以及非洲西岸等大陸西海岸地區，兩者均對應著較低的邊界層高度，COSMIC在1～1.5 km范圍內，而ERA-Interim數據則在1 km以下.在孟加拉灣到中國南海再到爪哇海、西里伯斯海及班達海等印度尼西亞附近海域 ，同樣對應著較低的邊界層高度，COSMIC在1～1.5 km范圍內，ERA-Interim數據則在1 km以下.除去上述海域，在COSMIC邊界層45°N～45°S海域有著較高的邊界層高度，在1.5～2 km范圍內，在南太平洋東部、北太平洋中東部、南美洲西岸及印度洋南部部分海域，甚至達到了2～2.5 km；ERA-Interim數據則在50°N～50°S海域有著1～1.5 km的邊界層高度，在南太平洋東部、北太平洋中東部、南美洲西岸及印度洋南部部分海域的邊界層高度則在1.5～2 km范圍內.整體而言，兩者有大致相同的分布情況，在忽略陸地分布的影響下，海洋邊界層高度大致呈現出沿著赤道為軸的不嚴格緯向對稱分布.由ERA-Interim數據確定的邊界層高度要比COSMIC所確定的低0.5～1 km左右，一方面與ERA-Interim模式系統性偏低相關，另一方面則是因為ERA-Interim中的邊界層高度包含夜間穩定邊界層和混合邊界層，而COSMIC數據由于探測最低高度有限只能檢測混合層高度，只有少部分廓線能檢測到夜間穩定邊界層高度[12].

圖3a、圖3b分別為由COSMIC和ERA-Interim數據確定的海洋邊界層高度的發生頻率統計結果，橫坐標為邊界層高度區間，縱坐標為頻率.

由圖3可知：COSMIC邊界層1.4～1.6 km的占比最多，約25.7%，ERA-Interim邊界層1.0～1.2 km的占比最多，約26.8%；由COSMIC確定的邊界層高度大多位于1.2～1.8 km范圍內，占比超過70%，而ERA-Interim在0.6～1.4 km范圍內占比達85%左右；COSMIC邊界層高度在1 km以下的只占3.4%，而ERA-Interim邊界層高度在1 km以下占比則高達34.9%；在邊界層高度大于1.6 km的范圍內，COSMIC的占比達33.8%，而ERA-Interim則低于3%.此統計結果的差異與上文由ERA-Interim數據確定的邊界層高度要比COSMIC所確定的低0.5～1 km左右的現象相符合.

將全球海域分為60°～90°N、30°～60°N、0°～30°N、0°～30°S、30°～60°S和60°～90°S共6個緯度帶對COSMIC數據和ERA-Interim數據所確定的邊界層高度做出差異分析.圖4a給出了COSMIC數據和ERA-Interim數據在這6個緯度帶的邊界層高度的平均值，COSMIC分別為1.18、1.58、1.74、1.77、1.48和1.16 km，而ERA-Interim分別為0.80、1.13、1.19、1.31、1.09和0.82 km.兩種數據所確定的海洋邊界層高度平均值最大的區域均位于0°～30°S，平均值最小的情況，COSMIC位于60°～90°S，ERA-Interim位于60°～90°N.圖4b為COSMIC數據和ERA-Interim數據在這6個緯度帶的邊界層高度的平均值的差異情況，差值最大為0.55 km，位于0°～30°N，最小差值為0.34 km，位于60°～90°S.總體來看，在南北半球，COSMIC數據和ERA-Interim數據邊界層高度平均值隨著緯度的增加而減小，在低緯度地區兩種數據的差異要大于高緯度地區.

2.2 海洋邊界層的季節及月變化特征

圖5為2008—2012年海洋邊界層高度的季節分布，可以看出海洋邊界層高度有著明顯的季節變化特征.對于COSMIC數據，在北半球夏季時有著較高的邊界層高度，南半球則在冬季時有著較高的邊界層高度，這一現象在30°～90°N及30°～90°S的廣大區域更加明顯.例如在北冰洋地區部分海域冬春季節邊界層高度低于1 km，這是因為夏季時海冰密度小，海溫較高，產生湍流動能，有利于加深邊界層，而60°～90°S的海域則正好相反，在夏秋季節的邊界層高度明顯低于春冬兩季.對于ERA-Interim數據，沒有顯示出數值上的改變，但仍可以發現，夏季北半球高緯度邊界層低于1 km的區域有明顯的向北縮減的趨勢，在印度和阿拉伯半島之間的海域以及加拿大紐芬蘭附近的海域也有著明顯的邊界層高度的增加.南太平洋東部、南美洲東部、澳大利亞東部的南印度洋海域以及美國以北的太平洋東部海域由于常年位于信風區，受四季變化影響較小，對應著較高的邊界層.在北美洲西海岸地區、南美洲西海岸、0°～30°S的非洲西海岸這些盛行層狀云地區，同樣受四季影響較小，常年有著較低的邊界層.在0°～30°N的亞洲東海岸、西太平洋地區，邊界層頂呈現出明顯的夏低冬高的現象，Klein 等[18]認為該地區冬季受寒潮或Hardly環流產生的層積云影響，因此冬季邊界層較高，而夏季該地區臺風頻發是其邊界層較低的原因[11];墨西哥灣地區由于夏季颶風頻發，邊界層較低，但冬季受到極地寒流向赤道移動和海上鋒面的影響[1，19] ，所以邊界層較高.在10°～30°N的北大西洋海域邊界層高度全年偏高，和廖麒翔等[9]所得到的情況相同.孟加拉灣到中國南海再到爪哇海、西里伯斯海及班達海等印度尼西亞附近等赤道暖池海域，常年降水豐富，長波輻射被用于水汽蒸發，導致邊界層內對流能量減少，四季都有著較低的邊界層高度.總的來說，COSMIC數據和ERA-Interim數據所確定的海洋邊界層的四季分布大體一致，只在個別區域有差異.比如：ERA-Interim數據中，地中海地區的邊界層頂在冬季明顯偏高，而COSMIC數據則沒有這種現象；在非洲以東佛得角海域，COSMIC數據僅僅在夏季呈現出較低的邊界層高度，而ERA-Interim數據中該地區全年都對應著較低的邊界層高度.

圖6為對COSMIC和ERA-Interim折射率所確定的海洋邊界層的月平均高度的統計.圖6a中藍線為COSMIC折射率海洋邊界層月平均高度，橙線為ERA-Interim折射率海洋邊界層月平均高度，可以看出COSMIC的1—12月的月均高度均保持在1.5 km左右，其中7月最高，達到1.55 km，4月最低為1.50 km，最大值與最小值相差50 m.在徐曉華等[15]的研究中，1—12月中月均邊界層高度的最大值與最小值相差100 m左右，但其統計的區域包括陸地，

而由于海洋熱容量較大及海洋上空云層對太陽短波輻射的反射，海洋的邊界層高度月變化幅度要小于陸地.ERA-Interim數據也在7月取得最大值，為1.11 km，最小值在1月，為1.04 km.由圖6a可知，海洋邊界層的月平均高度存在夏季月份較高、冬季月份較小的情況.圖6b為COSMIC和ERA-Interim數據海洋邊界層月平均高度的差值情況，8月兩者差值最小，為0.43 km，在2月差值最大，為0.48 km，夏季6—8月差值明顯小于冬季（12月至次年2月）.

2.3 海洋邊界層日變化特點

在研究海洋邊界層日變化時，由于ERA-Interim數據每天只有4個時刻的數據，所以需要選擇特定時區的海域進行研究.本文將包含太平洋中部及部分北冰洋的西十區海域（142.5°～157.5°W）記為區域A、大西洋中部及部分北冰洋的西二區海域（22.5°～37.5°W）記為區域B、位于印度洋中部的海域（82.5°～97.5°E）記為區域C，將這3個海區作為典型的研究區域.在研究時，需要將COSMIC和ERA-Interim中 UTC時間轉化為當地時間，對于ERA-Interim數據來說，每天只有4個時刻，而對于COSMIC數據，取前后2 h的平均值作為某時刻的值.圖7為以上3個海域的年平均邊界層高度的日變化曲線，橙線為COSMIC的結果、藍線為ERA-Interim的結果.一般來說，由于太陽輻射的影響，在14時左右海面溫度達到最高值時，邊界層的高度會達到最高值，但圖7中顯示在A、B兩個海域邊界層高度全天變化較小，C海域變化較大，14時左右的邊界層高度也并不是最高，說明COSMIC數據確定的邊界層高度的日變化特征與太陽輻射的日變化特征符合程度較低，除與COSMIC數據本身性質相關外，也與海水

比熱容較大、海溫日較差較小和不同海域云的影響有關.相比較而言，ERA-Interim所得到平均邊界層高度的日變化在數值上要比COSMIC所得到的要低400～500 m，但也加更符合太陽輻射的特征，例如圖7a、7b和7c中分別在14、16和12時取得最大值.COSMIC數據和ERA-Interim數據所得到的海洋邊界層高度的日變化均較小，一般只有幾十米，這與其他研究者的結論相符合[9-10，15].

3 結論

本文分別采用2008—2012年的COSMIC折射率數據和ERA-Interim折射率數據，分析了全球海洋邊界層的空間分布特征、季節及月變化特征和日變化特征，并比較了兩種數據所得到的海洋邊界層變化特征的數值差異，得到如下結論：

1）兩種數據均顯示，海洋邊界層頂有明顯的空間分布特征.全球海洋邊界層高度大致呈現出沿著赤道為軸的不嚴格緯向對稱分布，邊界層高度隨著緯度的增加而降低，副熱帶地區的邊界層高度的幾個高值區與副熱帶系統位置較為一致.兩種數據所獲取的海洋邊界層在數值分布上存在差異，COSMIC數據要比ERA-Interim數據高500 m左右，且在高緯度地區兩者差異大于低緯度地區.

2）在海洋邊界層的季節以及月變化特征方面，兩種數據大致相同，只在少數地區存在差異.兩種數據所得海洋邊界層平均高度均存在夏高冬低的現象，且兩者之間的差異則顯示出夏低冬高的現象.

3）兩種數據均顯示，海洋邊界層頂的日變化特征不明顯，一般只有幾十米.COSMIC數據要比ERA-Interim數據高500 m左右，ERA-Interim數據確定的邊界層高度的日變化特征與太陽輻射的日變化特征更加符合.

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Temporal and spatial distribution of oceanic boundary layer based on COSMIC and ERA-Interim refractive index

YUAN Shuai1 TANG Geshi1 GAO Peng2

1School of Remote Sensing & Geomatics Engineering，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044

2School of Resource Engineering，Longyan University，Longyan 364012

Abstract

The spatial and temporal distribution of the oceanic boundary layer height is determined by wavelet covariance transform method using COSMIC and ERA-Interim refractive index data independently，then the difference between results of the two datasets is comparatively analyzed.The results show that a roughly same spatial pattern of not completely symmetrical distribution of the boundary layer height along the equator is observed for the inversion results of the two datasets.As for the seasonal and monthly variations，the oceanic boundary layer is relatively high in summer.Though no obvious diurnal variation is observed，it should be noted that the diurnal variation of boundary layer height from ERA-Interim data is more consistent with that of solar radiation.The comparison shows that the inversion results of COSMIC data are about 500-1 000 meters higher than those of ERA-Interim data，and the difference is greater in high latitudes than in low latitudes and smaller in summer than in winter.

Key words COSMIC occultation;ERA-Interim;refractive index;oceanic boundary layer;wavelet covariance variation;spatial-temporal distribution characteristics