利用GNSS掩星數(shù)據(jù)分析ENSO期間大氣壓強(qiáng)的變化

高坤,李英冰,2, 劉海珠

(1. 武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢 430079;2. 武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院時(shí)空大數(shù)據(jù)研究中心,湖北 武漢 430079)

0 引 言

厄爾尼諾和南方濤動(dòng)(ENSO)是對(duì)全球氣候具有重要影響的海氣耦合現(xiàn)象,盡管ENSO發(fā)生于熱帶太平洋地區(qū),但其通過影響大氣環(huán)流,從而對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生重要影響,例如導(dǎo)致破壞性干旱、洪水及暴風(fēng)雨等[1].

ENSO影響范圍廣[2],由于發(fā)生在易到達(dá)的熱帶太平洋地區(qū),因而利用傳統(tǒng)的大氣探測(cè)存在觀測(cè)成本高、數(shù)據(jù)難以獲取、海洋地區(qū)的數(shù)據(jù)缺乏且分布不均勻等問題,極大地限制了對(duì)ENSO的研究分析. 針對(duì)以上問題,本文利用GNSS掩星探測(cè)技術(shù)獲取與ENSO相關(guān)的研究數(shù)據(jù). 通過對(duì)GNSS掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行反演可以獲得全球范圍內(nèi)的高垂直分辨率的大氣溫度、大氣壓強(qiáng)、大氣濕度、電離層電子密度等參數(shù)廓線[3]. 季宇虹等[4]指出GNSS掩星數(shù)據(jù)將有利于增強(qiáng)研究全球氣候變化的能力. 蔣虎[5]認(rèn)為GNSS掩星技術(shù)可為研究ENSO提供輔助數(shù)據(jù). 宮曉艷[6]提出掩星觀測(cè)為遠(yuǎn)海、深海地區(qū)的與厄爾尼諾事件相關(guān)的氣候變化研究提供了便利條件. 李鵬[7]提出利用由GNSS掩星數(shù)據(jù)反演的大氣參數(shù)制成的赤道太平洋地區(qū)大氣剖面,可以增強(qiáng)與ENSO相關(guān)的氣候變化研究. 南華、朱文耀[8]認(rèn)為研究諸如厄爾尼諾和南方濤動(dòng)這些氣候事件的特征時(shí),對(duì)大氣壓強(qiáng)的研究至關(guān)重要.

本文采用幾何光學(xué)反演法由GNSS掩星數(shù)據(jù)反演出厄爾尼諾和拉尼娜期間全球的大氣壓強(qiáng),并與正常年份的大氣壓強(qiáng)進(jìn)行比較,繪制出全球范圍內(nèi)的大氣壓強(qiáng)變化圖,直觀地展現(xiàn)出ENSO對(duì)全球大氣壓強(qiáng)變化的影響. GNSS掩星探測(cè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、探測(cè)數(shù)據(jù)的精度高、可以全天候觀測(cè)、探測(cè)范圍廣且均勻分布以及數(shù)據(jù)垂直分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[4],決定了在ENSO的研究分析中將發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用. 此外,美國(guó)、俄羅斯、歐盟以及中國(guó)等正在致力于自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和完善,同時(shí)許多國(guó)家也在實(shí)施掩星觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃,加上已經(jīng)實(shí)施的掩星計(jì)劃,其規(guī)模已經(jīng)相當(dāng)可觀,已經(jīng)積累了大量的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù),而且未來(lái)還將會(huì)有海量的數(shù)據(jù). 目前有很多研究正在致力于GNSS衛(wèi)星信號(hào)跟蹤技術(shù)、接收機(jī)天線技術(shù)、GNSS掩星資料的反演技術(shù)等的發(fā)展改進(jìn), 這為利用GNSS掩星數(shù)據(jù)分析ENSO打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

1 利用GNSS掩星數(shù)據(jù)反演大氣壓強(qiáng)的基本原理

GNSS掩星數(shù)據(jù)反演大氣的原理是指利用近地低軌LEO衛(wèi)星上的GNSS接收機(jī)記錄來(lái)自于被中性大氣層遮掩的高軌道GNSS衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào),從信號(hào)中提取附加延遲量,再通過一套反演方法處理得到大氣壓強(qiáng)、大氣溫度、大氣濕度等大氣參數(shù)的過程[9].

目前應(yīng)用較多的掩星數(shù)據(jù)反演方法是幾何光學(xué)反演法. 該反演方法的基本過程是對(duì)GNSS信號(hào)的相位觀測(cè)值進(jìn)行處理得到時(shí)延率,利用LEO衛(wèi)星和GNSS衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù),再經(jīng)過多普勒(Doppler)觀測(cè)方程得到GNSS信號(hào)的折射角序列,利用折射角通過Abel變換求得折射率垂直廓線,由折射率就可以得到相應(yīng)的大氣密度分布,經(jīng)過相關(guān)的積分就可以得到大氣壓強(qiáng)的分布情況[3].

對(duì)于局部球?qū)ΨQ的中性大氣,利用Abel積分變化法[10]可以求得自變量為每條信號(hào)路徑的影響參數(shù)a的大氣折射率μ(a):

(1)

式中，α(ξ)是影響參數(shù)為ξ時(shí)的折射角.求得大氣折射率以后,在理想氣體法則下并忽略水汽含量影響,利用大氣狀態(tài)方程可以解算出大氣密度ρ(h)和大氣壓強(qiáng)P(h)等大氣參數(shù):

ρ(h)=C1N(h)，

(2)

高度為h處的大氣壓強(qiáng)為P(h):

(3)

式中：g(h1)為高度為h1的局部重力加速度；ρ(h1)由式(2)得到,為h1高度處的大氣密度.

2 厄爾尼諾期間的大氣壓強(qiáng)變化

2.1 數(shù)據(jù)介紹

為了研究厄爾尼諾期間的大氣壓強(qiáng)變化,選取厄爾尼諾期間和正常時(shí)期的相同月份數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究,月份分別是2006年12月和2008年12月.本文采用的數(shù)據(jù)是由COSMIC項(xiàng)目提供的從2006年5月到2009年12月所有的Level3數(shù)據(jù). COSMIC項(xiàng)目是由美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣聯(lián)合實(shí)施的衛(wèi)星星座計(jì)劃,由6顆微小衛(wèi)星組成. 由COSMIC掩星資料反演的大氣溫度、大氣壓強(qiáng)、大氣濕度剖面數(shù)據(jù)被廣泛地應(yīng)用于大氣和氣候的研究,表現(xiàn)出巨大的潛力. 利用該數(shù)據(jù)可以獲得某一特定的經(jīng)緯度下0～40 km離地高度內(nèi)每隔0.1 km相應(yīng)高度上的大氣溫度、大氣壓強(qiáng)、水汽壓、折射角等. 由于大氣多路徑效應(yīng)和超折射的影響[7],高度較低的掩星數(shù)據(jù)反演精度低,高度過高則大氣壓強(qiáng)的變化不明顯,因此選取離地高度2 km處作為研究對(duì)象.

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖1是由2006年12月(厄爾尼諾期間)與2008年12月(正常時(shí)期)于離地2 km處同一經(jīng)緯度地區(qū)的大氣壓求差得到的數(shù)據(jù)繪制而成的差等值圖,可以直觀地呈現(xiàn)出厄爾尼諾對(duì)大氣壓的影響.其中氣壓的單位為百帕(hpa).

從圖1可以看出,在低緯度地區(qū)即30°N-30°S間,東半球的大氣壓強(qiáng)差值多數(shù)分布在0～3 hpa而西半球的大氣壓強(qiáng)差值多數(shù)分布在-3～0 hpa之間. 太平洋的經(jīng)度范圍大致為105°E-180°E-75°W,緯度范圍大致為66.5°S-66.5°N. 因此更準(zhǔn)確地說(shuō),圖1示出厄爾尼諾會(huì)使太平洋西側(cè)地區(qū)(經(jīng)度范圍)的大氣壓明顯升高,太平洋東側(cè)地區(qū)(經(jīng)度范圍為105°E-145°E)的大氣壓明顯降低. 范圍在30°N-80°N,80°W-150°W地區(qū)的大氣壓強(qiáng)明顯升高;范圍在40°N-70°N, 50°W-80°E地區(qū)的大氣壓則明顯下降,在其東北方向地區(qū)的大氣壓則又會(huì)明顯升高,緊接著大氣壓則開始下降. 然而與其對(duì)應(yīng)的南半球區(qū)域則有著大致相反的變化. 因此厄爾尼諾使得中高緯度地區(qū)的大氣壓強(qiáng)出現(xiàn)交叉升高和下降的情況,而且南北半球同緯度地區(qū)的氣壓變化呈現(xiàn)相反的情況,即一方氣壓升高,另一方氣壓降低.

3 拉尼娜期間的大氣壓強(qiáng)變化

本文選取拉尼娜期間的2007年12月與2008年12月的全球大氣壓強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比,來(lái)研究拉尼娜期間的大氣壓強(qiáng)變化. 圖2是由2007年12月(拉尼娜期間)與2008年12月(正常時(shí)期)于離地高度2 km處同一經(jīng)緯度地區(qū)的大氣壓強(qiáng)求差得到的數(shù)據(jù)繪制而成的差等值圖,可以直觀地呈現(xiàn)出拉尼娜對(duì)全球大氣壓強(qiáng)的影響. 其中氣壓的單位為百帕(hPa).

從圖2可以看出,與厄爾尼諾相反,拉尼娜會(huì)使得太平洋西側(cè)地區(qū)的大氣壓明顯降低,而太平洋東側(cè)地區(qū)的大氣壓則明顯上升.將圖1和圖2進(jìn)行對(duì)比分析可知,拉尼娜現(xiàn)象會(huì)降低厄爾尼諾現(xiàn)象的影響.具體來(lái)講就是先出現(xiàn)的厄爾尼諾現(xiàn)象使得某些地區(qū)的大氣壓上升,那么緊接著出現(xiàn)的拉尼娜現(xiàn)象則會(huì)使已經(jīng)上升的大氣壓下降,因此就會(huì)使得圖1和圖2中這些地區(qū)的大氣壓上升的差值減小,甚至可能使得該地區(qū)的大氣壓低于正常年份的情況,反之亦然.因此,圖1和圖2的對(duì)比從側(cè)面揭示了拉尼娜現(xiàn)象為何被稱之為“反厄爾尼諾現(xiàn)象”.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了利用GNSS掩星數(shù)據(jù)反演大氣壓強(qiáng)的原理及過程,反演出厄爾尼諾和拉尼娜期間全球范圍的大氣壓,并繪制出ENSO期間全球范圍的大氣壓強(qiáng)變化圖,分析了厄爾尼諾和拉尼娜對(duì)全球范圍的大氣壓強(qiáng)影響. 研究表明,利用GNSS掩星數(shù)據(jù)可以獲得與ENSO相關(guān)的大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù),便于對(duì)ENSO進(jìn)行研究分析,同時(shí)通過繪制全球范圍某一高度的大氣壓強(qiáng)變化剖面圖,可以直觀地展現(xiàn)出ENSO期間的大氣壓強(qiáng)變化,為相關(guān)的氣候變化研究提供便利條件.

在本文的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步利用掩星數(shù)據(jù)反演出大氣溫度、水汽壓等來(lái)研究ENSO,此外還可以研究ENSO期間不同高度處的大氣壓強(qiáng)變化,對(duì)大氣環(huán)流進(jìn)行深入的分析.

致謝:對(duì)COSMIC項(xiàng)目提供的數(shù)據(jù)表示感謝.