衛星掩星資料研究對流層/下平流層ENSO響應

陳志平

東華理工大學測繪工程學院，江西 南昌 330013

近20年來，頻發的ENSO事件對地球環境造成了災難性的破壞。由于傳統的ENSO觀測系統受到諸多限制因素的影響，難以進行長期持續的觀測，阻礙了ENSO監測和預報工作的深入開展。GNSS掩星技術憑借其全球覆蓋、高精度、高垂直分辨率、長期穩定、低成本且不易受干擾等優點，為ENSO觀測提供了一種新的有效手段。由此，本文展開了COSMIC GNSS掩星技術的ENSO新觀測系統的研究，尤其是對流層/下平流層(troposphere and lower stratosphere,TLS)大氣中的比濕進行研究。提出從TLS比濕廓線中提取表征ENSO現象的指數(ENSO related signal,ENSORS)，并研究了其與ENSO事件的相關性。本文的研究工作主要有：COSMIC GNSS比濕廓線的可靠性驗證、ENSO周期內比濕氣候異常特征、ENSORS提取方法以及ENSO在TLS中的時間及空間響應。本文的主要內容如下：

(1) 全面系統地分析了COSMIC比濕廓線在對流層的相對誤差分布情況。結果表明原有COSMIC比濕廓線的質量可靠性驗證方法存在不足，因此，本文在展開Radiosonde和COSMIC比濕數據的比較研究時，采用更嚴格的配對標準，以不同緯度帶、不同時間段、不同季節和不同低軌衛星，對兩者進行了統計比較分析。結果證實了COSMIC比濕廓線精度在不同緯度帶、時間段及季節，存在著差異，但不同衛星反演的廓線精度類似。COSMIC比濕廓線在對流層中上層(950～200 hpa)是可靠的，而在對流層下層，尤其是近地表面，其可靠性降低。為了進一步驗證其可靠性，利用2006年6—11月的ERA-Interim再分析數據(未同化COSMIC掩星數據)和其進行了統計比較。結果驗證了COSMIC比濕廓線的可靠性，為后續研究ENSO提供了數據保障。

(2) 從多個角度分析了ENSO周期內比濕氣候異常特征，例如，北半球冬季全球比濕異常、比濕緯向平均異常、經向平均異常等。結果表明：①COSMIC比濕廓線很好地描述了ENSO事件的強弱及相位特征；②在對流層上層，ENSO信號相較于其他高度層有信號增強的現象。

(3) 全面分析了TLS各高度層COSMIC比濕的月異常信號中混合的各種信號。鑒于傳統的ENSORS提取方法(正交經驗函數EOF方法)，容易混入與ENSO不相關的信號，本文提出了一種融合最優低通濾波和EOF方法的組合方法，對比濕月異常數據進行處理，并得出其與海洋尼諾指數ONI最大相關的時間系列。結果表明：在TLS的所有高度層，利用組合方法提取ENSORS較EOF方法具有明顯的改善作用，尤其是在下平流層和低對流層。組合方法提取的ENSORS信號與ONI之間相關系數在滯后3個月之后可以達到0.94以上，且其周期、振幅及趨勢與ONI高度一致，表明由GNSS掩星廓線提取的ENSORS可以很好地描述ENSO現象。

(4) 利用組合方法分析了全球不同區域，TLS各高度層對ENSO的時空響應?？偨Y出響應特征的規律，提出最適宜提取ENSORS的高度及地理區域范圍，并重建了ENSO在TLS中的空間垂直結構。為了進一步驗證比濕提取的ENSORS結果，本文利用全球不同區域內TLS各高度層的COSMIC干溫廓線提取出ENSORS。結果表明：①ENSO在對流層中的響應普遍比ONI滯后0至6個月，在平流層則呈現出不統一的時間響應特征；②相較于干溫，比濕廓線在提取ENSORS時更穩定，但從干溫(0.96以上)提取的ENSORS與ONI的相關系數高于比濕(0.94以上)；③從比濕廓線提取的ENSORS信號在250～200 hpa高度區間和G25-G65的空間范圍內最顯著。從干溫廓線提取的ENSORS信號在350～380 hpa高度區間和G40-G70的空間范圍內最顯著。