COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

臧欣,官莉

(气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044)

臧欣,官莉.2015.COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较[J].大气科学学报,38(4):510-517.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121129021.

Zang Xin,Guan Li.2015.Comparison of COSMIC retrieved temperature and humidity profiles with model objective analysis fields[J].Trans Atmos Sci,38(4):510-517.(in Chinese).

COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

臧欣,官莉

(气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044)

摘要：利用2009年不同季节COSMIC湿反演的大气温度和相对湿度廓线数据,分别与时、空相匹配的ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,欧洲中尺度天气预报中心)、NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国环境预报中心)模式客观分析场和无线电探空观测数据,进行全球范围的比较分析。初步研究表明,无论夏季还是冬季,各种资料源之间相互比较的偏差和标准差分布相似,与季节无关。就温度而言,三种资料源的温度水平、垂直分布都很接近,ECMWF模式数据比NCEP不论是温度廓线还是湿度廓线都更接近COSMIC反演值。模式的水汽客观分析场在对流层基本上都比无线电探空观测值偏湿,对流层中高层在大部分海洋地区也比COSMIC反演场偏湿。COSMIC反演的相对湿度相对于无线电探空整层偏大,具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值(约30%)。

关键词：COSMIC;ECMWF;NCEP;无线电探空

0引言

1995年4月美国大学大气研究联合会(University Corporation for Atmospheric Research,UCAR)主持的GPS/MET项目成功发射了一颗携带全球定位系统GPS(Global Positioning System)接收机的MicroLab1低轨实验卫星,揭开了GPS无线电掩星技术探测地球大气试验计划的序幕。之后数年,国际上相继开展了多项GPS无线电掩星观测任务,丹麦、德国、阿根廷和美国先后发射了Ørsted、CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)和SAC-C (Satellite de Aplicaciones Cientificas-C)。这些单颗低轨卫星的主要任务是验证掩星技术探测大气要素廓线的可行性和改进探测技术。直至2006年4月15日,由中国台湾地区和美国联合实施的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate,COSMIC)计划,成功发射了由6颗低轨卫星组成的用于气象、电离层和气候探测的星座,才使空基GPS气象学进入了业务应用发展的新阶段(丁金才,2009;官莉等,2010;张泽娇等,2015)。

空基GPS提供了大量的三维观测资料,如何把这些资料同化应用到气象业务中是空基GPS气象学研究的重点之一,掩星数据进行同化之前或同化结果输出时,都需进行质量控制,分析其误差特性和分布(宋晓姜等,2013)。将掩星反演的大气温湿廓线与数值天气预报模式输出场以及无线电探空观测进行统计比较也是对掩星技术进行验证的一种有效方法。Kursinski et al.(1995)、Rocken et al.(1997)对MicroLab1数据进行了验证,得出掩星观测的温度与无线电探空以及大气模式相比的偏差在热带地区通常小于1 K,在高纬度地区通常小于0.5 K。对MicroLab1反演的水汽廓线分析中,证明在低纬度6～7 km范围内水汽的精度可达到10%～20%,边界层内约可达到5%,甚至更好。MicroLabl的观测数据与ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,欧洲中尺度天气预报中心)的分析结果和临近的探空气球站的观测资料相比,在5～30 km温度精度好于1.5 ℃(王洪等,2010)。Kuo et al.(2004)用2001年12月的CHAMP与SAC-C掩星数据和ECMWF全球分析数据进行了对比分析,发现在热带地区(30°S～30°N)折射率的负偏差出现在3 km以下,平均误差在地表最大达到4%;在中纬度地区,负偏差明显减小,平均误差减小到2%左右;到极地地区进一步减小到0.15%。这表明在赤道地区丰富的水汽和复杂的大气运动对低对流层掩星探测产生了影响(苟小平等,2009)。

COSMIC掩星数据没有仪器和轨道变化引入的误差,因此资料质量不受地理位置和天气条件改变的影响,长期稳定,可用于大气长期变化的监测。针对COSMIC掩星数据的质量、误差特点,与各种模式预报场及无线电探空观测场的对比验证这方面开展的研究还较少,并且NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国环境预报中心)和ECMWF模式的客观分析场数据较为准确,对分析大尺度环流背景和天气形势具有较好的指示意义,其他分析场往往以此作为参照依据。因此本研究对COSMIC反演的大气温湿廓线与模式客观分析场和无线电探空观测场进行了系统、全面地比较,用于对COSMIC资料的可靠性进行验证和评估。首先简单介绍了COSMIC系统构成、COSMIC反演大气参数的原理以及研究使用的各种资料,其次将2009年夏季7月10—16日和冬季12月22—28日COSMIC湿反演的温度和相对湿度廓线分别与ECMWF模式和NCEP模式客观分析场廓线进行比较分析,即统计计算掩星观测和模式数据在不同高度层、不同地理区域的偏差和标准差。最后使用无线电探空资料进一步检验两种数值预报模式客观分析场和COSMIC反演场的精度。

1COSMIC系统简介

在GPS/MET试验和CHAMP等掩星计划的成功经验及研究成果的基础上,气象、电离层及气候卫星观测系统COSMIC于2006年4月发射,该系统是全球第一个能够每天实时提供全球数千点大气资料的空基观测网,对于改进天气预报、气候监测和空间天气研究具有重要的意义(Rocken et al.,2000)。

COSMIC系统包括6颗重量约62 kg的微型卫星,每颗卫星携带三种科学试验有效载荷:GPS掩星接收机、小型电离层光度计和三频段信标发射机。通过观测穿越大气层的来自GPS无线电信号的弯曲程度(无线电掩星技术)得到地球大气层的水汽和其他物理现象的信息,围绕地球的圆形低轨道的高度大约为700～800 km(黄清勇和朱延祥,2005)。在系统正常工作后,每天可提供全球约2 500个掩星点的大气和电离层的观测资料和反演的要素廓线,资料的垂直分辨率在平流层为1.5 km,在低对流层平均为0.5 km。无线电探空仪是目前最精确的大气数据源之一,但受到低时间分辨率(每天两次观测)、低空间分辨率的限制。图1是2009年冬季12月22—28日内掩星事件、无线电探空观测的全球分布,可见,该时段内共有13 963次掩星事件(不同颜色分别代表其最大探测深度),其中热带海洋地区4 429次,中纬度地区6 600次,高纬度地区2 934次,而无线电探空一共只有4 598次观测。掩星事件量远大于探空次数,在探空资料较稀少的地区,如海洋、荒漠、南半球等,COSMIC资料都有分布且全球分布较均匀,可大大弥补常规探空资料的不足。

图1　2009年12月22—28日COSMIC 13 963个掩星点(a)和无线电探空观测(b)的全球分布Fig.1　Global distributions of (a)COSMIC 13 963 radio occultation points and (b)radiosonde observations during 22—28 December 2009

2COSMIC大气参数反演算法

大气GPS无线电掩星技术是指安装在近地轨道卫星LEO(Low Earth orbit)上的GPS接收机临边接收GPS卫星发射的电磁波信号。当信号传播路径经过地球大气层时,无线电信号因地球大气折射率梯度的存在发生弯曲,同时传播速度也会趋缓,用安装在LEO卫星上的GPS接收机接收这些延迟信号,就可以观测到掩星事件(赵莹,2011)。在进行掩星资料的处理时,由于GPS卫星的周期远大于LEO卫星,可以假设LEO卫星相对于一个“固定”的GPS卫星运行。一次掩星观测过程的持续时间大概为80 s,若通过整个电离层,该时间会较长。

图2简单示意了GPS和LEO卫星构成掩星观测的几何关系,装载在LEO卫星上的GPS接收机记录精确的双频GPS信号相位延迟量和信噪比。常用已知卫星轨道信息,从观测到的相位延迟率(或大气多普勒漂移)序列计算GPS信号的弯曲角剖面,假设地球大气介质局部球对称,用Abel积分逆变换把弯曲角序列反演得到大气折射指数剖面,在中性层,大气折射率与大气压强、温度和湿度之间近似满足Smith-Weintraub方程,忽略水汽的影响,并将大气看成理想气体,在流体静力平衡方程的假设下,有:

(1)

其中:p0为35 km的大气压强;g(h)是重力加速度;p是大气总压(hPa)。

(2)

式中:k1=77.6 K/hPa;N为大气折射率。

图2　LEO-GPS掩星观测示意图Fig.2　Schematic diagram of LEO-GPS occultation observations

若在已知大气温度廓线T(h)的条件下(如利用全球大气模式),利用公式进行迭代,还可得到大气的水汽廓线(曹玉静,2012)。

以上这种GPS掩星的几何光学标准算法并没有合理考虑由折射率剖面同时反演温度和水汽剖面的模糊度困难,因此该反演算法不太适合中、低纬度带。COSMIC后处理业务大气产品则以欧洲中尺度天气预报分析ECMWF或NCEP提供的全球和局地的较精确的大气参数分布作为背景场,合理考虑这些大气背景场和观测量的误差特性,以掩星观测得到的折射率廓线作为观测值,采用大气折射率一维变分同化方法同时反演得到大气层的压强、温度以及水汽垂直廓线(官莉等,2008)。

因为卫星的无线电信号能够穿过浓云和降水区,所以与其他遥感观测平台不同,COSMIC观测将几乎不会受到天气情况的影响。具有的高垂直分辨率、受云和降水影响较小以及长期稳定、费用低等特征使其能有效地补充其他观测系统,进行大量气象过程的研究,检验数值预报模式客观分析场及预报场的质量,将COSMIC反演出的数据作为伴随模式同化于气象数值模型可以修正资料的误差,反演出更精确的模式初始场,改善模式预报(Leroy and North,2000)。

3COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

3.1　资料的预处理

使用2009年冬季12月22—28日COSMIC Lever2的湿反演大气廓线产品wetPrf,一共有13 963条廓线。图1a给出了这些掩星事件的分布位置。WetPrf资料探测高度范围为0～40 km,垂直分辨率为100 m,反演时考虑大气中水汽存在的实际情况,数据内容包括各海拔位势高度的温度、气压、水汽压和折射率等廓线。无线电探空资料匹配原则为观测时间差异在2 h以内,距离该掩星点在300 km以内,满足匹配条件的无线电探空廓线共有4 598条,探空观测位置在图1b中给出。对资料进行了如下预处理:

第一步,COSMIC资料应用范围检验。众所周知,中性大气的折射率是正值,因此要求检验折射指数为非负数。如果折射指数垂直廓线中任一数据点未能符合这一标准(折射指数小于0),去除整条廓线(Zou et al.,2004)。

第二步,COSMIC大气廓线产品中给出的是水汽压,将水汽压转化为相对湿度。

第三步,垂直高度层上的插值。COSMIC大气廓线产品垂直分层分400高度层,NCEP模式为28层,ECMWF模式为25层,探空资料则分层不确定。为便于相互比较,将COSMIC掩星数据反演得到的大气温度、相对湿度廓线和ECMWF的预报模式数据,无线电探空数据均统一到NCEP模式的垂直高度层上,即28个高度层,该气压分层大致范围在2～1 000 hPa,低层间隔30～60 hPa,高层间隔在10 hPa左右,每个时次均不同。

3.2　COSMIC掩星数据与数值预报模式数据的比较

分别计算COSMIC反演的大气温度、相对湿度廓线与ECMWF、NCEP数值预报模式客观分析场在不同高度层上的偏差和标准差,计算标准差采用贝塞尔公式:

(3)

选取350 hPa高度层上的温度分布进行分析,图3分别显示350 hPa上COSMIC反演温度、湿度与ECMWF、NCEP模式数据差值,不同颜色代表差值的大小,可以看出,COSMIC掩星反演的大气温度在该高度层与ECMWF模式和NCEP客观分析场均很接近,即差值不大,温度差值在±2 K以内,只是NCEP客观分析场在南半球高纬度负偏差较大。就相对湿度而言,ECMWF客观分析场与COSMIC反演场更接近,两种模式客观分析场均在中低纬度海洋上出现了明显负偏差,NCEP模式更为突出,即模式客观分析场的相对湿度偏大,尤其是NCEP模式负偏差会大于-20%。该结论与官莉等进行FY-3A微波湿度计资料同化的研究结果一致,350 hPa是FY-3A微波湿度计通道3权重函数极值所在高度,该通道观测增量即O-B存在负偏差,尤其是中低纬度大部分海洋区域,初步的误差来源分析认为是模式客观分析场在该高度上湿度偏大(Guan et al.,2011)。NCEP模式在南、北半球高纬度地区(纬度大于±60°N)存在较大的相对湿度正偏差。

图3　350 hPa上COSMIC反演的大气温度(a,b)和相对湿度(c,d)与ECMWF(a,c)、NCEP(b,d)模式数据的差值Fig.3　(a,b)Temperature and (c,d)relative humidity differences between data retrieved from COSMIC and those from (a,c)ECMWF and (b,d)NCEP models at 350 hPa

以上给出了COSMIC与模式偏差在350 hPa高度层上的水平分布,为了解偏差的垂直特性,将上述1万多条廓线进行平均,平均的偏差和标准差廓线见图4。由图4可看出不论温度还是相对湿度ECMWF数据相对于NCEP总体上与COSMIC资料更接近,即偏差和标准差在各高度层上均较小,温度偏差在±0.5 K以内,两种模式在低对流层受地表影响偏差明显增大。NCEP模式在整层大气中温度主要为负偏差,说明NCEP模式计算得出的温度比COSMIC反演得到的温度偏高。除边界层外COSMIC与ECMWF的相对湿度偏差几乎接近于0,相对而言NCEP在大多数高度层上(450～900 hPa除外)偏差和标准差均较大,且存在正偏差,在100 hPa处达到最大20%,即COSMIC反演的相对湿度较NCEP预报模式分析场偏湿。

图4　COSMIC-ECMWF(a,c,e,g)和COSMIC-NCEP(b,d,f,h)的13 963条廓线平均的偏差(a,b,e,f)和标准差(c,d,g,h)廓线　　a,b,c,d.温度;e.f,g,h.相对湿度Fig.4　Average (a,b,e,f)deviation and (c,d,g,h)standard deviation profiles of 13 963 profiles from (a,c,e,g)COSMIC-ECMWF and (b,d,f,h)COSMIC-NCEP　　a,b,c,d.temperature;e.f,g,h.relative humidity

3.3　无线电探空数据与COSMIC数据的比较

常规无线电探空是目前世界统一的探测高空大气要素的规范方式,有稳定的数据源,分布也较广,一般气温观测精度为±0.5 K,气压为±1 hPa,相对湿度为±5%。探空仪的上升高度一般可达30 km以上,但在对流层顶和平流层,气压和温度精度降低,一般来说,温度误差可从250 hPa的1 K增加到10 hPa的4 K(杜明斌等,2009),因此可以用于对COSMIC大气参数反演结果和数值预报模式预报场的检验。

在该研究时段内共有4 598条匹配的无线电探空廓线,使用COSMIC掩星数据减去插值后的对应大气层的无线电探空数据,平均后得到如图5所示的温度和相对湿度偏差和标准差的垂直廓线分布。由图5可以看出COSMIC掩星数据在平流层与无线电探空数据的温度几乎一致,偏差接近0,反演的温度在对流层大多都大于无线电探空探测值,即COSMIC反演的大气温度比无线电探空观测值偏暖。COSMIC反演的相对湿度也整层偏大,相对于无线电探空具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值约30%,整个对流层两者相比湿度标准差可达20%～30%。

图5　2009年12月22—28日COSMIC与无线电探空温度(a,b)和相对湿度(c,d)的偏差(a,c)和标准差(b,d)廓线Fig.5　(a,c)Deviation and (b,d)standard deviation profiles of (a,b)temperature and (c,d)relative humidity from COSMIC and radiosonde during 22—28 December 2009

3.4　无线电探空数据与模式数据的比较

由图6可见,无线电探空数据与两种模式数据从100 hPa到近地层的温度偏差和标准差廓线分布极为相似,偏差都较小,随高度分布特征也相似,只是在高于100 hPa的高层上ECMWF模式的温度低于NCEP模式的温度值。无线电探空探测的相对湿度在所有高度层上都小于ECMWF模式计算出的相对湿度,即相对湿度存在负偏差,同样NCEP模式从200 hPa到地面的高度上存在负偏差,但相对NCEP模式ECMWF相对湿度预报场的标准差较小些。总体上,在对流层两种模式的分析场湿度均偏湿,在对流层中高层偏湿较低层更明显(300～400 hPa达极大值)。ECMWF模式反演出的相对湿度要略大于NCEP模式反演出的相对湿度。

本文同时对2009年夏季COSMIC一个星期的观测资料(2009年7月10—16日)进行了上述研究,该夏季时段共有15 764个掩星数据点,匹配上的无线电探空点有4 679个,将COSMIC 反演的大气温度、相对湿度廓线与无线电探空观测和ECMWF和NCEP模式的客观分析场相互之间进行了比对,所得结果与冬季类似,在此略去,不再累述,初步说明各种资料源相互之间比较的偏差和标准差分布与季节无关。

图6　2009年12月22—28日无线电探空与模式温度(a,b,c,d)和相对湿度(e,f,g,h)的偏差(a,b,e,f)和标准差(c,d,g,h)廓线　　a,c,e,g.Radiosonde-ECMWF;b,d,f,h.Radiosonde-NCEPFig.6　(a,b,e,f)Deviation and (c,d,g,h)standard deviation profiles of (a,b,c,d)temperature and (e,f,g,h)relative humidity from radiosonde and models during 22—28 December 2009　　a,c,e,g.Radiosonde-ECMWF;b,d,f,h.Radiosonde-NCEP

4结论

本文利用2009年夏季和冬季各一周时间内COSMIC湿反演的大气温度和相对湿度廓线,将其与时间、空间匹配的ECMWF、NCEP预报模式客观分析场数据和无线电探空观测进行了全球范围的系统比较分析,初步研究表明无论夏季还是冬季各种资料源之间相互比较的偏差和标准差分布相似,与季节无关。

ECMWF模式数据较NCEP数据不论是温度廓线还是湿度廓线更接近COSMIC反演值,这可能是因为CDAAC在对掩星数据进行一维变分分析时参考ECMWF的低分辨率资料反演后得出wetPrf数据,使得两种数据结果较为接近。就温度而言,三种资料源的温度水平、垂直分布都很接近。模式的水汽预报场在对流层基本上都比无线电探空观测值偏湿,对流层中高层在大部分海洋地区也比COSMIC反演场偏湿。这是由于模式反演出的背景场和真实大气相比,会加大这一时段内湿度变化过程的影响。COSMIC反演的相对湿度相对于无线电探空整层偏大,具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值约30%。

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(责任编辑：张福颖)

Comparison of COSMIC retrieved temperature and

humidity profiles with model objective analysis fields

ZANG Xin,GUAN Li

(Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China)

Abstract:The COSMIC retrieved temperature and relative humidity profiles are compared with the collocated spatially and temporally ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) and NCEP(National Centers for Environmental Prediction) model objective analysis fields as well as radiosonde observations on global scale in different seasons in 2009.The primary research results show that the distributions of the deviations and the standard deviations from these data sources are similar in summer and winter,independent of seasons.The vertical and horizontal temperature distributions of these data sources are very close.Either temperature or relative humidity profiles from ECMWF are more close to COSMIC retrievals than NCEP fields.The humidity profiles of model objective analysis are all higher than radiosonde observations in nearly whole troposphere and wetter than COSMIC retrievals in middle-upper troposphere over most ocean area.The COSMIC retrieved relative humidity profiles are higher than the radisonde measurements,having obvious positive deviations with maximum(about 30%) at 300 hPa.

Key words:COSMIC;ECMWF;NCEP;radiosonde

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121129021

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)04-0510-08P412.27

文献标志码：A

通信作者：臧欣,硕士,研究方向为卫星遥感资料的处理和应用,Lauretta06xin@163.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41175034)

收稿日期：2012-11-29；改回日期：2013-01-31