利用GNSS掩星数据分析ENSO期间大气压强的变化

高坤,李英冰,2, 刘海珠

(1. 武汉大学 测绘学院,湖北 武汉 430079;2. 武汉大学 测绘学院时空大数据研究中心,湖北 武汉 430079)

0 引 言

厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)是对全球气候具有重要影响的海气耦合现象,尽管ENSO发生于热带太平洋地区,但其通过影响大气环流,从而对全球气候变化产生重要影响,例如导致破坏性干旱、洪水及暴风雨等[1].

ENSO影响范围广[2],由于发生在易到达的热带太平洋地区,因而利用传统的大气探测存在观测成本高、数据难以获取、海洋地区的数据缺乏且分布不均匀等问题,极大地限制了对ENSO的研究分析. 针对以上问题,本文利用GNSS掩星探测技术获取与ENSO相关的研究数据. 通过对GNSS掩星数据进行反演可以获得全球范围内的高垂直分辨率的大气温度、大气压强、大气湿度、电离层电子密度等参数廓线[3]. 季宇虹等[4]指出GNSS掩星数据将有利于增强研究全球气候变化的能力. 蒋虎[5]认为GNSS掩星技术可为研究ENSO提供辅助数据. 宫晓艳[6]提出掩星观测为远海、深海地区的与厄尔尼诺事件相关的气候变化研究提供了便利条件. 李鹏[7]提出利用由GNSS掩星数据反演的大气参数制成的赤道太平洋地区大气剖面,可以增强与ENSO相关的气候变化研究. 南华、朱文耀[8]认为研究诸如厄尔尼诺和南方涛动这些气候事件的特征时,对大气压强的研究至关重要.

本文采用几何光学反演法由GNSS掩星数据反演出厄尔尼诺和拉尼娜期间全球的大气压强,并与正常年份的大气压强进行比较,绘制出全球范围内的大气压强变化图,直观地展现出ENSO对全球大气压强变化的影响. GNSS掩星探测的长期稳定性、探测数据的精度高、可以全天候观测、探测范围广且均匀分布以及数据垂直分辨率高等优点[4],决定了在ENSO的研究分析中将发挥着越来越重要的作用. 此外,美国、俄罗斯、欧盟以及中国等正在致力于自己的全球卫星导航系统的建设和完善,同时许多国家也在实施掩星观测卫星计划,加上已经实施的掩星计划,其规模已经相当可观,已经积累了大量的掩星观测数据,而且未来还将会有海量的数据. 目前有很多研究正在致力于GNSS卫星信号跟踪技术、接收机天线技术、GNSS掩星资料的反演技术等的发展改进, 这为利用GNSS掩星数据分析ENSO打下了坚实的基础.

1 利用GNSS掩星数据反演大气压强的基本原理

GNSS掩星数据反演大气的原理是指利用近地低轨LEO卫星上的GNSS接收机记录来自于被中性大气层遮掩的高轨道GNSS卫星所发出的信号,从信号中提取附加延迟量,再通过一套反演方法处理得到大气压强、大气温度、大气湿度等大气参数的过程[9].

目前应用较多的掩星数据反演方法是几何光学反演法. 该反演方法的基本过程是对GNSS信号的相位观测值进行处理得到时延率,利用LEO卫星和GNSS卫星的精密轨道数据,再经过多普勒(Doppler)观测方程得到GNSS信号的折射角序列,利用折射角通过Abel变换求得折射率垂直廓线,由折射率就可以得到相应的大气密度分布,经过相关的积分就可以得到大气压强的分布情况[3].

对于局部球对称的中性大气,利用Abel积分变化法[10]可以求得自变量为每条信号路径的影响参数a的大气折射率μ(a):

(1)

式中，α(ξ)是影响参数为ξ时的折射角.求得大气折射率以后,在理想气体法则下并忽略水汽含量影响,利用大气状态方程可以解算出大气密度ρ(h)和大气压强P(h)等大气参数:

ρ(h)=C1N(h)，

(2)

高度为h处的大气压强为P(h):

(3)

式中：g(h1)为高度为h1的局部重力加速度；ρ(h1)由式(2)得到,为h1高度处的大气密度.

2 厄尔尼诺期间的大气压强变化

2.1 数据介绍

为了研究厄尔尼诺期间的大气压强变化,选取厄尔尼诺期间和正常时期的相同月份数据进行对比研究,月份分别是2006年12月和2008年12月.本文采用的数据是由COSMIC项目提供的从2006年5月到2009年12月所有的Level3数据. COSMIC项目是由美国和中国台湾联合实施的卫星星座计划,由6颗微小卫星组成. 由COSMIC掩星资料反演的大气温度、大气压强、大气湿度剖面数据被广泛地应用于大气和气候的研究,表现出巨大的潜力. 利用该数据可以获得某一特定的经纬度下0～40 km离地高度内每隔0.1 km相应高度上的大气温度、大气压强、水汽压、折射角等. 由于大气多路径效应和超折射的影响[7],高度较低的掩星数据反演精度低,高度过高则大气压强的变化不明显,因此选取离地高度2 km处作为研究对象.

2.2 计算结果与分析

图1是由2006年12月(厄尔尼诺期间)与2008年12月(正常时期)于离地2 km处同一经纬度地区的大气压求差得到的数据绘制而成的差等值图,可以直观地呈现出厄尔尼诺对大气压的影响.其中气压的单位为百帕(hpa).

从图1可以看出,在低纬度地区即30°N-30°S间,东半球的大气压强差值多数分布在0～3 hpa而西半球的大气压强差值多数分布在-3～0 hpa之间. 太平洋的经度范围大致为105°E-180°E-75°W,纬度范围大致为66.5°S-66.5°N. 因此更准确地说,图1示出厄尔尼诺会使太平洋西侧地区(经度范围)的大气压明显升高,太平洋东侧地区(经度范围为105°E-145°E)的大气压明显降低. 范围在30°N-80°N,80°W-150°W地区的大气压强明显升高;范围在40°N-70°N, 50°W-80°E地区的大气压则明显下降,在其东北方向地区的大气压则又会明显升高,紧接着大气压则开始下降. 然而与其对应的南半球区域则有着大致相反的变化. 因此厄尔尼诺使得中高纬度地区的大气压强出现交叉升高和下降的情况,而且南北半球同纬度地区的气压变化呈现相反的情况,即一方气压升高,另一方气压降低.

3 拉尼娜期间的大气压强变化

本文选取拉尼娜期间的2007年12月与2008年12月的全球大气压强进行对比,来研究拉尼娜期间的大气压强变化. 图2是由2007年12月(拉尼娜期间)与2008年12月(正常时期)于离地高度2 km处同一经纬度地区的大气压强求差得到的数据绘制而成的差等值图,可以直观地呈现出拉尼娜对全球大气压强的影响. 其中气压的单位为百帕(hPa).

从图2可以看出,与厄尔尼诺相反,拉尼娜会使得太平洋西侧地区的大气压明显降低,而太平洋东侧地区的大气压则明显上升.将图1和图2进行对比分析可知,拉尼娜现象会降低厄尔尼诺现象的影响.具体来讲就是先出现的厄尔尼诺现象使得某些地区的大气压上升,那么紧接着出现的拉尼娜现象则会使已经上升的大气压下降,因此就会使得图1和图2中这些地区的大气压上升的差值减小,甚至可能使得该地区的大气压低于正常年份的情况,反之亦然.因此,图1和图2的对比从侧面揭示了拉尼娜现象为何被称之为“反厄尔尼诺现象”.

4 结束语

本文介绍了利用GNSS掩星数据反演大气压强的原理及过程,反演出厄尔尼诺和拉尼娜期间全球范围的大气压,并绘制出ENSO期间全球范围的大气压强变化图,分析了厄尔尼诺和拉尼娜对全球范围的大气压强影响. 研究表明,利用GNSS掩星数据可以获得与ENSO相关的大气压强数据,便于对ENSO进行研究分析,同时通过绘制全球范围某一高度的大气压强变化剖面图,可以直观地展现出ENSO期间的大气压强变化,为相关的气候变化研究提供便利条件.

在本文的基础上,可以进一步利用掩星数据反演出大气温度、水汽压等来研究ENSO,此外还可以研究ENSO期间不同高度处的大气压强变化,对大气环流进行深入的分析.

致谢:对COSMIC项目提供的数据表示感谢.