基于COSMIC掩星数据对全球温度变化趋势的分析

李红玲,樊 玲

(1.乐山师范学院 电子与材料工程学院，四川 乐山 614000；2.成都师范学院 计算机科学学院，四川 成都 610000)

0 引言

COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星数据具有全球覆盖、高数据精度、高垂直分辨率、全天候、自校准的特点[1-4]，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[5]，为分析空间大气提供了详细而稳定的信息支持。近二十年来，随着卫星气象学的迅速发展，国内外学者开始广泛使用能够覆盖全球观测的卫星资料来研究气候变化[6]。王伯睿[7]等对COSMIC掩星反演数据质量进行分析显示wetPrf的温度数据与探空资料符合较好。肖卫华[8]等利用COSMIC数据对平流层的温度变化进行验证，梁晨等[9-10]对平流层重力波进行分析均取得了很好的结果。刘久伟[11-14]等根据反演数据对对流层顶的获取，变化进行分析均获得了好的结果。以上是对对流层顶及以上区域的验证与分析，本文则在0～25 km内对全球温度进行分析，数据采用的是COSMIC掩星的二级反演产品(wetPrf)，其中包含大气压、大气温度、水汽压和折射指数等大气参数廓线，垂直方向0～40 km，分辨率为100 m[1]，该数据是分析全球温度变化的有效数据。

为了分析2014年和2015年温度的变化特征，选取了夏季6—8月与冬季12月正午12时的温湿度数据进行分析。经纬度上，北半球选取了纬度33～35°、38～40°(青藏高原处于25～40°纬度下，青藏高原气候的分析对我国西北地区干旱化、灾害性天气的发生及气候演变有着重要的影响，在全球大气循环过程中扮演着重要的角色[16-17])和46～48°(该纬度下跨过了中国的首都以及美国的首都，同时跨越的陆地面积较广具有大量的COSMIC掩星数据)；南半球选择纬度23～25°(南回归线附近，跨过非洲，大洋洲以及南美洲，相较于南半球其他纬度具有更丰富的COSMIC掩星数据)。图1为所选区域内一天内发生掩星事件的分布图，在本文中180°经度表示0度本初子午线。

本文将在上述范围内对COSMIC数据进行筛选和处理，分析2014年、2015年夏季与冬季温度的变化以及计算对流层顶的位置。

图1 所选区域一天的掩星事件(红点)分布

1 数据选取

尽管掩星资料具有高精度、无偏、稳定的优点，但由于探测过程中存在随机误差、探测误差、反演误差[1]等，本文分析时将统计样本中具有明显粗差的异样数据剔除。具体步骤如下：

步骤一：剔除wetPrf(wetPrf廓线利用ECMWF再分析资料作为背景场, 通过一维变分同化反演得到[3])数据中的无效数据和错误数据(COSMIC数据中凡是-999均表示该数据为异常数据，将该数据剔除)。

步骤二：在同一经度同一高度下将多个温度数据求平均，以平均值代表该高度处的温度。

步骤三：根据温度的连续性，将在整个高度上温度变化梯度大于2倍梯度的数据剔除。

采用上述方法获得有效数据后，下面我们将对不同经纬度上的数据进行温度分析，以获取文章所选四个纬度下的温度变化特征。

2 温度数据分析

2.1 0～40 km的温度数据

图2到图5分别给出了北纬32～34°、北纬38～40°、北纬46～48°和南纬23～25°下2014年和2015年的温度沿高度的分布图，其中高度范围为0～40 km。

(a) 2014年北纬32～34°

(a) 2014年北纬38～40°

(a) 2014年北纬46～48°

(a) 2014年南纬23～25°

从图2到图5可以看出，高度在10～30 km范围内大气温度最低，大气温度在高度方向上有一个明显的先减后升的过程。为了更好地分析图一数据，我们提取出0～3 km和10～25 km处的温度数据做进一步分析。

2.2 0～3 km温度数据分析

0～3 km近地面数据的温度对环境有较大影响，可以直观地反应人类生存环境温度的变化，该温度的变化可以反应全球温度变化趋势。

将北半球在经度方向上按陆地和海洋划分成太平洋、北美洲、大西洋和亚洲4个区域，对这4个区域在1 km、2 km和850 hpa处的冬季和夏季温度数据分别取平均，获得2014年和2015年冬夏两季温度的平均值，再以2014年平均值为基准，计算两者的差值，结果如图6所示。

(a)北半球夏季温差

(a)南半球夏季温差

将南半球在经度方向上按陆地和海洋划分成太平洋、南美洲、大西洋、非洲、印度洋和大洋洲6个区域，对这6个区域在1 km、2 km和850 hpa处的冬季和夏季温度数据分别取平均，获得2015年与2014年各区域平均温度差值图，如图7所示。

从图6和图7数据可以看出海洋上空温度的变化小于陆地的变化。从图6(a)北半球夏季温度差值图可以看出，除了太平洋上2015年平均温度略低于2014年以外，其余各区域2015年温度均高于2014年的，因此可以得出北半球2015年的夏季平均温度相较于2014年有上升的趋势。从图6(b)可以看出，2015年各区域冬季平均温度均低于2014年，可以得出北半球冬季温度有下降趋势。比较北半球冬季和夏季两个季节2015和2014年平均温度变化趋势，我们可以看出冬季有下降趋势，夏季有上升趋势，这与全球温度变暖的趋势一致。

由于南半球COSMIC掩星数据过少，本文无法对其温度的变化趋势进行统计分析。

2.3 10～25 km温度数据分析

对流层顶是介于对流层与平流层之间的过渡层[17-18]，它的高度因纬度而不同，在低纬度地区平均高度为17～18 km，在中纬度地区平均为10～12 km，极地平均为8～9 km[19-20]，厚度从数百米到1～2 km，在个别情况下为4～5 km。它是以温度直减率的突变和湿度骤减，阻碍大气外逸，对流层顶以下聚集了99%以上的大气成分[21]，是人类赖以生存的空间。将图1高度10～25 km区域放大，可以看到温度随高度先剧减后回升，对流层顶位于该区域内，对该区域温度数据求极致，如图8绿点，为对流层顶的位置。

(a)2014年

通过COSMIC数据分析和处理，能获得对流层顶的位置，为对流层顶的分析提供数据支持。

3 结 论

本文利用2014—2015年COSMIC掩星数据资料，分析了夏季6～8月和冬季12月北纬32～34°、38～40°、46～48°以及南纬23～25°处经度0-360°的温度，得到了如下结论：(a)北半球有较丰富的掩星数据，能看出2015年比2014年夏季温度有上升趋势，冬季温度有下降趋势；(b)采用COSMIC数据能获得对流层顶位置，为对流层顶的分析提供支持。