利用计算机软件管理与情报中心的掩星数据估测边界层高度外文翻译资料

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利用计算机软件管理与情报中心的掩星数据估测边界层高度

P. Guo

高校合作大气研究，博尔德，科罗拉多州；上海天文台，中国上海

Y.H. Kuo

高校合作大气研究，大气研究国家中心，科罗拉多州博尔德市

S.V. Sokolovskiy

高校合作大气研究，科罗拉多州博尔德

D.H. Lenschow

美国国家大气研究中心，科罗拉多州博尔德

摘要

这项研究为利用GPS掩星数据估测边界层高度提供了运算法则。此项运算法则应用于气象观测系统来进行电离层以及气候掩星数据分析，并证实了利用来自圣赫勒拿岛（北纬16.0度，西经5.7度）的高分辨率探空仪，热带（南纬30度-北纬30度）无线电探空仪，进行欧洲中期天气预报中心高分辨率全球分析。大气边界层高度的时空变化从热带、亚热带海洋的计算机软件管理与情报中心一年期掩星数据中分析得出。这个结果证明了掩星数据解决边界层高度的地域性和季节性变化的能力。变化的空间格局与欧洲中期天气预报中心全球分析推导出的是一致的。然而，根据欧洲中期天气预报中心全球推导出的边界层高度，一般来说，与计算机软件管理与情报中心GPS掩星数据估测出的呈负偏置。这些结论表明GPS掩星数据可以为边界层高度提供有效的信息，这对于天气和气候研究来说是非常重要的因素。

1. 介绍

大气边界层是从地表发出或被地表吸收的水汽或其它标量与自由对流层交换的渠道，因此直接影响天气和气候（Garratt 1994）。边界层的一个区别特征就是扰动混合，它把守恒标量混合比的垂直梯度减至最低，这与片状和间歇性的动荡，并且可以支持大量标量梯度的叠加稳定分层对流层形成对比。边界层顶的特征之一是跨越层顶的绝对、相对湿度的大幅降低。边界层深度h由产生湍流垂直风切变的过程，表面浮力通量，云顶辐射冷却以及与天气系统和大规模环流有关的平均垂直运动之间的平衡决定（Medeiros 2005）。设低层云的类型和程度、以及时空演化为h；然而，很少有h的常规观测，这主要是因为很难系统测量，尤其是在海上。

全球GPS掩星技术通过大气测量无线电信号传播的参数（Rocken 1977;Kursinski 1997; Steiner 1999;Kuo 2004）。随着GPS和LEO间射线通过大气上升或下降来测量相位和振幅，首先被转换为光线弯曲角度，随后进入垂直折射率剖面。此处所检索的折射率是压力，温度和湿度的函数。GPS的反渗透探空技术已被证明具有足够的精确度，垂直分辨率以及全球覆盖性，这对有天气预报模式和气候研究有巨大影响（Healy 2005;Poli 2008; Ringer 2008;Cucurull 2008; von Engeln 2009;Kuo 2009;Ho 2009）。

由于肢体视觉几何，GPS掩星对折射率的垂直梯度非常敏感。第一种根据掩星确定边界层高度的方法是基于检索到的配置文件截断（von Engeln 2005），它基本上取决于由于边界层顶的强散焦，通用GPS接收器所造成的信号损失。因为典型湿润对流层的折射主要取决于湿度，跨越边界层顶的湿度变化通常在GPS反渗透信号和检索配置文件中得到检测。Ao（2008）利用掩星检索折射率和NCEP温度的特定湿度推导出边界层高度。由于湿度是推导出的变量，其检索需要使用辅助信息（例如，温度）。这就引入了不确定性。另一方面，湿度递减导致弯曲角度和破发点中的折射率分布的显著递减，这可被用于没有明确湿度检索的边界层高度估测（Sokolovskiy 2006,2007）。Basha和Ratnam(2009)发现折射率梯度估测的边界层高度以及由探空数据测得的折射率，潜在的温度，虚拟潜在温度和相对湿度之间有很大的共同点。他们得出结论，用折射率估测边界层顶优于传统的无线电探空仪的方法。Ratnam和Basha(2010)用掩星弯曲角度和折射率估测的边界层高度的全球分布并与探空仪估测出的相比较。这种基于短波变换的方法，相当于与固定长度的滑动窗口平均该轮廓，计算窗口内的递减率，并找到最大递减率的高度。这与Sokolovskiy等人（2007）年提出的方法相似，窗长是不确定的，但优化了每个掩星的确定。

于2006年4月15日发射的Formosa卫星3号, 每天提供1500-2000 GPS掩星探测（Schreiner 2007）。计算机软件管理与情报中心的一个显著特点是对流层GPS信号L1的开环跟踪（1.575 42 GHz）（Sokolovskiy 2001;Ao 2009）。这允许检索轮廓测量大致靠近地表，并为边界层高度的深入研究提供了机会。

在这项研究中，我们开发了一种可以检测具有来自GPS掩星折射率曲线深度的横跨顶部的急剧转变的边界层高度的算法、并用来自圣赫勒拿岛（北纬16.0度，西经5.7度）的探空资料来验证。基于超过1年的计算机软件管理与情报中心掩星数据，我们研究h在某些方面的空间和时间变化，并将结果与欧洲中期天气预报中心高分辨率全球分析相比较。所有计算机软件管理与情报中心掩星折射率曲线都是从UCAR数据分析和存档中心获得。

此文结构如下：第二部分展示了检测h的算法。第三部分将h与计算机软件管理与情报中心和探空资料估测的h相比较。第四部分展示了h 的一年性气候。在第五节中，我们将h与来自计算机软件管理与情报中心和欧洲中期天气预报中心全球分析相比较。第六节重点是h在副热带太平洋的变化。最后，第七节中将提出未来的计划并简要地总结讨论。

1. 大气边界层高度的自动检测算法

GPS反渗透信号检索到的不使用辅助数据的最高级别的产品是垂直折射率曲线（Kursinski 1997）。折射率与压力，温度以及水蒸气的分压有关（Bean和Dutton 1968）

= , (1)

其中和的单位是百帕，的单位是开尔文。伴随着对流层中集中的水蒸气，对的垂直梯度的敏感度比对和的垂直梯度的敏感度强得多。对水蒸气存在条件下折射率气象参数的进一步检索是一个还没有最终结论的问题，需要更多的辅助数据（通常情况下，应用大气模型变分同化）。本研究的目的是证明无需辅助数据，直接用检测大气边界层顶。

图1：尖锐边界层顶情况下的垂直曲线。ECMWF(a)T, (b), and (c)N曲线插值到计算机软件管理与情报中心掩星探测的时间及分布中，2247UTC 7 Oct 2007 at 34.2°S, 6.1°E。(c)中的粗线和细线展示了原始和Abel-检索N曲线。(d)从计算机软件管理与情报中心掩星探测系统检索到的N曲线；斜细线展示了300-m窗口的线性回归，回归由水平细线表示。

图一展示了在约1.4千米高的大气边界层顶，（图1a），（图1b），以及（图1c）的垂直曲线（此曲线基于欧洲中期天气预报分析推导到时空分布至计算机软件管理与情报中心掩星）。大气边界层顶的特征在于逆温层和水汽的显著下降。

如图1所示，穿越大气边界层顶的显著湿度变化导致了的断点，这可用于边界层顶的检测（Sokolovskiy 2006）。图1c显示了两条曲线：真实的一条（粗线）和将用GPS掩星系统进行检索的曲线（细线）。检索的曲线由真实弯曲角度的正演模拟计算，而后将其插入回折射率（Abel反转）。真正的与检索的曲线间的差异与这个例子中边界层顶的的梯度超过了临界值-（超折射）有关。当这发生时，检索的曲线在低于临界梯度的顶部点为负偏压。（Sokolovskiy 2003;Xie 2006;Ao 2007;Xie 2010）。然而，突破点在真实和检索曲线中都有存在，所以在超折射情况下的负偏压不会妨碍大气边界层顶的检测。

我们开发了下列的算法来确定大气边界层顶高度。首先，我们重新对恒定步长（此研究中为5米）的掩星检索垂直折射剖面曲线进行取样。接下来我们在固定宽度的滑动窗口应用线性回归 到。我们选择300米作为窗口宽度;我们也尝试了500m，但是在结果中没有体现出显著差异。然而，由于掩星检索曲线不穿透到表面，一个更大的窗通过RO确定最小大气边界层高度。一个小一些的窗口由于小规模的非正常折射率增加了对流层低层的噪音（Gorbunov 2002;Jensen 2003）。最终，如图1d所示，我们将高度定义为，得到从窗口计算的A的最大误差在左右波动。在实际应用中我们只考虑反渗透探测向下渗透到至少在平均海平面以上0.5千米、并满足下列条件：在窗口底层以及。如果没有找到低于3.5千米的边界层顶，研究则停止。我们注意到，标准的确定是必要的，即使用于确定大气边界层高度的掩星数量有限制。没有清晰度的限制，所检测的大气边界层顶也许不会总是对应于实际反转封盖的大气边界层顶，并且没有渗透限制、浅层边界层高度可能丢失，因此统计估计可能被偏置（Ao 2008;Basha和Ratnam 2009）.

1. 大气边界层深度检测算法的验证

边界层顶在通常情况下是用虚拟位温跳跃的气象曲线估测得出。在潮湿的对流层中，主要是湿度的跳跃在影响掩星信号。在这里，我们将与最大误差的平均高度在一个300米的滑动窗口进行比较，两者都是从圣赫勒拿岛（南纬16.0度，西经5.7度，2007年五月至六月）高空分辨率探空资料计算得出，那里一个已定义的大气边界层顶的发生频率是很高的（与虚拟潜在温度的最大误差比较取得了相似的结果）。对于定义的一致性，我们重新用5米的垂直步长对探空资料进行取样，并且将滑动平均应用于，窗口设定为恒定高度300米。图2a中的结果显示出通过N断点的边界层顶与最大递减量具有很高的一致性。根据定义，平均差主要是由于以最大递减率跟随界面层顶部。

接下来我们将计算机软件管理与情报中心掩星的与和南北纬30度之间、07年5至6月的探空仪有相同估测方法的 比较。计算机软件管理与情报中心掩星数据和探空资料之间的时间空间差异分别小于3小时、200千米。结果在图2b中展示出来。计算机软件管理与情报中心和探空间标准偏差的差值大约是0.35千米，平均差约0.04千米，其中相关系数为0.82。虽然平均差非常小，相当大的标准偏差与大多数无线电探空仪探测的是标准的（不高）分辨率，且无线电探空仪是点测量而RO探测代表平均水平。该代表性误差相当重要，因为相当数量的热带探空仪已经由岛屿发射，这可能会扰乱大气边界层并且使其比周围海域上空的存在更多的水平异常问题。

4.根据计算机软件管理与情报中心掩星数据对大气边界层高度进行全球性分析

这里，我们将第二节中提到的估测大气边界层高度的方法应用到2006年4月至2007年12月的宇宙掩星数据上来。除用估测h以外，我们也计算有尖顶的大气边界层发生的频率、作为掩星曲线数量的比率，对此可在给定的经纬度范围内确定。我们注意到、发生频率是一个主观特性，因为它依赖于用于对尖锐边界层顶掩星进行选择的N个梯度（平均超过300米的高度间隔）的大小（第二节）。然而，发生频率的空间及时间变化客观地便显出了大气边界层顶尖锐度的变化。

图2：(a)基于高分辨率探空资料，比较由N断点（）估测的边界层高度与由 的最大递减率（）估测的边界层高度。(b)比较计算机软件管理与情报中心估测的与无线电探空仪估测的

一般的，有了所施加的限制（第二节中已讨论），由于相对陆地来说海表更均匀且热惯性更强、即减少了h的水平高度变化，因此海上估测比陆地估测更频繁。然而我们注意到，通过修改限制，在广大大陆区域研究边界层高度是有可能的（Sokolovskiy等2007）。图3a-d显示了2006年4月至2007年12月（JJA和SON包含所有年份的全部数据、DJF和MAM包含某些年份的全部数据以及某些年份的部分数据）4个季节【12月-2月（DJF），3月-5月（MAM），6-8月（JJA），9月-11月（SON）】的全球性频率分布。由于施加限制所带来的低发生频率，陆地上的数据没有显示。最高发生频率出现于亚热带地区，这在热带辐合带（ITCZ）其实是很少发生的。全年高发生频率发生在西海岸附近（南、北美洲，非洲，澳大利亚）。这些地区的高发生频率与持久的层积云以及普遍下沉运动有关。在热带辐合带中，由于强烈的对流将近地面空气运输到自由对流层并抹去了大气边界层顶，因此发生频率非常低（大气边界层顶不明确）。同时，高海拔的发生频率也很低，这是因为湿度梯度很小且边界层顶有时很浅以至于无法被掩星系统测得。一般来说，我们知道在低发生频率地区的估测要十分小心。当样品基本非平均分布来进行求均时，应着手从掩星系统得到的估测值中去除掉不均匀性的影响（由锐度水平变化、大气边界层反转高度、掩星采样不均引起）。

图3e-h显示了2006年4月至2007年12月的四个季节中的全球性分布。深大气边界层顶在西太平洋、大西洋、印度洋以及赤道辐合带的暖区上空被发现。需要注意的是，由于强烈的下沉运动和相对寒冷的上涌的水，沿西海岸（南、北美洲，非洲）呈下降趋势。西北太平洋地区的幅度与频率有显著季节性变化，其中西北太平洋以密集气旋生成著称（尤其从7月至10月）。在此地区，最高频率和幅度发生在冬季（DJF），最低值则发生在夏季（JJA）。

5.比较计算机软件管理与情报中心与欧洲中期天气预报中心分析的大气边界层深度

这里我们将从计算机软件管理与情报中心掩星数据与从欧洲中期天气预报中心掩星数天气预报中心的h估测有效性的最可靠的方法。由于h是通过深化夹带以及通过下沉变浅的最终结果（Medeiros等2005），这些模型如何良好地表示这些竞争过程成为一个敏感的指标。

包括温度、水蒸气、压力、位势高度在内的全球欧洲中期天气预报中心运营分析领域、已经在管道气候研究上有所成果（von Engeln和Teixeira 2004）。在2007年间，现使用的欧洲中期天气预报中心分析领域覆盖从MAM到JJA。我们注意到，在此期间，欧洲中期天气预报中心是同化计算机软件管理与情报中心的数据（绑定角度）、但只到4千米的高度（主

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