作为中性大气的重要过渡区域,对流层顶将湍流运动强烈、水汽含量丰沛的对流层与气流平稳、水汽含量稀少的平流层分隔开。对流层顶在对流层与平流层之间的能量、物质交换过程中起到了关键作用,因此研究对流层顶特征对预报天气演变、评估气候变化具有指示性意义。一般根据定义不同将对流层顶分为热力学对流层顶(WMO,1957;Highwood and Hoskins,1998)、动力学对流层顶(Danielsen and Hipskind,1980;Danielsen et al.,1987)和化学对流层顶(Bethan et al.,1996)。热力学对流层顶通常用于观测和探测,动力学对流层顶更适用于模拟大尺度传输模式,而化学对流层顶则常用来检验残留时间短的化学物质(Jiang et al.,2017)。Munchak and Pan(2014)指出基于温度垂直递减率定义的热力学对流层顶是唯一全球适用的判定方法。

青藏高原位于28°~38°N,地跨副热带和中纬度地区。其平均海拔为3 000~5 000m,面积占中国国土总面积的1/4。青藏高原上空通常由热带对流层顶与极地对流层顶共同控制,该区域称作对流层顶断裂带(周顺武等,2010)。对流层顶断裂带是平流层与对流层之间进行物质交换的重要通道(Chen et al.,2011)。高原上空的大气活动具有显著的动力学和热力学特征,对亚洲季风活动和全球气候变化具有深远影响(Chen et al.,2011)。青藏高原地形对行星波的强迫作用,能够影响高空急流的位置以及大气环流的季节性变化(夏昕等,2016)。而高原地表辐射出的热能可以直接加热对流层中层、影响上对流层,最终引起对流层顶高度变化(Fu et al.,2006)。周顺武等(2019)研究表明,除12月和1月以外,青藏高原对流层顶全年高于同纬度其他地区。在巨大的热力抬升作用下,青藏高原上空会产生深层对流区。热适应过程使得近地层生成较浅的气旋性环流,高层产生强烈的反气旋环流。根据大尺度的正压涡度方程,青藏高原的东西两侧会分别出现上升、下沉气流(Duan and Wu,2005)。青藏高原上空的动力学抽吸过程以及西风急流的存在,导致平流层与对流层之间物质交换活动十分活跃(Fu et al.,2006)。

作为大气热源,青藏高原和西北太平洋是决定平流层和对流层水汽交换年代际变化的两大要素(Zhan and Li,2008)。随着全球气候变暖,青藏高原及其周边地区的降水呈现明显的趋势性变化,水汽来源需要进一步被验证,用以解释降水变化的原因(汤秋鸿等,2020)。亚洲季风区和青藏高原地区,高湿空气主要从青藏高原上空进入平流层,并参与全球水汽循环。由于存在降水过程,水汽在对流层中停留时间短,所以过去对全球气候变化的研究往往着眼于二氧化碳等其他温室气体。但是水汽在平流层的滞留时间可以超过一年(Khan and Jin,2016)。平流层中水汽浓度的增加会影响辐射强迫效应,导致对流层变暖、平流层冷却(de F Forster and Shine,1999),最终引起全球温度变化。Zhan and Li(2008)研究表明,水汽还可以通过参与光化学过程,改变平流层中的臭氧浓度进而消除大气化学污染。因此研究青藏高原上空水汽传输过程,对理解大气成分交换以及人类活动对全球气候的影响具有重要意义(Holton et al.,1995)。但是鉴于高精度水汽数据较为稀缺,目前对平流层与对流层交换的定量化研究仍存在许多不足。

近年来研究对流层顶的主要观测手段有雷达(Reid and Gage,1981,1985,1996),无线电探空数据(Potter and Holton,1995;Seidel and Randel,2006),再分析资料(夏昕等,2016;Tian et al.,2017)以及全球定位系统(Global Positioning System,GPS)无线电掩星(Radio Occultation,RO)资料(Mehta et al.,2011;Kumar et al.,2014;Suneeth et al.,2017)等。确定对流层顶参数(高度、温度和压力)的数据主要来源为无线电探空观测资料。然而在沙漠、海洋等偏远地区少有测站,无线电探空资料的运用将受地域条件限制。Pan(2003)还指出,无线电探空资料在高层常出现缺失。这是因为在高空,无线电探空气球受气压梯度力作用易发生爆炸。此外随着时间推移,测量仪器会发生漂移,导致观测数据失真。无线电探空观测的时间频率也相当低,每两个观测时刻之间存在12h的间隔。因此在青藏高原地区,可用于对流层顶研究的无线电探空资料样本稀少、空间分布不均匀、时间分辨率较低(Feng et al.,2011)。再分析资料主要包括欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析资料和美国国家环境预测中心-美国国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction-National Center for Atmospheric Research,NCEP-NCAR)再分析资料。尽管再分析资料具有较高的时间和空间分辨率,但它仍然受垂直分辨率较低的制约(Gao et al.,2015)。Son et al.(2011)指出再分析数据低垂直分辨率的特点,使其不适合用于精确分析对流层顶。唐南军等(2020)利用卫星资料评估了不同再分析资料的数据质量,结果显示在青藏高原上对流层与下平流层之间,再分析资料提供的水汽数据都存在一定偏差。因此无论是无线电探空数据还是再分析资料,在用于研究对流层顶时,都具有一定缺陷。

GPS掩星资料具有垂直分辨率高、精度高、无需定标、全球覆盖、全天候等优势。马旭林等(2017)利用探空资料和再分析资料对GPS掩星资料进行质量检验,证明了掩星资料具有良好的可靠性与精准度。GPS掩星资料获取的温度廓线精度高达0.25K(Anthes et al.,2008)。Kursinski et al.(1997)研究表明在近地层,高浓度的水汽会对折射率的梯度和曲率产生重要贡献,信号跟踪技术受局地多路径效应和超折射的影响会降低数据质量。在10~20km高度之间折射率基本不受湿度影响。当探测高度超过35km时,折射指数下降而电离效应变得相对重要,此时大气信号响应变弱。GPS掩星资料在海拔8~35km时探测精度最为准确(Foelsche et al.,2008),因此GPS掩星资料非常适用于对流层顶的研究。本文将利用无线电探空资料检验COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星资料的适用性,并以此为基础进一步分析青藏高原地区对流层顶高度、水汽分布特征。

1 数据和方法

1.1 数据

COSMIC由六颗低轨卫星构成,可以提供由近地层至40km高度之间的中性大气参数。当COSMIC卫星探测到GPS卫星由地平线上升或者沉入地平线时,通过测量大气掩星现象造成的无线电波相位延迟,可以准确地检测到无线电波的弯曲角,并由Abel积分逆变换得到折射指数和折射率,最终反演出温、压、湿等大气参数信息。折射率N是关于温度T(K)的函数。折射率和温度、水汽的关系见(1)式(Zou et al.,2012):

其中:P代表气压(hPa);e代表水汽压(hPa);W _water代表液态水含量(g/m³);W _ice代表冰水含量(g/m³)。(1)式右端第一项和第二项分别为干项和水汽项,第三和第四项是液态水和冰水项。研究表明,液态水和冰水项对大气折射率的贡献率要比第一项和第二项小两个量级(Yang and Zou,2012;Zou et al.,2012)。

本次研究使用的是2007年1月—2013年12月的COSMIC RO数据。COSMIC卫星每天在全球可获取2 500~3 000根掩星廓线,为全球无线探空资料的3~4倍。其中分布在70°~120°E、10°~50°N,可用于青藏高原及其周边地区大气研究的廓线每天约为50根。本研究采用COSMIC分析和档案中心(COSMIC Data Analysis and Archive Center,CDAAC)提供的湿反演资料(wetPrf),该资料的垂直分辨率为100m。

为了检验COSMIC掩星资料有效性,还引入无线电探空资料进行对比分析。无线电探空资料来源于中国气象局(China Meterological Administration,CMA)所建的陆基L波段无线电探空仪观测网。L波段信号的波长为0.2m,通常情况下该波段的信号只受云、雾影响(Foelsche et al.,2008)。无线电探空仪获取的资料包括温度、气压、相对湿度、水平风速和风向的廓线。测站每日在00:00(世界时,下同)和12:00进行两次探空观测。无线电探空仪以1.2s的时间间隔向传感器传输数据,气球上升的平均速度约5m/s,在对流层顶附近,无线电探空资料的垂直分辨率可以高达10m。为了便于COSMIC掩星资料与无线探空资料的比较,利用三次样条插值法将无线电探空资料插值到COSMIC掩星资料对应的高度层上。

1.2 对流层顶定义方法

利用世界气象组织(World Meteorological Organization,WMO)(1957)定义的温度递减率法,判定对流层顶:1)第一对流层顶被定义为温度递减率减小到小于或等于2℃/km时的最低大气层,该层与其上2km之内所有高度层之间的平均温度递减率不能超过2℃/km;2)如果在第一对流层顶之上存在某一高度,在这一层与其上1km之内所有高度层之间的平均温度递减率都超过3℃/km,则可用1)的标准来判定第二对流层顶。其中温度递减率的定义为:

从低层向上开始检测时,边界层中逆温的存在可能影响判定结果。因此本文选取的起始检验高度为7.5km。Añel et al.(2007)指出在热带地区对流层顶的典型高度位于500~50hPa。对流层顶高度通常随纬度的降低而升高,在副热带地区对流层顶高度位于500~70hPa(Schmidt et al.,2005)。因此判定在青藏高原地区对流层顶高度应不超过50hPa(Xu et al.,2014)。

1.3 COSMIC掩星资料有效性检验

为了检验COSMIC掩星资料在判定对流层顶时是否具有适用性,将位于青藏高原的15个气象观测站在2010—2013年间获取的无线电探空资料,与COSMIC掩星资料进行时空匹配。当两种资料探测的时间间隔小于1h、空间距离小于50km时,视为数据匹配成功。成功匹配的44组COSMIC掩星资料和无线电探空资料的空间分布情况如图1所示。在玉树气象观测站匹配得到6组数据,在达日匹配得到5组数据,在沱沱河、甘孜、拉萨各匹配得到4组数据,在格尔木、都兰、那曲、合作各匹配得到3组数据,在昌都、红原、巴塘各匹配得到2组数据,在茫崖、定日、芝林各匹配得到1组数据。

图2为一组匹配成功的COSMIC掩星资料和无线电探空资料所刻画的温度廓线。无线电探空资料获取位置位于(90.85°E,38.25°N),观测时间为2013年2月20日23:15。COSMIC掩星获取位置位于(90.75°E,38.20°N),观测时间为2013年2月20日22:28。两条廓线的时间间隔为47min,空间距离约为15km。根据WMO的对流层顶定义法,利用COSMIC掩星资料判定的第一对流程顶高度为9.8km,第二对流层顶高度为17.7km;利用无线电探空资料判定的第一对流顶高度为9.9km,第二对流层顶高度为17.5km。可见利用COSMIC掩星资料能精准地判定对流层顶高度。

COSMIC掩星资料和无线电探空资料温度的均方根误差的范围在1~2.5℃,温度偏差约为-0.8℃,在7~18km高度范围内,两种资料的偏差最小。而在对流层低层温度偏差较大,可达-1.5℃(图3)。这是因为低层会产生GPS无线电信号多路径效应,导致掩星资料在低层质量较差(Kursinski et al.,1997)。在20km以上,温度偏差也相对较大,超过了1℃,这可能和无线电探空仪的仪器漂移现象有关。

用匹配得到的COSMIC掩星资料和无线电探空资料同时判定对流层顶高度(图4)。横坐标表示用COSMIC掩星资料判定的对流层顶高度,纵坐标表示用无线电探空资料判定的对流层顶高度。对散点做线性回归分析,得到线性回归方程:y=0.983 2x +0.252。其相关系数为R=0.976。对流层顶高度偏差的平均值为0.448km,均方根误差(RMSE)为0.672km。说明由两种资料判定的对流层顶高度具有良好的线性相关关系。

2 结果分析

2007—2013年在青藏高原地区2°×2°的格点内,COSMIC掩星资料样本数在高原西部和高原东部分别为220和180,西部略多于东部,高原以北和高原以南大部分地区样本数比高原多,大部分地区超过260(图5a)。由WMO方法判定的对流层顶高度呈现出明显的纬向分布特征,高原以南对流层高度超过16km,高原以北对流层高度通常低于12km,在高原上空明显存在对流层断裂带(图5b)。

冬季(December,January and February,DJF)、春季(March,April and May,MAM)和秋季(September,October and November,SON),高原地区对流层高度具有相似的空间分布特征,都呈现出随纬度增加而降低的趋势。但是受季风影响,对流层高度会有区域性差异。高原以南对流层高度在春季可达16.5km以上,较冬季和秋季有明显抬升。这是因为在受季风影响的区域,深对流的凝结潜热会影响对流层顶高度(Son et al.,2011;夏昕等,2016)。夏季(June,July and August,JJA)对流层顶最高值出现在青藏高原上空。尤其是高原西部和东部,对流层高度可达17km。夏季地面温度上升,青藏高原及其周边区域的对流层顶都呈现出增高趋势。但是由于青藏高原平均海拔高,地面的辐射增温效应可以直接作用至对流层中部,产生活跃的对流上升运动。这使得青藏高原与同一纬度平原之间的对流层顶高度可以相差2km。因此,青藏高原上空出现了对流层顶的最大高度(Feng et al.,2011)。

冬春在30°~35°N,秋季在40°N附近均存在着一个对流层顶高度梯度的大值区(图6)。这一狭窄的区域正是位于热带对流层顶与极地对流层顶之间的对流层顶断裂带。夏季,对流层顶断裂带会向北移动到45°N附近。断裂带的出现与高空急流有关(Chen et al.,2011),而急流中心的位置和强弱,受南北温度梯度的影响(Jiang et al.,2017)。在断裂带以北,对流层顶高度梯度大于断裂带以南的高度梯度。这种现象可能与南北对流层热力学、动力学性质的差异有关,在北边对流层中空气更为干冷,对流活动没有南方剧烈。

2007—2013年青藏高原(87°~95°E,30°~35°N)以及同一纬度平原(112°~120°E,30°~35°N)的对流层顶高度的频数分布如图7所示,呈现出相似的季节分布特征。冬季和春季对流层顶断裂带位于30°~35°N,因此青藏高原和平原上空的对流层高度频数均呈双峰型分布,峰值位于12km(主要与极地对流层顶相关)和17km(主要与热带对流层顶相关)附近(Chen et al.,2011)。夏季和秋季,在热力和高空急流的共同作用下,断裂带向北移动,30°~35°N上空由热带对流层顶控制。此时高原和平原的对流层顶高度集中分布在16~17km。

精准判定对流层顶高度对于定量研究平、对流层之间的水汽交换机制具有重要意义。平流层中水汽的含量会影响辐射强迫作用、改变臭氧浓度,引起气候变化,并反作用于对流层顶高度(de F Forster and Shine,1999;Zhan and Li,2008)。2007—2013年,不同季节水汽混合比的纬向变化如图8所示(图5a中白色实线所表示的剖面)。冬季、春季和秋季,在12km高度以下随着纬度升高,水汽混合比逐渐下降,等熵面逐渐抬升。从低纬到高纬,等熵面上的水汽混合比减小。因此在冬春和秋季,低纬度地区地表对大气的热力作用比高纬度地区强烈,热带地区的深对流运动更容易在垂直方向上将水汽输送至高层。青藏高原上空位于对流层断裂带附近,等位温线变得密集。Chen et al.(2011)指出,此处邻近副热带西风急流轴的北边缘,由于等位涡面经向梯度的增大,水汽沿等熵面向平流层的输送非常微弱。

夏季,在地面强烈的热辐射作用下,青藏高原上空的水汽混合比呈现出上升趋势,等熵面呈现出下降趋势。此时在青藏高原附近,等熵面上的水汽混合比出现了高值区。相对于季风区,夏季青藏高原近地层的位温通常要高30K。在地表的热辐射作用下,青藏高原地区可以产生穿透性深对流,将水汽向高层输送(Jain et al.,2013)。因此湿空气可以通过深穿透性对流进入高层。此外,夏季青藏高原受南亚高压所控制,在高原以北的对流层断裂带上,经向位涡梯度出现了高值区(夏昕等,2016)。虽然位涡梯度的存在会影响水汽沿等熵面的输送,但是南亚高压中存在的大尺度垂直上升结构,将有利于水汽向平流层的输送。因此在南亚季风区,水汽可先通过大范围对流抬升到达一定高度,并沿等熵面向北移动,后经过缓慢的冻干、脱水过程穿透对流层顶(Holton et al.,1995;Fu et al.,2006)。深对流和大尺度抬升是夏季青藏高原地区水汽运输的主要途径(Jain and Kar,2017)。

3 结论和讨论

COSMIC掩星资料具有精度高、垂直分辨率高、不受云雨影响等优点,加之在对流层顶湿度对折射率的影响可以忽略不计,因此非常适合用于判定对流层高度(邹晓蕾,2012)。为了研究COSMIC掩星资料的适用性,本文选取了2010—2013年青藏高原上15个测站的无线电探空资料与之进行时空匹配。研究表明,同时使用COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定青藏高原对流层顶高度时,相关系数高达0.976,COSMIC掩星资料在对流层顶附近具有相当高的精度。

在季风区,对流层的高度主要受季风与深对流的影响。在青藏高原及邻近地区,流层顶高度的分布具有明显的季节性差异:对流层顶在夏季最高,在冬季最低。由于青藏高原海拔很高,辐射增温引起的深对流运动可以影响到上对流层,因此夏季对流层顶最高值出现在青藏高原上空。在其他季节,对流层高度整体随纬度的升高而降低,而最高值出现的区域则会因季风的影响而存在差异。从冬季到夏季,对流层顶断裂带的位置也从青藏高原上空向北移动。冬春两季,受对流层顶断裂带影响,青藏高原和同一纬度平原上空同时出现热带对流层顶和极地对流层顶,此时对流层顶高度的频数分布呈双峰型。夏季和秋季,青藏高原和同一纬度平原主要受热带对流层顶影响,对流层顶高度集中在16~17km附近。

青藏高原上空存在着活跃的平、对流层水汽交换通道。研究青藏高原上空水汽的传输过程,对理解大气中其他成分的运输以及人类活动对全球气候的影响具有重要意义(Holton et al.,1995)。水汽混合比、对流层顶高度以及等熵面的分布特征,能够反映热力学机制与水汽传输之间的关系。冬季和春季在海拔高度12km以下,受热带地区大气热源的影响,从低纬度到高纬度地区等熵面逐渐抬升,水汽混合比浓度下降。此时在青藏高原上空的对流层断裂带位置,等位温线最为密集,在青藏高原以南地区的对流层中层相对湿度最低,不利于对流层与平流层之间的水汽传输。夏季,青藏高原在热力学作用下对流层顶抬升,此时青藏高原上空的等熵面下降势,水汽混合比上升,有利于对流层与平流层之间的水汽传输。在对流层中上层出现了水汽浓度的高值区,这种现象与季风区水汽的大尺度水平输送以及水汽的垂直输送有关。

参考文献