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Volume 43 Issue 1
Jan.  2018
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XU Xiaohua, LIU Shulun, LUO Jia. Analysis on the Variation of Global ABL Top Structure Using COSMIC Radio Occultation Refractivity[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(1): 94-100. doi: 10.13203/j.whugis20160183
Citation: XU Xiaohua, LIU Shulun, LUO Jia. Analysis on the Variation of Global ABL Top Structure Using COSMIC Radio Occultation Refractivity[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(1): 94-100. doi: 10.13203/j.whugis20160183

Analysis on the Variation of Global ABL Top Structure Using COSMIC Radio Occultation Refractivity

doi: 10.13203/j.whugis20160183
Funds:

The National Natural Science Foundation of China 41374036

the Open Fund of State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics SKLGED2013-4-7-E

the National Key Basic Reseach Program of China 2013CB733302

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  • Author Bio:

    XU Xiaohua, PhD, professor, specializes in GNSS meteorology. E-mail: xhxu@sgg.whu.edu.cn

  • Corresponding author: LUO jia, PhD, associate professor. E-mail: jluo@sgg.whu.edu.cn
  • Received Date: 2016-10-31
  • Publish Date: 2018-01-05
  • The wavelet covariance transform method was used to dervive the height of the ABLT from refractivity profiles. COSMIC refractivity data from 2007 to 2012 was used in an analysis of the spatial, seasonal, and diurnal variations in global ABLT parameters. The results show that the latitudinal and longitudinal variations of the ABLT parameters are distinct. Under the impact of atmospheric dynamic factors, the amplitude of the seasonal variation over land area is greater than that over ocean area in the 30°S to 30°N range. ABLT temperature and ABLT height are positively correlated over 40°S-90°S and 40°N-90°N ranges, and is negatively correlated over the 30°S~30°N range.The ABLT height in 2008 and 2011 were found to diverge from the monthly means for six years. The mean diurnal variation amplitude of global mean ABL depth in 2012 is 0.37 km. The diurnal variation of ABL depth over land and sea areas of the same latitude is correlated to each other to some extent.
  • [1] Russell P B, Uthe E E, Ludwig F L, et al. A Comparison of Atmospheric Structure as Observed with Monostatic Acoustic Sounder and Lidar Techniques[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1974, 79(36):5555-5566 doi:  10.1029/JC079i036p05555
    [2] Beyrich F. Mixing Height Estimation from Sodar Data-A Critical Discussion[J]. Atmospheric Environment, 1997, 31(23):3941-3954 doi:  10.1016/S1352-2310(97)00231-8
    [3] Kumar K K, Jain A R. L Band Wind Profiler Observations of Convective Boundary Layer over Gadanki, India (13.5_N, 79.2_E)[J]. Radio Science, 2006, 41(2):1-12 doi:  10.1007/978-1-62703-595-8_1/fulltext.html
    [4] Kursinski E R, Hajj G A, Schofield J T, et al. Observing Earth's Atmosphere with Radio Occultation Measurements Using the Global Positioning System[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1997, 102(D19):23429-23465 doi:  10.1029/97JD01569
    [5] Basha G, Ratnam M V. Identification of Atmospheric Boundary Layer Height over a Tropical Station Using High-Resolution Radiosonde Refractivity Profiles:Comparison with GPS Radio Occultation Measurements[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2009, 114(11):713-721 https://www.researchgate.net/profile/Ghouse_Basha2/publication/251437824_Identification_of_atmospheric_boundary_layer_height_over_a_tropical_station_using_high-resolution_radiosonde_refractivity_profiles_Comparison_with_GPS_radio_occupation_measurements/links/00463536b84855ae91000000.pdf
    [6] Ratnam M V, Basha S G. A Robust Method to Determine Global Distribution of Atmospheric Boundary Layer Top from COSMIC GPS RO Measurements[J]. Atmospheric Science Letters, 2010, 11(3):216-222 doi:  10.1002/asl.v11:3
    [7] Ao C O, Waliser D E, Chan S K, et al. Planetary Boundary Layer Heights from GPS Radio Occultation Refractivity and Humidity Profiles[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2012, 117(D16):16117 https://www.researchgate.net/publication/258663063_Planetary_boundary_layer_heights_from_GPS_radio_occultation_refractivity_and_humidity_profiles
    [8] Chan K M, Wood R. The Seasonal Cycle of Planetary Boundary Layer Depth Determined Using COSMIC Radio Occultation Data[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2013, 118(22):12422-12434 doi:  10.1002/2013JD020147
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Analysis on the Variation of Global ABL Top Structure Using COSMIC Radio Occultation Refractivity

doi: 10.13203/j.whugis20160183
Funds:

The National Natural Science Foundation of China 41374036

the Open Fund of State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics SKLGED2013-4-7-E

the National Key Basic Reseach Program of China 2013CB733302

  • Author Bio:

  • Corresponding author: LUO jia, PhD, associate professor. E-mail: jluo@sgg.whu.edu.cn

Abstract: The wavelet covariance transform method was used to dervive the height of the ABLT from refractivity profiles. COSMIC refractivity data from 2007 to 2012 was used in an analysis of the spatial, seasonal, and diurnal variations in global ABLT parameters. The results show that the latitudinal and longitudinal variations of the ABLT parameters are distinct. Under the impact of atmospheric dynamic factors, the amplitude of the seasonal variation over land area is greater than that over ocean area in the 30°S to 30°N range. ABLT temperature and ABLT height are positively correlated over 40°S-90°S and 40°N-90°N ranges, and is negatively correlated over the 30°S~30°N range.The ABLT height in 2008 and 2011 were found to diverge from the monthly means for six years. The mean diurnal variation amplitude of global mean ABL depth in 2012 is 0.37 km. The diurnal variation of ABL depth over land and sea areas of the same latitude is correlated to each other to some extent.

XU Xiaohua, LIU Shulun, LUO Jia. Analysis on the Variation of Global ABL Top Structure Using COSMIC Radio Occultation Refractivity[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(1): 94-100. doi: 10.13203/j.whugis20160183
Citation: XU Xiaohua, LIU Shulun, LUO Jia. Analysis on the Variation of Global ABL Top Structure Using COSMIC Radio Occultation Refractivity[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(1): 94-100. doi: 10.13203/j.whugis20160183
  • 大气边界层(atmospheric boundary layer,ABL)是对流层中高度最低,受地球表面直接影响的大气层。大气边界层顶(ABL top, ABLT)作为ABL与自由大气之间的耦合层,其高度、温度、气压等参数的改变影响着层内大气的物理、化学和辐射过程。

    对ABLT高度的测量通常采用激光雷达、声雷达、风廓线雷达的观测资料。但是激光雷达的观测结果容易受到平流输送的影响[1],声雷达的观测资料受环境噪声影响较大[2],风廓线雷达观测的分辨率有限[3]。也可利用无线电探空气球和系留气球的观测资料确定ABLT高度,但探空观测资料的地理分布有限,系留气球观测能达到的高度一般低于500 m。还可利用数值天气预报中心发布的模式再分析数据研究大气边界层顶结构,然而数值天气预报垂直精度较低。

    GPS掩星观测资料具有全球分布、全天候、不受云和降雨影响、垂直分辨率高等优势。近年来GPS无线电掩星(radio occultation, RO)技术的快速发展,为全球ABLT高度的监测带来了新的契机。掩星原理可参见文献[4]。随着开环跟踪技术在掩星接收机上的使用,以气象、电离层与气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate, COSMIC)为代表的新一代GPS掩星任务对低层大气探测的能力显著提高,可直接由湿度、折射指数、弯曲角廓线等掩星数据产品确定ABLT高度。Basha等[5]采用梯度法由掩星折射指数廓线确定ABLT高度。2010年小波协方差变换(wavelet covariance transform, WCT)法被首次应用于由GPS掩星资料确定ABLT高度[6]。目前基于掩星资料利用WCT方法对全球ABLT结构时空变化的研究成果较少。

    本文在对WCT法的可行性进行验证的基础上,处理了6年COSMIC掩星折射指数数据,获取全球ABLT大气参数。对全球陆域与海域ABLT结构的地理差异和ABLT高度的季节、月平均、日变化规律进行分析,并给出相应解释。

  • 本文采用COSMIC数据分析与处理中心发布的wetPrf数据产品(http://cosmic-io.cosmic.ucar.edu/cdaac/index.html),其中wetPrf文件给出了0~ 40 km高度区间以0.1 km为间隔的折射指数、温度、气压和水汽分压数据。选用2007-01-01~2012-12-31共2 190 d的数据,廓线最低有效高度上限设为0.5 km。

  • WCT法确定ABLT高度的基本原理如下[6]。首先构建哈尔函数h:

    式中,z是高度变量;b为哈尔函数的中心位置值;a是尺度因子。对h进行小波协方差变换(WCT)得函数wf:

    式中,f(z)是待处理的折射指数廓线;z是高度;zazb是分别是廓线高度的上、下限。若a取定值,当Wf(a, b)在b=b0处取得最大值时,表示f(z)在z=b0处有一个大的阶跃,对应的高度即是ABLT高度,由此可知获取ABLT高度的关键在于选择合适的a值。

    a值理论上应等于边界层顶部过渡区间的厚度,但该值无法准确获得,只能通过实验获取经验值[6]。本文通过对多次廓线处理结果的比较发现,当a = 0.4 km时没有丢失ABLT的主要大气信息,仍能探测到微小波动,同时wf(a, b)廓线最大值与附近范围内的极大值区分明显,易于确定ABLT高度。因此在后续数据处理中采用了a = 0.4 km这一适用于大部分事件和场景的相对最优值。

    采用美国国家海洋和大气管理局提供的高垂直分辨率船载海域探空实验数据(http://www.esrl.noaa.gov/psd/psd3/cruises/)对WCT法进行外部验证。利用WHOTS2009、STRATUS2011、WHOTS2011三个船载实验共123次探空观测资料,通过匹配与COSMIC掩星数据经纬度相差小于2°、时间差小于2 h的探空数据,共获得8组数据对。图 1给出了WCT法处理8组COSMIC掩星与探空折射指数廓线对所得ABL高度的线性回归图,相关系数达0.96,证明了WCT方法确定ABLT高度的有效性。

    Figure 1.  Linear Regression Diagram of ABLT Height Acquired by WCT Method from COSMIC_RS Refractivity Profiles

  • 将全球分为90×180个2°×2°的网格单元, 计算每个网格单元内ABLT参数的年均值及季节平均值。在对ABLT参考变化特性进行分析时,为减小面积参数计算量,将全球分为36×72个5°×5°的网格单元,计算2007至2012年全球ABLT参数的面积加权月均值和去季节性变化距平值。面积加权平均的计算方法如下:

    式中,Li, jPi, j分别为大气参数在网格单元(i, j)的平均值与面积;F为网格化区域的参数面积加权平均值。若n为研究时间段的总年数,ΔFu, v为第u年第v个月的大气参数全球月平均值,则:

    为了对ABLT高度参数的日变化规律进行分析,将地方时0:00至24:00按间隔2 h划分为12个时段,对全球发生在某时段的所有掩星事件探测的ABLT高度求均值,得到平均ABLT高度的日变化曲线。统计分析2012年全球平均ABLT高度日变化幅度,并对陆域与海域ABLT高度日变化的相关性进行分析。

  • 图 2(a)~2(d)给出2012年全球ABLT高度、温度、气压和掩星事件数量随经纬度的分布情况(白色区域COSMIC掩星数据缺失)。可以看出掩星事件数随经度变化较小,ABLT参数在经纬度上均有较明显差异。这是由于掩星事件数的分布仅与卫星轨道有关,而大气边界层受下垫面影响大,不同下垫面形成不同层结状态,使得湍流强弱不同,产生不同的边界层状态,影响ABLT高度。

    Figure 2.  Variation of ABLT with Latitude and Longitude over the Globe in 2012

    图 2(a)显示,非洲北部撒哈拉沙漠地区和非洲中西部、西南亚阿拉伯半岛和南亚印度半岛、澳大利亚30°S以北、南美洲南部等地区2012年平均ABLT高度显著偏高,约为2.5 km以上。这些地区处在副热带高压带和信风带控制区域,陆域含水量小,全年高温干燥少雨。由于同纬度海域年平均温度低于陆地,平均气压偏高,湿度偏大,湍流效果相对较弱,故海域ABLT高度较陆区偏低。图 2(a)与Ao等[7]采用欧洲中尺度天气预报中心(European Center of Mediumrange Weather Forecasts,ECMWF)的ERA-Interim再分析数据得到的2007至2009年全球ABLT高度分布特征具有很高的一致性。但GPS掩星得到的ABLT高度整体比再分析数据得到的ABLT高度偏高0.5~1 km,这与Ao等[7]的结论相同。

    对比图 2(b)发现,南北纬40°~90°区域中ABLT高度和温度在同纬度不同经度上的变化并不明显,且二者呈正相关;30°S~30°N陆域的ABLT温度比同纬度海域偏低约10℃。这是因为温度主要受纬度、下垫面性质和海拔的影响,在相同纬度带上,温度主要由下垫面性质决定。虽然陆域平均气温高于海区,但由于陆域ABLT高度远高于海域,海拔占主导因素使其ABLT温度低于海域。此外发现30°S~30°N区域ABLT高度与大气边界层顶温度基本呈负相关。

    对比图 2(c)图 2(a)可知,ABLT气压与高度在全球呈负相关。陆域ABLT气压明显偏低,是因为气压主要受热力、海拔和大气动力的影响。同一纬度带中,陆域平均气温高于海域,导致其大气平均密度低于海域;陆域ABLT高度远高于海域,海拔越高气压越低;此外由于这些区域受到副热带高压的控制程度比海域强,所以高层大气的气压更低。以上3个因素都不同程度使得陆域ABLT气压比同纬度海域低。由此可见,海陆性质差异是影响ABLT高度、温度、气压随经度分布的重要因素。

  • 图 3(a)~3(d)分别给出2012年春、夏、秋、冬四个季节全球ABLT高度随经纬度的分布。在陆域,30°N以北的北美中北部和亚洲北部ABLT高度在夏季达到最大值,冬季达到最小值,春秋两季为过渡期,属于ABLT高度值季节变化与地面吸收、辐射热量呈正相关的区域;30°S~30°N区域属于南北副热带高压区,ABLT高度全年偏高,且由于气压带漂移,ABLT高度极高的红色区域从夏季到冬季明显南移,造成30°N、10°S附近陆域的ABLT高度夏高冬低,而10°N、30°S附近陆域夏低冬高,因此30°S~30°N陆域ABLT高度季节变化主要与大气动力因素有关。在海域,40°N以北海域ABLT高度夏高冬低,30°S以南海域ABLT高度夏低冬高,易知中高纬海域的ABLT高度季节变化与海面吸收、辐射热量呈正相关;30°S~30°N海域ABLT高度全年较高,且有明显的季节变化,10°N~30°N大西洋北半球中部、太平洋北半球中部(本文称为区域A)的ABLT高度夏低冬高,10°S~30°S大西洋南半球中部、印度洋大部、太平洋南半球中部(本文称为区域B)的ABLT高度夏高冬低,与文献[8]结果一致。说明30°S~30°N海域ABLT高度没有明显受热量影响,这是因为南北副热带高压带之间区域全年高温,海域温度随季节和纬度的变化不明显,海面接收的热辐射大多用于蒸发过程,对空气的加热作用相对较弱,且大量云层会减少海面接收的太阳辐射[5],此时热力因素不是主要原因。由于气压带漂移,区域A在夏季处于东北信风带,冬季处于副热带高压带,所以其ABLT高度夏低冬高,而区域B在夏季处于副热带高压带,冬季处于东南信风带,所以其ABLT高度夏高冬低。综上所述,大气动力因素影响30°S~30°N海区ABLT高度季节变化[8]。值得注意的是,由于寒流导致海域低温高压,美洲和非洲西部狭长海域的ABLT高度比相邻海域全年偏低。以上分析对Ratnam[6]提出的海域ABLT高度全年偏高,且局部季节变化规律与陆域不一致问题做出了物理解释。在季节变化幅度方面,陆域变化特征更强。例如在印度半岛,ABLT高度季节差异高达2 km,而大部分海域低于1 km,这与文献[8]结果一致。

    Figure 3.  Distribution of ABLT Height with Latitude and Longitude in Winter in 2012

  • 图 4给出了2007至2012年全球ABLT高度的月均值与月均距平值。从月均值(实线)可以看出,全球ABLT高度具有明显的季节性变化特征,每年7月左右达到最大值,1月左右降为最小值,其间存在波动,但整体具有明显的夏高冬低变化趋势,这样的趋势与北半球大部的ABLT高度季节变化趋势相同,与南半球大部相反。从月均距平值(虚线)可看出,2008年4月全球ABLT高度为6 a同比最低,2011年5月达到同比最高;2008年上半年和2011年下半年的全球ABLT高度月均距平值比同期整体偏低,2008年下半年和2011年上半年的全球ABLT高度月均距平值比同期整体偏高;除了上述两个大的波动外,6年间的全球ABLT高度月均距平值维持小范围波动,其中2007年全球ABLT高度月均距平值最为稳定,说明2008年和2011年的ABLT高度出现季节异常。

    Figure 4.  ABLT Height Monthly Means and its De-seasonal Monthly Anomalies During 2007 to 2012 over the Globe

  • 对2012年每天全球平均ABLT高度随地方时的日变化曲线进行统计得到全球平均ABLT高度日变化最大值、最小值、均值与标准差分别为1.22 km、0.12 km、0.37 km和0.13 km。ABLT高度日变化规律性不强,各变化曲线之间也没有显著相关性。为进一步研究海陆区域ABLT高度日变化的相关性,分别在低中高纬各取经纬差5°×2.5°的陆域和海域(见表 1),计算6个区域的年平均日变化,结果如图 5所示。

    区域 陆域 海域
    经度/(°) 纬度/(°) 经度/(°) 纬度/(°)
    低纬 [0, 5) [15, 17.5) [-155, -150) [15, 17.5)
    中纬 [-90, -85) [42.5, 45) [85, 90) [-45, -42.5)
    高纬 [100, 105) [67.5, 70) [-5, 0) [67.5, 70)
    注:-表示西经,南纬

    Table 1.  Distribution of the 6 Areas in Low, Middle, and High Latitude Band

    Figure 5.  Annual Mean ABLT Height Diurnal Curves of Land and Ocean for 5°×2.5° Latitudes in 2012

    图 5(a)~图 5(c)可以看出,表 1所示的6个区域中,每个区域的年平均ABLT高度日变化无规律,日夜差异不明显,这与每时段年平均值的取值有关。但同纬度海陆变化曲线之间有一定相关性,陆域曲线的变化趋势较海域曲线有一定的延迟,其中低、中纬的海陆日变化相关性较好,高纬的海陆延迟最大;不同纬度的海陆日变化曲线之间没有相关性,说明每时段年平均ABLT高度在同纬度区域具有相似变化趋势,而在不同纬度变化趋势不同。

  • 本文采用小波协方差变换法由折射指数廓线确定ABLT高度。利用2007年至2012年的COSMIC掩星折射指数廓线,分析了全球ABLT结构随经纬度的变化和ABLT高度的季节变化,并对2012年ABLT高度的日变化特征进行了讨论。发现全球ABLT结构具有明显随经纬度变化特征,同时受热力因素和大气动力因素的影响,ABLT气压与ABLT高度在全球呈负相关,而ABLT温度与ABLT高度在南北纬40°~90°区域呈正相关,30°S~30°N区域呈负相关。大气动力因素影响30°S~30°N范围内陆域和海域大气边界层顶高度的季节变化,且陆域比海域季节变化幅度更强。对6年间全球大气边界层顶参数月均值和去季节性变化距平值的分析表明2008和2011年大气边界层顶高度出现季节性异常。同纬度海陆区域年平均ABLT高度的日变化曲线间有一定相关性,陆域曲线的变化趋势较海域有一定的延迟。

    COSMIC-II等新一代掩星任务将在增加低轨道卫星颗数,优化低轨道卫星星座设计的基础上,实现对GPS、GALILEO等多卫星导航系统的同时掩星观测,届时掩星事件的时空分辨率将大幅提高,掩星资料将在ABL结构变化监测中发挥更大作用。

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