Page 229 - 《高原气象》2021年第5期
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高     原      气     象                                 40 卷
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             析数据比无线电探空仪检测到的边界层高度低（赵                             度，掩星资料与无线电探空、ERA_int 再分析资料
             采玲等，2019）。全球定位系统掩星观测（GPS RO）                       判断的边界层高度有较好的一致性。
             包含边界层信息，精度较高，并且具有覆盖全球的                                 使用掩星数据判断边界层高度的方法都是基
             观 测 范 围 。 Basha and Ratnam（2009）、Chan and          于弯角和折射率廓线的垂直梯度。热带对流层低
             Wood（2013）、徐晓华等（2018）对比了无线电探空                      层水汽含量较大，折射率垂直变化较大，导致掩星
             站与 GPS掩星探测的边界层高度，二者显示较好的                           信号存在多路径问题。出现多路径问题时低轨卫
             相关性。余小嘉（2019）对比 COSMIC 掩星资料与                       星同时接收到多个路径的信号，接收机记录的信号
             ECMWF 分析资料判断的青藏高原对流层高度发                            为几个信号的总和（Gorbunov and Gurvich，1998），
             现，二者偏差较小，主要集中在0. 2 km以下。                           导致频谱总宽度增加（Sokolovskiy et al，2010），即
                  过去几十年来，提出了大量基于平均（温度、                          局地波谱宽度（local spectral width，LSW）较大。本
             湿度、风、微量气体/气溶胶浓度）和湍流（通量、方                           文使用 COSMIC 掩星的局地波谱宽度 LSW 估计掩
             差、湍流动能、里查森数、结构参数）大气参数的垂                            星弯角和折射率廓线在热带对流层低层大气的不
             直分布来估计边界层高度的方法（Beyrich，1997）。                      确定性，即掩星的观测误差。LSW 提供了掩星弯
             Seidel et al（2010）对于 505 站的探空仪数据采用多                角（从而也是折射率）的不确定性的度量。本文主
             种方法计算边界层高度，分别为气块法、位温、比                             要研究折射率垂直梯度与 LSW 是否有关，以及能
             湿、相对湿度、折射率的垂直梯度极值法和脱地逆                             否把 LSW 和折射率垂直梯度大小作为质量控制因
             温底以及贴地逆温顶（指示稳定边界层），指出气块                            子。在热带地区对流层低层这种不确定性导致较
             法更适用于空气质量评估模型，贴地逆温在高纬度                             大的掩星反演误差（Liu et al，2018）。海洋下垫面
             更常见；在垂直廓线梯度较弱的区域（如深对流区                             均匀，且探空、雷达数据较少，刘艳等（2015）和廖
             域），不同方法定义的边界层高度存在较大差异。                             麒翔等（2015）基于 COSMIC 掩星资料分析了海上
             通常情况下，边界层顶与对流层之间存在逆温层，                             边界层高度的全球分布特征。在此基础上，本文对
             热带地区同时有湿度的急剧减小（Sokolovskiy et                      于海上边界层高度的不同判别方式及其误差进行
             al，2006），因此导出边界层高度的最简单方法是确                         研究。
             定在垂直廓线中温度、水汽发生最大变化的位置。                             2   数据选取和方法介绍
             Basha and Ratnam（2009）指出，热带地区湿度大，
             用水汽混合比检测边界层高度优于温度，折射率和                             2. 1  GPS掩星资料
             虚位温同时考虑了水汽和温度，但水汽在虚位温中                                 GPS 包含距地球表面约 20200 km 的 6 个轨道
             贡献为 0. 6，折射率中水汽的贡献随水汽压的变化                          的 24 颗卫星。2006 年 4 月中国台湾与美国联合发
             在 0. 7~2. 0，因此折射率廓线反演的边界层高度更                       射的 FORMOSAT-3/COSMIC 掩星计划包含 6 颗低
             准确。Xie et al（2012）指出，边界层顶部温度和湿                     轨（Low Earth Orbiting，LEO）卫 星 ，每 天 可 获 得
             度的相反变化会导致折射率梯度的增加，折射率廓                             1500~2000 根廓线，首次将掩星数据近乎实时地传
             线更容易判断边界层高度。Guo et al（2011）在折射                     送 到 世 界 各 地 的 气 象 中 心（Anthes et al，2012）。
             率垂直廓线中应用“断点法”定义边界层高度，在固                            2019年 6月 25日成功发射了 6颗 COSMIC-2低轨卫
             定宽度（300 m）滑动应用线性回归，将边界层高度                          星，每天将提供超过 4000 根廓线。GPS 无线电掩
             定义为回归系数垂直梯度的最大值对应的高度。                              星技术通过测量来自 GPS 卫星的无线电波穿过地
             而 Xie et al（2012）指出，超折射对应尖锐的折射率                    球大气导致的相位延迟和振幅，可获得大气电离
             梯度，梯度极值法可以简单准确的判断边界层高                              层、平流层和对流层中无线电波弯角的精确垂直廓
             度。Ho et al（2014）对比了应用梯度极值法和“断点                     线（Anthes et al，2012）。弯角廓线进而可以反演大
             法”的掩星弯角、折射率以及水汽压判断的边界层                             气折射率、密度、气压和水汽等变量信息（Kursins‐
             高 度 发 现 ，梯 度 极 值 法 对 应 的 边 界 层 高 度 与               ki et al，1997）。GPS 卫星无线电波波长较长，传播
             CALIOP（云和气溶胶探测激光雷达）判断的边界层                          过程几乎不受云雨以及气溶胶影响，GPS 掩星资料
             高度更接近，因此判断梯度极值法比“断点法”更精                            垂直分辨率较高（邹晓蕾，2012）。应用开环处理技
             确。周文等（2018）研究了掩星资料在青藏高原地                           术（open-loop tracking）后，掩星信号在热带大气低
             区的适用性，采用折射率梯度极值法确定边界层高                             层的准确度有所提高，超过 80% 的廓线在热带范围
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