Page 230 - 《高原气象》2021年第5期
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5 期 孟 恬等：GPS掩星观测误差和边界层高度的判别 1191
内达到低于 2 km 的高度，而在闭环处理下只能达 率为 20 m 左右，WetPrf 产品垂直分辨率为 100 m。
到 50%，开环技术可以同时记录、反演上升和下降 COSMIC RO 数 据 来 自 CDAAC（COSMIC Data
掩星数据，大大增加了数据量（Sokolovskiy and Ser‐ Analysis and Archive Center；http：//cosmicio. cos‐
gey，2001，2006；Ao et al，2009，2012）。 mic. uc ar. edu/cdaac/index. html）。在 CDAAC 中，
当 GPS 卫星与低轨卫星之间的射线在大气中 气压、水汽压和温度信息的背景场来自于欧洲气象
上升或下降时，其相位和振幅先被反演为射线弯 中心再分析数据（Dee et al，2011），它被插值到
角，然后在局部球对称的假设下射线切点处经过阿 COSMIC 掩星探测的时间和位置上，然后在一维变
贝尔变换反演为折射率，进而得到整层大气折射率 分数据反演（1D-VAR）算法中计算气压、水汽压和
垂直廓线（Guo et al，2011）。折射率廓线可用于反 温度的估计值。无线电掩星数据处理包（The Radio
演温度和水汽。 Occultation Processing Package，ROPP）由欧洲气象
依据几何光学，在球对称假设下，根据光折射 卫星应用组织（European Organisation for the Exploi‐
定律（Snell’s law）即伯格定律（Bouger’s law），射线 tation of Meteorological Satellite，EUMETSAT）的掩
满足（Born et al，2000）： 星气象卫星应用中心（Radio Occultation Meteorolo‐
rn (r )sinφ = a = const （1） gy Satellite Application Facility，ROM SAF）提 供
式中：r为射线到地心的距离；φ 为射线与卫星和球 （Culverwell et al，2015），可用于处理 COSMIC 掩
面假设球心连线的夹角；a 为影响参数，对于指定 星数据。
射线，a 为常数；n 为折射指数，n 与折射率 N 的关 2. 2 判断边界层高度方法
系为： 边界层顶通常存在温度和水汽的突变，对于
N = 10 (n - 1) （2） GPS 掩星资料，温度和水汽的突变导致掩星探测的
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弯角 α是影响参数 a的函数，可表示为（Kursin‐ 弯角和折射率的突变，掩星资料的弯角、折射率参
ski et al，1997；Sokolovskiy and Sergey，2003）： 数可用于全球边界层高度的监测。Ao et al（2012）
∞ d ln (n)/dx 指出折射率包含温度和湿度信息，相比于仅使用温
α (a ) = -2a ∫ dx （3）
2
a x - a 2 度或水汽效果更好。Xie（2014）指出掩星弯角资料
式中：x = rn (r )，经过阿贝尔变换（Fjeldbo et al， 在亚热带东部海洋对于温度和湿度的急剧变化有
1971）可以得到折射率N，或折射指数n： 最佳的灵敏度，可以获得较高精度的边界层高度信
1 ∞ α ) 息。本文使用掩星弯角和折射率参数，采用最小梯
n (r ) = exp ∫ da （4）
( π x a - x 2 度法判断边界层高度，具体方法为：（1）廓线筛选：
2
为防止对较浅或较深边界层的采样不足，仅选择廓
折射率 N 与大气温度和水汽有关（Smith and
Weintraub，1953）： 线最低探测高度小于 300 m、最大探测高度超过
P P w 5000 m 的廓线。（2）对折射率、弯角廓线按照公式
)
N = a1 + a2 （5） 3
T T 2 x j = 1 (∑ i + j - 1 + x j ，( j = 1，2，⋯，n - k + 1) 进行
x
式中：P为气压；P 为水汽压（单位：hPa）；T为温度 4 i = 1
w
（单 位 ：K）；常 数 a1=77. 6 K·hPa ，a2=3. 73×10 5 滑动平均。（3）在每个高度采用向前差分计算垂直
-1
k·hPa 。对流层上层，第二项（湿项）可以忽略；而 梯度寻找并记录梯度廓线的极值，对每个极值点
2
-1
在对流层低层，水汽对折射率有显著影响。公式 及极值点邻近两个梯度值进行二次拟合，拟合后曲
（4）仅在球对称假设成立时有效，然而地球的椭球 线的极值对应高度定为边界层高度。（4）梯度廓线第
形状和大气结构的水平梯度使射线路径与球对称 一、第二极值分别对应第一边界层高度和第二边界
存在偏差，此时由弯角 α 反演折射指数 n 时存在偏 层高度。弯角、折射率廓线对应的第一、第二边界
BA
BA
N
N
差（Kursinski et al，1997）。 层高度分别记为PBL1 、PBL2 、PBL1 和PBL2 。
本文使用 2007 年 1 月 1 日至 2014 年 4 月 30 日 图 1 中依据弯角梯度廓线第一、第二极值判断
COSMIC 掩 星 产 品 中 干 反 演（AtmPrf）与 湿 反 演 第一、第二边界层高度。该掩星事件发生于 2013
（WetPrf）资料研究掩星观测误差及边界层高度分布 年 1 月 1 日 21: 15: 52（世 界 时 ，下 同），19. 5° S，
特征。AtmPrf 与 WetPrf 为二级掩星产品，包含弯 116. 7°W，位于东太平洋赤道附近的洋面上。由前
角、折射率、大气压强、温度、水汽压、海拔、经 文公式（3）可知弯角 α是影响参数 a的函数，影响参
度、纬度及影响参数等信息。AtmPrf产品垂直分辨 数减去地球局地曲率半径得到影响高度，图中判
