上对流层/下平流层GPS掩星资料与我国探空温度对比

本文使用CDAAC(COSMIC Data Analysis and Archival Center)提供的1995—2010年GPS掩星干反演大气温度和我国无线电探空温度资料,选择临近的廓线进行匹配,以掩星资料为基准,分析上对流层/下平流层区域(200～30 hPa)探空温度与掩星温度之间的偏差。分析多种时空匹配条件下总的温度偏差和标准差的结果表明,匹配条件对偏差平均值影响较小,主要影响偏差标准差,选择探空和掩星廓线时间差小于3 h、距离小于200 km作为匹配条件。就全国平均而言,探空温度和掩星温度相差很小,其中在上对流层的偏差大于下平流层,偏差的标准差随高度增加而变大。在上对流层昼夜偏差都为正,下平流层白天为正、夜间为负,温度偏差和标准差在白天大于夜间,说明掩星资料具有足够的精度可以识别出太阳辐射对我国探空温度的影响。偏差在低纬较大,随纬度升高逐渐减小,与使用掩星资料计算的大气垂直减温率有较好的对应关系,其变化特征与探空滞后误差比较一致,说明使用掩星资料可以辨别滞后误差对探空资料的影响。就全国平均而言,L波段探空仪和59型探空仪的平均温度偏差都相对较小,但在不同纬度表现不同;在低纬地区二者偏差对比明显,59型探空仪具有较大的偏差,L波段探空仪偏差较小,高纬地区二者偏差相对都较小;59型探空仪的偏差标准差始终大于L波段探空仪。结果说明掩星资料可以分辨仪器换型对温度偏差的影响,探空仪的升级使我国探空资料的精准度提高,特别在纬度较抵的区域,偏差的改进更加明显。     

基于无线电掩星数据,探空资料以及再分析资料估算大气边界层高度的比较

用11年的全球无线电掩星数据(COSMIC),无线电探空数据(IGRA)以及欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)对全球大气边界层高度(PBLH)进行估算比较.结果表明:(1)在1200 UTC和0000 UTC,由ERA-Interim和IGRA数据估算得到的全球PBLH空间分布较为一致,相关性较好,在白天正午时候太阳辐射能力较强,对流活动频繁,估算得到的大气边界层高度较高.(2)由COSMIC掩星数据估算得到的边界层高度比探空数据和再分析数据估算结果整体偏大.(3)COSMIC掩星数据,IGRA探空数据以及ERA-Interim再分析资料估算结果都表明边界层高度在低纬度地区偏大,高纬度地区偏小.(4)分析不同数据估算边界层高度纬向季节性差异表明,IGRA探空数据和COSMIC数据间差异为-1700m至-500m,IGRA与ERA-Interim之间的差异为-500m至250m.此外,对于大多数纬度而言,三个数据集之间的差异在冬季较大,在夏季较小.     

基于无线电掩星数据,探空资料以及再分析资料估算大气边界层高度的比较（英文）

用11年的全球无线电掩星数据(COSMIC),无线电探空数据(IGRA)以及欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)对全球大气边界层高度(PBLH)进行估算比较.结果表明:(1)在1200 UTC和0000 UTC,由ERA-Interim和IGRA数据估算得到的全球PBLH空间分布较为一致,相关性较好,在白天正午时候太阳辐射能力较强,对流活动频繁,估算得到的大气边界层高度较高.(2)由COSMIC掩星数据估算得到的边界层高度比探空数据和再分析数据估算结果整体偏大.(3) COSMIC掩星数据,IGRA探空数据以及ERA-Interim再分析资料估算结果都表明边界层高度在低纬度地区偏大,高纬度地区偏小.(4)分析不同数据估算边界层高度纬向季节性差异表明,IGRA探空数据和COSMIC数据间差异为-1700m至-500m,IGRA与ERA-Interim之间的差异为-500m至250m.此外,对于大多数纬度而言,三个数据集之间的差异在冬季较大,在夏季较小.     

COSMIC计划及掩星数据误差分析

掩星观测资料的误差特性是GPS气象学研究的热点之一,COSMIC（the Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate）计划在技术上做了很多改进,包括采用“开环”跟踪技术,以改进对低对流层掩星信号的跟踪能力,从而减小掩星数据的反演误差。本文采用2006年7月29日至12月31号的COSMIC掩星数据与全球探空资料进行对比,统计了掩星数据在不同地区、不同高度层的分布以及其折射率的误差特性,结果表明：（1）与探空资料匹配后的掩星事件主要集中在中纬度地区陆地上;在垂直方向5km以上,掩星探测趋于稳定。（2）“开环”技术的应用修正了以前掩星计划中出现在低对流层的折射率负偏差,但是却引进了折射率正偏差。在低纬地区,这种正偏差最大,在地表到1km范围内达到0．6％;随着纬度增加,正偏差减小,在中纬度地区10km以下最大值为0．3％;到高纬度地区,正偏差减小到0．2％以内。     

利用COSMIC掩星资料分析青藏高原地区对流层顶季节变化特征

根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征.结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,...     

基于不同背景场的云内COSMIC掩星资料的偏差分析

利用2007-2009年Cloud Sat卫星云廓线雷达(nadir-pointing cloud profiling radar,CPR)资料,气象、电离层和气候卫星联合观测系统(Global Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate,COSMIC)掩星资料,分析了不同类型云内COSMIC掩星资料与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)分析场之间的折射率偏差特征。COSMIC与ECMWF和NCEP之间的折射率偏差分别用Nbias^ECMWF和Nbias^NCEP表示。研究发现,Nbias^ECMWF在积云、层积云、高积云和高层云中的最大值分别为1.2%、0.2%、0.5%和0.2%,而Nbias^NC...     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

COSMIC掩星资料反演青藏高原大气廓线与探空观测的对比分析

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线Wet Prf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示:(1)COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2℃、1.7 h Pa和0 h Pa,均方差为1.8℃、1.6 h Pa和0.4 h Pa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2)COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。     

天气可预报性的时空分布

为了能从非线件误差增长动力学的角度研究大气的可预报性问题,文章引入了可预报性研究的新方法--非线性局部Lyapunov指数.非线性局部Lyapunov指数及其相关统计量能够被用来定量地确定混沌系统可预报性的大小,真正地实现对可预报性的定量化研究.为了把非线性局部Lyapunov指数方法应用到实际的大气可预报性研究中,给出了一种利用大气的实际观测资料估计非线性局部Lyapunov指数的计算方法.存非线性局部Lyapunov指数方法的基础上,文中利用NCEP/NCAR再分析资料,对大气位势高度场、温度场、纬向风场、经向风场等要素场可预报性的时空分布进行了研究,结果表明:(1)在500 hPa高度层上,对于不同的要素场,其可预报期限的大小以及时空分布规律都不一样;全球大部分地区位势高度场可预报期限最大,温度场和纬向风场次之,而经向风场的可预报期限最小.(2)在500 hPa高度层七,位势高度场和温度场的纬向平均可预报期限基本上表现为一定的南北纬向带状分布,热带地区和南极地区的可预报期限最大,北极地区次之,南北半球中高纬度地区可预报期限相对较小.纬向风场可预报期限在热带地区最高,但是南北极地区可预报期限与邻近的中高纬度地区差别不大.经向风场可预报期限在南北两极地区最高,南北半球的中纬度和赤道附近地区可预报期限最小.(3)在垂直方向上,纬向平均高度场、温度场以及纬向风场可预报期限基本上都是随高度升高而增加,高层的可预报期限明显大于低层;经向风场可预报期限随高度的变化比较复杂,不同的纬度有所不同.(4)可预报性有明显的季节变化,不同要素场可预报期限高低值区的位置和强度随季节鄙有明显变化,对于全球大部分地区来说,冬季可预报性都大于夏季的.     

COSMIC掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

金沙江下游局地大气边界层风场变化特征

利用2008年在金沙江下游溪洛渡水电站坝区及向家坝水电站库区获得GPS低空探空资料以及同步地面观测资料,统计分析了坝区从地面开始到大气边界层2000 m高度四季不同高度的风场变化特征.结果表明:(1)春季溪洛渡坝区大气边界层以偏西风为主导风向,1500m高度层以下静风和小风出现频率大,是四个季节中地面静风、小风出现频率的最大值;(2)夏季地面静风、小风出现频率为四个季节中最小,夏季大气边界层中低层主要盛行西风和西北偏西风;(3)秋季溪洛渡坝区大气边界层中低层主要盛行偏西风,到高层则逐渐转变为偏北风;(4)冬季溪洛渡坝区大气边界层低空盛行以西风和西北偏西风为主导的偏西风;中高层主要风向是西风、西南偏西风、东风和东北偏东风;(5)溪洛渡坝区秋、冬季大气边界层西风、东北偏北风、东北偏东风风速最大值均出现在2000m高度层.     

低平流层准两年变率研究

分析ＮＣＡＲ／ＮＣＥＰ４０年分析资料得出,赤道低平流层纬向风年际变率的平均周期约２８．２个月,最大振幅的２０ｈＰａ,西（东）风距平平垂直下传平均速度１．２１（１．０４）ｋｍ／月。用１０ｈＰａ和７０ｈＰａ月平均纬向风标准化距平之差反映整层准两年变率的相位。低平流层两半球中纬气温有与之配合的振荡,西（东）风切变时,中纬气温偏低（高）。赤道纬向风准两年变率引起的经圈环流异常是联系低续续向风与中纬气温准年     

低平流层准两年变率研究

分析NCAR/NCEP40年再分析资料得出,赤道低平流层纬向风年际变率的平均周期约28.2个月,最大振幅在20hPa,西(东)风距平垂直下传平均速度1.21(1.04)km/月。用10hPa和70hPa月平均纬向风标准化距平之差可反映整层准两年变率的相位,低平流层两半球中纬气温有与之配合的振荡,西(东)风切变时,中纬气温偏低(高)。赤道纬向风准两年变率引起的经圈环流异常是联系低纬纬向风与中纬气温准两年变率的纽带。     

The Spatial and Temporal Variability of Global Stratospheric Gravity Waves and Their Activity during Sudden Stratospheric Warming Revealed by COSMIC Measurements

This study investigates the spatial and temporal variability of global stratospheric gravity waves (GWs) and the characteristics of GW activity during sudden stratospheric warming (SSW) using the GPS radio occultation measurements from the COSMIC mission during September 2006 to May 2013. Corresponding to the COSMIC RO observational window and analysis method, GW potential energy (Ep) with vertical scales no shorter than ～2 km is resolved. It is found that the distributions of GW Ep over 20-30 km and 30-38 km show similar spatial and seasonal variations. The variations of GW Ep with altitude and latitude along the westerly wind are identified in different seasons over 60°-80°W. In the middle and high latitudes, seasonal cycles are distinct in the time-latitude and time-altitude distributions of GW activities, which show larger Ep in winters when westerly wind dominates and smaller Ep in summers when easterly wind dominates. The influence of quasi-biennial oscillation on GW activity is recognized in the tropics. GW Ep enhances closely following the occurrence of minor SSW events; while during major events, GW Ep may not enhance, and sometimes may even weaken, in the regions where reversals of zonal wind occur, probably caused by the filtering impact of the 0 m s-1 wind level on the GWs.     

Temperatures and winds over tropical middle atmosphere during two contrasting summer monsoons, 1975 and 1979

Using the monthly geopotential heights and winds for 700 and 200 hPa for India during July and August, and the weekly M-100 Soviet rocketsonde temperature and wind data for Thumba (8.5oN, 76.9oE) during the last week of June and the first week of September for the two contrasting summer monsoon years 1975 (a very strong monsoon year) and 1979 (a very weak monsoon year), a study has been made to examine the mean circulation features of the troposphere over India, and the structures of the temperatures and the winds of the middle atmosphere over Thumba. The study suggested that the axis of the monsoon trough (AMT) at 700 hPa shifted southward in 1975 and northward towards the foothills of the Himalayas in 1979, from its normal position. Superimposed on the low-pressure area (AMT) at 700 hPa, a well-defined divergence was noticed at 200 hPa over the northern India in 1975.The mean temperatures, at 25,50 and 60 km (middle atmosphere) over Thumba were cooler in 1975 than in 1979. While a cooling trend in 1975 and warming trend in 1979 were observed at 25 and 50 km, a reversed picture was noticed at 60 km. There was a weak easterly/ westerly (weak westerly phase) zonal wind in 1975 and a strong easterly zonal wind in 1979. A phase reversal of the zonal wind was observed at 50 km. A tentative physical mechanism was offered, in terms of upward propagation of the two equatorially trapped planetary waves i.e. the Kelvin and the mixed Rossby-gravity waves, to explain the occurrence of the two spells of strong warmings in the mesosphere in 1975.     

Comparison of Beijing MST Radar and Radiosonde Horizontal Wind Measurements

To determine the performance and data accuracy of the 50 MHz Beijing Mesosphere–Stratosphere–Troposphere(MST)radar,comparisons of radar measured horizontal winds in the height range 3–25 km with radiosonde observations were made during 2012.A total of 427 profiles and 15 210 data pairs were compared.There was very good agreement between the two types of measurement.Standard deviations of difference(mean difference)for wind direction,wind speed,zonal wind and meridional wind were 24.86?(0.77?),3.37(-0.44),3.33(-0.32)and 3.58(-0.25)m s~(~(-1)),respectively.The annual standard deviations of differences for wind speed were within 2.5–3 m s~(-1)at all heights apart from 10–15 km,the area of strong winds,where the values were 3–4 m s~(-1).The relatively larger differences were mainly due to wind field variations in height regions with larger wind speeds,stronger wind shear and the quasi-zero wind layer.A lower MST radar SNR and a lower percentage of data pairs compared will also result in larger inconsistencies.Importantly,this study found that differences between the MST radar and radiosonde observations did not simply increase when balloon drift resulted in an increase in the real-time distance between the two instruments,but also depended on spatiotemporal structures and their respective positions in the contemporary synoptic systems.In this sense,the MST radar was shown to be a unique observation facility for atmospheric dynamics studies,as well as an operational meteorological observation system with a high temporal and vertical resolution.     

北半球极区平流层冬季12月与1—2月气候变化形势的对比

根据1980—2000年ERA-Interim再分析的风场和温度场资料,计算12月与1—2月北半球行星波的EP通量及其散度,并按冬季不同月份分析了平流层整层温度和风场从20世纪80年代到90年代变化的特征及其与行星波活动变化的关系。结果表明,12月高纬度地区中低平流层呈增温趋势;而1—2月温度变化呈冷却趋势。在12月中高纬度中上平流层纬向风明显减速;而在1—2月高纬度中高平流层,随着纬度和高度的增加,纬向风呈明显加速趋势。冬季北半球行星波主要沿低纬度和极地波导两支波导向上传播。但是,12月行星波沿低纬度波导的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播则明显增强。而1—2月行星波沿低纬度波导的传播明显增强,沿极地波导向平流层的传播则减弱。因此,北半球极区平流层1980—2000年间12月与1—2月波流相互作用的年代际变化形势趋于相反,有必要针对冬季不同月份分开进行讨论。     

On the Connection between Upper Atmospheric Dynamics and Tropospheric Parameters: Correlations between Mesopause Region Winds and the North Atlantic Oscillation

The middle- and high-latitude stratospheric and mesospheric wind field in winter is dominated by the stratospheric polar vortex, which reaches up into the mesopause region and leads to westerly winds there in winter. The tropospheric mean winter wind field is also connected with the stratospheric polar vortex, which thus can be considered as extending from the lower up to the upper atmosphere. We found that the January and February zonal winds of the mesopause region, as measured at the Collm Observatory of the University of Leipzig, are closely connected with the North Atlantic Oscillation (NAO) which can be considered as a measure for part of the northern hemispheric mean circulation in the Atlantic and Europe domain, since it influences the circulation over that domain. The NAO itself is considered to be a measure for Central Europe winter winds and temperatures, since large NAO indices are connected with stronger westerlies in Central Europe. Thus, the mesopause region winds are also positively correlated to the Central European winter surface temperatures.     

长江中下游6—7月降水异常与500 hPa大气环流的关系

利用1951—2004年全国160站降水资料和NCEP/NCAR500hPa月平均资料,从中纬度西风环流、位势高度、纬向风、经向风、垂直速度场等方面,分析了长江中下游地区6—7月降水与500hPa大气环流的关系。结果表明,欧亚中纬度地区西风带多雨、少雨年均表现为长波的两槽两脊形势,但是槽脊系统差异显著。长江中下游地区降水与东亚500hPa上空位势高度场、纬向风、经向风、垂直速度场均有显著的关系,进一步证明了长江中下游地区6—7月降水与500hPa大气环流有密切关系。     

北半球平流层大气环流转型的基本气候特征

利用1948—2009年NCEP/NCAR逐日高度场和风场再分析资料探讨了平流层各主要层次上环流转型的年际、年代际时空演变特征。结果表明:北半球平流层冬季环流转为夏季环流的过程是高层环流转型早,低层环流转型晚,但在各层次上环流转型早晚存在着区域性差异。自新地岛到西伯利亚北部地区的环流转型最早,且该区域与北半球环流平均转型时间的年际以及年代际特征最相近。北半球平流层环流转型的气候平均时间早于东亚热带季风爆发时间,从而可能成为季风预测的前兆信号。分析还得到平流层各主要层次环流转型时间具有明显的年代际特征,环流转型时间呈现由偏晚到偏早、又从偏早到偏晚的变化特征,只是年代际转折年份在不同区域、不同层次存在差异。此外,平流层环流转型时间普遍存在准2年、准3~6年、准9~12年以及准21~24年的周期,可能与气候系统其他成员有密切联系。