袁帅 唐歌实 高鹏
摘要本文基于小波协方差变换法，使用COSMIC和ERA-Interim两种数据的折射率获取了全球海洋边界层的时空分布情况并进行了对比分析.结果表明：在空间上，由两种数据反演出的海洋边界层高度所显示出的分布特征大致相同，即沿着赤道呈不完全对称分布，仅在个别海域有所差别；
在季节及月变化方面，两者均呈现出夏季较高的特点；
在日变化特征上，两者变化均不明显，但ERA-Interim数据的海洋边界层高度的日变化特征与太阳辐射的日变化特征更加符合；
在数值差异上，COSMIC数据要比ERA-Interim数据的结果高500～1 000 m，且低纬度地区两者差异大于高纬度地区，夏季两者差异小于冬季.
关键词COSMIC掩星；
ERA-Interim；
折射率；
海洋边界层；
小波协方差变换法；
时空分布特征
中图分类号
P407
文献标志码
A
收稿日期
2021-07-08
资助项目
南京信息工程大学人才启动经费（2018r074）；
新罗区奇迈科技创新基金（XLQM004）
作者简介袁帅，男，硕士生，主要研究方向为GNSS气象学.1402303629@qq.com
唐歌实（通信作者），男，博士，教授，主要研究方向为GNSS大气遥感.tanggeshi@nuist.edu.cn
1 南京信息工程大学遥感与测绘工程学院， 南京，210044
2龙岩学院 资源工程学院，龙岩，364012
0 引言
大气边界层是地球大气中的物质、能量与动量上下交换的过渡层，对全球气候系统有着重要的影响[1].大气边界层高度是描述大气边界层特征的一个关键参数，可以用来描述给定区域内与之相关的昼夜、气象和气候过程，包括云特征以及地面和自由大气之间的联系[2]，可靠的边界层高度信息对于天气预报和气候模式等研究有着重要的意义[3].
长期以来，边界层高度的测量主要依靠无线电探空数据、星载遥感、雷达观测资料等.但这些传统的探测方法都有其局限性：无线电探空资料的地理分布有限，尤其是海上的站点更少，且每天只有两次观测数据，难以用来研究大范围的边界层高度；
星载遥感资料虽然探测范围广，但对于边界层研究来说其垂直分辨率较低[4]，并且星载遥感资料受天气条件影响较大，仅在多云和晴空条件下有着较好的探测效果[5]；
雷达观测资料的观测结果容易受到平流输送[6]和环境噪声的影响[7]且观测的分辨率有限[8]，也同样存在探测范围较小的问题.
目前，对于大范围的海洋边界层高度的研究，通常使用全球导航卫星系统无线电掩星（Global Navigation Satellite System Radio Occultation，GNSS/RO）观测资料和再分析资料.GNSS无线电掩星技术是一种全新的大气廓线探测手段，具有高精度、高垂直分辨率、近实时、全天候、全球覆盖、低成本、长期稳定性等优点.以COSMIC为代表的掩星观测卫星在采用了“开环跟踪”技术后，有效解决了大气多径效应的影响，大大提高了低空的探测精度.廖麒翔等[9]、刘艳等[10]相继使用COSMIC折射率数据进行了边界层高度的研究，取得了很好的结果.再分析资料是利用数值天气预报资料同化系统给出的过去几十年具有高度一致性的全球客观资料，可以视为对大气情况的“最优”反映，目前已成为一种最主要的资料来源.ECMWF再分析（ECMWF Re-Analysis）资料由欧洲中期天气预报中心发布，具有准确、可信度高等优点，被广泛地运用于气象等领域，von Engeln等[1]就使用ECMWF再分析资料中的ERA-Interim数据获取了大气边界层高度.Guo等[11]、周文等[12]分别探讨了两种资料在使用相同方法下获取边界层高度的计算结果，但前者对于两种数据获取的边界层高度结果未深入到对时空分布进行比较，而后者的研究区域则局限于青藏高原地区.本文基于小波协方差方法，使用2008—2012年5年的COSMIC数据和ERA-Interim数据分析了海洋边界层高度的时空分布特征，并详细比较了两种数据获取的海洋边界层高度在空间分布，季节、月变化及日变化方面的数值差异.
1.4 海洋边界层结构分析方法
由于使用的ERA-Interim数据为2°×2°的格网数據，而掩星数据点的经纬度是全球分布的，因此处理掩星数据时，将全球分为90×180个2°×2°的网格单元，计算每个单元内大气边界层高度的年平均值、月平均值以及小时的平均值作为该网格单元的替代值，使得COSMIC数据与ERA-Interim数据保持形式上的一致.
2 海洋边界层时空分布特征
2.1 海洋边界层空间分布特征
图2为2008—2012年5年的COSMIC折射率数据及ERA-Interim折射率数据所确定的海洋边界层平均高度的全球分布情况.COSMIC数据显示在45°N以北的北冰洋及附近海域以及45°S以南的海域有着较低的边界层高度，约在1～1.5 km范围内，部分地方甚至低于1 km；
ERA-Interim则显示50°N以北及60°S以南有着较低的边界层高度，在1 km以下.在南北美洲以及非洲西岸等大陆西海岸地区，两者均对应着较低的边界层高度，COSMIC在1～1.5 km范围内，而ERA-Interim数据则在1 km以下.在孟加拉湾到中国南海再到爪哇海、西里伯斯海及班达海等印度尼西亚附近海域 ，同样对应着较低的边界层高度，COSMIC在1～1.5 km范围内，ERA-Interim数据则在1 km以下.除去上述海域，在COSMIC边界层45°N～45°S海域有着较高的边界层高度，在1.5～2 km范围内，在南太平洋东部、北太平洋中东部、南美洲西岸及印度洋南部部分海域，甚至达到了2～2.5 km；
ERA-Interim数据则在50°N～50°S海域有着1～1.5 km的边界层高度，在南太平洋东部、北太平洋中东部、南美洲西岸及印度洋南部部分海域的边界层高度则在1.5～2 km范围内.整体而言，两者有大致相同的分布情况，在忽略陆地分布的影响下，海洋边界层高度大致呈现出沿着赤道为轴的不严格纬向对称分布.由ERA-Interim数据确定的边界层高度要比COSMIC所确定的低0.5～1 km左右，一方面与ERA-Interim模式系统性偏低相关，另一方面则是因为ERA-Interim中的边界层高度包含夜间稳定边界层和混合边界层，而COSMIC数据由于探测最低高度有限只能检测混合层高度，只有少部分廓线能检测到夜间稳定边界层高度[12].
图3a、图3b分别为由COSMIC和ERA-Interim数据确定的海洋边界层高度的发生频率统计结果，横坐标为边界层高度区间，纵坐标为频率.
由图3可知：COSMIC边界层1.4～1.6 km的占比最多，约25.7%，ERA-Interim边界层1.0～1.2 km的占比最多，约26.8%；
由COSMIC确定的边界层高度大多位于1.2～1.8 km范围内，占比超过70%，而ERA-Interim在0.6～1.4 km范围内占比达85%左右；
COSMIC边界层高度在1 km以下的只占3.4%，而ERA-Interim边界层高度在1 km以下占比则高达34.9%；
在边界层高度大于1.6 km的范围内，COSMIC的占比达33.8%，而ERA-Interim则低于3%.此统计结果的差异与上文由ERA-Interim数据确定的边界层高度要比COSMIC所确定的低0.5～1 km左右的现象相符合.
将全球海域分为60°～90°N、30°～60°N、0°～30°N、0°～30°S、30°～60°S和60°～90°S共6个纬度带对COSMIC数据和ERA-Interim数据所确定的边界层高度做出差异分析.图4a给出了COSMIC数据和ERA-Interim数据在这6个纬度带的边界层高度的平均值，COSMIC分别为1.18、1.58、1.74、1.77、1.48和1.16 km，而ERA-Interim分别为0.80、1.13、1.19、1.31、1.09和0.82 km.两种数据所确定的海洋边界层高度平均值最大的区域均位于0°～30°S，平均值最小的情况，COSMIC位于60°～90°S，ERA-Interim位于60°～90°N.图4b为COSMIC数据和ERA-Interim数据在这6个纬度带的边界層高度的平均值的差异情况，差值最大为0.55 km，位于0°～30°N，最小差值为0.34 km，位于60°～90°S.总体来看，在南北半球，COSMIC数据和ERA-Interim数据边界层高度平均值随着纬度的增加而减小，在低纬度地区两种数据的差异要大于高纬度地区.
2.2 海洋边界层的季节及月变化特征
图5为2008—2012年海洋边界层高度的季节分布，可以看出海洋边界层高度有着明显的季节变化特征.对于COSMIC数据，在北半球夏季时有着较高的边界层高度，南半球则在冬季时有着较高的边界层高度，这一现象在30°～90°N及30°～90°S的广大区域更加明显.例如在北冰洋地区部分海域冬春季节边界层高度低于1 km，这是因为夏季时海冰密度小，海温较高，产生湍流动能，有利于加深边界层，而60°～90°S的海域则正好相反，在夏秋季节的边界层高度明显低于春冬两季.对于ERA-Interim数据，没有显示出数值上的改变，但仍可以发现，夏季北半球高纬度边界层低于1 km的区域有明显的向北缩减的趋势，在印度和阿拉伯半岛之间的海域以及加拿大纽芬兰附近的海域也有着明显的边界层高度的增加.南太平洋东部、南美洲东部、澳大利亚东部的南印度洋海域以及美国以北的太平洋东部海域由于常年位于信风区，受四季变化影响较小，对应着较高的边界层.在北美洲西海岸地区、南美洲西海岸、0°～30°S的非洲西海岸这些盛行层状云地区，同样受四季影响较小，常年有着较低的边界层.在0°～30°N的亚洲东海岸、西太平洋地区，边界层顶呈现出明显的夏低冬高的现象，Klein 等[18]认为该地区冬季受寒潮或Hardly环流产生的层积云影响，因此冬季边界层较高，而夏季该地区台风频发是其边界层较低的原因[11];墨西哥湾地区由于夏季飓风频发，边界层较低，但冬季受到极地寒流向赤道移动和海上锋面的影响[1，19] ，所以边界层较高.在10°～30°N的北大西洋海域边界层高度全年偏高，和廖麒翔等[9]所得到的情况相同.孟加拉湾到中国南海再到爪哇海、西里伯斯海及班达海等印度尼西亚附近等赤道暖池海域，常年降水丰富，长波辐射被用于水汽蒸发，导致边界层内对流能量减少，四季都有着较低的边界层高度.总的来说，COSMIC数据和ERA-Interim数据所确定的海洋边界层的四季分布大体一致，只在个别区域有差异.比如：ERA-Interim数据中，地中海地区的边界层顶在冬季明显偏高，而COSMIC数据则没有这种现象；
在非洲以东佛得角海域，COSMIC数据仅仅在夏季呈现出较低的边界层高度，而ERA-Interim数据中该地区全年都对应着较低的边界层高度.
图6为对COSMIC和ERA-Interim折射率所确定的海洋边界层的月平均高度的统计.图6a中蓝线为COSMIC折射率海洋边界层月平均高度，橙线为ERA-Interim折射率海洋边界层月平均高度，可以看出COSMIC的1—12月的月均高度均保持在1.5 km左右，其中7月最高，达到1.55 km，4月最低为1.50 km，最大值与最小值相差50 m.在徐晓华等[15]的研究中，1—12月中月均边界层高度的最大值与最小值相差100 m左右，但其统计的区域包括陆地，
而由于海洋热容量较大及海洋上空云层对太阳短波辐射的反射，海洋的边界层高度月变化幅度要小于陆地.ERA-Interim数据也在7月取得最大值，为1.11 km，最小值在1月，为1.04 km.由图6a可知，海洋边界层的月平均高度存在夏季月份较高、冬季月份较小的情况.图6b为COSMIC和ERA-Interim数据海洋边界层月平均高度的差值情况，8月两者差值最小，为0.43 km，在2月差值最大，为0.48 km，夏季6—8月差值明显小于冬季（12月至次年2月）.
2.3 海洋边界层日变化特点
在研究海洋边界层日变化时，由于ERA-Interim数据每天只有4个时刻的数据，所以需要选择特定时区的海域进行研究.本文将包含太平洋中部及部分北冰洋的西十区海域（142.5°～157.5°W）记为区域A、大西洋中部及部分北冰洋的西二区海域（22.5°～37.5°W）记为区域B、位于印度洋中部的海域（82.5°～97.5°E）记为区域C，将这3个海区作为典型的研究区域.在研究时，需要将COSMIC和ERA-Interim中 UTC时间转化为当地时间，对于ERA-Interim数据来说，每天只有4个时刻，而对于COSMIC数据，取前后2 h的平均值作为某时刻的值.图7为以上3个海域的年平均边界层高度的日变化曲线，橙线为COSMIC的结果、蓝线为ERA-Interim的结果.一般来说，由于太阳辐射的影响，在14时左右海面温度达到最高值时，边界层的高度会达到最高值，但图7中显示在A、B两个海域边界层高度全天变化较小，C海域变化较大，14时左右的边界层高度也并不是最高，说明COSMIC数据确定的边界层高度的日变化特征与太阳辐射的日变化特征符合程度较低，除与COSMIC数据本身性质相关外，也与海水
比热容较大、海温日较差较小和不同海域云的影响有关.相比较而言，ERA-Interim所得到平均边界层高度的日变化在数值上要比COSMIC所得到的要低400～500 m，但也加更符合太阳辐射的特征，例如图7a、7b和7c中分别在14、16和12时取得最大值.COSMIC数据和ERA-Interim数据所得到的海洋边界层高度的日变化均较小，一般只有几十米，这与其他研究者的结论相符合[9-10，15].
3 结论
本文分别采用2008—2012年的COSMIC折射率数据和ERA-Interim折射率数据，分析了全球海洋边界层的空间分布特征、季节及月变化特征和日变化特征，并比较了两种数据所得到的海洋边界层变化特征的数值差异，得到如下结论：
1）两种数据均显示，海洋边界层顶有明显的空间分布特征.全球海洋边界层高度大致呈现出沿着赤道为轴的不严格纬向对称分布，边界层高度随着纬度的增加而降低，副热带地区的边界层高度的几个高值区与副热带系统位置较为一致.两种数据所获取的海洋边界层在数值分布上存在差异，COSMIC数据要比ERA-Interim数据高500 m左右，且在高纬度地区两者差异大于低纬度地区.
2）在海洋边界层的季节以及月变化特征方面，两种数据大致相同，只在少数地区存在差异.两种数据所得海洋边界层平均高度均存在夏高冬低的现象，且两者之间的差异则显示出夏低冬高的现象.
3）两种数据均显示，海洋边界层顶的日变化特征不明显，一般只有几十米.COSMIC数据要比ERA-Interim数据高500 m左右，ERA-Interim数据确定的边界层高度的日变化特征与太阳辐射的日变化特征更加符合.
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Temporal and spatial distribution of oceanic boundary layer based on COSMIC and ERA-Interim refractive index
YUAN Shuai1 TANG Geshi1 GAO Peng2
1School of Remote Sensing & Geomatics Engineering，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044
2School of Resource Engineering，Longyan University，Longyan 364012
Abstract
The spatial and temporal distribution of the oceanic boundary layer height is determined by wavelet covariance transform method using COSMIC and ERA-Interim refractive index data independently，then the difference between results of the two datasets is comparatively analyzed.The results show that a roughly same spatial pattern of not completely symmetrical distribution of the boundary layer height along the equator is observed for the inversion results of the two datasets.As for the seasonal and monthly variations，the oceanic boundary layer is relatively high in summer.Though no obvious diurnal variation is observed，it should be noted that the diurnal variation of boundary layer height from ERA-Interim data is more consistent with that of solar radiation.The comparison shows that the inversion results of COSMIC data are about 500-1 000 meters higher than those of ERA-Interim data，and the difference is greater in high latitudes than in low latitudes and smaller in summer than in winter.
Key words COSMIC occultation;ERA-Interim;refractive index;oceanic boundary layer;wavelet covariance variation;spatial-temporal distribution characteristics
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