羅雙,尹球
(1.上海市氣象局,上海200030;2.中國氣象局氣象衛(wèi)星用戶辦公室,上海200030;3.中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室/國家衛(wèi)星氣象中心,北京100081)
而標準大氣廓線主要用于遙感器、輻射傳輸和大氣反演方法模型的應用性能評價與比較分析,它是典型的大氣模型,此模型提供了氣壓、溫度、濕度、氣體組分及其廓線分布等常規(guī)氣象參數(shù)[4]。標準大氣廓線按覆蓋區(qū)域分為全球大氣(如ISO 2533、GRAM 1999、USSA-1976 等)、區(qū)域大氣(GJB5601-2006),按高度分為低層大氣(ICAO 7488)、中層大氣(AFGL)和高層大氣(Jacchia J70/NRL 等)[5]。
在大氣輻射傳輸計算方面,若要客觀評價模擬效果,對模式參數(shù)設(shè)置進行對比分析,需要輸入統(tǒng)一的能反映全球或區(qū)域平均大氣狀態(tài)的標準大氣模型,從而對地球大氣有概括的評價。每個大氣輻射傳輸軟件均需要嵌入大氣參數(shù)廓線,如國內(nèi)外流行的 MODTRAN[6]、LBLRTM[7-8]和 FASCODE[9]等輻射傳輸軟件中設(shè)置的廓線為1972年美國空軍地球物理實驗室(AFGL)建立的5種標準大氣模式[10],分別為熱帶大氣(15°N)、中緯度夏季大氣(45°N,7月)、中緯度冬季大氣(45°N,1月)、副極地夏季大氣(60°N,7月)、副極地冬季大氣(60°N,1月) 及 1976年美國標準大氣(US Standard Atmosphere)[11],這些標準大氣廓線包含了氣溫、水汽比濕、氣壓、空氣密度、氣體組分的含量等。利用不同季節(jié)和地理位置的標準大氣廓線作為輸入?yún)?shù),可以得到不同時空條件下的模擬值,以分析大氣溫度、水汽和氣體濃度等參數(shù)對模擬值的影響。此外,采用六種標準大氣作為輻射傳輸模式的重要輸入因子,魏合理等[12-13]進行了大氣透過率的正演模擬計算;戴鐵等[14]仿真分析了衛(wèi)星傳感器的光譜通道特性;郭楊等[15]將標準大氣溫濕狀況作為VDISORT模式的輸入,進行微波溫濕探測儀各通道上行輻射亮溫的模擬計算和敏感性分析;李云艷等[16]利用輻射傳輸模式和中緯度夏季標準大氣廓線,提出了晴天地表太陽輻射的參數(shù)化方案。因此,標準大氣廓線在大氣遙感領(lǐng)域應用廣泛,意義重大。
AFGL的標準大氣模式和1976年美國標準大氣這6種模式是基于對實測資料的統(tǒng)計和理論分析獲得[17],其考慮了大氣參數(shù)隨緯度和季節(jié)的變化,但更新頻次低,在全球氣候變暖的大背景下,標準大氣模式的滯后必將帶來一定的誤差;其次,現(xiàn)有標準大氣廓線時空分布僅以某個緯度的夏季和冬季為代表,且未區(qū)分海洋和陸地,因此時空分布等細節(jié)特征體現(xiàn)不夠完整;另外,標準大氣模型是一種平均狀態(tài),未反映其數(shù)據(jù)波動特性,而方差和標準差在參數(shù)的離散度和穩(wěn)定性分析時尤為重要;此外,用戶通常只簡單套用標準大氣模式,但對其時空特征不甚了解,例如為何AFGL標準廓線需要區(qū)分緯度?其熱帶大氣廓線為何不分季節(jié)?而中緯度和副極地為何只區(qū)分夏季和冬季?作者曾利用ERA-Interim再分析資料分析了風云四號A星觀測區(qū)域大氣溫度平均值廓線的時空分布特征[18],本文將在此基礎(chǔ)上,以全球為研究區(qū)域,除了分析溫度廓線的平均值分布特征外,還進一步分析溫度廓線的標準差時空分布情況,并與國內(nèi)外常用的AFGL標準大氣廓線進行定性和定量對比,從根源處詳細解釋全球大氣溫度廓線平均值和標準差隨緯度、海陸和季節(jié)的時空分布特征,為輻射傳輸模擬計算提供數(shù)據(jù)支撐。
全球再分析資料有多種,發(fā)展時間較長的有美國的NCEP[19]、日本的JRA[20]以及歐洲的ERA[21]等。歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF) 的再分析數(shù)據(jù)由地面觀測、航海觀測、飛機觀測、高空探測以及衛(wèi)星遙感資料等多源觀測數(shù)據(jù)同化構(gòu)成[22]。ERA-Interim是歐洲數(shù)值預報中心發(fā)布的第三代全球大氣再分析產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)實現(xiàn)了再分析資料質(zhì)量的提升[23]。目前已有眾多研究人員對ERA-Interim再分析資料進行了應用,并對其可信度和適用性進行了評估,其數(shù)值預報產(chǎn)品的性能已經(jīng)得到公認[24-28],并被廣泛用于氣溫、降水、海洋參數(shù)等物理量的多年變化特征分析[29-31]。
ERA-Interim提供了自1979年1月1日至今覆蓋全球大氣的再分析資料,自2017年10月25日開始,數(shù)據(jù)的批量下載需要安裝ECMWF KEY,并使用Python腳本才可保存至本地。ERA-Interim數(shù)據(jù)分為每天四個時次(00、06、12、18 UTC)的逐日資料和月平均格點資料,空間分辨率從最高0.125 °×0.125 °至 3.0 °×3.0 °共 11種。除地面觀測外,還提供氣壓層(37層)和模式層(60層)的垂直廓線資料,包含溫度、比濕、臭氧混合比、渦度、散度等多個物理量。用戶可根據(jù)需要選擇所需區(qū)域地理范圍、物理量和數(shù)據(jù)的時空分辨率,下載的數(shù)據(jù)格式有GRIB和NetCDF兩種。
本文分析所使用的資料是1979—2016年共38年的ERA-Interim月平均溫度格點數(shù)據(jù)(單位:K),空間分辨率是2.5°×2.5°,垂直高度上從1 000 hPa到數(shù)值模式層頂(一般為10 hPa)共32層。具體分層方法為:1 000~775 hPa間隔25 hPa取一層,750~300 hPa間隔 50 hPa取一層,250 ~100 hPa間隔25 hPa取一層,再往上按照70 hPa、50 hPa、30 hPa、20 hPa、10 hPa分層。
如果非要討論宋代瓷器中的復古風氣的話,不僅僅可以從鬲式爐、觚等這類瓷器中尋求例證。在《崛起的黑瓷文明——建盞》一書中有這樣的觀點,書中認為在宋代風行的黑瓷建盞中也潛藏著一股復古思潮。宋代建盞具備更多的原始瓷器的特征,例如胎土含鐵量高,釉色和坯體顏色不穩(wěn)定,常有蠟淚痕和聚釉現(xiàn)象并且只施半釉。宋代陶瓷上的很多新技法并沒有在建盞中表現(xiàn),而是延續(xù)原始瓷器的元素,并在整個宋代社會風行。從建盞這一別具宋風的瓷器中,可以洞見宋瓷中涌動的復古暗流。
本文將從全球四百多萬條大氣溫度廓線樣本的總體特征入手,分析北半球和南半球大氣溫度廓線在高中低緯、海洋陸地、春夏秋冬的時空變化差異。由于南、北半球海陸覆蓋、人類活動以及大氣環(huán)境存在明顯差異,因此需將兩半球溫度廓線分開統(tǒng)計。按緯度劃分,0~30°N/S為低緯、30~60 °N/S 為中緯、60~90 °N/S 為高緯;用相同空間分辨率的ERA-Interim海陸掩膜文件(該文件中0代表海洋,1代表陸地)進行海洋和陸地判識(圖1),紅色為陸地,藍色為海洋。南、北半球各緯度帶的海洋和陸地像元個數(shù)統(tǒng)計如表1所示。其中,北半球海洋像元總共有2 960個點,陸地像元累計1 792個點;南半球海洋和陸地像元分別為3 317和1 435個統(tǒng)計點。由于南半球中緯度以海洋覆蓋為主,因此陸地像元僅71個采樣點。
圖1 ERA-Interim海陸掩膜文件
表1 各分析區(qū)域內(nèi)像元個數(shù)統(tǒng)計 單位:個。
對于季節(jié)的劃分則采用傳統(tǒng)的標準:北半球(南半球)3月、4月、5月為春季(秋季),6月、7月、8月為夏季(冬季),9月、10月、11月為秋季(春季),12月、翌年1月和2月為冬季(夏季)。
本文涉及的統(tǒng)計量包括平均值和標準差,以了解多年大氣溫度垂直廓線的平均特征和離散度,計算公式如下所示。
其中k是垂直分層;t是時間,38年月平均資料共計456個元素;i是經(jīng)度范圍,按照2.5°×2.5°分辨率,全球從西經(jīng)到東經(jīng)共144個元素;j是緯度范圍,根據(jù)需要從90°S~90°N范圍內(nèi)取值。
大氣的溫度是大氣與環(huán)境的重要參數(shù),獲得連續(xù)的大氣溫度廓線數(shù)據(jù)對認識各種尺度的天氣演變過程和做好臨近天氣預報具有重要意義[32]。已有研究分析了從對流層中部到平流層溫度廓線多年變化趨勢,再現(xiàn)了平流層降溫和對流層升溫的變化特征[33],本文主要是對多年大氣溫度廓線進行平均分析。首先針對南、北半球分別統(tǒng)計研究區(qū)域內(nèi)所有大氣溫度廓線樣本的頻數(shù)分布。以0.5 K為間隔,將溫度分為281個等分點,統(tǒng)計180~320 K各個區(qū)間內(nèi)溫度值出現(xiàn)的次數(shù),即得到樣本頻數(shù)分布圖(如圖2)。圖中顏色越紅表征的是各個高度層上出現(xiàn)次數(shù)越多的溫度區(qū)間,顏色越藍表示的是各個高度層上出現(xiàn)次數(shù)越少的溫度區(qū)間。由圖2色標可知,樣本頻數(shù)最多可達104量級,最少是103量級。同時,對多年溫度廓線進行逐層統(tǒng)計,得到垂直方向各高度層上的溫度平均值,用黑色虛線表示。
北半球與南半球的各高度層溫度平均值、頻數(shù)最多的區(qū)間垂直分布特征類似,均為先隨高度減小至某一百帕后增加,拐點均出現(xiàn)在100 hPa左右(約16 km)。此外,平均值和頻數(shù)最多區(qū)間的交點出現(xiàn)在200 hPa(約12 km)處,此高度以下,頻數(shù)最多區(qū)間分布在平均數(shù)右側(cè)。南、北半球最小值垂直變化有所差異,但最大值垂直分布特征類似,均為隨高度減小至250 hPa附近然后增加。
利用38年的ERA-Interim月平均格點數(shù)據(jù)計算南、北半球大氣溫度廓線標準差垂直分布,發(fā)現(xiàn)其與每日4個時次逐日資料計算結(jié)果一致。由圖3可知,在大氣底層,多年的溫度波動較大,南、北半球1 000 hPa處溫度標準差約為17 K,200 hPa處波動達到最小,此處北半球溫度標準差約為5 K,南半球標準差約為7 K,隨后往上又有所增加,100 hPa處標準差約為12 K。因此,在100 hPa以下,南、北半球溫度標準差(即溫度波動)總體上隨高度呈先減小后增大的“V”型變化趨勢。此外,同一高度處,南半球標準差比北半球略大。
圖2 大氣溫度廓線樣本頻數(shù)分布及平均值 a.北半球;b.南半球。顏色代表頻數(shù)。
圖3 南、北半球大氣溫度廓線標準差垂直分布
利用ERA-Interim多年資料分別統(tǒng)計南、北半球春、夏、秋、冬各季節(jié)大氣溫度廓線的分布情況。由圖4a、4b可知,不論是南半球,還是北半球,在各高度層,夏季溫度最高,冬季溫度最低,春秋季介于兩者之間。且對于南、北半球的四個季節(jié),從1 000~100 hPa垂直方向上,溫度隨高度遞減,這是由于在大氣低層,地面吸收太陽短波輻射后放出的長波輻射加熱大氣,離地面越遠時,溫度加熱逐漸減少,到達對流層頂部,溫度降至最低。需要說明的是,對于對流層頂?shù)拇_定有多種方法[34],本文通過最小溫度法選取溫度數(shù)據(jù)的最小值作為對流層頂溫度,對應的高度作為對流層頂高度(下同)。
對于北半球而言,對流層內(nèi),夏季溫度垂直變化最大,從大氣底層到對流層頂溫度降低約80 K,冬季減小最慢(表2)。這主要是因為四個季節(jié)下墊面吸收的熱量不同,以及對流層內(nèi)的大氣質(zhì)量和能量垂直交換不同,使得各季節(jié)的溫度變化率有所差異。平流層內(nèi),溫度隨高度增加,且增溫速率比對流層降溫速率高一個量級,相比較而言,夏季增溫最快,春季次之。南半球大氣低層各季節(jié)溫度差異比北半球略小,且對流層溫度變化率相差不大,四季均為0.08 K/hPa左右(表2),平流層溫度垂直變化率從大到小依次為春、夏、秋、冬。
統(tǒng)計南、北半球各季節(jié)大氣溫度標準差的垂直分布(圖4c、4d),在 200 hPa高度以下,夏季標準差最小,冬季標準差最大,春秋季介于兩者之間。對北半球而言,大氣底層氣溫變化較大,垂直向上逐漸減小,特別是400~200 hPa迅速減?。粚δ习肭蚨?,1 000~400 hPa 波動減小,400~200 hPa同樣迅速減小。南、北半球大氣溫度廓線標準差在200 hPa處達到極小值,向上至100 hPa有所增加。因此200 hPa是南、北半球大氣溫度廓線標準差的重要拐點。
圖4 各季節(jié)大氣溫度的垂直分布 a、c.北半球;b、d.南半球;a、b.平均值;c、d.標準差。
表2 平流層和對流層各季節(jié)大氣溫度垂直變化率單位:K/hPa。
以下進一步剖析南、北半球各緯度大氣溫度廓線的季節(jié)特征。由圖5可知,不論是北半球,還是南半球,低緯度溫度垂直廓線的季節(jié)性差異不大,差異主要集中在700 hPa對流層低層大氣;中緯度次之,季節(jié)差異主要體現(xiàn)在對流層內(nèi),且南半球比北半球中緯度季節(jié)性差異?。桓呔暥燃竟?jié)差異尤為明顯,從低層到高空的整層大氣均存在四季區(qū)別。對于中、高緯度,對流層頂以下,大氣溫度夏季最高,冬季最低,春秋季居中。此外,300 hPa以上中高層大氣,冬、夏兩季溫度差較大。以上結(jié)論與風云衛(wèi)星觀測區(qū)域大氣溫度平均值廓線的季節(jié)分布特征一致[18]。
此外,還進一步分析了北半球和南半球的海洋、陸地大氣溫度廓線的季節(jié)特征,結(jié)果表明,海洋和陸地特征類似(圖略)。
圖5 南、北半球各緯度帶大氣溫度廓線分布a、c、e.北半球;b、d、f.南半球;a、b.低緯度;c、d.中緯度;e、f.高緯度。
圖6 是高、中、低緯度的海洋和陸地上空多年平均大氣溫度垂直分布情況。各緯度帶用不同顏色區(qū)分,海洋和陸地分別用空心圓圈和實心點表示。從圖6a可以看到,北半球不論海洋還是陸地,各緯度帶溫度廓線的差異情況類似,200 hPa以下,在同一高度處溫度特征是低緯>中緯>高緯;200 hPa以上,同一高度處低緯度溫度小于中、高緯度溫度。低緯度溫度廓線在100 hPa(16 km左右)存在明顯的轉(zhuǎn)折,對流層頂清晰可見,而中高緯度對流層頂分別在 100~200 hPa和 200~300 hPa(9~12 km)之間,這與我們所知的大氣物理學原理也是一致的,隨著緯度增加,對流層頂高度降低[35]。南半球可以得到類似結(jié)論。
此外,南、北半球海陸差異有所不同,北半球海陸差異主要分布在中、低緯度大氣低層,且陸地大于海洋;而南半球海陸差異低緯度類似,中緯度和高緯度海陸差異較北半球大。
統(tǒng)計各緯度和海陸大氣溫度標準差垂直分布(圖6c、6d)可知,低緯度標準差最小,北半球在6 K以內(nèi),而南半球在4 K以內(nèi),且海陸差異不大;200 hPa以上,高緯度標準差明顯增大,南半球尤為明顯。
圖6 各緯度和海陸大氣溫度垂直分布 a、c.北半球;b、d.南半球;a、b.平均值;c、d.標準差。
前面提到,季節(jié)平均狀況下,不論對于海洋還是陸地,南、北半球緯度特征類似,以下將詳細分析各個季節(jié)和海陸大氣溫度廓線的緯度特征,北半球統(tǒng)計結(jié)果如圖7(見下頁)所示。羅雙等[18]曾統(tǒng)計風云四號A星觀測區(qū)域的北半球大氣溫度廓線的緯度特征(文獻[18]圖3),如果擴展區(qū)域至北半球,結(jié)論與區(qū)域分析一致。對于各季節(jié)的海陸而言,北半球溫度廓線具有典型的緯度差異:200 hPa以下,在同一高度處,溫度分布低緯最高,高緯最低;200 hPa以上,除冬季中緯度溫度偏高外,其他季節(jié)特征相似。
同樣從圖7可以看到,對于春、夏、秋、冬四個季節(jié),北半球各緯度帶的海洋、陸地上大氣溫度廓線差異有所區(qū)別。低緯度的海陸差異主要體現(xiàn)在大氣低層(700 hPa以下),陸地略大于海洋;對于中緯度,春、夏季大氣低層陸地大于海洋,冬季高層海洋大于陸地;高緯度春、秋季海陸差異不大,夏季大氣低層陸地略大于海洋,冬季大氣低層海洋大于陸地。因此,北半球溫度廓線存在部分海陸差異,除冬季中緯度大氣廓線外,溫度廓線的海陸差異主要集中在大氣低層。
對于南半球(圖8,見下頁),各季節(jié)海陸差異與平均狀況較一致,中、低緯度主要集中在大氣低層,且陸地大于海洋;高緯度海陸差異較大,從1 000 hPa至數(shù)值預報模式層頂10 hPa均為海洋大于陸地。
美國空軍地球物理實驗室1972年發(fā)布的第三版大氣光學特征說明給出了特定大氣折射率、均勻混合氣體和氣溶膠分布情況下,從熱帶至亞極地五種大氣模式的溫度廓線,垂直高度從地面至100 km(3×10-4hPa)。為便于對比,本文分析10 hPa高度以下的AFGL標準大氣廓線,總共包含28層。圖9是AFGL五條大氣廓線分布情況,不同廓線用顏色進行區(qū)分。由圖9可知,除亞極地冬季低層存在逆溫外,其余的溫度廓線均先隨高度減小至某一高度后增加或變化緩慢;200 hPa以下,在同一高度處,溫度自高到低依次為熱帶、中緯度夏季、亞極地夏季、中緯度冬季、亞極地冬季;在200 hPa以上,亞極地夏季溫度最高;熱帶地區(qū)對流層頂位于100 hPa附近清晰可見。
圖7 北半球各季節(jié)海洋和陸地的大氣溫度廓線 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季。
圖8 南半球各季節(jié)海洋和陸地的大氣溫度廓線 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季。
結(jié)合本文第三部分對ERA-Interim多年再分析資料進行全球大氣溫度廓線時空分布特征研究可知,南、北半球大氣溫度廓線具有緯度差異,其中低緯度季節(jié)差異不大,中高緯度存在明顯季節(jié)差異,且各季節(jié)大氣溫度廓線的海陸差異不同,南半球海陸差異比北半球大。對比AFGL大氣標準廓線和根據(jù)ECMWF再分析資料構(gòu)建的溫度廓線,由表3可知,ECMWF資料構(gòu)建的廓線不僅具有AFGL廓線所體現(xiàn)的緯度和季節(jié)特征,還分別對南、北半球進行了分析,且區(qū)分了海洋和陸地,并包含標準差信息,因此具有更多的細節(jié)特征。
表3 AFGL標準大氣模式與本文根據(jù)ECMWF資料構(gòu)建的溫度廓線特征對比
為了定量分析兩種廓線的差異,本文以中緯度夏季為例,對比分析各高度層AFGL標準大氣廓線與利用ECMWF資料統(tǒng)計得到的平均溫度的差異。由于兩種廓線分層標準不完全一致,為保證對比的有效性,選取兩者近似同一高度處(氣壓相差5 hPa以內(nèi))的溫度進行比較,統(tǒng)計結(jié)果見表4。通過對1 000~10 hPa共計10個高度的分析可知,兩者溫度略有差異,除175 hPa和150 hPa外,其余高度處AFGL溫度值較ECMWF統(tǒng)計值偏高1~3 K。溫度差最大的是175 hPa附近,AFGL比ECMWF統(tǒng)計結(jié)果低3.1 K,而125 hPa附近溫度差最小,AFGL比ECMWF統(tǒng)計結(jié)果高0.9 K。總體來說,利用ECMWF客觀資料統(tǒng)計得到的平均溫度與AFGL相差基本在3 K以內(nèi);同時,新的廓線較AFGL有所調(diào)整,主要是由于AFGL中緯度夏季廓線僅以7月和45°N為代表,而ECMWF資料構(gòu)建的大氣溫度廓線中緯度夏季包含了6—8月的信息,并且是30~60°N的平均。此外,1979—2016年ECMWF再分析資料統(tǒng)計的大氣溫度廓線客觀上體現(xiàn)了近年來氣候變化的貢獻。需要說明的是,AFGL廓線由實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計和理論分析建立,而本文根據(jù)ECMWF構(gòu)建的大氣廓線是基于再分析資料,兩種廓線數(shù)據(jù)來源略有差異。
表4 各高度層AFGL標準大氣模式與本文根據(jù)ECMWF資料構(gòu)建的大氣廓線溫度差(北半球中緯度夏季)
本文利用全球多年歐洲再分析資料,按照南、北半球不同緯度區(qū)域、海陸分布和季節(jié)變化的特點,統(tǒng)計分析了24條大氣溫度廓線平均值和標準差的時空分布特征,得到以下結(jié)論。
(1)根據(jù)ECMWF多年再分析資料構(gòu)建的大氣溫度廓線與國際通用標準大氣廓線AFGL相比,不僅具有緯度和季節(jié)特征,還分別對南、北半球進行了分析,且區(qū)分了海洋和陸地,并包含標準差信息,因此具有更多的細節(jié)特征。
(2)南、北半球各高度層溫度的平均值、頻數(shù)最多的溫度區(qū)間和最大值垂直分布均為先隨高度減小至某一百帕后增加。在大氣低層,多年的溫度波動較大,隨著高度增加逐漸減小,200 hPa處波動達到最小,隨后至對流層頂時又有所增加,溫度標準差廓線呈V型分布。
(3)南、北半球大氣溫度平均值廓線具有典型的緯度差異,其中低緯度季節(jié)性差異較小,中緯度次之,高緯季節(jié)性差異最大,各季節(jié)大氣溫度廓線的海陸差異不同,這與風云衛(wèi)星觀測區(qū)域大氣溫度平均值廓線時空分布特征一致。
(4)南、北半球大氣溫度標準差廓線也存在時空分布差異,200 hPa以下,夏季溫度標準差最小,冬季標準差較大,春秋季居中;低緯度標準差小于中高緯度;北半球陸地上溫度廓線標準差略大于海洋。
本文重點對全球大氣溫度廓線多年再分析資料進行統(tǒng)計,分析各高度層上溫度平均值和標準差的時空分布特征,并與國際通用的AFGL標準大氣模式進行定性和定量對比。研究對利用該資料構(gòu)建最新的大氣廓線樣本數(shù)據(jù)庫具有指導作用,從而為正演輻射傳輸模式提供更具區(qū)域性天氣、氣候等細節(jié)特征的輸入?yún)?shù)。