英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

根据网格数据确定对流层顶高度

Thomas Reichler，¹Martin Dameris和Robert Sause

德国Oberpfaffenhofen的Luft-und Raumfahrt德意志中心研究所于2003年7月23日收到; 2003年9月3日修订; 于2003年9月15日接受; 公布于2003年10月22日。

[1]一种利用粗纵向分辨率由网格温度数据确定对流层顶高度的方法被提出，这种算法使用对流层顶的热定义，该定义基于“阈值失效率”的概念，执行插值以识别达到该阈值的并保持规定垂直距离的压力。该方法通过比较欧洲中期天气预报中心（ECMWF）分析计算出的高度与各个无线电探空站观测到的高度，计算出的对流层顶高度的RMS误差通常很小。它们的范围从温带地区的30–40 hPa到热带地区的10–20 hPa。最大的偏差出现在亚热带地区，对流层顶具有很强的经向梯度，不能通过初始数据得到妥善解决。索引条款：3362气象和大气动力学：平流层/对流层相互作用；3337气象和大气动力学：数值模拟和数据同化；3319气象和大气动力学：全球循环。

引文：Reichler，T.，M. Dameris和R. Sausen 根据网格数据确定对流层顶高度Geophys.RES.(20),2042,doi:10.1029/2003GL018240,2003。

1.介绍

[2]客观确定对流层顶的位置对于研究平流层-对流层交换过程是必要的[如Holton等，1995]，以正确计算“调整”辐射强迫[Stuber等，2001]，并检查气候变化实验中的对流层顶[Santer et al.，2003a，2003b；Sausen和Santer，2003]。在大多数情况下，对流层顶由网格数据确定，通常是分析、再分析或模型输出，这种数据的垂直分辨率在对流层顶附近通常为50百帕数量级，这就提出了如何准确地从这种粗分辨率数据确定对流层顶的问题。 在这里,我们描述了一个准确

¹现在在地球物理流体动力学实验室/普林斯顿大学，普林斯顿，新泽西，USA

2003年美国地球物理联盟版权所有。

0094-8276/03/2003GL018240

和强大的利用低垂直分辨率的对流层顶高度的方法来确定网格数据。该方法已被用于以前的几项研究[例如Grewe和Dameris,1996;Stuber等,2001; Santer等,2003a;Sausen和Santer,2003;Santer等，2003b]。尽管取得了成功，但迄今尚未对该方法进行详细的描述和验证。因为该方法具有普遍意义，我们在此提供描述和评估。

[3]对流层顶可以用各种方式来定义，基于大气化学成分的定义利用了对流层顶与敏锐梯度的微量气体相关的事实[例如Shepherd，2002]。动力学定义基于等熵（Ertel）位涡（PV）及其变化的临界值[例如Thuburn和Craig，1997]。在绝对涡度小的地区如热带地区，有时在高纬度地区有强的反气旋性气流出现的时候，PV方法失败[Hoerling等，1991]。 对流层顶的传统定义是根据温度随高度降低的速率（“递减率”）：对流层热分层弱，平流层分层强。 我们使用基于标准WMO延迟率标准[WMO，1957]的热定义来估算对流层顶高度。其优点是可以全局应用，并且只需要一个参数作为初始，即大气温度的局部垂直剖面。热判据的一个缺点是，在射流区[Reiter，1975]或极地纬度当多个稳定层存在时会产生模糊。

[4]在第2节中，我们描述了算法， 该方法的验证在第3节中提供，本文在第4节中进行了一些讨论和总结。

2.方法

[5]我们应用与无线电探空探测对流层顶相同的标准。 根据WMO [1957]的定义，对流层顶定义为“当温度递减率等于或小于2℃/km，其以上2km以内平均温度递减率不超过2°C / km”。 后一种情况避免了将对流层顶与地表倒置混淆的可能性。

[6]对流层顶的计算如下。 首先，延迟率计算自

温度T，压力p，高度z和k = R/ c_p，其中R表示干燥空气的气体常数，c_p表示恒定压力下空气的比热容。 使用水层近似和气体方程（1）转换为

让我们假设温度数据T₁,T₂,...T_i ...T_n可在压力等级P_1,P_2,...P_i,...P_n中获得（见图1）。然后，我们计算tau;_{i 1/2}的压力由下式给出

图1.温度T与压力p的函数关系。

我们用有限差分来近似（2），假定T随着p^k线性变化，所以半层的温度递减率计算为

[7]在确定了所有半层的温度递减率后，我们通过用p^k线性插值来构建连续的tau;轮廓。从最低层开始，寻找第一次低于临界递减率tau;_TP= 2K / km的tau;_{j 1/2}的半层p_{j 1/2}，然后检查p_{j 1/2}层以上2公里的平均递减率是否仍低于tau;_TP。 如果第二个标准不满足，搜索p_{j 1/2}之后的下一个递减率低于tau;_TP的半层。 如果两个标准都满足，对流层顶的确切位置通过在半层j-1/2和j 1/2之间的p^k线性插值tau;来确定。温度递减率达到临界值tau;_TP的层次表示对流层顶压力p_TP:

[8]如果多个层次满足这些要求标准，对流层顶分配给最低的层次。为避免不切实际的高或低的对流层顶高度和提高计算速度，该算法的搜索范围限制在550hPa和75 hPa（大约5 - 18 km）之间。如果计算的对流层顶超过这些限制之一，则结果将被否定，对流层顶将在此网格点被标记为缺测值。在对所有水平网格点计算对流层顶之后，可以通过其周围点的平均值有选择性地填入缺失值。读者可以在上面找到一个上述算法的程序 http://www.gfdl.noaa.gov/~tjr/TROPO/tropocode.htm.

[9]使用第2节中描述的算法，我们计算了ECMWF分析的对流层顶高度，并将它们与无线电探空仪报告的高度进行了比较.目标是（1）测试算法，（2）找出粗分解分析是否是合适的原始数据。

3.1数据

[10]在业务上，利用从无线电探空站获得的观测资料报告对流层顶高度。在台站，对流层顶是通过使用WMO标准目视检查高度分辨的温度剖面来确定的。使用所观测6个月的每日日高度数据进行验证：1992年，1993年和1994年的1月和7月。为计算对流层顶，我们使用ECMWF的T42分辨率[ECMWF，1993]标准分析的每日温度，频谱数据被转换成分辨率大约为2.8°times;2.8°的网格。在垂直方向上，我们使用了从700 - 50百帕的10个标准等压面。大多数或所有用于验证的无线电探空数据都是在ECMWF分析中同化的，这样计算和观察对流层顶高度都基于相似初始数据。

i

[11]如上所述，偶尔无法确定对流层顶是因为WMO标准没有得到满足，或者因为计算的高度超过了下限或上限。然而错误率率相当低：只有0.1%的对流层顶高度不能唯一确定，这些案件绝大多数发生在6月至9月在的极上空，7月明显最大。 在

这个地点和时间，错误率接近16％，这与南极冬季对流层极端寒冷的气温有关，会在平流层和对流层中上层产生相对等温的温度结构[参见Highwood等，2000]。 在北极冬季，对流层顶的计算有时也会出错，但比南极要少得多。局部错误率小于南极洲，局部最大值高达1.4％。

1. 图2显示了340个定期报告（N_天 gt; 15）台站的分布情况。 高纬度地区和热带地区的覆盖范围很少，而在温带地区相当密集。我们对台站数据进行了简单的质量控制以消除明显的错误。对于每个选定的电台，最多每月获得6个月的时间序列（即1992年，1993年和1994年的3个一月和3个七月），每个月份包含多达31个日对流层顶值。

图2. 340份定期报告（每月15份报告）高空站的分布情况。

[13]对于这里考虑的台站，对流层顶高度的每月时间序列包含不同数量的逐日报告，因此，在与分析比较之前，我们要求31个对流层顶报告中（N_天）至少有15个是有效的。这产生了每月来自340个不同的电台（1月份为314份，7月份为294份）的1511个对流层顶高度的时间序列（744年1月，767年7月份），平均每个月有26份报告。我们还对计算和报告的对流层顶高度进行了比较，并对缺失数据的处理提出了更严格的要求,将有效对流层天气报告的最小数量从15增加到28，并将我们的关注点限制在6个月内满足这些标准的站点。评估结果对缺失数据标准的选择相对不敏感。

3.2结果

[14]为了消除小尺度特征，使用计算对流层顶高度的2times;2网格数据的方法评估。为了解决时空覆盖差距，ECMWF分析的计算高度被无线电探空站位置的时间覆盖所掩盖。

[15]为了进行客观比较，最好将几个报告中对流层顶高度与计算的高度相同的5.6°times;5.6°的平均值结合起来作为计算的高度。这只能在数据丰富的地区实现，在这里我们详细研究这种类型的区域，它位于欧洲并覆盖约500公里times;600公里，该地区包括8个均匀分布的定期报告站点。图3描绘了1月计算出的（顶部）和实测（中部）平均对流层顶高度的时间序列，以及它们的差异（底部）。

[16]计算的对流层顶值与测量的对流层顶值之间的一致性是相当好的。测量对流层顶压力具有强烈的波动，这是典型的温带天气活动，通过计算得到了很好的再现。底图显示偏差通常在测量的对流层顶压力的空间标准偏差内。对于1月3日的所有时间序列，计算的对流层顶压力偏差为3 hPa，空间标准偏差为11 hPa。7月，当天气活动和对流层顶变率较小时，平均差值为1 hPa，其空间标准偏差为9 hPa（未显示）。更详细的比较可以在Reichler [1995]中找到。计算和测量结果之间的良好一致性表明，尽管输入数据的垂直分辨率粗糙，但我们的算法依赖于延迟率的插值，可以提供对流层顶高度的可靠估计。然而，一个重要的先决条件是观测密度高，这确保了分析和观测的可靠性和代表性。

[17]图4显示了1992 - 1994年1月和7月所有台站的评估结果作为台站纬度的函数。描述的是台站报告与ECMWF分析得出的相应的2times;2个网格点平均值之间的月平均差异。在许多地方，比较只涉及单站数据，因此必然比图3所示的区域平均值更嘈杂。

[18]首先误差结构是关于赤道对称的，根据这种结构，我们将结果分为1个热带（25°S-25°N），2个副热带（26-44°）和2个热带地区（45-90°），并

计算每个区域的统计数据（表1 ）。在热带地区，与平均对流层顶压约250 hPa相比，这种差异很小。

表1.平均偏差（m）和均方根误差（hPa）模型得出的对流层顶压力，平均在5个纬度带。

在北半球的温带地区，1月平均误差为27 hPa，7月为20 hPa。南部的温带地区相对较少的台站产生类似的结果。在1月份，偏差在零附近均匀分散，而在7月份则存在与纬度出现正偏差的趋势。 在热带地区，1月平均误差为17 hPa，7月为13 hPa。考虑到热带（100 hPa）的对流层顶的气压低，相对误差等于13 - 17％。这两个亚热带地区在29和54 hPa之间有很大的均方根误差偏差。这可能与这个纬度带从高的热带对流层顶到低的较高纬度对流层顶的急剧过渡带有关，这个分析不能很好地解决这个问题。图4还表明，从1月到7月，最大差异位置向北偏移10°，这与主要经向翻转单元的季节性变化非常吻合。

图3. 1992-1994年1月中欧（47° - 53°N，07° - 12°E）从分析结果（顶部）和从无线电探空测量（中部）计算的对流层顶压力。rsquo; rsquo;-符号表示单个网格点计算或无线电探空仪测量结果，实线表示面积平均值。底部图显示了差异（实线，计算值减去测量值）和空间标准偏差（虚线）。 月空间标准偏差（s）和月平均值（m）以hPa为单位，n表示报告的数量。

图4.计算和测量的对流层顶压力之间的月平均差异。细垂线表示每日差异（plusmn;s）的时间标准偏差，其来源于特定台站的所有可用时间序列，x轴表示台站的纬度位置。

4.总结和结论

[19]我们开发并测试了一个温度递减率率插值算法，它利用粗分辨率的温度数据来确定对流层顶高度，该算法使用对流层顶的热定义，并基于标准的WMO

温度递减率标准。它可以很容易地应用于任何类型的分析或模型输出，也可以直接应用到研究交叉对流层顶运输的模型中。该方法通过将ECMWF分析计算的高度与各站观测到的高度比较并进行评估。在温带地区，每日高度的均方根误差约为30 - 40 hPa。在热带地区，平均均方根误差约为15 hPa。在两个半球的亚热带地区发现高达60 hPa的偏差。这些很可能与对流层顶强的的经向梯度有关。显然，该方法的准确性受到初始数据分辨率的限制，因为过于粗糙，无法解释热带-

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21739]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word