基于多GNSS掩星任务的UTLS月平均温度的气候变化特征的研究

The climatological features and the structure of the atmosphere in the upper troposphere/lower stratosphere (UTLS) play a key role in the global climate system. The results of the studying on UTLS based on the traditional data, such as radiosonde observations and re-analyse data, will be influenced by their defects. Global navigation satellite system (GNSS) radio occultation (RO) has been used as a remote sensing technique for sounding the Earth's atmosphere. The atmospheric parameter profiles with high vertical resolution, high accuracy, low-cost, global coverage and all-weather, derived from GNSS RO, are ideal data sources to study the UTLS. In this project, we explore the climatological features of the monthly mean temperature in the UTLS based on the observations of multiple GNSS RO missions. A simple multiple linear regression model, which takes the influences of El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and Quasi-biennial Oscillation (QBO) into consideration, is applied to analyze the monthly mean temperature of the atmosphere. The vertical and spatial structure of ENSO and QBO is obtained. We develop a new robust index to describe the strength of the ENSO and QBO signal. Spectrum analysis is used to the monthly mean temperature in the UTLS to obtain the atmospheric waves contained in the atmospheric temperature. The relationships between the tropopause height and the temperature in the troposphere, as well as in the lower stratosphere are also discussed in this project. The linkages between the climatological features of the atmosphere in the UTLS and global climate are revealed. The results in this project will enhance the understanding of the atmospheric temperature characteristics and thermal structure in the UTLS. They are also of great significance for research of global climate change.

上对流层/下平流层（UTLS）结构特征是全球气候变化系统中的重要组成部分。利用探空数据、模式再分析数据等研究UTLS会受到这些传统数据各种不足的影响，GNSS掩星技术凭借其高垂直分辨率、高精度、低成本、全球覆盖等优点为研究UTLS提供了新的探测手段。本项目基于多掩星任务观测资料，研究UTLS大气温度月平均的气候变化特征。拟建立UTLS月平均温度与恩索（ENSO）、准两年振荡（QBO）的多元线性回归模型，获取ENSO和QBO的三维空间结构，提出一种新的指数描述UTLS大气温度对ENSO和QBO的响应强度；对UTLS大气温度及对流层顶月平均进行频谱分析，获得大气温度信号的频率结构及各谐波和相位信息；明确对流层顶高度与对流层及平流层大气温度的关系；揭示UTLS大气温度变化特征与全球气候变化的联系。研究成果将增进对UTLS大气温度气候变化特征及其热结构的认识，对全球气候变化研究具有重要的科学意义。

地球大气层的温度是表示大气状态最重要的物理量之一。上对流层/下平流层的温度变化特征是全球气候变化系统中重要组成部分。下平流层中大气温度年际变化主要呈现准两年振荡现象。上对流层中大气温度的年际变化主要表现为ENSO现象。深入研究大气温度中的QBO现象以及分析大气温度变化与热带ENSO的关系对研究全球气候变化具有重要意义。.本项目利用COSMIC掩星任务2006年7月至2014年2月的观测数据分析热带、中高纬度带上空对流层以及平流层中ENSO和QBO的三维结构形态。主要有三个方面的工作：首先在垂直方向上分析热带、中高纬度带大气温度异常与ENSO及QBO的相关系数随高度以及随滞后时间的变化；其次分析每一个10°×10°经纬度格网单元大气温度异常与ENSO及QBO最大相关系数及其出现的高度及滞后时间在水平方向上的分布；然后尝试提出一种稳健、有效的指数描述大气对ENSO与QBO的响应强度，最后获得了对流层顶高度与对流层和平流层中的温度的相关关系。.取得了如下结论：（1）热带上空大气温度月异常值的时间序列可以明显捕获到对流层中的ENSO信号和平流层中的QBO形式。（2）热带大气温度月异常值与热带ENSO指数的相关系数在对流层顶附近有一个明显的过渡层，在上对流层中负相关，而在下平流层正相关。最大相关系数发生在滞后3个月后，其值超过0.8。（3）在热带地区，QBO形式以1千米/月的速度向下传播，其周期近似为2年。16km至40km的对流层大气温度具有明显的准两年振荡。大气温度与QBO的最大相关系数发生在20km处，其值大于0.9。（4）热带大气温度对ENSO和QBO的响应最为剧烈。（5）提出了一种新的、稳健的、有效的指数描述大气温度对ENSO及QBO的响应强度。该指数被定义为在高度方向上以及滞后时间方向上Pearson相关系数在95%的置信水平下统计显著发生的概率。.本项目研究结果对研究全球气候变化、对深入认识上对流程下平流层的温度结构具有重要意义。