利用GPS掩星资料研究海洋边界层高度及其在数值模式中的应用

基于COSMIC/GPS掩星观测具有高精度，高垂直分辨率，全天候，不受云雨影响，全球分布，信号可以一直穿透到对流层低层1公里以下的地方等特点，本项目将利用COSMIC/GPS掩星资料发展一个自动检测海洋边界层高度的计算方法，用收集到的各种资料和传统的边界层高度定义方法进行相互对比以验证方法的合理性和可行性，在此基础上用已有的四年COSMIC掩星建立全球海洋边界层高度数据集，揭示海洋行星边界层的气候学特点和形成机制，以及评价数值模式捕获边界层高度的能力，重点分析对流边界条件的情况。最终目标是为了从COSMIC/GPS掩星中提取准确的边界层信息，提供给数值预报模式，改善数值预报水平。

本项目主要利用COSMIC/GPS 掩星资料发展一个自动检测海洋边界层高度的计算方法，用收集到的各种资料和传统的边界层高度定义方法进行相互对比以验证方法的合理性和可行性，在此基础上用已有的四年COSMIC 掩星建立全球海洋边界层高度数据集，揭示海洋行星边界层的气候学特点和形成机制，以及评价数值模式捕获边界层高度的能力。课题项目组已经按计划完成了所有的研究内容，取得的成果如下：.1）已经发展了一个自动检测海洋边界层高度的计算方法，即廓线梯度变化最大方法，该方法适用于掩星的弯曲角，折射率，以及通过一维变分方法得到的温度、湿度廓线资料。研究中发现用弯曲角确定的边界层高度略低于其他资料确定的边界层高度，但对于掩星数据来说，最好还是用弯曲角和折射定义边界层高度，因为它们是更原始的数据，引入的误差更少。.2）通过与探空资料的比对，发现探空相对湿度数据在副热带地区穿出层状云区时比较容易失效，相对湿度观测失效的高度也可以定义为边界层高度，这个高度与用掩星资料定义的边界层高度有比较好的相关性。.3）已经根据2007-2012年的掩星资料建议了一套全球海洋边界层高度数据集，并根据这些数据研究了海洋边界层顶高度的气候学特点和形成机制。研究结果表明：就年平均而言，全球海洋边界层顶高度的水平分布特点在南北两半球大致呈纬向对称分布，赤道地区的边界层顶高度最高，由赤道向南北两极，边界层顶的高度逐渐降低，其中赤道地区平均高度约为3-3.5km，副热带地区2-2.5km，中高纬度地区1-1.5km以下。海洋西部的边界层顶高度高于西东部的边界层顶高度。海洋边界层顶的高度有明显的季节和年际变化特点，在不同的地区有不同的日变化曲线，有在午前9-12时出现最高的边界层顶高度，也有在午后15-18时出现。总体说来，海洋边界层顶高度的日变化特点不明显，一般只有几十米到百米的变化，尤其在热带信风逆温区。.4）评价了GRAPES模式捕获边界层的能力，发现由于海洋热力结构的特点，海洋边界层顶高度的日变化特征不明显，一般只有几十米到百米的变化，且区域差异显著，因此，目前的比较粗垂直分辨率的模式比较难模拟边界层的结构，尤其是日变化特点。