利用GPS掩星资料研究全球上对流层/下平流层气候变化特征

The atmospheric status of the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS) is of close relationship with global climate change. Research on the detection of UTLS climate trend is of great significance for the understanding of climate change and the evaluation about the mutual impacts between human activities and climate system.Data from multiple Global Positioning System (GPS) Radio Occultation (RO) missions will be used in this project to study the climate change characteristics in the tropopause and the upper tropopause and lower stratosphere (UTLS) region over the global. Firstly, the consistency of RO climate fields from different LEO satellites will be evaluated thoroughly and the error models of RO climate fields will be established and refined. The methods to monitor the structure of multiple tropopauses from RO bending angles will be studied, based on which the temporal and spacial variations of multiple tropopause and its interannual variation trends will be analyzed. Taking the impacts of all factors including seasons, geographical regions and altitudes into consideration, the ability of different RO variables including bending angle, refractivity, geopotential heights, temperature and pressure etc. to detect climate change signals will be tested and the optimal climate change detecting indicator will be suggested accordingly. The responses of RO multiple tropopause and UTLS RO climate field to two large scale atmospheric patterns, ENSO and QBO, will be studied. The global climate change trends will be detected with optimal estimation method and the related attribution will be discussed. The value of GPS RO data for climate change monitoring will be assessed.

上对流层下平流层(UTLS)大气状态与全球气候变化紧密相关，开展UTLS气候检测研究对于揭示气候变化趋势、评估人类活动-气候系统的相互影响具有重要意义。本项目旨在利用多项GPS掩星任务的观测数据，结合全球环流模式、ERA-40模式再分析及全球无线电探空资料，研究全球UTLS区域气候变化特征。主要内容包括：研究由掩星弯曲角廓线出发探测多对流层顶结构的数学模型，分析全球多对流层顶时空分布及年际变化趋势。建立精化的掩星气候场误差模型，在全面考虑季节、地理区域、高度区间等时空因素影响的基础上，对UTLS区域弯曲角、折射指数、重力位高度、温度以及气压等掩星变量的气候变化趋势探测能力进行比较，确定合理的掩星气候监测指标。在对对流层顶结构以及UTLS区域掩星气候场和QBO与ENSO的响应关系进行深入研究的基础上，采用优化估计方法对UTLS区域气候变化趋势进行检测，对相关归因进行探讨。

上对流层下平流层(UTLS)大气状态与全球气候变化紧密相关。本项目旨在利用GPS掩星数据研究全球UTLS 区域气候变化特征。主要完成了如下工作：以掩星弯曲角廓线出发确定的对流层顶参数为基础，对不同纬度带对流层顶高度、温度、气压等参数随时间的变化特征进行了分析。利用掩星干温廓线对全球多对流层顶的结构变化进行了研究。分析了多对流层顶的空间分布及其与全球喷射激流的关联、不同纬度区域多对流层顶高度在不同高度区间的统计分布、多对流层顶发生概率的时间序列趋势及多对流层顶在经向的季节性分布。同样基于掩星干温廓线，从全球尺度分析了对流层顶参数的变化趋势及其格网分布。结果表明对流层顶参数趋势存在季节差异，且存在一些对流层顶参数显著上升或下降的特殊区域。在研究时段内，全球对流层顶高度总体上升趋势变缓,这是当前全球气候变暖变缓的结果，也是由于蒙特利尔议定书的签订，臭氧含量持续恢复。相关结论可作为后续其他特殊区域或者局部地区对流层顶研究的参考。进一步由掩星干温廓线确定的对流层顶高度出发，分别采用三种方法确定热带边界，深入研究了热带边界及其宽度的时间变化序列、变化趋势以及它们与ENSO和QBO指数的相关性。发现在研究时段内，南北半球热带均向赤道方向移动，热带宽度变窄，而去季节性变化的热带宽度月异常值与ENSO和QBO显著相关。在对热带及中高纬度上空大气中的ENSO信号和QBO信号的水平分布特征以及垂直结构特征的研究中，建立了温度月异常值和ENSO、QBO及温度变化趋势之间的多元线性回归模型，并提出了一种新的、稳健的、有效的指数描述大气温度对ENSO及QBO的响应强度。此外，由掩星干温廓线出发研究了重力波参数提取方法，以青藏高原为对象，研究了该地区大气重力波势能的分布频率模型和重力波活动的时空变化特征，分析了高原大气重力波活动与地形、风速和大陆热辐射之间的相关性。研究成果丰富了GPS掩星数据在气候变化研究应用中的理论与方法，增进了对全球UTLS区域气候变化特征的认识。