大气边界层(atmospheric boundary layer,ABL)是对流层中高度最低且直接受地球
表面影响的大气层,其包含的大量水汽和热量对全球能量和水汽循环均有一定影响
[1]
。大
气边界层顶(atmospheric boundary layer top,ABLT)的高度为大气边界层高度
(atmospheric boundary layer height,ABLH)。ABLT 是地球大气中各种通量和物质上
下交换的重要通道
[2]
,而 ABLH 是表征 ABLT 特征的一个重要参数,其精确确定对于对流
层、大气化学、环境污染、自然灾害、数值天气预报和气候监测相关研究具有重大意义
[1]
。进行 ABLH 确定的传统手段如各种雷达探测、模式资料、系留气球分别在观测稳定
性、垂直分辨率和探测高度上存在局限性,而无线电探空资料的地理分布相对有限
[3-4]
。近
年来,全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)掩星(radio
occultation,RO)技术发展迅速,由于掩星资料具有高垂直分辨率、全球覆盖、高精度、
全天候和无需定标等优点
[5]
,掩星资料对于 ABL 结构研究的价值受到越来越多的关注。
早期 Von 等
[6]
基于 CHAMP(challenging minisatellite payload)掩星闭环模式的跟踪
资料,提出了可根据全谱反演的振幅变化确定 ABLH。由于开环跟踪技术在 COSMIC
(constellation observing system for meteorology ionosphere and climate)等掩星任务上
的实施提高了对低层大气的探测能力,利用掩星资料确定 ABLH 的主要思路是利用掩星弯
曲角、折射指数、温度、水汽等参数在低层大气的突变特征确定 ABLH。其中,利用弯曲
角廓线反演 ABLH 的误差最小但最复杂
[7]
,而由湿度和温度廓线反演 ABLH 相对容易但误
差较大
[8]
,因此,由掩星折射指数(在本文中称为折射率)资料反演 ABLH 最为实用。
Sokolovskiy 等
[9]
由 SAC-C 卫星的掩星折射率廓线反演 ABLH,通过与由模式和探空资料
得到的反演结果进行比较,验证了其可行性。其后,一些学者进一步基于 COSMIC 等任务
的掩星折射率廓线进行了 ABLH 的反演、验证、相关机制分析和 ABL 气候研究的工作
[10-
14]
。
2013 年 9 月,中国成功发射了首颗可进行 GNSS 掩星观测的业务气象卫星风云 3 号
C 星(Fengyun-3C,FY-3C),且已正式发布 FY-3C 掩星中性大气产品。Liao 等
[15]
和 Xu
等
[16]
等进行了 FY-3C 掩星各种中性大气参数廓线的验证工作,但目前还未见将其应用于
ABLH 研究的相关成果。首次尝试利用 FY-3C 折射率产品确定边界层高度并进一步进行全
球边界层高度空间分布分析。首先,本文介绍了 FY-3C 折射率产品和反演及分析方法;然
后,通过反演结果的代表性个例和统计比较情况验证了方法的可行性,在此基础上进一步
对所反演 ABLH 的全球分布进行了分析。
1. 数据和方法
1.1 数据介绍
国家卫星气象中心发布了 2014 年 6 月以来的 FY-3C 掩星中性大气产品
[17]
,包括大气
折射率、低层大气湿度和大气温度等廓线产品。折射率廓线产品给出了各掩星事件对应的
大气折射率随高度变化的廓线,其高度范围为 0~50 km,垂直分辨率为 150~300 m。