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先进的微波探测单元-A观测资料中南北极四个月的振荡

z. QIN¹、x. ZOU^1,2 和 f. WENG³

1Center of Data Assimilation for Research and Application, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing 210044, China

2Department of Earth, Ocean and Atmospheric Sciences, Florida State University, FL 32306, USA

3National Environmental Satellite, Data amp; Information Service, National Oceanic and Atmospheric Administration,

Camp Springs, MD 20746, USA wqin@fsu.edu

摘要：卫星微波测量可以穿透云层，因此可以提供独一无二的地表和近地表温度及表面发射率信息。本研究利用NOAA-15 Advanced Microwave Sounding Unit-A（AMSU-A）的亮温资料分析1998至2010年过去13年中北极和南极地区的表面温度变化。利用小波和傅立叶频谱技术分析了AMSU-A对地表敏感的四个通道的数据。值得注意的是在以四个月为中心的周期范围内出现了比较明显的峰值。显著性检验结果显示，除了年和半年振荡之外，极地区域由四个月的变化占主导。而在中低纬度地区却没有发现这种特征。北极和南极的四个月振荡位相相差90°，北极四个月振荡在3月、7月和11月初达到最大值，南极四个月振荡在4月、8月和12月中旬达到最大值。四个月振荡的强度每年都在变化。具有明显四个月振荡的年份是2002-03、2005-06和2008-09。北极和南极四个月振荡的最强年份分别发生在2005-06和2008-09。在ERA-Interim再分析资料中的地表温度和2米气温中也发现了4个月振荡的迹象，在2005 - 06年这一振荡最强的数据中信号最强。据推测，北极和南极四个月的振荡是极地特有的太阳辐射强迫和雪/海冰形成、变化的综合结果。

关键词：极区，卫星，地表温度

引言

在对全球气候变暖的NOAA-15Advanced Microwave Sounding Unit-A（AMSU-A）进行调查的过程中，我们偶然发现了南北极地区地表敏感通道有明显的四个月振荡。这肯定是一种宽带现象。它通过显著性检验，置信度超过95％。通过ERA-Interim再分析地表温度和两米气温的谱分析也证实了南北极存在四个月的振荡。我们的理解是，AMSU-A观测结果可能受极地环境中可变的表面发射率的强烈影响，并且未有效同化到ERA再分析资料中。因此， ERA-Interim再分析资料中的四个月振荡信号是重要的，并且被认为主要与极区特有的物理过程相关。

卫星亮度温度数据

NOAA-15 AMSU-A总共有15个通道，是一个跨轨道的微波扫描辐射计，每条扫描线提供了30个FOV。在卫星观测的星下点附近，FOV范围为48公里。微波辐射计AMSU-A总共有四个地表敏感通道：分别为通道1（23.8 GHz），通道2（31.4 GHz），通道3（50.3 GHz）和通道15 (89 GHz) (Mo 1999, Goodrum et al. 2009)。在表面发射率较高的陆地上，这些表面敏感通道的测量主要受表面发射率和地表温度的影响。在发射率相对较低的海洋上，表面敏感通道也是对流层低层温度、水蒸气和液态水的函数。通道1,2和15主要位于远离氧气吸收线的频率处，因此可以获得透过大气的辐射信息。这些辐射主要来自与于地球表面，与表面发射率和地表温度的乘积成正比。对于有云的大气，位于这些通道频率的辐射信息的一部分被云衰减，其余部分透过云传播，此外云也会发出额外的辐射。通道3靠近氧气吸收线，接收包含来自地球表面和近地表大气的上行微波辐射。

卫星测量及其检索产品被用于气候变率和年代际趋势的研究(Johannessen et al. 1995, 1999, Christy et al. 1998, 2000,2003, Mears et al. 2003, Vinnikov amp;Grody 2003, Schneider et al. 2004, Mears amp;Wentz 2009, Zou et al. 2009, Izaguirre et al. 2010)。在这些研究中，我们分析了1998年10月26日至2010年8月7日期间NOAA-15上搭载的AMSU-A所测量的亮度温度资料，用于研究各种应用，包括气候趋势和全球变化。

图1.为通过研究1998年10月26日至2010年8月13日先进的微波探测单元-A（AMSU-A）的数据分析获得，图a.amp;b.表示通道2（31.4 GHz）北极（75°-90°N，左图）和南极（70°-90°S，右图）的日平均、星下点、海洋亮度温度的小波功率谱分析（阴影）以及图c.amp;d.地表温度的ERA再分析资料，和图eamp;f地表2米气温的中期再分析。黑色轮廓包含95％以上的置信区间。

ERA-Interim再分析数据

ERA-中期再分析报告是由欧洲中期天气预报中心(ECMWF)(Simmons等人)编制的(2007年)。采用先进的四维变分数据同化（4D-Var）方法与改进的数据质量控制、卫星偏差校正和快速辐射传输模型，用电视红外观测卫星（TIROS）操作垂直测深仪（TOVS）、特殊传感器微波/成像仪（SSM / I）、ESA遥感卫星（ERS-1 and ERS-2），并且用高级TOVS（ATOVS）与ERA-Interim再分析中的模型预测进行了最佳组合。因此，ERA-Interim再分析产品适用于气候变率和年代际趋势的研究(Agudelo amp; Curry 2004, Chelliah amp; Bell 2004, Frauenfeld et al. 2005）

ERA-中期分析包括对从1989年至今的大气、陆地和海洋状况的高质量全球分析。本研究使用ERA-中期数据中的地表温度和2米气温数据。这些数据分辨率为1.5^O、垂直方向分为37层，并且可以在ECMWF数据服务器上公开使用。

极地地区的四个月振荡

图2.为通过研究1998年10月26日至2010年8月13日先进的微波探测单元-A（AMSU-A）的数据分析获得，图a.amp;b.表示通道2（31.4 GHz）北极（75°-90°N，左图）和南极（70°-90°S，右图）的日平均、星下点、海洋亮度温度的小波功率谱分析（阴影），以及图c.＆d.地表温度的ERA-Interim再分析，和图d.＆f.地表2米气温的ERA-Interim再分析。显示了95％的置信水平（红色虚线）。

北极四个月的振荡

小波分析也适用于1998年10月26日至2010年8月7日期间利用NOAA-15 AMSU-A观测到的全球日平均星下点、表面敏感亮度温度以及ERA-INTERIM再分析资料得到的日平均地表和表面空气(两米)温度。具体来说，亮度温度测量在地表敏感通道1(，23.8GHz)，通道2(，31.4 GHz)，通道3(，50.3 GHz)和通道15(，89 GHz)，在靠近星下点方向(FOVS 15 and 16)，从1998年10月26日至2010年8月7日，在降轨和上轨以及75°N以北和70°S以南提供的每日时间序列。同时，对75°N以北以及70°S以南的ERA-Interim地表温度()和2米表面空气温度()

图3.北极（75°-90°N，左图）和南极（70°-90°S，右图）日均值的时间演变图a.amp;b.2005年NOAA-15先进的微波测深单元A (AMSU-A)通道2（上图）的亮度温度，以及图c.amp;d.地表温度ERA的中期再分析和图e.amp;f.地表两米气温ERA-Interim再分析资料，平均值，年度和半年度分量被减掉（黑线）。通过傅立叶分析获得的四个月振荡由红色实线表示。

图4.NOAA-15先进的微波测深单元A (AMSU-A)通道2在南半球中高纬度(左面板)和北半球(右面板)的年(黑色)、半年(红色)和四个月(黄色)振荡方差解释的百分比。

进行了平均，从而在同一时期提供四个以上的时间序列。利用Morlet小波分析和统计显著性检验，将每个时间序列分解为时频空间，由此可以很有把握地确定主要的变率模式及其时间演变（Torrence＆Compo1998)。 本研究选择小波变换，因为它可用于分析包含许多不同频率的非平稳功率的时间序列。图1显示了1998年10月26日至2010年8月13日期间，南极和北极地区NOAA-15 AMSU-A地表敏感通道2的日平均、星下点、海洋亮度温度的小波功率谱(阴影)，以及ERA-Interim的地表和2米气温为了显示小波功率谱中峰值的重要性，指出了置信度大于95％的区域（实线）。对于小于半年振荡的周期，大部分功率集中在95%置信区间内的四个月左右。

图5.周期在60天到150天之间的小波结构图a.-d.2004年1月1日至2007年1月1日期间，NOAA-15型先进微波探测单元-A(AMSU-A) 1、2、3、15频道纬向星下点(dots)海洋区域75°-90°N日平均亮度温度, 图e.地表温度ERA-Interim再分析资料，图f.地表2米气温ERA-Interim再分析资料。

极地地区的四个月振荡

图6.除了南极同图5一样（70°-90°S）

小波分析的一个优点是可以看到图1所示的北极/南极四个月振荡的频率发生和振幅的变化。振幅较大的4个月振荡事件发生的平均周期约为3年。最强的年份是2002-03,2005-06和2008-09。类似的小波功率谱也可以在AMSU-A地表敏感通道中看到(例如通道 1, 15 和 3, 未显示）。

在北极的ERA-Interim再分析资料中，每日平均地表温度和表面气温也出现了四个月的振荡（图1c＆e），但在南极非常弱（图1d＆ f）。地表和近地表温度的功率（图1c-f）与卫星观测相比（图1a＆b）可能是由于表面发射率不确定性对辐射模拟的影响很大，大部分地表通道观测被排除在高纬度地区的数据同化之外。由图1可以看出，相对于前几年，ERA-Interim在2005-06和2008-09年较好地发现了4个月的振荡。

使用频谱分析也证实了四个月振荡的存在。图2给出了用Rikiishi(1976) 所描述的方法计算的有限长度等间隔时间序列的日功率谱密度。还显示了95％的置信水平。结果与小波分析结果一致（图 1），即在北极和南极的AMSU-A通道2和北极地区的ERA-Interim再分析资料地表温度和2米气温中发现显著的4个月振荡。

图3为2005年北极(75°-90°N)和南极(70°-90°S)日平均亮度温度异常的时间演化过程(黑线)，在其中去除平均值、年、半年分量，以及对应的四个月振荡(红色曲线)。AMSU-A通道2在3月初、7月初和11月初的四个月振荡幅度最大。在这三个表面敏感通道之间没有发现明显的相位差(未显示)。南极4个月振荡与北极振荡的相位为90°。它在4月中旬、8月和12月达到高峰。

在北极的ERA-Interim再分析中发现，在平均地表温度和2米气温中也发现了4个月的微弱振荡。然而，在AMSU-A表面敏感通道和ERA-Interim再分析资料地表温度和表面空气温度之间发现显着的相位差。地表温度和表面气温的四个月振荡在6月下旬达到峰值，比卫星观测提前约一个半月。鉴于四个表面敏感通道的亮度温度近似等于表面发射率和地表温度的乘积，而地球表面上方浅层的大气层贡献很小，因此ERA-Interim之间的相位差异很大。表面变量和AMSU-A表面通道亮度温度表明亮度温度变化因表面发射率变化而延迟。值得一提的是，在其他11个AMSU-A通道的亮度温度测量中未发现4个月的振荡，其大致代表以对流层或平流层为中心的宽层中的气温。

图4给出了NOAA-15 AMSU-A通道2中高纬度的年(黑色)、半年(红色)和四个月(黄色)振荡解释的方差百分比。可以看出，年际变化从20°-80°N

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