编辑推荐：
为解决对流层延迟影响高精度地球观测问题，研究人员构建 ERA5-SH 数据集，其精度高，有助于相关研究。
# 探秘对流层：ERA5-SH 数据集带来的新突破
在地球的大气层中，对流层这位 “近邻” 可有着举足轻重的地位。它贴近地球表面，容纳了约 75% 的大气质量和超 90% 的水汽质量。当电磁信号穿越对流层时，就像遇到了 “调皮鬼”，速度和路径都会发生改变，进而产生对流层延迟。这一现象可给全球导航卫星系统（GNSS）导航定位、遥感以及卫星测高等带来了不少麻烦，严重阻碍了高精度地球观测服务的发展。而且，对流层中水汽含量和分布变化多端，难以精准刻画其造成的湿延迟。此外，现有多数模型和产品侧重于二维平面，对像对流层天顶总延迟（ZTD）等参数在海拔高度上的变化关注不足。在这样的背景下，为了更深入了解对流层垂直分布，提升大气延迟建模精度，助力高精度地球观测技术发展，中国矿业大学（北京）、武汉大学、桂林理工大学的研究人员开展了相关研究，最终构建出 ERA5-SH 数据集，该研究成果发表在《Scientific Data》上。
研究人员为了完成这项研究，运用了多种关键技术方法。数据方面，采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的 ERA5 数据集，该数据集提供了 1979 年至今的大气和地表变量再分析数据，还使用了来自全球 818 个探空站的观测数据，并对其进行严格质量控制。在计算过程中，将 ERA5 中的位势高度转换为椭球高度，通过数值积分和指数拟合等方法计算出 6 个对流层关键参数（PWV、WVD、Tm、ZTD、ZHD 和 ZWD）的尺度高度，利用多种精度评估指标来验证数据集的准确性。
下面让我们详细看看研究结果。
1. 数据集构建与验证
研究人员根据 ERA5 再分析数据，经过一系列复杂的计算和处理，生成了包含 6 个对流层关键参数尺度高度的全球网格化数据集 ERA5-SH。该数据集时间分辨率为 1 小时，空间分辨率为 1°，时间跨度从 2013 年至 2022 年。为验证其准确性，研究人员选用全球 587 个高质量探空站数据进行对比。通过计算相关精度评估指标发现，该数据集在全球范围内精度较高。例如，PWVSH和 ZWVSH在大多数站点的均方根误差（RMSE）值低于 0.2km，相关系数（R）均值超过 0.9，验证精度较高。
2. ERA5-SH 数据集的特征
从空间分布来看，除与水汽无关的 ZHD 外，其余参数的尺度高度受大气动力学影响呈现涡旋结构，且涡旋外围尺度高度相对较高。水汽相关参数的尺度高度在海陆过渡区变化明显，ZHD 的尺度高度则相对稳定。从时间分布上，尺度高度在南北半球存在差异且随时间变化趋势相反，在 7、8 月份常出现极值，体现出季节性变化。此外，不同纬度地区尺度高度也有明显差异，极地地区受极端气候影响，尺度高度值较为极端。
3. 实际应用效果
研究人员通过利用 ZTDSH数据进行高度校正的实例，展示了该数据集在实际应用中的优势。在对 ZTD 进行从网格点到目标位置的插值过程中，考虑到 ZTD 随海拔变化显著，利用 ZTDSH数据可根据目标位置与网格节点的海拔差异，准确计算出目标位置的 ZTD 值。对比未考虑海拔变化和使用 ZTDSH数据校正后的插值结果发现，使用 ZTDSH数据后，插值的 RMSE 显著降低，在海拔变化大的地区，插值精度提高超 90%，充分体现了该数据集在提高地球观测精度方面的重要作用。
总的来说，研究人员成功构建了 ERA5-SH 数据集，该数据集具有高精度和高稳定性，能有效反映对流层参数的垂直分布特征。其在空间和时间上的分布特征分析，为深入理解对流层结构和变化规律提供了有力支持。同时，通过实际应用案例证明，该数据集可显著提高地球观测中相关参数的计算精度，对改进大气延迟模型、推动高精度地球观测技术发展具有重要意义。不过，虽然研究取得了重要成果，但大气环境复杂多变，未来还需进一步研究，以更好地应对各种复杂情况，持续完善相关研究，为地球科学研究和应用提供更可靠的数据支持。
