GPS掩星观测的发展及其在气象业务中的应用现状

GPS无线电掩星探测技术已经发展成为一种强有力的、相对经济的观测全球大气的方法.多年对GPS/MET概念卫星、CHAMP和SAC-C等GPS掩星观测的研究表明,GPS掩星观测资料与其他卫星资料相比具有很高的观测精度和垂直分辨率等优点,并且GPS掩星观测不受天气状况的影响,因此对其在天气预报及气候的应用有独特的优势.GP...     

GPS可降水量与掩星折射率资料同化对暴雨模拟的影响

利用WRF-3DVAR系统同化GPS地基可降水量资料和空基掩星探测资料,对2011年6月14日我国夏季江淮流域暴雨天气过程进行数值模拟试验,对比分析可降水量和掩星折射率资料在暴雨天气数值模拟中的影响。结果表明:可降水量和掩星探测对底层水汽都有明显改善,可降水量对水汽的改善更为显著,比掩星同化平均高一个量级,改进了暴雨的强度和暴雨的影响范围;掩星折射率资料的同化通过改善强对流区域的风场和温度场,从而改进暴雨的降水落区;GPS可降水量和折射率资料的同时同化,一定程度上弥补了可降水量探测站点分布的不足和掩星折射率资料稀疏,对暴雨的强度、范围和落区预报都有很好的提高,两者可以很好地相互补充。      

全球GNSS掩星计划进展

主要介绍了国际上GNSS掩星计划（包括GPS／MET、Orsted、Sunsat、SAC-C、CHAMP、GRACE、FedSat、COSMIC、METOP和ACE＋计划）发展现状、科学任务及系统组成、取得的进展以及未来的发展趋势。通过总结指出,自GPS／MET计划实施后,掩星探测技术逐步完善并向业务化运用迈出了一大步;今后GNSS掩星探测将向多星探测和混合探测方向发展,国际化合作成为项目的开发和研制趋势     

GPS—LEO掩星探测现状和展望

20世纪80年代美国科学家提出利用GPS系统探测地球大气,诞生了GPS气象学。GPS气象学分为地基GPS气象学和空基GPS气象学,目前地基GPS气象学在世界许多国家已进入业务组网应用阶段,空基GPS气象学也取得了飞速发展。本文在介绍了空基GPS掩星探测的发展历史和探测原理的基础上,重点分析了国际上GPS-LEO掩星探测数据处理和应用领域的最新研究和进展,对我国的GPS-LEO掩星探测研究进行了回顾和总结,最后对GPS-LEO掩星探测未来的发展进行了展望。     

地空基GPS探测应用研究进展

GPS大气探测(GPS气象学)目前已成为国际GPS应用的热点问题，可分为地基和空基应用两个方向。目前，地基的研究和应用技术已基本成熟，并从技术研究走向业务应用；在空基探测方面，国际上很多国家和地区都实施并发射了GPS应用气象小卫星，美国国家极轨环境卫星(NPOES)和欧盟极轨气象卫星系列(METOP)也都将搭载星载的GPS接收机，用于对地的掩星探测。GPS气象学已成为卫星气象学的一部分，它所获得的稳定的覆盖全球的对流层和平流层温度、气压、水汽和空间电子浓度的廓线资料，对气象预报、气候变化和空间天气的研究业务应用具有重要的应用价值。     

云海-2掩星探测资料在全球数值天气预报模式中的同化效果评估

本文基于T799L91全球数值天气预报模式及其四维变分同化系统,构建了云海-2掩星探测资料的同化流程,并以2019年7月开展了为期一个月的云海-2掩星探测资料同化预报试验。对东亚区域、北半球和南半球的同化预报结果评估表明:在全球数值天气预报模式中,同化云海-2掩星探测资料能够有效提高预报场的准确性,提高的幅度随着预报时效和预报日数的增加逐渐增大;在更长时效的72 h、120 h、168 h预报中,云海-2掩星探测资料与GPS（Global Positioning System）掩星探测资料的同化效果在中前期相当,在中后期,同化云海-2掩星探测资料逐渐优于GPS掩星探测资料;随着预报日数的增加,联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料的优势逐步显现。     

WRF-3DVAR同化GPS掩星资料对强对流天气预报的影响

利用WRF三维变分同化系统,同化GPS掩星折射率资料,对2012年4月30日的强对流天气进行同化试验,分析同化折射率资料对于我国春季大范围强对流天气模拟的影响。结果表明:通过同化GPS掩星观测资料,可以明显调整和改善分析场的风、温度和湿度,其中,温度场的调整集中在我国北方地区850hPa以上的高度层;水汽的调整以中低层大气负的调整为主,最大可达-0.89g/kg;中纬度地区的高层风场都有明显的改善。青藏高原以风场调整为主,增加了西北风的分量,温度场也有改善。从模式结果对比发现,同化GPS掩星折射率资料,对高原稀疏的云团以及锋面云系有更好地描述;由于较准确地描述了低层的风场信息,模式对成都双流机场区域的小时降水量模拟也有较好效果。     

雾灵山GPS掩星观测实验分析

在高山的山顶上, 利用GPS接收机跟踪低仰角和负仰角的GPS卫星信号, 即山基GPS掩星观测, 该技术可以获得低层大气折射指数剖面。2005年8月1—29日, 在河北雾灵山 (40.60°N, 117.48°E, 海拔2118 m) 开展了山基GPS掩星观测实验, 共获得576 h的原始观测数据, 跟踪到掩星事件共1136次, 其中621次上升掩星事件, 515次下降掩星事件, 平均每小时观测到2次掩星事件, 经反演成功获得939个大气折射指数剖面。分析结果表明:山基掩星事件发生时间 (地方时) 大体呈平均分布; 山基掩星事件持续时间大部分在15~20 min; 山基掩星事件跟踪最低负仰角分布的峰值出现在-3°~-2.5°之间, 所跟踪到的最低负仰角达到-4.994°, 出现在正南稍偏东方向; 下降掩星事件的最低仰角分布明显低于上升掩星事件的最低仰角分布。上述实验结果表明:山基掩星观测每天可为低层大气环境监测提供大量时空分布的折射率数据, 具有潜在的应用前景。     

风云三号气象卫星掩星大气产品精度的初步检验

风云三号气象卫星C星于北京时间2013年9月23日成功发射,其上搭载了中国第一个以掩星方式探测中性大气和电离层大气的民用新型有效载荷——全球导航卫星掩星探测仪(Global Navigation Satellite System Occultation Sounder, GNOS)。GNOS可以接收GPS(Global Positioning System)导航卫星和中国北斗导航卫星信号,进而得到全球范围内的中性大气和电离层大气的探测结果。利用常规无线电探空资料,对GNOS接收GPS信号的掩星探测大气产品(包括折射率、密度、温度以及湿度廓线)进行检验,结果表明:在近地面至25 km垂直范围内,GNOS掩星大气产品折射率廓线和干大气密度廓线的平均偏差在0.5%左右,标准偏差在2%左右;温度廓线的平均偏差约为0.5 K,标准偏差约为2 K;水汽廓线的标准偏差在6 km 以下为0.25—1.0 g/kg。对于风云卫星首次尝试的掩星观测技术,GNOS掩星产品的精度基本达到预定目标,在未来还有改进的空间。     

一次暴雨过程的GPS掩星资料的同化应用

利用欧盟的METOP-1、美国的GRACE A、我国台湾的COSMIC掩星折射率资料,以美国NCEP开发的GSI同化系统为平台,对2012年6月10-13日华南地区一次准静止锋引起的暴雨过程进行了循环同化模拟和分析,以探讨GPS掩星同化对我国华南暴雨预报的影响。为考察GPS掩星折射率资料的同化效果,以及循环同化对GPS折射率资料同化效果的影响,设计了3组模拟对比试验:第一组不同化GPS掩星折射率资料;第二组只同化一个时次的GPS掩星折射率资料;第三组循环同化26 h的GPS掩星折射率资料。试验结果表明:1)循环同化的暴雨预报效果比单时次同化的暴雨预报效果好,表明掩星折射率资料的使用需要有较长时间的累积才能产生较好效果;2)掩星资料对分析和预报的温度场和湿度场调整的贡献较大,对风场的调整也有一定贡献;3)循环同化GPS掩星折射率资料的预报效果,在降水强度、降水中心位置和TS评分方面均优于未同化掩星折射率资料的预报效果。     

GPS掩星气压的评估及质量控制

以探空数据为参考,将2014年1月1日—12月31日的COSMIC掩星气压作为GPS掩星试验样本,将中国区域划分为4个气候区,从双权重平均值、双权重标准差及相关系数角度对GPS掩星气压进行评估,并根据其统计结果进行质量控制。结果显示:双权重平均值和双权重标准差相较传统方法统计出的平均值和标准差更不易受异常数据的影响,评估结果更加准确。4个气候区之间气压的双权重平均值差异较小;双权重标准差在亚热带季风气候区的数值较小(小于6 hPa)、在温带季风气候区较大(最大可达15 hPa)。以探空数据为参考,气压偏差的统计表明,亚热带季风气候区从低层到高层都为正偏差(0.8 hPa左右),其他三个气候区在6 km以下多为负偏差、6 km以上为正偏差(0.5 hPa左右)。根据相关系数的统计,将相关系数确定为0.80,并根据各气候区不同的统计结果划分阈值区间;质量控制结果显示,错误点大多分布在GPS掩星气压与探空气压相差较大的区域,两步质量控制的错误数据百分比大部分在5%以内;对比质量控制前后GPS掩星气压与探空气压之间的相关系数表明,质量控制后两者的相关性得到明显改善。     

全谱反演技术在山基掩星数据处理中的应用

山基掩星观测是一种探测特定区域气象数据的新技术。该文从山基掩星探测技术的概念出发,阐述了山基掩星探测技术的特点和优势,介绍了山基掩星观测数据几何光学反演方法; 在详细介绍全谱反演技术的基础上,提出了采用全谱反演技术来处理山基掩星观测数据的新方法。采用该方法对2005年8月在河北兴隆雾灵山获取的山基掩星观测试验探测数据进行了处理,成功获得了大气折射率剖面, 将全谱反演结果与几何光学反演结果和同时获取的时空匹配的探空数据进行了比对分析。结果表明:全谱反演结果与几何光学反演结果平均相对偏差小于2%,全谱反演结果偏小,标准偏差低于3%;全谱反演结果与常规探空结果的平均相对偏差为8.15%,全谱反演结果偏小,标准偏差为1.4%。     

适应数值模式垂直坐标的GPS掩星反演资料稀疏化方案

GPS掩星反演大气温湿资料具有高垂直分辨率、高精度、受云和降水影响小等优点,针对GRAPES同化预报系统,发展设计了一种既考虑预报模式高度-地形追随垂直坐标不均匀分层特点,又结合掩星反演资料特性的新适应性垂直稀疏化方案。通过个例试验和批量试验,探索了该适应性稀疏化方案对分析预报质量的影响。试验结果表明:选取合适的稀疏参数,新稀疏化方案的GPS掩星反演资料对背景场的调整更加有效,分析场质量更高;位势高度、比湿、温度和风场等预报场的均方根误差均更小;适应性稀疏化方案对改善台风路径预报具有积极作用。批量试验则进一步证实了适应性稀疏化方案对分析场质量有明显的改善作用。     

COSMIC反演精度和有关特性的检验

COSMIC是一个由6颗低轨卫星组成的用于天气、气候和电离层观测的空基GPS星座观测系统, 从2006年9月开始每天可提供覆盖全球的约2000~3000个掩星点, 掩星过程可提供从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料。为了有效利用这些资料, 以探空资料为基准, 对2007年1-10月我国及邻近区域的COSMIC掩星资料进行精度、可用性和全天候性的检验。结果表明: COSMIC反演的温度和折射率的精度很高, 水汽压的精度相对较差。与NCEP/NCAR再分析资料相比, 折射率和湿度廓线有更高精度。     

Comparison of COSMIC radio occultation refractivity profiles with radiosonde measurements

In recent years, radio occultation (RO) technology making use of global positioning system (GPS) signals has been exploited to obtain profiles of atmospheric parameters in the neutral atmosphere. In this paper, the RO refractivity profiles obtained from the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) mission are statistically compared with the observations of 38 radiosonde stations provided by the Australian Bureau of Meteorology during the period from 15 July 2006 through 15 July 2007. Different collocation criteria are compared at first, and COSMIC RO soundings that occur within 3 hours and 300 km of radiosonde measurements are used for the final statistical comparison. The overall results show that the agreements between the COSMIC refractivity profiles and the radiosonde soundings from the 38 stations are very good at 0--30 km altitude, with mean absolute relative refractivity deviations of less than 0.5%. Latitudinal comparisons indicate that there are negative refractivity deviations in the lower troposphere over the low latitude and middle latitude regions and large standard deviations exist in the lower troposphere of low latitude regions, which can reach up to ~6%. The comparisons of COSMIC RO refractivity profiles and radiosonde observations for 3 polar stations in four different seasons indicate that the accuracy of GPS RO profiles is better in the Austral summer and autumn than in the Austral spring and winter during the year from September 2006 to August 2007.     

COSMIC资料在GRAPES全球三维变分同化系统的初步研究

利用COSMIC获得的GPS无线电掩星数据所反演得到的大气温湿度廓线资料,在GRAPES全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验,研究了加入COSMIC资料后得到的GRAPES分析场及其5天中期预报是否有所改善。研究结果表明：通过加入COSMIC资料连续循环同化得到的分析场,相对原来没有加COSMIC资料连续同化出来的GRAPES分析场有明显改善,由此GRAPES全球模式全球5天中期预报水平有明显提高,其中加入没有稀疏化后COSMIC资料对南半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都比较显著;加入稀疏化后的COSMIC资料对北半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都有比较显著的效果。     

GPS折射率资料在梅雨锋暴雨数值模拟中的应用

运用WRF三维变分同化系统同化GPS掩星折射率资料,并应用到2007年7月4—6日梅雨锋暴雨个例中进行数值模拟试验,以此考察GPS掩星折射率资料在梅雨锋暴雨数值模拟中的应用。同化结果表明：GPS掩星折射率资料对初始资料的调整主要是中低层湿度场,对于温度场和高度场的调整都是从底层到高层逐渐增大;加入GPS掩星折射率资料对降水预报有所改进,这与中低层湿度场的初始调整有关系;从对模拟结果进行诊断和结构分析中可以发现负散度增量和正涡度增量与降水中心和区域有很好的对应,同化资料之后对于各降水中心地区增强了产生降水的动力条件。