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...     

我国天基GPS掩星探测现状及发展趋势

简述了天基GPS掩星探测的发展历史和发展现状,指出了天基掩星探测的优势以及不同掩星反演方法的优缺点,并对我国的GPS山基掩星探测研究的进展和取得的成果进行了详细介绍,最后对GPS掩星探测未来的研究重点和发展趋势进行了展望,指出GPS掩星探测将向着星座化、综合化应用方向发展,我国也必将积极参与到GPS掩星探测的行列。     

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。     

GPS探测气象参数的技术进展

回顾了全球定位系统(GPS)探测气象参数(GPS/MET)的技术进展.全球定位系统探测气象参数利用GPS信号穿过大气受到大气折射而产生的延迟来探测大气中的温度、气压、水汽含量或湿度及电离层的电子浓度.就地基GPS/MET来看,GPS对中性大气层水汽的探测研究,主要集中在大气可降水量反演、水汽层析及GPS资料在数值预报模式中的应用等领域; GPS对电离层探测,主要应用于电离层变化的分析和研究,监测和预报电离层的危害方面.天基GPS/MET技术利用了导航卫星GPS星座和LEO小卫星在地球地平线边缘的上下相对运动,获取大气参数的垂直分布.GPS气象小卫星在太空飞行,探测范围大、频率高.两颗天基低轨GPS气象小卫星系统的高空资料收集能力就超过了现行全球高空气象探测能力的总和.天基GPS/MET掩星探测技术的业务实现将是全球高空大气探测技术发展的一次飞跃.GPS/MET的探测精度高、全天候、时间分辩率高、观测稳定、无需校正.可以预期, 这种新型的探测手段将是未来大气探测系统中重要的组成部分,随着GPS探测站网的建设和业务化,它所提供的数据源,将会对气象、环境、水文和空间天气等学科领域的研究产生深刻的影响.     

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。     

简谈COSMIC气象探测原理及应用

介绍了一种新型的气象探测技术：空基GNSS掩星探测,并探讨了COSMIC掩星探测的优势和原理。通过与L波段精密探空秒数据的对比,分析并验证了COSMIC掩星资料在气象预报中的可用性,探讨了COSMIC掩星资料在气象应用中的前景。     

LEO-LEO掩星探测频点选择分析与仿真研究

LEO-LEO低轨掩星探测是高效的地球大气层探测技术,探测频率的选择是掩星探测计划的重要环节。首先,详细分析水的复介电常数与频率之间的关系,以及大气中水汽和氧气分子对电波的衰减情况,得出10~30 GHz适合作为LEO-LEO掩星的探测频段;其次,在可行探测频段范围内选择3个探测频点进行仿真研究,给出120次LEO-LEO掩星事件的温、压、湿廓线及对应的误差廓线图,并将仿真结果与标准大气模式对比:大气压力最大相对偏差为0.5%,温度最大标准偏差为0.8K,湿度最大标准偏差为0.47 g·kg~(-1),达到LEO-LEO掩星探测的精度要求;得出14.6GHz、17.4 GHz和22.6 GHz适合作为LEO-LEO掩星探测的频点,为LEO-LEO掩星探测频率的选择提供了参考。所得结论对进一步发展LEO-LEO掩星探测计划,提高大气探测精度具有重要的科学意义。     

FY-3C的掩星探测特点和初步结果

全球导航卫星掩星接收机(GNOS-Global Navigation Satellite System Occultation Sounder)是风云卫星首次尝试掩星探测技术的仪器,它能够同时兼容GPS(Global Positioning System)和我国自主研制的北斗BDS(Bei Dou navigation satellite)信号。简要介绍了国际上掩星探测技术的发展情况,以及我国的首个民用掩星接收机GNOS的仪器概况,对其数据的主要处理过程进行了描述,并利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析资料进行对比分析,结果显示GNOS-GPS掩星中性大气折射率在5~25km有最优的探测精度,标准偏差在1%以内,中高纬度的精度好于低纬度地区。掩星探测的精度与国外同类掩星数据类似,体现了GNOS掩星探测的价值,但对于30km以上的高度,精度还有待进一步提高。     

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。      

利用改进的GoogLeNet深度学习模型识别COSMIC-2掩星信号中的反射信号

GPS(Global Positioning System)掩星探测技术作为一种先进的大气探测手段,已广泛用于数值天气预报、气候和空间天气研究。掩星探测存在的问题之一是容易受到地球表面反射信号的干扰,识别和分离掩星探测信号中的反射信号有助于将掩星数据同化到数值天气预报系统中去,具有重要意义。本文提出一种基于改进的GoogLeNet深度学习模型（Im-GNet）,并应用于COSMIC-2掩星探测数据来识别反射信号。本文选择了2020年1月1～9日的COSMIC-2掩星数据（conPhs文件）,进行质量控制后,利用无线电全息方法得到掩星信号的无线电全息功率谱密度图像,然后训练得到Im-GNet深度学习模型,Im-GNet模型测试的准确率达到了96.4%,显著高于支持向量机（SVM）方法的结果。本文还分析了反射信号对掩星数据的影响,掩星事件的地理分布以及掩星反演数据（atmPrf文件）与NCEP再分析资料的12 h预报值（avnPrf文件）的折射率比较表明：有反射信号的掩星事件数据质量更好,所包含的大气信息更丰富。     

基于内容的气象影视检索方法

GPS系统在气象中的应用,为探测大气有关气象要素提供了一个新的技术方法。山西省观象台正在建设中的GPS/MET、GPS控空将使山西省气象探测技术提高到一个新水平。GPS/MET、GPS探空项目的建设,将为拓宽气象服务领域创造一个良好的条件。     

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。     

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。     

济南地区大气可降水量三种观测反演资料的对比分析

大气可降水量在研究大气辐射和吸收,以及全球的热量输送,尤其是暴雨的预报预测等方面都发挥着重要作用。应用2015年章丘站GPS/MET、微波辐射计和L波段探空3种设备反演的大气可降水量数据,比较了三者之间的偏差特征。结果表明：GPS/MET、微波辐射计和L波段探空3种设备反演的大气可降水量变化趋势一致,但也存在明显的系统偏差,量值从大到小分别是GPS/MET、微波辐射计、L波段探空。三者之间的偏差在春夏秋冬四季的差值都较为稳定;GPS/MET比微波辐射计偏大4.5 mm左右,不会因为季节的改变而明显地增大或减小。但标准差最大是夏季,其次是秋季,冬季最小。由于12：00 UTC水汽含量大于00：00 UTC,造成3种探测手段反演的大气可降水量在12：00 UTC的标准差几乎总是大于00：00 UTC,而相对偏差小于等于00：00 UTC。     

Parallel Computing of a Variational Data Assimilation Model for GPS／MET Observation Using the Ray-Tracing Method

The Spectral Statistical Interpolation (SSI) analysis system of NCEP is used to assimilate me-teorological data from the Global Positioning Satellite System (GPS/MET) refraction angles with thevariational technique. Verified by radiosonde, including GPS/ME% observations into the analysis makesan overall improvement to the analysis variables of temperature, winds, and water vapor. However, thevariational model with the ray-tracing method is quite expensive for numerical weather prediction andclimate research. For example, about 4 000 GPS/MET refraction a;~gles need to be assimilated to producean ideal global analysis. Just one iteration of minimization will take more than 24 hours CPU time onthe NCEP‘s Cray C90 computer. Although efforts have been taken to reduce the computational cost, it isstill prohibitive for operational data assimilation. In this paper, a parallel version of the three-dimensional variational data assimilation model of GPS/MET occultation measurement suitable for massive parallelprocessors architectures is developed. The divide-and-conquer strategy is used to achieve parallelism and isimplemented by message passing. The authors present the principles for the code‘s design and examine theperformance on the state-of-the-art parallel computers in China. The results show that this parallel modelscales favorably as the number of processors is increased. With the Memory-IO technique implemented bythe author, the wall clock time per iteration used for assimilating 1420 refraction angles is reduced from45 s to 12 s using 1420 processors. This suggests that the new parallelized code has the potential to beuseful in numerical weather prediction (NWP) and climate studies.     

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%。     

GPS气象学研究及应用的进展与前景

概述了GPS气象学的形成、发展过程及其主要研究内容，对GPS气象学基本原理作了简单介绍。比较全面、系统地分析了国内外GPS技术在气象学研究及应用方面的现状及最新进展，展望了GPS气象学潜在的应用领域以及广阔的应用前景。     

地基GNSS/MET水汽监测网运行状态远程监测和故障诊断平台的设计

结合GNSS/MET水汽监测设备维护维修方法和实践经验,设计了GNSS/MET监测网远程实时监测和故障诊断平台。该平台采用B/S方式设计,实现了GNSS/MET设备运行状态参数的实时监测、设备故障的自动诊断,并提供故障处理技术支持、设备站点管理等功能。该平台已投入业务运行,不仅为台站和省局值班人员实时提供设备运行状态信息,还为快速排除故障提供了技术支撑,有效提高了GNSS/MET水汽监测设备的运行保障时效。