利用COSMIC掩星资料分析青藏高原地区对流层顶季节变化特征

根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征.结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,...     

上对流层/下平流层GPS掩星资料与我国探空温度对比

本文使用CDAAC(COSMIC Data Analysis and Archival Center)提供的1995—2010年GPS掩星干反演大气温度和我国无线电探空温度资料,选择临近的廓线进行匹配,以掩星资料为基准,分析上对流层/下平流层区域(200～30 hPa)探空温度与掩星温度之间的偏差。分析多种时空匹配条件下总的温度偏差和标准差的结果表明,匹配条件对偏差平均值影响较小,主要影响偏差标准差,选择探空和掩星廓线时间差小于3 h、距离小于200 km作为匹配条件。就全国平均而言,探空温度和掩星温度相差很小,其中在上对流层的偏差大于下平流层,偏差的标准差随高度增加而变大。在上对流层昼夜偏差都为正,下平流层白天为正、夜间为负,温度偏差和标准差在白天大于夜间,说明掩星资料具有足够的精度可以识别出太阳辐射对我国探空温度的影响。偏差在低纬较大,随纬度升高逐渐减小,与使用掩星资料计算的大气垂直减温率有较好的对应关系,其变化特征与探空滞后误差比较一致,说明使用掩星资料可以辨别滞后误差对探空资料的影响。就全国平均而言,L波段探空仪和59型探空仪的平均温度偏差都相对较小,但在不同纬度表现不同;在低纬地区二者偏差对比明显,59型探空仪具有较大的偏差,L波段探空仪偏差较小,高纬地区二者偏差相对都较小;59型探空仪的偏差标准差始终大于L波段探空仪。结果说明掩星资料可以分辨仪器换型对温度偏差的影响,探空仪的升级使我国探空资料的精准度提高,特别在纬度较抵的区域,偏差的改进更加明显。     

基于探空观测的多源掩星折射率质量控制及对比

根据我国不同气候区特点对2017年9月1日—2018年8月31日的COSMIC,Metop-A和FY-3C掩星折射率进行质量控制,结果表明:3种掩星折射率的双权重平均值和标准差较接近,整体均随高度呈递减变化;4个气候区的双权重平均值和标准差有差异,亚热带季风气候区相比其他3个气候区偏大。COSMIC相对探空观测在5 km以下为负偏差,亚热带季风气候区偏差较大,FY-3C亚热带季风气候区2 km以下为正偏差,2~6 km为负偏差,6 km以上为正偏差,整体在2 N以内。利用不同气候区的质量控制标准筛选出错误数据和可疑数据,经统计确定掩星与探空折射率的相关系数阈值为0.44。1 km以下掩星自适应质量控制中错误数据占比为5%~10%,1 km以上在5%以内,3种掩星较为接近。引入探空观测参考后,Metop-A掩星在高原山地气候区的错误数据较多,其他约为6%。质量控制前,掩星折射率与探空的相关系数相对较小,质量控制后,相关系数得到提高,多在0.9以上,效果较好,掩星数据质量得到了改善。     

COSMIC后期的掩星折射率资料误差特性分析

COSMIC计划于2006年成功实施,该计划的设计寿命为5 a。由于实际运行期间COSMIC星座内卫星出现过技术故障,加上卫星姿态控制不稳定等原因,探测数据资料的质量存在一定的波动。为了对COSMIC掩星后期的数据质量进行评估,以全球无线电探空数据为参照,对COSMIC掩星折射率廓线数据进行了统计分析。分析结果表明:1)在两类观测资料观测时间和空间的配对标准上,随着时间差限值与距离差限值的增大,折射率的平均相对误差的变化趋势性不强,但相对误差标准偏差呈增加趋势。2)折射率偏差大值区集中在东南亚附近海域和墨西哥湾附近海域,在海陆交界处折射率平均相对误差要大于陆地和海洋上的平均相对误差。3)10 km以下,热带地区的正偏差最大,平均相对误差为0.849%,高于北半球的0.484%和南半球的0.492%。在10 km以上,三个区域平均相对误差的差异不明显。4)10 km以下,夏季折射率的平均相对误差最大,为0.663%;冬季折射率的平均相对误差最小,为0.365%;30—35 km冬季的平均相对误差最大,达到1.014%。     

COSMIC掩星资料反演青藏高原大气廓线与探空观测的对比分析

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线Wet Prf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示:(1)COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2℃、1.7 h Pa和0 h Pa,均方差为1.8℃、1.6 h Pa和0.4 h Pa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2)COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

COSMIC掩星数据与L波段探空数据的对比分析

COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate)每天可以提供全球2000～3000条从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料,有效地弥补了常规探空资料在时间和空间上分辨率的不足。通过对2008年5月20日至2008年11月26日COSMIC资料与L波段探空秒数据进行比对,结果表明,在10 km高度以下,COSMIC反演的湿廓线资料与L波段探空数据偏差较小,温度偏差为-0.5℃,均方根误差为1.5℃;折射率偏差为1.4N,均方根误差为5.9N;气压偏差为2.0 hPa,均方根误差为4.7 hPa;水汽压偏差为0.1 hPa,均方根误差为1.1 hPa。COSMIC干廓线资料与L波段探空相比,在10～30 km高度内,温度偏差为-0.3℃,均方根误差为1.9℃;折射率偏差为0.4N,均方根误差为0.9N;气压偏差为1.4 hPa,均方根误差为2.6 hPa。表明COSMIC资料既具有较高的时空分辨率,又具有较好的精度,在数值模式中具有重要的潜在应用。     

中国区域高空三种气温、湿度资料交叉对比

本文对比分析了2011—2013年中国区域L波段探空气温、湿度廓线,COSMIC掩星气温、湿度廓线和ERA-Interim再分析资料的气温、湿度廓线之间的差异。对比显示,从时间变化来看,三者之间有很好的正线性相关关系。除10 hPa以上的少数层次外,三种气温资料之间互相吻合较好,彼此偏差范围在±0.4℃之间,偏差标准差在1~2℃,对流层中高层,L波段探空气温受太阳辐射影响较大,气温偏高,与COSMIC相比,L波段探空偏高最高可达到0.64℃。而对于相对湿度,三种数据存在明显差异。对流层中低层到对流层顶L波段探空存在不同程度的偏干,且有较明显的昼夜、季节和区域差异:白天、春夏季和南方潮湿气候区域偏干更明显。一般来说,在对流层顶附近区域,L波段探空相对湿度偏干较明显,200 hPa附近及以上L波段探空相对湿度转为偏湿。在对流层顶以下,L波段探空与COSMIC掩星、ERA-Interim再分析相对湿度具有明显的正相关,对流层顶以上表现为负相关。     

COSMIC掩星资料在青藏高原地区的偏差特征

利用2007—2013年COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate)掩星RO(Radio Occutaion)资料和欧洲中期天气预报中心ECM WF(European Centre for M ediumRange Weather Forecasts)分析资料,研究了COSM IC RO探测的大气折射率及其反演的温度和水汽在青藏高原及其周边地区的偏差特征。结果表明,在夏季和秋季,高原,西南季风区和东部平原地区,大气折射率在对流层里均存在系统性的正偏差,其中高原偏差最大,在夏季可达0. 7%。冬季和春季,大气折射率在青藏高原对流层中下部有小的正偏差,而在西南季风区和平原地区对流层中下部有明显的负偏差。温度和水汽是折射率的反演产品,折射率的正偏差对应着温度的负偏差和水汽的正偏差。因此夏季高原地区的温度和相对湿度偏差可达-0. 5℃和7%。同时,夏季在西南季风区对流层顶出现了11%的相对湿度偏差。对流层下层折射率的负偏差和低层大气多路径效应有关,折射率正偏差和大气中的云水有关。对流层顶附近的相对湿度偏差,则是由于ECMWF模式结果不精确所引入的。     

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。     

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...     

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.     

The Impact of Assimilating FY-3C GNOS GPS Radio Occultation Observations on GRAPES Forecasts

In the present study, a gross quality control (QC) procedure is proposed for the Global Navigation Satellite System Occultation Sounder (GNOS) Global Positioning System radio occultation (GPS RO) refractivity data to remove abnormal data before they are assimilated. It consists of a climate extreme check removing data outside the range of the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) climate maxima and minima over approximately five years, and a vertical gradient check that rejects profiles containing super-refractions. These two QC steps were applied sequentially to identify outliers in GNOS GPS RO refractivity data during boreal winter 2013/2014. All of the abnormal refractivity profiles and the outliers at each level of the GNOS GPS RO observations were effectively removed by the proposed QC procedure. The post-QC GNOS GPS RO refractivity observations were then assimilated in the Global/ Regional Analysis and PrEdiction System (GRAPES) using the three-dimensional variational (3D-Var) system. The impacts of the GNOS refractivity observation on GRAPES analysis and forecasting were evaluated and analyzed using an observation system experiment run over one whole winter season of 2013 / 2014. The experiment results demonstrated a positive impact of GNOS GPS RO data on analysis and forecast quality. The root mean squared error of GRAPES analysis temperature was reduced by 1% in the Southern Hemisphere (SH) extratropics and in the tropics, and the anomaly correlation scores of the forecasted 500-hPa geopotential height over the SH increased significantly during days 1 to 5. Overall, the benefits of using GNOS GPS RO data are significant in the SH and tropics.     

一次降水天气过程的GPS掩星资料在GSI同化系统中的应用

为了探索全球定位卫星观测系统无线电掩星技术(Global Positioning System/Radio Occulta-tion,简称GPSRO)在业务数值预报模式中的应用效果,以美国NCEP(National Centers for Environ-mental Prediction)业务同化系统为平台,对有/无COSMIC(Constellation Observing System for Meteor-ology,Ionosphere and Climate)GPS无线电掩星观测资料进行了一次降水过程的详细的同化对比试验。试验中GPSRO观测算子主要采用了相对简单但计算省时的局地(Local)同化技术。该个例试验表明:COSMICGPS掩星观测对分析影响较大的地区是常规观测资料较稀缺地区(如洋面),因此在这些地区GPSRO资料可以被看作是对常规观测很好的补充。同时还注意到COSMIC GPS RO资料在对流层下层对湿度场分析和预报的影响显著,在对流层中上层对风场分析也产生正面影响。这证实GPS RO资料在业务数值天气预报中应用的有效性,为我国数值预报未来开展业务GPS掩星观测资料同化提供了有益的科学参考依据。     

全球探空站附近掩星观测资料误差估计北大核心

利用2016年1月1日至2020年10月1日GPS无线电掩星观测、探空观测、美国微波综合反演系统(MiRS)卫星微波资料反演产品、美国国家环境预报中心全球预报系统(Global Forecast System,GFS)分析资料和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料这5种资料,采用“三角帽”方法,估计GPS掩星资料的观测误差,分析了资料集之间偏差和误差相关性对观测误差估计值的影响。结果表明,用MiRS资料替代ERA5再分析资料后所得到的掩星观测误差大于用掩星、探空观测、GFS分析和ERA5再分析资料的掩星观测误差。掩星观测误差随纬度增加而减小。本文对即将到来的掩星资料的合理应用具有重要意义。     

一种新的COSMIC大气折射率资料观测误差估计方法及在GRAPES全球三维变分同化中的应用

观测误差协方差是变分同化系统中决定分析及预报效果的关键参数之一,观测误差的估计精度直接影响变分同化分析和预报效果。分析了新息增量法(H-L法)估计全球定位系统无线电掩星这类观测点不固定资料的观测误差的适用条件,并利用1年的气象、电离层及气候星座观测系统(COSMIC)折射率资料,针对局地观测算子,估计了COSMIC折射率在南、北半球高、中、低6个纬度带四季的观测误差,分析了COSMIC折射率观测误差的纬度、高度和季节变化的特点,并将估计的折射率观测误差应用于GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)三维变分同化系统。结果表明,折射率观测误差随高度和纬度有明显变化;在中、高纬度带,折射率观测误差有显著的季节变化:夏季折射率的观测误差约为冬季2倍,春、秋两季折射率误差具有较好的南北对称性,冬、夏两季折射率观测误差南、北半球差异较大。与GRAPES原来使用的全球平均单一的折射率观测误差相比,在GRAPES全球三维变分同化系统中使用本研究估计的较高精度的随纬度变化的COSMIC折射率观测误差能够提高GRAPES全球变分同化系统的预报水平。     

COSMIC与FY-3C掩星电离层反演的比较

利用基于TEC的电子密度廓线反演方法,对2014年12月31日的COSMIC和FY-3C掩星任务的电离层掩星相位数据进行处理,将反演的电子密度廓线及电离层峰值参数分别与两个掩星任务的官方产品进行比较,发现两个掩星任务的反演结果与官方产品均具有较好的一致性.其中COSMIC反演结果与CDAAC官方产品的一致性略好于FY-3C反演结果与NSMC官方产品的一致性,且两个任务的NmF2的反演质量均优于hmF2的反演质量.但与COSMIC不同,FY-3C掩星电离层相位数据进行反演处理之前有必要进行滤波平滑预处理,且由于FY-3C非掩星时段的相位数据量太少,反演过程中不建议对TEC进行改正.     

Planetary-Scale Wave Structures of the Earth's Atmosphere Revealed from the COSMIC Observations

GPS radio occultation(GPS RO) method,an active satellite-to-satellite remote sensing technique,is capable of producing accurate,all-weather,round the clock,global refractive index,density,pressure,and temperature profiles of the troposphere and stratosphere.This study presents planetary-scale equatorially trapped Kelvin waves in temperature profiles retrieved using COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate) satellites during 2006-2009 and their interactions with background atmospheric conditions.It is found that the Kelvin waves are not only associated with wave periods of higher than 10 days(slow Kelvin waves) with higher zonal wave numbers(either 1 or 2),but also possessing downward phase progression,giving evidence that the source regions of them are located at lower altitudes.A thorough verification of outgoing longwave radiation(OLR) reveals that deep convection activity has developed regularly over the Indonesian region,suggesting that the Kelvin waves are driven by the convective activity.The derived Kelvin waves show enhanced(diminished) tendencies during westward(eastward) phase of the quasi-biennial oscillation(QBO) in zonal winds,implying a mutual relation between both of them.The El Nino and Southern Oscillation(ENSO) below 18 km and the QBO features between 18 and 27km in temperature profiles are observed during May 2006-May 2010 with the help of an adaptive data analysis technique known as Hilbert Huang Transform(HHT).Further,temperature anomalies computed using COSMIC retrieved temperatures are critically evaluated during different phases of ENSO,which has revealed interesting results and are discussed in light of available literature.     

Planetary-Scale Wave Structures of the Earth’s Atmosphere Revealed from the COSMIC Observations

GPS radio occultation（GPS RO） method,an active satellite-to-satellite remote sensing technique,is capable of producing accurate,all-weather,round the clock,global refractive index,density,pressure,and temperature profiles of the troposphere and stratosphere.This study presents planetary-scale equatorially trapped Kelvin waves in temperature profiles retrieved using COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate） satellites during 2006-2009 and their interactions with background atmospheric conditions.It is found that the Kelvin waves are not only associated with wave periods of higher than 10 days（slow Kelvin waves） with higher zonal wave numbers（either 1 or 2）,but also possessing downward phase progression,giving evidence that the source regions of them are located at lower altitudes.A thorough verification of outgoing longwave radiation（OLR） reveals that deep convection activity has developed regularly over the Indonesian region,suggesting that the Kelvin waves are driven by the convective activity.The derived Kelvin waves show enhanced（diminished） tendencies during westward（eastward） phase of the quasi-biennial oscillation（QBO） in zonal winds,implying a mutual relation between both of them.The El Nino and Southern Oscillation（ENSO） below 18 km and the QBO features between 18 and 27km in temperature profiles are observed during May 2006-May 2010 with the help of an adaptive data analysis technique known as Hilbert Huang Transform（HHT）.Further,temperature anomalies computed using COSMIC retrieved temperatures are critically evaluated during different phases of ENSO,which has revealed interesting results and are discussed in light of available literature.