COSMIC掩星反演湿温廓线质量的时空分析

为研究COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星反演湿温廓线的质量,需对数据误差特性进行量化研究。首先采用线性插值的方法,以时间窗3 h、水平距离300 km为匹配准则,对0.2～30 km各高度层温度的平均偏差和标准差进行统计分析,研究随海拔高、季节和纬度带变化的温度平均偏差特性。然后采用2016年的全球探空数据集分析全球区域的COSMIC湿温廓线质量,以及北温带COSMIC湿温廓线质量随季节变化的特点,探究不同纬度带地区COSMIC掩星湿温廓线质量随纬度变化的特点。结果表明,全球范围内温度平均偏差为-0.16 K,掩星数据和探空站资料精度相当;季节变化的统计量F=0.999 60.05,该因素对COSMIC湿温廓线质量影响不显著;纬度带变化的统计量F=0.024 40.05,该因素对COSMIC湿温廓线质量有显著影响,尤其是热带地区受水汽影响较大,温度平均偏差处于峰值,偏差高于0.25 K,南温带地区次之。     

COSMIC掩星折射指数廓线的统计验证

以全球无线电探空数据和美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)预报模式为参照,对COSMIC数据分析与管理中心(COSMIC Data Analysis and Archive Center,CDAAC)提供的2007-06-01-2007-06-30的气象、电离层与气候星座观测系统(the constellation observing system for me-teorology,lonosphere,and climate,COSMIC)的GPS掩星折射指数廓线进行了统计验证.结果表明,掩星廓线的精度在高纬度地区最好,在低纬度地区最差.中、低纬度带掩星廓线相对于探空廓线有系统性相对偏差,该偏差在掩星廓线与NCEP预报廓线的比较中不存在,说明探空数据的质量是造成这种偏差的主要原因,这可能与不同地区所采用的无线电探空仪的性能有关.     

不同季节GPS掩星廓线精度的比较研究

以1a的探空资料为参照,对南半球4个不同季节COSMIC掩星观测的折射指数、温度及气压廓线在0～30km高度区间的精度进行了分析。结果表明,虽然就整个高度区间平均而言,春季掩星廓线的精度最差,但不同高度区间掩星廓线的精度差别较大。无论折射指数、气压还是温度,掩星廓线在5～25km区间的精度都优于0～5km与25～30km区间。在0～5km的低对流层,由于水汽的影响,夏季的折射指数廓线精度最低;冬季则最高。在5km以上,夏季气压廓线的精度比其他季节高。不同季节各高度层掩星温度廓线的精度则无显著差异。     

利用FY-3C折射率对大气边界层高度的反演与分析

2013年中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)掩星观测的气象卫星风云3号C星(Fengyun-3C,FY-3C),且已发布自2014年6月以来的FY-3C掩星大气产品,但目前还未见将其应用于大气边界层的相关研究。首次尝试利用FY-3C折射率产品确定边界层高度并进一步进行空间分布分析。结果表明,在小波协方差变换法基础上,进行尖锐度约束,能够确定FY-3C掩星低层大气折射率廓线中可能存在的突变,反演边界层高度。所得到的2015―2018年各年边界层高度全球分布在不同纬度及海洋和陆地上的差异基本体现了边界层与地表气候及地形的关系,但FY-3C折射率产品在低层大气的精度和垂直分辨率相对较低。因此,反演成功率总体上较低,反演结果对边界层高度空间分布细节特征的呈现仍有待提升。     

利用GPS掩星弯曲角确定对流层顶高度

利用COSMIC提供的GPS无线电掩星观测数据,从掩星弯曲角廓线出发确定对流层顶高度,并分别与对应的掩星温度廓线确定的温度最低点对流层顶(cold point tropopause,CPT)和温度递减率对流层顶(lapse rate tropopause,LRT)、无线电探空(距离掩星事件300km以内、观测时间差异3h以内)温度廓线确定的CPT和LRT进行了对比。     

澳大利亚上空COSMIC掩星廓线的反演

基于几何光学反演方法,由附加相住延迟序列出发,对2007年6月6日发生在澳大利亚上空的一次COSMIC掩星事件进行了反演.将反演得到的折射角、折射率、干温与湿度廓线分别与COSMIC数据分析与管理中心(COSMIC data analysis and archive center,CDAAC)的相应产品进行了比较.结果表明,两者在低对流层存在较显著的差异.以距离该掩星地点300 km以内、观测时间差异2 h以内的无线电探空资料为参照,反演的折射率廓线与CDAAC的折射率廓线在低对流层都存在一定的误差.对于该掩星事件,CDAAC通过变分法反演的湿度廓线并不比本文的反演结果更接近探空廓线;在1 km以下,其变化趋势甚至与探空结果相矛盾.     

雾灵山山基掩星观测反演误差分析

运用山基GPS掩星探测技术对2005年8月河北雾灵山山基GPS掩星观测试验数据进行了处理,获得了接收机高度以下的大气折射率廓线;分析了掩星反演结果的内部符合情况,并利用同时进行的联合探空观测数据,将探空结果与掩星反演结果进行了比对分析.分析结果表明,山基GPS掩星反演大气折射率的内部符合精度优于1%,与常规探空结果的平均偏差为5.9%.反演结果偏小,标准偏差为5.6%.     

利用COSMIC掩星资料计算平流层大气风场方法分析

利用大气压强、温度、密度等与风场之间的关系,通过大气折射指数、高度及温度数据均可以推算出大气风场,选用2007年1、4、7和10月COSMIC掩星观测的压强和折射率、高度、温度等月平均数据,构建了三种推算大气风场的方法。从风场的纬度高度分布、经度纬度分布及纬圈平均纬向风在不同季节的特性等方面,将计算结果与ECMWF ERA-interim再分析风场结果进行对比,发现计算结果与模式风场基本一致,能够反映出中高纬度大气风场的变化规律,偏差随高度的增高而逐渐增大,1hPa等压面以下偏差在10m/s以内。采用不同掩星数据推算出的大气风场之间的彼此差别很小,折射率与温度资料推算的大气风场几乎相同,高度数据推算出的风场相对前两者偏差稍大,但一般不超过2m/s。     

GPS-LEO掩星探测地球大气的方法

近年来伴随导航定位技术与无线电掩星技术的结合，一种崭新的遥感地球大气的方法-Global Positioning System/Meteoroloby(GPS/NET)应运而生，该方法可以有效地探测大气温、压、湿等气象参数。本文在介绍利用GPS-LEO掩星技术探测地球大气的原理，以及反演大气参数的方法、步骤的基础上，给出了模拟掩星数据反演出的温度廓线、密度廓线及部分GPS/NET实验数据的初步反演结果。通过分析可以看出，利用掩星技术反演出的温度廓线与大气实际情况相符，并且与ECMWF、NCEP的结果吻合较好。在干空气假设条件下，近地面大气的反演结果与实际情况还存在一定误差，有待深入研究解决。     

激光掩星探测大气UTLS温度和水汽的方法及仿真

以高精度和高垂直分辨率探测大气区间对流层顶—平流层底UTLS（Upper Troposphere/Lower Stratosphere,5—35 km）的温度和水汽廓线是提高大气条件变化监测水平的关键,而利用激光掩星方法同时探测温度和水汽则是对现有探测技术的重要补充。本文研究了激光掩星协同探测和反演温度和水汽分子数密度的方法,其中重点研究了双吸收波长近红外激光反演温度的方法,具体为从近红外波段氧气吸收光谱中,选择2个不同跃迁能级对应的特征吸收峰,在每个吸收峰附近各选出1个吸收线,利用2个吸收线对应的双吸收波长激光以及参考线对应波长激光进行掩星探测,进而由探测数据反演出温度。整个温度和水汽协同反演步骤是先反演温度廓线,然后由温度廓线以及5 km参考高度处的压强先验值计算得到压强廓线,最后在温度和压强廓线基础上,结合水汽单吸收波长和参考波长激光掩星数据,反演得到水汽分子数密度廓线。此外,本文对探测和反演过程进行了模拟仿真,通过在近红外波段选择合适的氧气吸收波长和水汽吸收波长,模拟得到掩星透过率数据,以此反演得到温度和水汽分子数密度廓线。并通过对整个过程的分析,明确了反演过程中的误差项及其传递关系,结合数值仿真结果,说明了各个误差项的影响大小。结果显示,在UTLS区间内,温度反演误差总体小于1.05 K,水汽分子数密度反演误差总体小于4%,该误差范围说明了温度和水汽协同反演方法的可行性。     

FY-3C无线电掩星折射率廓线的反演及验证

2013年,中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)无线电掩星观测的气象卫星FY-3C,其掩星数据产品已由国家卫星气象中心(national satellite meteorological center,NSMC)发布.基于FY-3C附加相位...     

GPS掩星数据反演中的地球扁率影响改正

采用CHAMP实测轨道数据和MSISE-90经验干大气模型，分别将地球作为圆球和椭球，前向模拟了附加相位延迟，然后对模拟数据进行反演。通过不同方案下反演温度廓线与大气模型温度廓线的比较，发现实测掩星数据的反演中，忽略地球扁率影响会给温度反演结果带来较大的误差；而采用相应方法对地球扁率影响进行改正后，温度廓线的误差明显减弱，从而证明了改正方法的正确性。     

利用GPS掩星资料反演大气重力波势能的方法

介绍了利用GPS掩星资料反演大气重力波势能的方法,给出了从COSMIC(constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)干温廓线出发,扰动温度廓线提取及势能廓线反演的具体流程,进而对2011年夏季和冬季20～30 km重力波势能的全球分布及季节变化特征进行了分析,结果与国内外已有文献基本一致。     

不同GPS掩星电离层剖面产品相关性分析

将在一定时空限定范围内的不同低轨卫星COSMIC、GRACE、CHAMP、FY3C的电离层掩星电子密度剖面定义为一个掩星对来对比分析不同类型掩星电离层产品。结果表明：COSMIC掩星对之间的电子密度剖面整体轮廓符合得很好，电子密度剖面主要在250 km以下和500 km以上存在较大的偏差，250~500 km的电子密度整体偏差较小，统计得到的COSMIC掩星对的电子密度参量NmF2和hmF2的相关系数能分别达到0.99和0.97，具有高度相关性，不同COSMIC卫星之间没有明显的系统误差；COSMIC、GRACE、CHAMP和FY3C不同低轨卫星间的电子密度剖面略有差异，通过统计电子密度参量NmF2和hmF2之间的相关系数，COSMIC和CHAMP的相关系数分别为0.95和0.86，COSMIC和GRACE的相关系数分别为0.98和0.94，COSMIC和FY3C的相关系数分别为0.96和0.92，不同掩星类型之间的电子密度参量之间也具有高度相关性，验证了不同卫星任务GPS掩星电离层剖面的一致性。     

基于GPS掩星技术反演大气参数模型的优化

准确掌握地球大气中的水气分布，了解水气变化趋势对天气现象、全球气候变化、数值预报具有理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气参数剖面。对原反演模型的不足进行了论证，并给出了反演个例。详细地论述了通过引入MM5先验温度T再通过线性迭代的方法反演对流层下部水汽廓线原理，给出了优化后模型反演个例。并对模型优化后反演廓线中存在的问题进行了分析，提出了下一步优化方向。     

电离层干扰对GPS掩星弯曲角和温度精度的影响

以MSIS90大气模式和3DNeUoG电离层模式为背景大气,仿真模拟了电离层暴、电离层行扰和电离层槽对GPS掩星弯曲角电离层残差及温度精度的影响。结果表明,在太阳活动活跃期,弯曲角电离层残差在35~50km高度范围内可达1.5μrad,其标准差可达0.9μrad;在15~35km高度范围内可达4μrad,其标准差可达1.4μrad。电离层暴和电离层槽可使弯曲角电离层残差标准差增大20多倍;电离层行扰可使弯曲角电离层残差标准差增大数倍。电离层干扰引起的电离层残差可使15~35km高度范围内温度反演误差高达8K,这样的温度误差会对掩星观测的日平均温度和月平均温度产生显著影响。因此,需要发展新的电离层修正方法;在掩星气候监测中,需加强电离层监测,并结合监测结果剔除电离层干扰误差。     

利用掩星资料分析东亚地区云厚的分布特征

利用2007年1月至2009年1月COSMIC掩星湿空气数据,基于相对湿度廓线出入云层时发生突变反演云边界高度的思想,统计分析了东亚地区云厚的分布特征。结果表明,掩星最低探测高度集中在3km以下,主要影响部分中云和低云云厚的反演。云发生概率沿纬度和经度方向呈现不同的分布特征,各类云概率随高度也有不同的变化规律。东亚地区所有云的平均厚度为1.78km,其中单层云和顶层云分布相似,双层云与其他云层的地理差异不大,单层云在春秋季分布相对均匀,而在夏冬季差异较大。夏季和冬季顶层云云顶高与云厚的二维频率分布各异,主要在于夏季有更多云体较厚且位于对流层上部的高云存在。     

利用COSMIC掩星折射指数分析全球大气边界层顶结构变化

基于小波协方差变换法,由折射指数廓线确定大气边界层顶高度,利用2007至2012年气候星座观测系统（Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate,COSMIC）掩星折射指数廓线分析全球大气边界层顶参数随地理位置、季节和日变化的特征,结果表明全球大气边界层顶结构受热力因素和大气动力因素的影响,具有明显随经纬度变化的特征。在大气动力因素主要影响下,30°S~30°N范围内陆域比海域的季节变化幅度更强。对全球大气边界层顶高度月均值和去季节性变化距平值的分析表明2008年和2011年大气边界层顶高度出现季节性异常。大气边界层顶气压与高度在全球呈负相关,而温度与高度在南北纬40°~90°呈正相关,30°S~30°N呈负相关。2012年全球大气边界层顶高度日变化幅度均值为0.37 km,同纬度海洋与陆地区域年平均边界层顶高度的日变化有一定相关性。     

利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较

偶发E层(sporadic E, Es)是主要发生在90~120 km高度的电子密度显著增强的电离层薄层,Es层的存在会导致掩星观测中全球导航卫星系统信号强度和相位的强烈波动。利用2019-01—2021-12风云三号C（Fengyun-3C,FY3C）和风云三号D(Fengyun-3D,FY3D)卫星GPS（global positioning system）掩星观测的50 Hz信噪比数据提取Es层信息,进而对两颗卫星数据分别反演得到的60°S~60°N中低纬地区Es层发生率的时空分布及季节变化进行比较。结果发现,虽然两颗卫星掩星资料得到的Es层发生率分布形态基本一致,均反映了Es层的发生率与地磁场和中性大气背景风场的相关性,但在大部分季节和地区,由FY3D得到的Es层发生率低于由FY3C得到的结果,北半球夏季中纬地区尤为明显,而FY3C反演结果与基于电离层与气候星座观测系统掩星数据的反演结果更为接近。导致差异的可能原因包括两颗卫星信噪比廓线的上边界高度分布和地方时覆盖上的差异、两颗卫星掩星接收机噪声水平的差异等。上述结果表明,后续融合两颗卫星的掩星数据进行Es层相关研究时,可能需要顾及两颗卫星接收机的不同噪声水平,在Es层发生的判定策略上进行针对性调整。     

利用COSMIC/GPS掩星干温及干压资料探测对流层顶的高度

从COSMIC/GPS无线掩星的折射率产品中分离出大气干温度和干压强。通过计算干温度随干压强变化的递减率(DTLR)来探测对流层顶的高度。选取2013年第346 d中58次掩星事件进行试算,并将DTLR试验结果同CPT(Cold Point Temperature)法和WMO(World Meteorological Organization)法确定的对流层顶以及无线探空产品和Era-Interim产品估算的对流层顶进行了比较和统计。验证结果表明,利用COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星干温度产品递减率变化探测对流层顶是可行的。