GPS掩星折射率剖面一维变分同化

近年来,GPS／LEO(全球定位系统／低地球轨道)卫星无线电掩星技术给出了地球大气探测的新途径．从LEO卫星观测到的掩星数据可以反演的地球大气的气压、水汽、温度等剖面;它们对气象和大气科学研究,是具有潜在价值的数据资源．掩星数据资料的同化技术可以有效地改进这些气象参数的剖面,从而改进目前的数值天气预报模式．在当前采用的一维变分同化反演技术中,可以用掩星观测资料的大气折射率或弯曲角剖面进行同化,来反演大气水汽和温度剖面以及海平面压强．作为独立自主开发的GPD／LEO掩星技术系统的一部分,以欧洲中尺度天气预报分析(ECMWF)资料为背景场,CHAMP 掩星观测得到的折射率剖面为观测值,采用Levenberg—Marquardt方法实行GPS掩星资料一维变分同化．在讨论中,用掩星观测点附近相应的探空气球资料来检验CHAMP掩星资料变分同化的结果．     

火星电离层无线电掩星探测仿真研究

对中俄联合火星星-星电离层掩星技术体制进行了分析和介绍,采用三维射线追踪方法对电离层掩星事件的电波观测值进行了模拟计算,并利用模拟的掩星观测数据进行了电子密度廓线反演,结果说明仿真算法可靠.利用仿真的方法,分别对掩星电波相位观测误差和卫星轨道误差等带来的反演误差进行了个例计算和分析,结果得到:5%周的相位测量误差对白天电离层掩星探测结果的影响可以忽略,而夜间电子密度测量的绝对误差小于4×108 m-3;卫星轨道误差对掩星的主要影响是导致电离层高度抬升或下降.结果表明,中俄联合火星电离层掩星探测技术体制先进,可望获得高精度的电子密度廓线;其技术体制也可以用于月球电离层环境的探测.     

对称模式下的CHAMP弯曲角掩星数据同化

简单介绍了无线电掩星技术探测行星大气的发展史,列举了该技术中存在的若干问题。从 Eyre提出的统计学的最优估计反演方法,比较了用相位、弯曲角和折射率作为同化因子时出现的问题和各自的优缺点。对弯曲角同化因子,以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)资料为背景场,运用一维变分技术,进行CHAMP掩星观测资料变分同化反演,从而获得水汽和温度剖面。将反演获得的气象剖面与非同化的剖面作比较,并且采用相应的探空气球资料作为验证,可以看出变分同化技术比传统的标准反演技术反演误差小。证实掩星数据资料的一维变分同化技术可以改进目前的数值天气预报模式。     

电离层掩星反演的正则最大熵法

电离层掩星数据现已成为电离层观测数据的重要来源,对掩星数据的反演研究一直是掩星研究的热点.传统采用的改正TEC(1btal Electron Content)的Abel变换反演法为线性反演法,它会把测量误差带入反演结果中.为改善反演效果受测量误差的影响,引入两种非线性的反演方法一正则化和正则最大熵反演法.随后设计模拟试验,对3种方法进行验证、比较,得到正则最大熵反演法可以很好地减小测量误差的影响.     

GPS/LEO掩星观测的变分同化技术

在简单介绍GPS/LEO掩星探测大气的发展历史和科学意义之后,详细阐述了反演的基本原理;分析了标准反演中存在的问题,并说明一维变分同化(1DVAR)在反演方法中的重要性;给出了一维变分同化中价值函数的求解,以及各种同化因子;简单介绍了对当前气象学中普遍使用的四维变分同化(4DVAR);重点讨论了各种同化方法,以及使用各种同化因子的优缺点。最后,通过CHAMP卫星的观测实例分析,验证了GPS数据在数值天气预报(NWP)中的作用,以及相对于标准反演法一维变分对气象要素的改进。     

电离层的掩星分离假设反演法

该文首先简要介绍了无线电掩星探测技术及其发展现状和传统Abel变换方法面临的问题.为改进传统Abel变换反演方法,利用电子密度廓线的分离假设,引进了分离假设反演法.随后利用国际电离层参考模式IBI2007给出1000个掩星事件截面的模拟数据及COSMIC卫星星座的一天实测数据,进行比较计算,并对结果进行了分析,验证了分离假设反演法的有效性.文中还给出了垂直电子总量VTEC(Vertical Total Electron Content)先验场的获取途径.最后,对分离假设反演法的进一步研究的方向进行了探讨.     

掩星情报站

月掩星分为全掩和掠掩两种,其中在掩食带界限线的掠掩观测比一般的月掩星观测价值更高,这是因为我们对月球边缘的地形了解的很少,在界限线附近韵多点观测可以有助于我们准确了解月球边缘的地形结构、山峰高度等情况。月球掠掩亮星的机会更为少见,     

上海天文台GPS掩星技术研究现状

简要地介绍了GPS/LEO卫星无线电掩星技术的基本原理、意义以及国际上的最近动态 ,列举了几个主要的LEO卫星计划 ;重点分析了GPS掩星探测地球大气技术中需要注意的若干问题 ,并推出可能采取的改进方案和相应的技术路线。上海天文台在GPS/LEO空基气象学中已经成功地提出 :通过通约LEO/GPS轨道方法 ,实现掩星地面观测点控制的新思路。作为一个应用实例 ,针对东中国海洋上空大气状况对中国东部经济发达的地区特别是上海地区的天气有着重要影响的背景 ,提出利用通约LEO/GPS卫星可对该地区大气实施监控。为了充分利用GPS/LEO掩星观测资源 ,上海天文台开展了振幅反演的计算方法研究 ;提出了在振幅反演中存在着无线电信号几何衰减和物理衰减两种不同的衰减机制 ,并考虑了它们的数学模型以及对反演结果的影响。简要地叙述了掩星质量因子的定义和计算方法。作为国内天文地球动力学研究中心 ,上海天文台将与国内外一些合作单位考虑建立GPS/LEO掩星技术观测处理的软件系统。作为空基GPS气象学的推广 ,还考虑进行山基和飞机载掩星观测实验 ,论证用这些方法监测局部大气剖面的可行性以及它们在国民经济和科学研究上的作用     

测定瞬时天文大气折射值和建立本地实测模型

利用天文大气折射在空间大地测量中的新用途,并指出,为了满足这一新用途的高要求,必须有一种有效的方法,能直接测定瞬时大气折射值,建立与观测站周围地理环境相适应的大气折射模型,再转换成中性大气折射延迟改正模型.文章简述了测定大气折射值必须满足的条件.阐述了云南天文台探讨出的利用低纬子午环的观测原理,在不同方向和不同天顶距直接测定瞬时大气折射值的一套方法,并给出了用实测数据在东,南、西,北4个方向建立的按恒星光谱型分类的大气折射实测模型.     

上海天文台GPS掩星技术研究现状

简要地介绍了GPS／LEO卫星无线电掩星技术的基本原理、意义以及国际上的最近动态，列举了几个主要的LEO卫星计划；重点分析了GPS掩星探测地球大气技术中需要注意的若干问题，并推出可能采取的改进方案和相应的技术路线。上海天台在GPS／LEO空基气象学中已经成功地提出：通过通约LEO／GPS轨道方法，实现掩星地面观测点控制的新思路。作为一个应用实例，针对东中国海洋上空大气状况对中国东部经济发达的地区特别是上海地区的天气有着重要影响的背景，提出利用通约LEO／GPS卫星可对该地区大气实施监控。为了充分利用GPS／LEO掩星观测资源，上海天台开展了振幅反演的计算方法研究；提出了在振幅反演中存在着无线电信号几何衰减和物理衰减两种不同的衰减机制，并考虑了它们的数学模型以及对反演结果的影响。简要地叙述了掩星质量因子的定义和计算方法。作为国内天地球动力学研究中心，上海天台将与国内外一些合作单位考虑建立GPS／LEO掩星技术观测处理的软件系统。作为空基GPS气象学的推广，还考虑进行山基和飞机载掩星观测实验，论证用这些方法监测局部大气剖面的可行性以及它们在国民经济和科学研究上的作用。     

One-dimensional variational retrieval of refractivity profiles by GPS occultation

In recent years, the technique of Global Positioning System/Low Earth Orbit (GPS/LEO) radio occultation has opened up a new route for exploring the earth atmosphere. With this technique, the vertical profiles of pressure, temperature, water vapor of the earth atmosphere can be retrieved from GPS/LEO occultation data, thus making the latter a potentially valuable data resource for meteorological and atmospheric sciences. The technique may effectively improve the quality of the meteorological profiles, and so improve the current numerical weather forecasting model. In the one-dimensional variational (1DVAR) assimilation retrieval technique in current use, the profiles of atmospheric water vapor and temperature, as well as the sea level pressure are retrieved by assimilating the atmospheric refractivity or bending angle profile from GPS/LEO occultation data. In the system independently developed at Shanghai Observatory, the 1DVAR assimilation of CPS occultation data is accomplished by the Levenberg-Marquardt method with the analytical data from the European Center for Medium Range Weather Forecasting (ECMWF) as the background field, the refractivity profile obtained from CHAMP occultation data as the observational quantity. The result was checked with sounding balloon data near the occultation points.     

Improvements of One-dimensional Variational Assimilation Algorithm Based on Occultation Technique

Utilizing the occultation data observed by LEO (low earth orbit) satellites, we can invert the profiles of air pressure, water vapor, temperature of terrestrial atmosphere and so on, and they are the valuable data resources for studying the meteorology and atmospheric sciences. The assimilation techniques with the occultation data can effectively improve these profiles of meteorological parameters, thus they can improve the accuracy of current numerical weather forecasting. The greatest difficulty is the huge amount of calculation to enter into the meteorological operational processes for applying the parameter profiles observed by occultation with the method of variational assimilation. With the improvements of the function of one-dimensional variational assimilation and the new design for iterative process, the defects of repeated calculation of the large dimension matrix can be avoided, thereby improving the computational efficiency of variational assimilation. In the discussion of applicability, it is used as the true value of the vectors of the background field plus one white Gaussian noise to test the variational assimilation results on the occultation data of satellite CHAMP.     

非圆轨道GPS/LEO掩星反演地球大气参数的算法及讨论

在非圆轨道GPS和LEO卫星条件下，给出一种较为直接的GPS／LEO掩星反演地球大气参数技术中弯曲角序列的迭代算法，并在理论上对该迭代法的收敛性进行了严格的数学证明．利用GPS掩星反演模拟程序，定量估算了卫星圆轨道假设对GPS／LEO掩星反演地球大气参数的影响，并验证了在非圆轨道条件下各种迭代法的一致性．指出了文献中给出的级数展开迭代算法的不足之处．     

CHAMP观测资料的振幅反演初步结果

在几何光学和薄相位屏的假设下，给出GPS／LEO无线电掩星反演地球大气技术中振幅反演的计算方法．从产生接收信号振幅变化的机制出发，提出产生信号振幅变化的几何衰减和物理衰减两个不同的源．利用CHAMP卫星观测资料的个例，用观测信噪比序列进行了大气弯曲角、大气折射率、压力、温度剖面的反演；并与相位反演结果进行比较和讨论．     

上海天文台CHAMP掩星资料处理结果的统计分析

随着GPS全球定位系统的发展,已经有可能使用GPS掩星技术反演精确的大气温度,压强和湿度剖面．在概要地描述上海天文台(SHAO)开发的GPS掩星数据资料反演地球大气流程模块以后,分析了2002年8月1日至2002年8月17日期间2700多次CHAMP掩星数据资料的结果,并且与欧洲中尺度天气预报分析(ECMWF)资料进行比较和统计分析,讨论了CHAMP掩星数据的质量,并分析了CHAMP掩星数据的观测误差和ECMWF的分析模型误差．提出了一种优化的统计分析方法,它能更客观地反映GPS掩星技术的外部符合．统计分析结果表明GPS掩星数据将有可能成为数值天气预报和长期监测地球气候的非常有价值的数据资料．     

GPS掩星振幅反演中的天顶补偿项

推导了GPS无线电掩星振幅观测反演地球大气技术中Abel积分变换中的天顶补偿项 ,定性地说明了天顶补偿项对计算过程和反演剖面的影响。