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.     

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。     

GNSS无线电掩星电离层反演技术现状与展望

回顾了GNSS无线电掩星电离层反演的不同方法和应用实例,并针对存在的问题和今后的研究方向进行了探讨和总结。     

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。     

无线电掩星反演大气温度的电离层影响

利用掩星的附加相位延迟数据,对标准的几何光学大气反演算法进行了研究。探究电离层的电子密度对温度反演的影响,按照标准的几何光学反演算法得到的干温度与无线电探空仪数据的平均相对误差小于5%。将经过两种方法电离层修正后反演得到的温度与CDAAC的数据进行了对比,实验证明电离层残差对温度反演的影响随着高度的增加而增大,在25km以上是造成温度反演误差的主要因素,弯曲角电离层修正法要优于相位电离层修正法。     

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300km为匹配准则,对0.2～30 km各高度层温度的...     

中国区域COSMIC数据掩星反射信号特征分析

掩星信号在传播过程中能够在地球表面发生反射,其反射信号中的低层大气信息在改进天气预报精准度和气候监测等方面存在很大的应用价值.基于COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星廓线资料,提取了 2011-20...     

掩星大气反演中的电离层二阶项效应的分析

以MSIS90大气模型、3D NeUoG电离层模型和IGRF11地磁场模型为基础,用三维射线追踪法模拟了无线电掩星中电离层二阶项残差的变化,研究了其在不同太阳活动强度、不同地方时、不同方位角下的变化,以及在全球的分布特征。结果表明,二阶项残余误差通常在亚cm级水平,但在较高太阳活动水平下,或当掩星发生地位于中低纬度地区,掩星方位角约为0°或180°时,二阶项残余误差可达到cm级,而且在全球分布呈现出“三峰”结构。     

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。     

GNSS大气掩星电离层修正方法研究

对四种主要的电离层修正方法的修正效果进行了对比分析,理论及模拟分析结果表明：由于对伪距的测量精度较低,简单的单频电离层修正法误差较大,一般只对单频接收机或者载波L2的观测数据缺失或质量较差时应用;在双频电离层修正方法中,相位线性组合法由于没有考虑电离层色散引起的电波路径差别,修正效果不如另外几种双频修正方法,多在地面导航中进行高仰角观测时应用。弯曲角线性组合法的修正效果最好,优于其他电离层修正方法。     

利用COSMIC掩星资料分析南极地区对流层顶变化

利用2011年全年的南极地区的COSMIC掩星资料,反演了大气温度剖面,进而提取对流层顶参数(温度和高度),定量分析了南极地区对流层顶的时空变化特征。在南极地区,温度递减率对流层顶比最冷点对流层顶更准确,且掩星反演法与臭氧、无线电探空仪等结果基本一致。南极对流层顶整体表现为位相相反的一波结构,温度变化范围为200~230K,高度变化范围为9~11km。南极地区对流层顶在冬季和春季"消失",在夏季和秋季出现逆温层。南极地区对流层顶温度在冬季和春季表现出明显的梯度特征,纬度方向上,极点附近低,四周较高;经度方向上,西南极地区较低。     

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附加相位数据,通过几何光学反演和全谱反演相结合的方法自主反演获取大气折射率廓线,并利用NSMC提供的折射率产品和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的气候再分析数据集(ECMWF reanalysis-interim,ERA-Interim)对反演结果进行验证。2017年全年FY-3C掩星折射率自主反演的成功率为82%,与NSMC 83.5%的反演成功率基本一致。以ERA-Interim再分析资料为参考,自主反演折射率相对偏差绝对值在25 km以下,小于1.5%,略优于NSMC产品,但偏差标准差比NSMC产品略大,达到了3.6%。自主反演和NSMC的折射率廓线在高纬地区的相对偏差...     

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。     

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。     

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%。     

GNSS／LEO无线电掩星电离层探测仿真研究

无线电掩星是实现全球电离层探测的重要手段之一。针对GNSS／LEO掩星探测电离层的特点,基于电离层掩星的判决条件,通过NeQuick模型实现了电波弯曲角和绝对总电子含量的数据仿真,利用阿贝尔变换法（Abel Transform）和穿刺法实现了电离层电子密度剖面的有效反演,统计分析结果验证了NeQuick模型用于GNSS／LEO无线电掩星电离层探测仿真的可行性。     

利用COSMIC掩星折射率数据研究中国陆地区域对流层顶高度的时空特征

利用折射率协方差变换法采用2007—2014年COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星观测数据研究了中国陆地区域对流层顶高度的时空变化特征。实验结果表明:中国陆地区域的对流层顶高度随纬度变化,呈现出"南高北低"的格局;而对流层顶处的温度和压强分布与高度分布相反。同时,中国陆地区域内对流层顶高度表现出较强的季节相关性,中国大部分陆地地区通常夏季对流层顶最高,冬季对流层顶最低;但在低纬地区(16°N～26°N)表现相反。在30°N～40°N之间的亚热带区域四季的变化较为显著,且存在明显的等值线。采用中位数斜率回归法分析了2007—2014年中国陆地区域对流层顶高度的年际变化,发现中国陆地区域对流层顶高度平均每年升高6.3 m,温度平均每年下降0.002 K,压强平均每年下降0.15 hPa。     

利用COSMIC掩星资料分析大气重力波参数的全球分布特征

本文介绍了从单一温度廓线提取重力波的水平波长、垂直波长、势能和动量通量的方法,利用2007~2008年COSMIC干温廓线数据计算得到了可以表征中尺度重力波活动特征的相关参数值在各年夏季和冬季的全球分布。结果与国内外已有的相关结果在形态分布上符合较好。结果表明,在20~30 km大气层,重力波在北半球处于冬季时的活动明显强于夏季,重力波的活动呈现纬向分布特征,夏半球高纬地区的重力波活动有明显的季节性变化,重力波的活动主要受地形和对流作用影响。COSMIC数据计算的动量通量分布大致与势能分布趋于一致。     

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。     

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。