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掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

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,...     

COSMIC计划及掩星数据误差分析

掩星观测资料的误差特性是GPS气象学研究的热点之一,COSMIC（the Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate）计划在技术上做了很多改进,包括采用“开环”跟踪技术,以改进对低对流层掩星信号的跟踪能力,从而减小掩星数据的反演误差。本文采用2006年7月29日至12月31号的COSMIC掩星数据与全球探空资料进行对比,统计了掩星数据在不同地区、不同高度层的分布以及其折射率的误差特性,结果表明：（1）与探空资料匹配后的掩星事件主要集中在中纬度地区陆地上;在垂直方向5km以上,掩星探测趋于稳定。（2）“开环”技术的应用修正了以前掩星计划中出现在低对流层的折射率负偏差,但是却引进了折射率正偏差。在低纬地区,这种正偏差最大,在地表到1km范围内达到0．6％;随着纬度增加,正偏差减小,在中纬度地区10km以下最大值为0．3％;到高纬度地区,正偏差减小到0．2％以内。     

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。     

基于无线电掩星数据,探空资料以及再分析资料估算大气边界层高度的比较

用11年的全球无线电掩星数据(COSMIC),无线电探空数据(IGRA)以及欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)对全球大气边界层高度(PBLH)进行估算比较.结果表明:(1)在1200 UTC和0000 UTC,由ERA-Interim和IGRA数据估算得到的全球PBLH空间分布较为一致,相关性较好,在白天正午...     

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.     

一次暴雨过程的GPS掩星资料的同化应用

利用欧盟的METOP-1、美国的GRACE A、我国台湾的COSMIC掩星折射率资料,以美国NCEP开发的GSI同化系统为平台,对2012年6月10-13日华南地区一次准静止锋引起的暴雨过程进行了循环同化模拟和分析,以探讨GPS掩星同化对我国华南暴雨预报的影响。为考察GPS掩星折射率资料的同化效果,以及循环同化对GPS折射率资料同化效果的影响,设计了3组模拟对比试验:第一组不同化GPS掩星折射率资料;第二组只同化一个时次的GPS掩星折射率资料;第三组循环同化26 h的GPS掩星折射率资料。试验结果表明:1)循环同化的暴雨预报效果比单时次同化的暴雨预报效果好,表明掩星折射率资料的使用需要有较长时间的累积才能产生较好效果;2)掩星资料对分析和预报的温度场和湿度场调整的贡献较大,对风场的调整也有一定贡献;3)循环同化GPS掩星折射率资料的预报效果,在降水强度、降水中心位置和TS评分方面均优于未同化掩星折射率资料的预报效果。     

利用COSMIC/GPS掩星折射率资料研究海洋边界层高度的特点

利用2007—2012年的COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星折射率资料,研究全球海洋边界层顶高度的季节变化、年际变化和日变化的气候学特点。结果表明海洋边界层顶有明显的季节和年际以及区域变化特征。就年平均而言,全球海洋边界层顶的水平分布在南北两半球大致呈纬向对称分布,赤道地区的边界层顶最高;由赤道向南北两极边界层顶的高度逐渐降低,其中赤道地区平均高度约为3～3.5 km,副热带地区为2～2.5 km,中高纬度地区为1～1.5 km或以下。海洋边界层顶的日变化幅度较小,一般只有几十米到百米的变化范围,并且日变化特点随地区而有差异,有些地区的最高边界层顶出现在9—12时,另一些地区出现在15—18时。      

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...     

适应数值模式垂直坐标的GPS掩星反演资料稀疏化方案

GPS掩星反演大气温湿资料具有高垂直分辨率、高精度、受云和降水影响小等优点,针对GRAPES同化预报系统,发展设计了一种既考虑预报模式高度-地形追随垂直坐标不均匀分层特点,又结合掩星反演资料特性的新适应性垂直稀疏化方案。通过个例试验和批量试验,探索了该适应性稀疏化方案对分析预报质量的影响。试验结果表明:选取合适的稀疏参数,新稀疏化方案的GPS掩星反演资料对背景场的调整更加有效,分析场质量更高;位势高度、比湿、温度和风场等预报场的均方根误差均更小;适应性稀疏化方案对改善台风路径预报具有积极作用。批量试验则进一步证实了适应性稀疏化方案对分析场质量有明显的改善作用。     

雾灵山GPS掩星观测实验分析

在高山的山顶上, 利用GPS接收机跟踪低仰角和负仰角的GPS卫星信号, 即山基GPS掩星观测, 该技术可以获得低层大气折射指数剖面。2005年8月1—29日, 在河北雾灵山 (40.60°N, 117.48°E, 海拔2118 m) 开展了山基GPS掩星观测实验, 共获得576 h的原始观测数据, 跟踪到掩星事件共1136次, 其中621次上升掩星事件, 515次下降掩星事件, 平均每小时观测到2次掩星事件, 经反演成功获得939个大气折射指数剖面。分析结果表明:山基掩星事件发生时间 (地方时) 大体呈平均分布; 山基掩星事件持续时间大部分在15~20 min; 山基掩星事件跟踪最低负仰角分布的峰值出现在-3°~-2.5°之间, 所跟踪到的最低负仰角达到-4.994°, 出现在正南稍偏东方向; 下降掩星事件的最低仰角分布明显低于上升掩星事件的最低仰角分布。上述实验结果表明:山基掩星观测每天可为低层大气环境监测提供大量时空分布的折射率数据, 具有潜在的应用前景。     

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。     

WRF-3DVAR同化GPS掩星资料对强对流天气预报的影响

利用WRF三维变分同化系统,同化GPS掩星折射率资料,对2012年4月30日的强对流天气进行同化试验,分析同化折射率资料对于我国春季大范围强对流天气模拟的影响。结果表明:通过同化GPS掩星观测资料,可以明显调整和改善分析场的风、温度和湿度,其中,温度场的调整集中在我国北方地区850hPa以上的高度层;水汽的调整以中低层大气负的调整为主,最大可达-0.89g/kg;中纬度地区的高层风场都有明显的改善。青藏高原以风场调整为主,增加了西北风的分量,温度场也有改善。从模式结果对比发现,同化GPS掩星折射率资料,对高原稀疏的云团以及锋面云系有更好地描述;由于较准确地描述了低层的风场信息,模式对成都双流机场区域的小时降水量模拟也有较好效果。     

COSMIC资料在GRAPES全球三维变分同化系统的初步研究

利用COSMIC获得的GPS无线电掩星数据所反演得到的大气温湿度廓线资料,在GRAPES全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验,研究了加入COSMIC资料后得到的GRAPES分析场及其5天中期预报是否有所改善。研究结果表明：通过加入COSMIC资料连续循环同化得到的分析场,相对原来没有加COSMIC资料连续同化出来的GRAPES分析场有明显改善,由此GRAPES全球模式全球5天中期预报水平有明显提高,其中加入没有稀疏化后COSMIC资料对南半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都比较显著;加入稀疏化后的COSMIC资料对北半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都有比较显著的效果。     

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。     

全球探空站附近掩星观测资料误差估计

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。     

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。