COSMIC-2掩星反演数据质量分析

为评价COSMIC-2掩星反演数据精度,利用探空站点资料,对比验证了基于COSMIC-2附加相位数据由无线电掩星数据处理软件ROPP计算得到的大气折射率及温湿廓线。实验结果表明:COSMIC-2数据经反演后的大气廓线质量较高,大气折射率相对偏差标准差为1.5%~4.3%,大气温度和相对湿度均方根误差分别为1.3~2.2 K、10%~15%;低纬地区样本精度总体优于中纬地区; 季节性差异不明显,但冬春季样本精度总体略优于夏秋季。反演数据与COSMIC-2二级产品相比,折射率与温度在部分高度层精度更优,相对湿度在总体上精度更优。      

云海-2掩星探测资料在全球数值天气预报模式中的同化效果评估

本文基于T799L91全球数值天气预报模式及其四维变分同化系统,构建了云海-2掩星探测资料的同化流程,并以2019年7月开展了为期一个月的云海-2掩星探测资料同化预报试验。对东亚区域、北半球和南半球的同化预报结果评估表明:在全球数值天气预报模式中,同化云海-2掩星探测资料能够有效提高预报场的准确性,提高的幅度随着预报时效和预报日数的增加逐渐增大;在更长时效的72 h、120 h、168 h预报中,云海-2掩星探测资料与GPS（Global Positioning System）掩星探测资料的同化效果在中前期相当,在中后期,同化云海-2掩星探测资料逐渐优于GPS掩星探测资料;随着预报日数的增加,联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料的优势逐步显现。     

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...     

FY-3C的掩星探测特点和初步结果

全球导航卫星掩星接收机(GNOS-Global Navigation Satellite System Occultation Sounder)是风云卫星首次尝试掩星探测技术的仪器,它能够同时兼容GPS(Global Positioning System)和我国自主研制的北斗BDS(Bei Dou navigation satellite)信号。简要介绍了国际上掩星探测技术的发展情况,以及我国的首个民用掩星接收机GNOS的仪器概况,对其数据的主要处理过程进行了描述,并利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析资料进行对比分析,结果显示GNOS-GPS掩星中性大气折射率在5~25km有最优的探测精度,标准偏差在1%以内,中高纬度的精度好于低纬度地区。掩星探测的精度与国外同类掩星数据类似,体现了GNOS掩星探测的价值,但对于30km以上的高度,精度还有待进一步提高。     

附加相位延迟到弯曲角反演过程中的误差传递模型

为了研究全球卫星导航定位系统无线电掩星探测中的误差传递过程,文中讨论了掩星探测中附加相位延迟到弯曲角的反演过程中,附加相位延迟随机误差对反演弯曲角误差的影响。在对全球卫星导航定位系统和低轨道卫星进行精密定轨的情况下,忽略轨道误差对反演结果的影响,将轨道参数视为常数,考虑附加相位延迟△L存在随机误差δ△L时对反演弯曲角α带来的弯曲角误差δα。利用EGOPS仿真软件,采用数值模拟的方法模拟了无电离层影响的大气附加相位延迟数据,利用CHAMP真实轨道数据,MSIS-90大气模型和全三维射线追踪器进行前向建模,从中选取了一个掩星事件对误差传递模型进行了验证。结果表明:附加相位延迟的变化会给弯曲角的反演带来相应的误差:当随机误差为5 cm左右时,反演的弯曲角误差在±0.2 mrad范围内;当随机误差为1 cm左右时,反演的弯曲角误差在±4μrad范围内;当随机误差为1 mm左右时,反演的弯曲角误差在±40μrad范围内。最后从模拟的掩星事件中随机抽取了20个掩星事件进行统计分析,给出了20个掩星事件存在1 cm附加相位延迟测量误差引起弯曲角误差的均值误差,其误差特性虽略大于个例研究结果,但与模型完全吻合,反演的弯曲角误差也在±40μrad范围内,进一步验证了模型的准确性。     

风云三号气象卫星掩星大气产品精度的初步检验

风云三号气象卫星C星于北京时间2013年9月23日成功发射,其上搭载了中国第一个以掩星方式探测中性大气和电离层大气的民用新型有效载荷——全球导航卫星掩星探测仪(Global Navigation Satellite System Occultation Sounder, GNOS)。GNOS可以接收GPS(Global Positioning System)导航卫星和中国北斗导航卫星信号,进而得到全球范围内的中性大气和电离层大气的探测结果。利用常规无线电探空资料,对GNOS接收GPS信号的掩星探测大气产品(包括折射率、密度、温度以及湿度廓线)进行检验,结果表明:在近地面至25 km垂直范围内,GNOS掩星大气产品折射率廓线和干大气密度廓线的平均偏差在0.5%左右,标准偏差在2%左右;温度廓线的平均偏差约为0.5 K,标准偏差约为2 K;水汽廓线的标准偏差在6 km 以下为0.25—1.0 g/kg。对于风云卫星首次尝试的掩星观测技术,GNOS掩星产品的精度基本达到预定目标,在未来还有改进的空间。     

掩星接收机误差对大气温度反演精度影响仿真研究

为了评估掩星接收机误差对无线电掩星探测精度的影响,利用EGOPS软件仿真研究了多普勒偏差、多普勒频移、时钟稳定性/单差分、接收机噪声和局部多路径等对GNSS无线电掩星反演大气温度、折射率、密度、压力廓线的影响.模拟设计过程中选择METOP作为接收的LEO卫星,GPS星座作为发射系统,设置GRAS天线.从模拟的567个掩星事件中选择了一个上升掩星事件和一个下降掩星事件进行模拟分析.研究结果表明:对于设置的"最差"情况,温度误差最大值大部分出现在平流层顶附近,其中多普勒偏差引起的温度误差最大值接近2 K,多普勒频移引起的温度误差最大值小于0.3 K,时钟稳定性/单差分引起的温度误差最大值接近3 K,现实接收机噪声引起的温度误差最大值超过了4 K,局部多路径引起的温度误差最大值小于1.5 K.经讨论分析认为:对于高质量的无线电掩星反演,掩星接收机误差源中最主要的是接收机热噪声、时钟稳定性/单差分和多普勒偏差.文中还随机选取了30个掩星事件进行统计分析,将其温度反演结果与ECMWF分析场数据比较得出,温度误差的平均偏差在45 km高度上最大,约为1 K;最大标准偏差出现在平流层顶,约为5 K,这验证了廓线反演算法的有效性,表明了误差分析结果的正确性和普遍性.     

利用FY-3C气象卫星GNSS掩星估计全球重力波变化与分析

大气重力波是地球大气层中广泛存在的重要大气动力学扰动,研究其分布和变化规律对理解大气物理、大气结构以及大气动力学等具有重要意义.传统大气重力波探测手段,如雷达和探空气球等,均存在探测时间短、有效探测高度低等缺点,全球卫星导航系统（GNSS）掩星观测具有全天候、低成本、高精度等优点,被广泛应用于地球大气探测和研究,为研究区域或全球重力波变化和活动特征提供了新的观测手段.本文利用中国第一颗搭载GNSS掩星设备气象卫星——风云3C （FY-3C）获得的掩星数据,反演得到2014年8月—2016年12月大气温度轮廓线,并首次估计重力波参数分布,分析了重力波参数的时空变化分布特征.结果表明,海陆季节性对流导致冬夏两季的重力波势能强于春秋两季,赤道对流作用导致赤道区域重力波强于两极,夏季南半球中低纬度地区重力波活动频繁,冬季北半球中低纬度区域重力波活动频繁.重力波随着高度的上升,势能逐渐下降.另外,地形是低层大气重力波的主要来源.     

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。     

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。     

中高层大气探测技术的研究进展

探测技术的发展和探测仪器的研制是中高层大气研究的重要方面,利用单一的探测技术无法完成这个相当宽的高度范围大气状态参量的测量,需要采用多种探测手段综合得出这一区域的大气结构。本文结合国际上中高层大气探测技术的发展,主要从雷达的地基遥感,高层大气探测卫星的探测及无线电掩星技术,大气参数的气球、火箭、飞船探测方面回顾了我国近几年间的研究进展。     

GPS—LEO掩星探测现状和展望

20世纪80年代美国科学家提出利用GPS系统探测地球大气,诞生了GPS气象学。GPS气象学分为地基GPS气象学和空基GPS气象学,目前地基GPS气象学在世界许多国家已进入业务组网应用阶段,空基GPS气象学也取得了飞速发展。本文在介绍了空基GPS掩星探测的发展历史和探测原理的基础上,重点分析了国际上GPS-LEO掩星探测数据处理和应用领域的最新研究和进展,对我国的GPS-LEO掩星探测研究进行了回顾和总结,最后对GPS-LEO掩星探测未来的发展进行了展望。     

通过影响高度多路径质量控制改进热带对流层低层GPS掩星资料同化效果

与观测气象、电离层和气候的GPS卫星计划COSMIC-1相比,COSMIC-2有更大功率的GPS接收天线,高2倍的采样率(100 Hz),小3倍的轨道倾角(24°)。因此,COSMIC-2和未来小卫星将为热带地区提供前所未有的大量无线电掩星观测资料。因为热带对流层低层水汽含量高,折射率有局地大梯度,违背大气球对称性假定,造成影响多路径现象,所以热带地区的掩星资料同化具有较大挑战性。本文首先利用之前研究中提出的影响参数多路径质量控制方法,去除热带对流层低层弯角模拟中出现影响参数多路径现象的资料,然后使用有限射线长度二维(2D)路径追踪观测算子和一维(1D)Abel变换观测算子,进行GPS弯角资料同化。结果表明,如果射线路径限制在离近地面点±300~400 km的水平距离以内,有限射线长度2D路径追踪观测算子得到的弯角模拟与2D射线追踪观测算子得到的弯角廓线之差不仅无偏,而且其标准差远比1D Abel的弯角模拟精度高。此外,无论采用1D Abel变换还是有限射线长度2D路径追踪观测算子来模拟弯角,影响参数多路径质量控制方案都能进一步改进GPS掩星弯角资料同化和预报精度。     

ROPP 1D偏折角算子的推导

在简要介绍无线电掩星(RO)观测及其应用的基础上,重点提供RO处理软件包ROPP一维偏折角观测算子的推导过程,以帮助RO数据用户加深对该算子创新性、先进性和精确性的了解,为高效优化应用RO数据以改善数值天气预报(NWP)提供参考。     

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。     

脉络3新一代导航卫星和“伪卫星”平台带来天基观测新变数

2018年12月23日,美国空军成功将首颗新一代全球定位系统卫星GPS III发射升空。较上一代卫星,GPS III具有更强大的信号系统,其提供的一种新的民用信号,可以与其他导航卫星兼容,这意味着数据精度的提升。因此,借助导航卫星的无线电掩星大气探测技术和依据GPS准确定位的探空仪等,未来性能的进一步提升成为可能。     

全谱反演技术在山基掩星数据处理中的应用

山基掩星观测是一种探测特定区域气象数据的新技术。该文从山基掩星探测技术的概念出发,阐述了山基掩星探测技术的特点和优势,介绍了山基掩星观测数据几何光学反演方法; 在详细介绍全谱反演技术的基础上,提出了采用全谱反演技术来处理山基掩星观测数据的新方法。采用该方法对2005年8月在河北兴隆雾灵山获取的山基掩星观测试验探测数据进行了处理,成功获得了大气折射率剖面, 将全谱反演结果与几何光学反演结果和同时获取的时空匹配的探空数据进行了比对分析。结果表明:全谱反演结果与几何光学反演结果平均相对偏差小于2%,全谱反演结果偏小,标准偏差低于3%;全谱反演结果与常规探空结果的平均相对偏差为8.15%,全谱反演结果偏小,标准偏差为1.4%。     

基于深度学习改进数值天气预报模式和预报的研究及挑战

随着高分辨率数值天气模式以及新一代地球观测系统的发展,气象领域的数据量在迅速增加,为天气和气候的理论研究和业务应用提供了丰富的信息,同时也对传统的数据处理方法及天气分析和预报技术带来了新的挑战。深度学习具有从大量的高维时空分布气象数据中提取复杂时空特征的能力,且具备计算效率高、可迁移性强、协同性和灵活性优的特点。目前深度学习已经在对流短时临近预报、极端事件检测和改进数值天气模式及其预报误差订正等方面得到了较为广泛的研究。首先概述目前气象领域所应用的深度学习方法和模型,然后聚焦介绍和讨论数据驱动的深度学习在理论驱动的数值天气预报模式方面的应用。深度学习在数值天气预报模式的资料同化、次网格物理过程参数化、数值天气模式后处理等方面展现出很好的应用前景,但仍需要进一步改善深度学习模型的可解释性和不确定性量化问题。构建数据驱动的深度学习和理论驱动的数值天气模式混合模型,发挥深度学习和数值天气模式的协同作用,将是进一步改善数值天气预报能力的新途径。     

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。     

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（英文）

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,在白天正午时候太阳辐射能力较强,对流活动频繁,估算得到的大气边界层高度较高.(2)由COSMIC掩星数据估算得到的边界层高度比探空数据和再分析数据估算结果整体偏大.(3) COSMIC掩星数据,IGRA探空数据以及ERA-Interim再分析资料估算结果都表明边界层高度在低纬度地区偏大,高纬度地区偏小.(4)分析不同数据估算边界层高度纬向季节性差异表明,IGRA探空数据和COSMIC数据间差异为-1700m至-500m,IGRA与ERA-Interim之间的差异为-500m至250m.此外,对于大多数纬度而言,三个数据集之间的差异在冬季较大,在夏季较小.