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．     

掩星技术一维变分同化算法的改进

从LEO卫星观测到的掩星数据可以反演地球大气的气压、水汽、温度等廓线;它们对气象和大气科学研究是有价值的数据资源.掩星数据资料的同化技术可以有效地改进这些气象参数廓线,从而改进目前的数值天气预报精度.把掩星观测参数廓线用变分同化方法进入气象业务流程的最大困难是它的计算量太大,通过对一维变分同化价值函数进行改进和对迭代流程进行新的设计,避免了反复计算大维数矩阵的缺点,从而提高了变分同化的计算效率.在适用性讨论中,用背景场向量加上1个高斯白噪声作为真实值来检验CHAMP掩星资料变分同化的结果.     

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。     

二维射线跟踪技术中的掩星面坐标系

在大气球对称假设下,可以从弯曲角观测资料通过Abel积分变换反演得到折射率廓线。在低层大气中,折射率水平不均匀性可能导致Abel反演在近地面的误差达到10%。避免该误差的一种有效方法是不通过Abel反演而采用非对称模式下二维射线跟踪算子直接将弯曲角同化到数值天气预报模式中。文章介绍了非对称模式下二维射线跟踪技术的背景、原理和数学模型,讨论了掩星面坐标系与地心惯性坐标系之间的转换关系。     

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．     

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．     

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．     

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     

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。     

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。     

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.     

中性大气掩星标准反演技术

结合JPL和GFZ的中性大气标准反演算法，发展了上海天文台中性大气掩星标准反演算法流程．对CHAMP观测资料进行中性大气反演，并将反演结果与ECMWF(the European Center for Medium Range Weather Forecasting)的预报大气数据进行比较．作为讨论，指出将来的发展方向．