COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测温度数据比较

本文利用2009年1月—2011年12月共3年的COSMIC大气掩星观测数据与SABER/TIMED探测数据开展15~60 km大气温度数据的比较分析研究,计算COSMIC与SABER/TIMED探测温度的绝对偏差(TSABER-TCOSMIC),并统计其平均温度偏差和标准偏差,分析温度偏差随高度、纬度和季节的分布特征,为COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测数据的应用提供更多的参考依据.结果表明:COSMIC与SABER/TIMED数据所反映的温度随高度的变化特征是一致的,数据的大体趋势吻合较好.全球范围的平均温度偏差在38 km左右接近于0 K,在38 km以上,平均温度偏差表现为负的系统性偏差,且随着高度逐渐增大,在38 km以下,平均温度偏差表现为正的系统性偏差,在23 km左右存在极大值,约为2.7 K.COSMIC与SABER/TIMED温度偏差的分布存在着随纬度和季节的变化特征,35 km以下,平均温度偏差在高纬地区和冬季较小,低纬地区和夏季较大,35 km以上,平均温度偏差在高纬地区和冬季较大,低纬地区和夏季较小.温度偏差的标准偏差在低纬地区和夏季较小,高纬地区和冬季较大.纬圈平均的温度偏差在南北半球的分布基本呈对称结构.     

COSMIC数据验证AMSU平流层低层观测的初步分析结果

基于Global Positioning System (GPS)掩星数据在平流层具有较高准确性、稳定性的优势,本文尝试用新一代GPS掩星观测——the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC)资料验证不同卫星平台上先进的微波探测仪（AMSU）的平流层观测结果.通过COSMIC大气温度廓线与AMSU辐射传输模式结合,得到模拟亮温,然后与AMSU平流层观测进行匹配比较.分析表明GPS掩星数据能够作为一个相对独立的参量检验NOAA15、16、18卫星平台内部的偏差.通过一年数据的比较验证,初步显示不同卫星平台的AMSU观测亮温在平流层低层都偏低,并且NOAA18平台的亮温偏低程度明显大于NOAA15、16.AMSU亮温偏差在极地冬季较为显著,尤其南极地区NOAA18的偏差幅度达到1.8 K.结合24小时内AMSU观测亮温偏差变化及其样本分布特征,可以看到明显的太阳辐射差异可能是导致AMSU观测亮温在极地偏差显著的主要原因.     

基于COSMIC掩星观测的中国内陆Es分布统计研究

我们采用COSMIC掩星系统提供的2009年1月1日至2010年12月31日的GPS信号信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）的观测数据,通过计算SNR数据的归一化标准差对80~130 km高度范围内的中国内陆偶发E层（Sporadic E,Es）的空间分布以及垂直厚度等特性进行分析研究,获得了Es发生率的空间分布以及发生率随着季节的变化特征.中国内陆30°N纬线以上区域Es分布随季节变化较为明显,夏季最多,秋季次之,春冬季最少,而南部低纬地区发生率水平常年较高.一般情况下Es主要存在于90~110 km高度范围内,但在夏季100 km高度以下探测到了较多的Es事件,且主要表现为多层Es结构,可能是由大气重力波引起Es下行运动所致.Es厚度的分布统计表明：大结构Es的厚度分布在2.5~3 km范围内存在峰值,小结构Es厚度分布峰值出现在150~200 m范围内.

     

利用COSMIC掩星弯曲角数据分析中国区域对流层顶结构变化

对流层顶是地球大气的一个最基本的结构特征,对流层与平流层通过对流层顶交换气团、水汽、微量气体、能量等.对流层顶结构变化与气候变化密切相连.本文采用掩星弯曲角自然对数协方差变换法确定对流层顶,利用气象、电离层与气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate,COSMIC)2007年1月至2011年12月共5年的掩星观测数据分析了中国区域对流层顶高度、温度、气压等参数随经度、纬度、时间变化的特征.采用2°×2°网格法,把包括中国在内的16°N—54°N、72°E—136°E区域共分成19×32个格网单元,然后计算每个格网单元内对流层顶高度、温度、气压的平均值,结果表明对流层顶参数呈明显的纬度分带分布特征.计算每个格网单元内对流层顶参数季节平均值,结果显示对流层顶高度和气压具有明显的季节性变化特征.采用中位数斜率回归法分析对流层顶参数年平均值,发现在研究时段内中国区域对流层顶高度平均每年降低8 m.     

COSMIC大气掩星开环数据反演方法

COSMIC星座GPS无线电掩星探测利用GPS开环接收技术提高低层大气观测数据的质量和对上升掩星事件的跟踪能力.开环掩星观测数据受到GPS导航数据调制的影响,在其数据后处理中必须消除该影响以获得高质量的科学反演结果.利用GPS导航数据调制码数据和利用开环数据本身内在的关系等两种方法可以消除该影响.将上述方法应用于COSMIC的掩星事件个例反演,获得了修复的大气附加相位数据;并利用几何光学近似反演方法和全谱反演方法,获得了射线弯曲角. 全谱反演方法获得的弯曲角及其温度反演结果与COSMIC数据中心的结果一致,说明我们的算法是有效的.     

基于COSMIC卫星观测数据的平流层重力波的全球分布特征研究

本文利用2007年1月至2012年12月的COSMIC卫星温度剖线,从中提取了垂直波长在3~10 km的重力波扰动信息,进而分析了全球平流层大气重力波的分布特征.赤道地区低平流层重力波表现出明显的准两年变化,这种变化与风场的准两年变化具有明显的相关性,向下发展速度约为1 km/月;赤道地区高平流层(35 km以上区域)的重力波活动则存在明显的半年变化.中高纬度重力波活动主要表现为冬季强夏季弱.在南极地区存在着与急流的时间、空间以及强度变化密切相关的重力波分布特征,这说明在南极极夜急流是非常重要的一个重力波源;而在北极极夜急流的作用则没有那么强.此外,通过考察不同高度的重力波活动特征,我们发现:30 km以下重力波活动较强区域主要在赤道地区且与强对流区分布基本吻合,地形诱发的以及与天气系统相关的强重力波活动在该高度范围内同样出现;而在30 km以上的区域重力波活动强度分布则会出现与平流层爆发性增温以及极夜急流有关的变化.     

基于COSMIC掩星探测资料的云底高反演研究

本文基于相对湿度廓线进入云层时的突变实现云底高反演的思想,采用2008年11月至2009年1月的COSMIC掩星湿空气数据反演全球云底高度,并与探空资料反演结果进行对比分析,得出以下重要结论:(1)当温度－40 ℃t<0 ℃时,分别将云看作水云与冰云进行云底高反演,对比反演结果表明,该温度范围内若把云相态当作纯液相将造成高云及多层云的漏检测;(2)掩星对云底较低的低云云底高的反演效果不如探空仪,但对高云及多层云有更好的检测能力,且掩星反演结果普遍大于探空仪;(3)为深入分析掩星与探空仪同时检测到有云时的云底高反演差异,按照云层数相同与不同分别进行讨论.当云层数相同时,通过计算反演结果的平均偏差与标准偏差,发现二者在低纬地区差异最大,而且单层云的偏差较大,但多层云中三层云与四层云的反演结果比较一致;当云层数不同时,掩星检测的单层云在探空仪检测结果中"破裂"为多层云,导致二者反演结果存在较大偏差.     

电离层残差对掩星反演温度精度的影响

本文以MSIS90大气模式和3D NeUoG电离层模式为大气背景,用三维射线追踪法模拟研究了太阳活动强度、地方时、掩星平面方位角对弯曲角电离层残差和温度电离层残差的影响,以及电离层残差对全球日平均温度的影响.结果表明：电离层残差是平流层顶部（35~50 km）和中间层底部（50~70 km）掩星大气温度反演的主要误差.在太阳活动活跃期,电离层残差对单一掩星事件的平流层顶部平均温度的影响可达1.8 K,中间层底部平均温度的影响可达7 K;对全球日平均温度的影响在平流层顶可达-0.6 K,在70 km高度处可达1.2 K.发展新的电离层改正方法或电离层残差修正算法对提高掩星大气反演精度和全球气候监测意义重大.     

利用COSMIC掩星资料研究对流层/下平流层大气比湿对ONI指数的响应

本文利用2006年6月至2014年6月COSMIC掩星观测的水汽廓线, 分析了对流层/下平流层(TLS)比湿信号对ENSO的响应.在数据处理中, 将COSMIC掩星水汽廓线计算得到的全球比湿数据内插为1000~30 hPa区间水平分辨率为5°×5°的三维格网, 在各等压面上求取各格网点去除年/月际信号后的比湿月异常值.然后在对比湿月异常时间序列低通滤波的基础上, 进行经验正交分解(EOF)得到比湿主成分, 并对该主成分信号进行二项式平滑; 接下来将平滑后的主成分信号与反映ENSO活动的ONI指数进行相关处理, 得到各等压面主成分信号相对于ONI指数的相关系数及对应的时间延迟.论文分析了包括Niño-3.4的5个代表性区域的TLS比湿异常主成分信号, 结果表明:在各区域, 采用本文先低通滤波再EOF分解的处理方法获得的TLS比湿异常主成分信号与ONI指数均有很强相关性, 对流层相关系数绝对值达0.8以上, 低平流层高于0.7, 在300~200 hPa的上对流层达到峰值; 各等压面上比湿异常主成分信号相对于ONI指数的时间延迟不尽相同, 在对流层中比湿异常主成分信号普遍滞后于ONI指数1~6个月; 在各区域, 比湿异常主成分与ONI指数相关系数绝对值达到最大的等压面都接近250 hPa, 最大相关系数绝对值均达到0.9以上.进一步对全球250 hPa等压面比湿异常主成分与ONI指数相关性的分析表明:两者强相关的区域主要集中在热带; 在这些强相关区域, 比湿异常主成分相对于ONI主要表现为滞后, 且相关系数越大, 相应的时间延迟越短.

     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

COSMIC数据验证FY-3 MWTS通道4的观测结果

利用无线电掩星探测在平流层具有较高精度和稳定性的优势,本文采用COSMIC资料验证我国风云3号（FY-3）系列卫星上微波温度探测仪（MWTS）通道4表征的平流层低层测量结果.两年的FY-3A/3B上MWTS通道4观测亮温与掩星数据模拟的亮温相比较分析表明：两颗卫星平台上MWTS通道4观测亮温都偏高,尤其在热带地区和极区夏季;FY3A/3B上MWTS通道4亮温偏差的月均值变化趋势较为一致,两个年份的变化趋势也较为一致.MWTS通道4表征的平流层低层观测亮温在不同纬度带呈现不同偏差分布特征：热带地区明显系统偏高2~4 K,中纬度地区偏高1 K;而高纬度地区则出现随季节显著变化的偏差,尤其在南极地区季节差异达到5 K,这种依赖于环境温度出现的较大亮温偏差不完全是频率偏移引起.热带地区观测与模拟亮温差异显著,并且热带地区样本对于全球总体亮温偏差影响程度达到20%,这表明COSMIC数据在热带地区的验证结果需谨慎使用.

     

Variability features of the width of the tropical belt from COSMIC radio occultation data

In this work, we analyzed time-series and trends of the tropical belt edges and widths with three methods based on the tropopause using new global positioning system radio occultation(GPS RO) data from the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate(COSMIC) mission for September 2006–February 2014. The results from the three methods agreed well with previous studies and new features were found. To avoid the El Ni?o Southern Oscillation(ENSO) and Quasi-Biennial Oscillation(QBO) influence, we applied a simple multiple linear regression model to the monthly anomalies to obtain the tropical belt edges and width trends. During the study, we found equatorward movements of the tropical belt edges on both hemispheres. The narrowing of the tropical belt mainly occurred in the Pacific Ocean. We also found that the deseasonalized monthly anomalies of the tropical belt width were closely related with the ENSO and QBO. The tropical belt at a height of 15 km was mostly closely related with the ENSO. The correlations between the QBO and the tropical belt were consistent for the three methods.     

利用COSMIC RO数据分析青藏高原平流层重力波活动特征

本文利用2006年5月至2013年4月COSMIC干温廓线数据,提取了青藏高原地区大气重力波势能,以此研究了青藏高原大气重力波势能的分布频率模型和大气重力波活动的时空变化特征,并进一步分析了高原大气重力波活动与高原地形、风速和高原大陆热辐射之间的相关性.青藏高原地区大气重力波势能的分布频率服从对数生长分布;青藏高原地区大气重力波在16~18 km和28~31 km高度较活跃,而在20~26 km高度较平静;高原大陆边缘各季节重力波活动均较活跃,而高原大陆上空大气重力波活动呈明显季节性变化,其在冬春季节较活跃,在夏秋季节较平静;2010年冬季青藏高原大气重力波活动异常平静;各季节整个高原上空大气重力波活跃度有随大气高度升高而降低的趋势,高原上低层大气重力波向高层传播会发生耗散作用.地形与风速是影响青藏高原大气重力波活动的重要因素.地形主要影响平流层底部的重力波活动;纬向风比经向风对该地区平流层大气重力波活动的影响大,纬向风总体上会促进高原大气重力波活动.青藏高原大陆热辐射对高原大气的加热作用是导致青藏高原大气重力波活动呈季节性变化的重要因素.     

基于COSMIC掩星资料的中国及周边地区云垂直结构特征研究

利用2007年1月至2009年1月的气象、电离层及气候卫星探测系统(COSMIC)湿空气数据,基于相对湿度廓线出入云层时发生突变反演云边界高度进而获取云垂直结构参数的思想,对中国及周边八个不同地区云的垂直结构特征进行统计分析.结果表明:(1)不同地区掩星样本数随季节的变化较小,不同季节各地区间差异却较大,且多层云样本数日变化呈现明显的"双峰"结构;掩星最低探测高度集中在3.0km以下,各地区多层云受限制概率大于单层云,主要影响部分中低云参数的反演.(2)南方各地区云厚及晴空厚度都大于北方,双层云上层云厚大于下层,三层云从大到小依次为顶层、底层和中间层,且顶层与中间层晴空厚度大于中间层与底层;各地区不同季节内各层云云顶高具有相同的排列规律,云底高也基本遵循类似的排列顺序;多层云晴空厚度季节变化不显著,各季节内南方大于北方.(3)中国地区各类云云底高和云顶高二维频率季节变化不大,出现两个较大值区但分布高度各异;另外,南北方有不同的频率分布特点,其中西南和华南在16.0km以上出现"尾翼"分布,表明有深厚对流云产生.     

GPS无线电掩星后向传播方法

在大气多路径传播条件下,讨论了两种无线电信号的反演方法:几何光学方法和后向传播方法.当大气存在多路径效应时,采用几何光学方法反演大气参数会引入较大误差.后向传播方法将无线电信号从多路径区域反推至单路径区域,减少了大气多路径效应的影响.为了比较不同的反演方法,利用多相位屏模型,数值模拟了大气多路径条件下无线电信号在大气中的传播过程.假设信号处于理想条件下(仅受大气多路径效应的影响),分别用几何光学方法和后向传播方法对模拟信号进行反演,结果表明:后向传播方法能消弱大气多路径效应的影响,后向传播方法优于几何光学方法.对2007年第60天至180天4个月共约15000个CHAMP掩星观测数据进行反演,将其折射率反演结果与ECMWF分析场资料进行统计比较,结果说明:在南半球(30°S~90°S)、热带(30°S~30°N)以及北半球(30°N~90°N)的低对流层,后向传播方法反演的折射率的相对误差的平均偏差和均方差普遍小于几何光学方法.从而证实:后向传播方法确实能消弱大气多路径效应的影响,获得较好的反演结果.