北京地区电离层COSMIC掩星与垂测仪探测临界频率数据对比

使用COSMIC掩星和垂测仪,探测2011—2012年北京地区电离层临界频率数据,比较不同探测手段获取的电离层特征参量随地方时和地磁季节相关性的变化。研究表明:2组数据具有较好的相关性;标准偏差随地方时变化,日出时6:00 LT开始增大,日落时16:00LT到次高值,19:00LT达最大值后开始下降;标准偏差随地磁季节变化,夏季最小,冬季最大。分析认为,电子密度在垂直和水平方向上的梯度变化,造成掩星反演误差增大,可能导致了数据相关性在不同地磁季节和地方时刻的相应变化。     

磁赤道地区2007—2013年COSMIC掩星反演和国际参考电离层模型输出结果分析

利用2007—2013年电离层测高仪位于磁赤道观测站Jicamarca (11.95°S,76.8°W,地磁纬度为1°N)的垂测数据和COSMIC掩星反演电离层资料,分析了不同太阳活动条件下两种探测技术获取电离层特征参数峰值密度NmF2和峰值高度HmF2的相关性,同时也探讨了国际参考电离层模型IRI输出参数与测高仪垂测数据的相关性.此外,进一步分析了COSMIC掩星和IRI模型在不同地方时高估或低估垂测参数的分布特征.结果表明:(1)由COSMIC掩星反演和IRI模型输出参数NmF2与测高仪垂测值NmF2得到的相关系数都在0.8以上.太阳活动低年COSMIC探测得到的NmF2相关性高于太阳活动高年得到的结果,但IRI模型在太阳高年得到的NmF2相关性好于太阳活动低年的计算结果.(2) 由COSMIC掩星反演和IRI模型输出的HmF2与测高仪垂测值HmF2在春秋季得到的相关性较高,夏季的相关性最弱.由COSMIC掩星探测HmF2得到的季节和时间相关系数大都集中在0.8和0.6以上,但由IRI模型得到的HmF2相关性降低,特别是太阳活动低年的夏季和傍晚其相关系数低于0.3.(3)太阳低年COSMIC掩星和IRI模型白天时段大都高估、夜间至凌晨前后低估电离层参数NmF2和HmF2;但太阳活动高年NmF2在地方时午夜后则呈现高估的特点.相关结果为未来IRI模型的进一步完善以及低纬地区电离层同化模式研究提供参考.     

利用COSMIC掩星探测分析120°E经线附近电离层E层闪烁指数变化

利用气象、电离层和气候卫.星联合观测系统COSMIC掩星2007-2013年探测资料,分析了120°E经线附近电离层E层区域(70~140km)闪烁指数的季节、地方时和空间变化.结果表明强电离层闪烁主要集中在磁纬度±30°内,夏季达到最大,冬季其次,春季最小.闪烁峰值大小与太阳辐射有关,但北半球夏冬季闪烁峰值大于南半球观测结果,秋半球闪烁峰值大于春半球观测结果.地磁高纬地区较强闪烁现象出现在地方时傍晚之后,午夜前后达到最大值.地磁中纬和低纬区域日出后即出现较为明显的闪烁现象,一直持续至夜间甚至凌晨,分别约在中午和傍晚前达到最大值.磁赤道区闪烁现象通常始于地方时日出后,最大值发生在傍晚1800LT左右.电离层E区的闪烁峰值大都集中110km高度,但高纬地区的峰值高度略有降低.此外,太阳和地磁活动的增强一定程度上会抑制E层闪烁现象.相关研究结果有利于分析E层不规则结构及物理形成机制,同时为电离层区域闪烁模型的建立提供有用的信息.     

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.     

基于COSMIC掩星数据的电离层分布特征及地震响应研究

<正>GPS(Global Positioning System,全球定位系统)无线电掩星技术具有全球覆盖、垂直分辨率高等优点,为电离层的研究提供了十分丰富的资料。本论文的研究主要基于COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate)掩星电离层数据,详细介绍了电离层的基本理论;阐述利用掩星技术探测电离层的基本原理;针对COSMIC掩星数据分布特点,建立了数据分析和研究方法;目前的研究对电离层物理量不同区域分布差     

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.     

基于COSMIC掩星数据探测汶川 MS8.0地震震前电离层异常

获取COSMIC掩星2级数据, 基于球谐函数使用最小二乘拟合法计算模型值, 为2008年5月12日汶川M_S8.0地震前电离层电子密度变化提供背景依据. 同时应用主成分分析法研究最大电子密度, 得到各主成分所占能量百分比随时间的变化. 研究结果发现, 震前在震中邻近区域出现电离层扰动增强现象, 且随高度不同存在一定差异, 主要集中在F₂层300—450 km. 主成分分析结果显示, 4月15日—29日19:00—24:00(地方时)第三主成分能量百分比显著增加. 上述结果表明, 震前电离层存在异常扰动现象. 这一研究结果有助于加强地震电离层耦合机理方面的研究.      

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.     

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.     

中国区域电离层扩展F发生率特征研究

本文利用2011年富克、厦门、南宁、克州、格尔木、西安、北京和漠河等电离层垂测站的电离层扩展F数据,统计了中国区域电离层扩展F发生率的日变化、季节变化和区域变化特征.除了漠河外,中国区域电离层扩展F发生率的日变化、季节变化特征比较一致,扩展F出现在夜间(18～08 LT),且午夜后多于午夜前,以6月为中心的夏季月份扩展F发生率高.电离层扩展F发生率的最大值随着纬度的增加而减少,发生率最大值出现的时间也随着纬度增加而延迟,具有明显的"纬度效应".漠河电离层扩展F与中国区域中其他地方相比较,在发生时间段、发生率数值和季节变化特征方面都具有明显的不同特征,这些情况表明漠河电离层扩展F的产生机制和影响因素可能是不同的.     

Derivation and test of ionospheric activity indices from real-time ionosonde observations in the European region

New ionospheric activity indices are derived from automatically scaled online data from several European ionosonde stations. These indices are used to distinguish between normal ionospheric conditions expected from prevailing solar activity and ionospheric disturbances caused by specific solar and atmospheric events (flares, coronal mass ejections, atmospheric waves, etc.). The most reliable indices are derived from the maximum electron density of the ionospheric F 2-layer expressed by the maximum critical frequency foF 2. Similar indices derived from ionospheric M(3000)F 2 values show a markedly lower variability indicating that the changes of the altitude of the F 2-layer maximum are proportionally smaller than those estimated from the maximum electron density in the F 2-layer. By using the ionospheric activity indices for several stations the ionospheric disturbance level over a substantial part of Europe (34°N–60°N; 5°W–40°E) can now be displayed online.     

ZH-1卫星得到的中国及邻区顶部电离层背景特征

利用ZH-1(CSES)卫星LAP载荷原位电子密度数据对中国及邻区(0°-54°N,70°-140°E)的顶部电离层背景分布及随季节变化进行了详细分析,研究结果显示:(1)研究区赤道异常的纬度延伸范围、随经度分布形态及它们的季节变化,具有与其他研究结果一致的规律性.(2)中纬度区,白天电子密度存在一个低值带,夜间电子密...     

利用GRACE卫星精密微波测距确定星间平均电子密度

本文介绍如何利用GRACE两颗卫星之间K波段双频微波精密测距和轨道数据,得到星间平均电子密度.发展了一种将连续轨道电子密度极小对齐到零的方法,以消除整周模糊度;借助CHAMP卫星朗缪探针测量得到的轨道电子密度基值以及GPS掩星数据计算的等离子体垂直梯度标高,进一步修正了GRACE星间电子密度所固有的偏差;从而得到大约500 km高度上长达近十年的全球电子密度数据.为了检验消除偏差后GRACE星间电子密度数据的可靠性,对比了GRACE卫星过Millstone Hill雷达上空时,非相干散射雷达观测到的大致同时和相近位置的电子密度数据,结果显示,二者之间的线性相关系数为0.97,平均偏差为-7.26%,GRACE星间电子密度总体稍微偏低,偏差的标准差为18.6%.为进一步验证本文方法所得数据的可用价值,利用消除偏差后的电子密度数据,对GRACE卫星与CHAMP卫星在近乎相同的地方时而高度不同的近圆极轨道上飞行的情况下,两颗卫星观测到的电子密度随经度和纬度的全球分布进行了对比分析.多方面的对比检验证明,本文方法得到的几乎连续10年的GRACE高度上全球电子密度数据基本可靠,为电离层气候学与天气学研究提供了宝贵资料.     

利用OI 135.6 nm夜气辉辐射探测电离层峰值电子密度及电子总含量的研究

测量夜间135.6 nm大气气辉辐射强度是目前有效的电离层探测方式之一,我国即将在风云三号卫星上搭载仪器,利用该波段夜气辉辐射测量来反演电子总含量(本文所指电子总含量表示卫星高度以下大气柱的电子含量)及峰值电子密度,因此非常有必要开展相关的气辉发光模型及反演研究.在介绍氧原子135.6 nm波段夜气辉激发机制基础上,考虑辐射在传输过程中受到大气氧原子的散射及氧气分子的吸收,采用迭代法求解包含多次散射及大气吸收衰减的辐射传输方程,得到该波段的体发射率,最终通过考虑包含辐射传输的路径积分计算得到135.6 nm气辉辐射强度值.对结果的分析表明:该气辉模型能较好地描述体发射率随高度的分布特征,计算得到的135.6 nm夜气辉辐射强度在不同时空及太阳活动的分布与相应条件下峰值电子密度(N_mF₂)及电子总含量(TEC)的分布基本一致.相同的时空及太阳活动输入条件下,模式计算的135.6 nm夜气辉辐射强度与国外同类模式结果的值平均偏差约为3%.文中最后介绍了通过135.6 nm夜气辉的辐射强度探测来反演电离层峰值电子密度N_mF₂及电子总含量TEC的反演方法.     

从集集地震看建筑物震害与地震动参数的关系

本文根据9．21台湾集集大地震中南投县、台中县、台北县和苗栗县的建筑物震害调查资料确定出这4个主要受害地区的平均震害指数,然后义计算出这4个地区的地震动峰值加速度、峰值速度、峰值谱加速度、峰值谱速度、峰值谱位移的平均值。将这些均值分别与平均震害指数进行基于最小二乘法的线性回归,发现峰值速度和震害指数有非常好的相关性,相关系数接近1．0,而峰值加速度与震害指数相关性只有0．8,这说明地震动峰值速度能够体现地震动对脆性结构的破坏势,与以往将不同次地震的记录和资料混淆在一起研究而获得峰值加速度与震害有很好相关性形成了对比。     

ZH-1卫星LAP数据校正及与Swarm B数据差异分析

针对ZH-1卫星朗缪尔探针(LAP)原位电子密度观测数据远小于其他系统观测数据的问题,本文利用COSMIC及COSMIC 2在中纬度地区的掩星数据,得到对LAP数据的校正关系,并进一步利用与ZH-1具有相似飞行高度的Swarm B卫星全球等离子观测数据对校正后的LAP数据进行检验,以评估校正结果的准确性和可靠性.检验结果认为：(1)校正后的LAP数据与Swarm B数据基本一致,两者在中纬度地区符合较好,在赤道地区仍有明显偏差.(2)这一偏差与观测数据值的大小有关,在较小观测值时两者符合较好,较大观测值时差异变大,可能与两个卫星载荷的不同动态响应特性有关.(3)经过线性校正的LAP数据不会改变相对变化关系,但拓展了数据的应用场合.

     

Evaluation and hydrological application of precipitation estimates derived from PERSIANN‐CDR,TRMM 3B42V7, and NCEP‐CFSR over humid regions in China

Satellite‐based and reanalysis quantitative precipitation estimates are attractive for hydrologic prediction or forecasting and reliable water resources management, especially for ungauged regions. This study evaluates three widely used global high‐resolution precipitation products [Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks‐Climate Data Record (PERSIANN‐CDR), Tropical Rainfall Measuring Mission 3B42 Version 7 (TRMM 3B42V7), and National Centers for Environment Prediction‐Climate Forecast System Reanalysis (NCEP‐CFSR)] against gauge observations with seven statistical indices over two humid regions in China. Furthermore, the study investigates whether the three precipitation products can be reliably utilized as inputs in Soil and Water Assessment Tool, a semi‐distributed hydrological model, to simulate streamflows. Results show that the precipitation estimates derived from TRMM 3B42V7 outperform the other two products with the smallest errors and bias, and highest correlation at monthly scale, which is followed by PERSIANN‐CDR and NCEP‐CFSR in this rank. However, the superiority of TRMM 3B42V7 in errors, bias, and correlations is not warranted at daily scale. PERSIANN‐CDR and 3B42V7 present encouraging potential for streamflow prediction at daily and monthly scale respectively over the two humid regions, whilst the performance of NCEP‐CFSR for hydrological applications varies from basin to basin. Simulations forced with 3B42V7 are the best among the three precipitation products in capturing daily measured streamflows, whilst PERSIANN‐CDR‐driven simulations underestimate high streamflows and high streamflow simulations driven by NCEP‐CFSR mostly are overestimated significantly. In terms of extreme events analysis, PERSIANN‐CDR often underestimates the extreme precipitation, so do extreme streamflow simulations forced with it. NCEP‐CFSR performs just the reverse, compared with PERSIANN‐CDR. The performance pattern of TRMM 3B42V7 on extremes is not certain, with coexisting underestimation and overestimation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.