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.     

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.     

电离层水平不均匀性对无线电掩星资料反演的影响

电离层水平不均匀结构是引起掩星资料反演的主要误差源.本文模拟不均匀结构对无线电掩星资料反演的影响.首先利用3-D全球射线追踪技术进行了模拟.结果指出:电离层电子密度20%的变化可能引起GPS的时延增加约12m.其次,将90%的掩星时延对应的路径长度,定义为电离层掩星测量的水平分辨率,其值为1200-2000 km.最后,计算了不同纬度电离层当地正午、子夜和日出时的电离层水平不对称指数.它表明:低纬夏季日出时,不对称指数达-78%,反演结果可能有较大误差.     

电离层水平水均匀性对无线电掩星资料反演的影响

电离层水平不均匀结构是引起掩星资料反演的主要误差源。本文模拟不均匀结构对无线电掩星资料反演的影响。首先利用3-D全球射线追踪技术进行了模拟。结果指出：电离层电子密度20%的变化可能引起GPS的时延增加约12m。其次，将90%的掩星时延对应的路径长度，定义为电离层掩星测量的水平分辩率，其值为1200-2000km。最后，计算了不同纬度电离层当地正午、子夜和日出时的电离层水平不对称指数。它表明：低纬夏季日出时，不对称指数达-78%，反演结果可能有较大误差。     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.     

山基GPS掩星观测实验及其反演原理

分别在湖北省药姑山和九宫山的山头上开展GPS掩星观测实验,成功获取山基掩星观测数据,对掩星事件进行了分析和统计.给出利用山基掩星观测数据反演大气折射指数剖面和电波弯曲角的原理和算法.利用山基GPS掩星观测模拟数据,对反演方法进行试算和检验,结果表明反演方法准确可行.将该反演方法应用于观测数据的反演,获得了观测点高度以下的大气折射率剖面,以及电波弯曲角.实验结果和原理研究表明,山基掩星观测技术是一种潜在的低层大气环境监测新技术.     

电离层掩星反演的变分同化方法

电离层掩星数据反演的传统方法是Abel反演法及其改进方法,而实际电离层的非球对称给电离层电子密度反演带来误差.本文研究了在气象领域广泛应用的变分同化方法在掩星数据反演电离层电子密度廓线的可行性,利用IRI和Nequiek模型模拟掩星真值场和背景场进行数值模拟反演,并与Abel反演法反演结果进行对比.结果表明,变分同化反演方法能够有效综合模式和观测数据,使得反演结果精度较高;与Abel反演法相比,反演的电子密度廓线F2层峰值浓度误差在10％以下,而Abel反演法在20％～30％之间;而且变分同化反演法对误差扰动有较好的过滤性,因此实用性较强.     

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.     

卫星轨道参数对LEO－LEO掩星事件数量及分布影响的模拟研究

文章对LEO－LEO卫星掩星事件的特性进行了深入讨论,通过仿真计算定量讨论了轨道参数对掩星事件次数及分布的影响.结果指出：1)对一年掩星事件数量及其纬度分布影响大的轨道参数依次是轨道倾角、轨道高度、升交点赤经和近地点角距;而这些参数对一年掩星事件的经度分布影响都不大;2)发射卫星和接收卫星倾角之间的相互关系对掩星事件数量和纬度分布影响最大,两卫星倾角接近互补时掩星事件最多, 两颗LEO卫星中与90°相差较大的倾角决定了LEO－LEO掩星事件的纬度分布范围;3)发射卫星和接收卫星处于同一轨道高度时,LEO－LEO掩星事件数取得极大值,发射卫星和接收卫星都采用600 km的轨道高度,一年LEO－LEO掩星事件数最多;4) 发射卫星和接收卫星升交点赤经(RAAN)的相互关系对LEO－LEO掩星事件数量影响很大,发射卫星和接收卫星升交点赤经之差为120°或240°时掩星事件数量最多,RAAN对掩星事件纬度和经度分布影响不大;5)近地点角距对掩星事件数量和分布影响都不大.该研究结果对LEO－LEO掩星探测卫星的轨道设计有一定的参考作用.     

弯曲射线追踪中Dijkstra算法的改进与实现

文章针对图论中寻找最短路径的Dijkstra算法内存占用量大,效率低的缺点,对该算法进行了改进,修改后的算法计算效率是原来的四倍,内存使用量和图中节点数呈线性关系.在此基础上,用新算法求出了激发点和接收点的最短走时路径,并由激发接收点的旅行时结合联合迭代法对理论模型和实际场地进行了反演.结果表明：和直射线追踪相比,弯曲射线路径能更好地反演出地质体内部的速度场分布.理论模型和实际探测结果证实改进后的算法是有效的.     

南水北调东线调度对南四湖水质的影响

南水北调东线一期工程2013年通水,必将对南四湖水质产生重大影响.借鉴既有成功理论方法,建立南四湖三维水力调配和水质模型,并经实测值验证.利用该三维模型,模拟南水北调东线一个完整调水期中的南四湖常规、干旱调水工况调度运行过程,分析南四湖上级湖、下级湖的水力和水质变化规律,提出加强和改善南水北调东线调度管理的措施和建议,既可充分发挥南水北调工程效益,又可改善南四湖水质.     

长江上游区域蒸发皿蒸发量变化及其对水分循环的影响

利用长江上游最近30年(66个测站)蒸发皿蒸发量和最近50年(90个测站)的7种气象要素,分析了蒸发皿蒸发量的区域变化趋势和影响蒸发皿蒸发量变化的因素;针对7个水文站的年径流量变化,探讨了蒸发皿蒸发量变化后对水分循环的影响.结果表明,长江上游蒸发皿蒸发量的变化可以划分为三个分区,研究区域东西两侧(青藏高原和大巴山一带)为显著减少区,分别命名为RⅠ和RⅡ,中间(云贵高原北部到黄土高原南缘以及由二者包围的四川盆地一带)为显著增大区,命名为RⅢ区.影响区域蒸发皿蒸发量变化的原因各有不同,青藏高原一带(RⅠ区)蒸发皿蒸发量减少的原因可归结于太阳辐射强度和风动力扰动减弱所致.大巴山一带(RⅡ区)减少原因是太阳辐射强度、风动力扰动强度、湿度条件都在显著下降所引起的.云贵高原到四川盆地一带(RⅢ区)蒸发皿蒸发量增加是环境气温强烈升高,导致其上空大气水汽含量显著减少,大气很干燥,引发蒸发过程加强所致.蒸发皿蒸发量发生变化的直接后果就是导致水分循环强弱发生变化,对于RⅠ区,尽管蒸发皿蒸发量减少,由于降水量和径流量增加的作用,这一区域的水分循环有所加强.在RⅡ区,降水量、径流量和蒸发量都在减少,因此RⅡ区水分循环显著减弱.在RⅢ区,降水量和径流量同时减少,而蒸发量增大,水量消耗增大,因此RⅢ区水分循环有减弱趋势.     

长江上游区域蒸发皿蒸发量变化及其对水分循环的影响

利用长江上游最近30年(66个测站)蒸发皿蒸发量和最近50年(90个测站)的7种气象要素,分析了蒸发皿蒸发量的区域变化趋势和影响蒸发皿蒸发量变化的因素;针对7个水文站的年径流量变化,探讨了蒸发皿蒸发量变化后对水分循环的影响.结果表明,长江上游蒸发皿蒸发量的变化可以划分为三个分区,研究区域东西两侧(青藏高原和大巴山一带)为显著减少区,分别命名为RⅠ和RⅡ,中间(云贵高原北部到黄土高原南缘以及由二者包围的四川盆地一带)为显著增大区,命名为RⅢ区.影响区域蒸发皿蒸发量变化的原因各有不同,青藏高原一带(RⅠ区)蒸发皿蒸发量减少的原因可归结于太阳辐射强度和风动力扰动减弱所致.大巴山一带(RⅡ区)减少原因是太阳辐射强度、风动力扰动强度、湿度条件都在显著下降所引起的.云贵高原到四川盆地一带(RⅢ区)蒸发皿蒸发量增加是环境气温强烈升高,导致其上空大气水汽含量显著减少,大气很干燥,引发蒸发过程加强所致.蒸发皿蒸发量发生变化的直接后果就是导致水分循环强弱发生变化,对于RⅠ区,尽管蒸发皿蒸发量减少,由于降水量和径流量增加的作用,这一区域的水分循环有所加强.在RⅡ区,降水量、径流量和蒸发量都在减少,因此RⅡ区水分循环显著减弱.在RⅢ区,降水量和径流量同时减少,而蒸发量增大,水量消耗增大,因此RⅢ区水分循环有减弱趋势.     

The characteristics of soil water cycle and water balance on steep grassland under natural and simulated rainfall conditions in the Loess Plateau of China

Large-scale vegetation restoration has been helpful to prevent serious soil erosion, but also has aggravated water scarcity and resulted in soil desiccation below a depth of 200 cm in the Loess Plateau of China. To understand the dynamic mechanism of soil desiccation formation is very important for sustainable development of agriculture in the Loess Plateau. Based on natural and simulated rainfall, the characteristics of soil water cycle and water balance in the 0–400 cm soil layer on a steep grassland hillslope in Changwu County of Shaanxi Loess Plateau were investigated from June to November in 2002, a drought year with annual rainfall of 460 mm. It was similarly considered to represent a rainy year with annual rainfall of 850 mm under simulated rainfall conditions. The results showed that the temporal variability of water contents would decrease in the upper 0–200 cm soil layer with the increase in rainfall. The depth of soil affected by rainfall infiltration was 0–200 cm in the drought year and 0–300 cm in the rainy year. During the period of water consumption under natural conditions, the deepest layer of soil influenced by evapotranspiration (ET) rapidly reached a depth of 200 cm on July 21, 2002, and soil water storage decreased by 48 mm from the whole 0–200 cm soil layer. However, during the same investigation period under simulated rainfall conditions, soil water storage in the 0–400 cm soil layer increased by only 71 mm, although the corresponding rainfall was about 640 mm. The extra-simulated rainfall of 458 mm from May 29 to August 10 did not result in the disappearance of soil desiccation in the 200–400 cm deep soil layer. Most infiltrated rainwater retained in the top 0–200 cm soil layer, and it was subsequently depleted by ET in the rainy season. Because very little water moved below the 200 cm depth, there was desiccation in the deep soil layer in drought and normal rainfall years.     

利用NOAA_16/FY_1C和ASAR数据纠正大气水汽对重轨星载D_INSAR的影响

大气水汽影响一直是造成重轨星载合成孔径雷达差分干涉测量监测结果不确定性的一个重要因素.本文以地表形变速率稳定的延怀盆地为试验区,利用ASAR数据得到该区域的差分干涉处理结果,利用与ASAR数据获取时间相近的NOAA_16/FY_1C数据对该区域的大气水汽含量进行了反演.通过这些结果,对差分干涉处理结果中大气水汽的影响进行了去除.去除大气水汽影响后得到的地表形变结果与野外考察实测结果基本吻合,从而验证了该方法的可行性.     

紫坪铺水库水位变化对剪切波分裂参数的影响

本文通过对2006-2009年四川紫坪铺水库库区8个地震台站记录的地震事件,采用剪切波分裂方法获得了水库库区剪切波分裂参数,并结合地震活动性与水库水位之间的变化关系,分析了紫坪铺水库库区地壳应力的变化特征.剪切波分裂结果显示该研究区域快波偏振方向有两个,分别为北东向和北西向,充分体现了紫坪铺水库地区地壳应力是由北西向的区域主压应力与南东走向的龙门山断裂带综合作用的结果.慢波延迟时间平均值为5.8 ms·km-1,慢波延迟时间较大的地区位于库坝和库尾,分别是水库蓄水排水引起地壳应力变化最大的区域.对比慢波延迟时间的变化和水库水位的变化显示了慢波延迟时间与水库水位之间的一致变化关系,揭示了水库的蓄水排水对地壳应力的影响.     

汶川地震对水电工程的影响

2008年5月12日四川省汶川县发生8.0级地震,这是自1976年7月28日唐山7.8级地震后,中国发生的最大地震之一,给地震灾区人们带来深重的灾难。灾区大中型水电工程经受了远超工程设防标准的强震考验,大坝无一溃决,结构整体安全、稳定。部分建筑设施受到地震滑坡、崩塌等次生灾害影响,经及时抢修维护,均在震后迅速恢复发电及生产。灾区外大中型水电工程经受了强震考验,大坝完好无损,工程建设及运行正常有序。"5.12"汶川地震不是水库蓄水造成的,水库蓄水也不可能诱发"5.12"汶川地震。必须加强对地震机理、机制、地球板块运动、震源活动规律及趋势的探讨、认识与科学研究,逐步提高对地震的预警与预报,预防地震及地质灾害的水平,贯彻执行《防震减灾法》及有关律条例,复核、修订城镇工业、民用建筑和水利、水电工程抗震设防烈度及规范;结合生态环境修复,切实做好灾后重建工作。保护人民生命和财产安全,保障社会主义建设顺利进行,坚持可持续发展,构建和谐社会,确保长治久安。