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。     

A high speed near infrared photometer for lunar occultation studies

A recently developed near infrared high speed photometer intended for lunar oc-cultation studies is described. The primary scientific objective is to reach milli arc second levels of angular resolution so that circumstellar structure of the occulted sources can be resolved. Near infrared sky brightness close to the lunar limb is also studied. Angular diameter derived from the observed occultation of IRC +20169 is presented and system performance discussed.     

今后几年的月球探测和月球科学

近年来月球探测已经进入了一个全新的时代。特别是 1 990年以来 ,多个月球探测计划已经被成功实现 ,而且另外还有多个探测计划也在准备当中 ,并将在未来的几年内发射升空。在这种背景之下 ,中国的航天机构和有关的科学家也开始积极酝酿和开发自己的月球探测计划。这些月球探测计划将利用卫星上搭载的各种仪器探测和测量月球的地质和地理特性、化学成分和矿物组成、月球物理学特征以及包含地球大气在内的地月空间环境和行星际空间环境 ;进一步研究月球的起源和演化 ,探明月面环境 ,研究太阳等离子体物理 ,提供月面天文台和月面长期科研基地的候选地址 ,调查月球上的可利用资源 ,为将来开发月球提供充实的背景资料。参与新一轮的月球探测同样也为中国天文学研究带来了新的机会。     

Passing through resonance: The excitation and dissipation of the lunar free libration in longitude

The acceleration of the mean lunar longitude has a small effect on the periods of most terms in a Fourier expansion of the longitude. There are several planetary perturbation terms that have small amplitudes, but whose periods are close to the resonant period of the lunar libration in longitude. Some of these terms are moving toward resonance, some are moving away from resonance, and the periods of those terms that do not include the Delaunay variables in their arguments are not moving. Because of its acceleration of longitude, the Moon is receding from the Earth, so the magnitude of the restoring torque that the Earth exerts on the rotating Moon is gradually attenuating; thus resonance itself is moving, but at a much slower rate than the periods of the accelerating planetary perturbations. There are five planetary perturbation terms from the ELP-2000 Ephemeris (with amplitudes of 0.00001 or greater) that have passed through resonance in the past two million years. One of them is of special interest because it appears to be the excitation source of a supposed free libration in longitude that has been detected by the lunar laser ranging experiment. The amplitude of the term is only 0.00021 but it could be the source of the 1 amplitude free libration term if the viscoelastic properties of the Moon are similar to those of the Earth.     

Single frequency processing of Ørsted GPS radio occultation measurements

The Global Positioning System (GPS) radio occultation measurements obtained using the TurboRogue GPS receiver on the Danish satellite Ørsted have been processed using the single frequency method. Atmospheric profiles of refractivity and temperature are derived and validated against numerical weather prediction data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF). Results from the Ørsted GPS measurement campaign in February 2000 indicate that the single frequency method can provide retrievals with accuracy comparable to that of using two frequencies. From comparisons between measured dry temperature profiles and corresponding dry temperature profiles derived from ECMWF analysis fields, we find a mean difference of less than 0.5 K and a standard deviation of 2–4 K between 500 and 30 hPa in height. Above 30 hPa the impact of the ionosphere becomes more dominant and more difficult to eliminate using the single frequency method, and the results show degraded accuracy when compared to previous analysis results of occultation data from other missions using the dual frequency method. At latitudes less than 40° (denoted low latitudes), the standard deviation is generally smaller than at latitudes higher than 40° (denoted high latitudes). A small temperature bias is observed centered at 200 hPa for low latitudes and at 300 hPa for high latitudes. This indicates that the ECMWF analyses do not adequately resolve the tropopause temperature minimum. In the lowest part of the troposphere an observed warm bias is thought to be due to erroneous tracking of the GPS signal in cases of atmospheric multipath propagation.     

基于光谱特征的月球岩性分类方法研究——以Apollo 16登月区域为例

利用NASA行星数据系统提供Apollo计划登月点采样线路影像数据,通过与嫦娥二号CCD数据、印度M~3数据空间校正获得采样路线坐标。开展嫦娥二号CCD数据与印度M~3数据MAP(后验概率)融合并选择Apollo 15、Apollo 16-62231的LSCC测得的标准岩石双向反射率光谱与M~3、嫦娥二号进行交叉定标。本文采用月球岩石光谱谱型全特征分析方法,选取涵盖Apollo计划登月获取的36个基站主要岩性87种、285件岩石样品,利用校正后的M~3数据分析月球典型岩石各阶吸收反射特征,建立月球典型岩石标准遥感影像光谱库,此后应用Apollo 623个岩石样品进行对比得到很好结果,同时完成Apollo 16登月点周围领域岩性分布图,并讨论了研究区的岩石成因,Apollo 16区域形成于高地大撞击,在早期的研究中已经被用于划分月球年代,本文方法对于月球岩石类别研究与理解月球的岩浆演化具有重要的研究价值。     

月球东海盆地综合解析与撞击初始条件的研究

东海是月球上最年轻的多环撞击盆地,关于其形成机制的研究很多,但成果大都基于正撞击的机制提出的,虽然有部分学者提出东海是斜撞击的,但缺乏具体撞击参数。本文通过多源数据融合,综合分析LRO影像数据、LOLA地形数据、M~3高光谱数据和IIM高光谱数据,对东海地区的地貌特征、物质成分进行了较为系统的解译,发现在东海中央熔融区存在一条与东海撞击方向垂直的中央隆起区域(中央隆起线),其也是中央熔融区粗糙部分与光滑部分的分界线,结合撞击坑成坑理论,认为其可能是撞击过程冲击波作用引起的堆叠作用形成的。同时利用GRAIL数据及对该地区的重力异常的成因进行了分析,认为异常是由于压强、温度及岩石粘度的改变引起局部莫霍面抬升和中央熔融物的形成而出现的,进而估算出熔融物占盆地内物质的25%,约为1.1×10~6km~3。同时,对GRAIL数据的剖面分析结果也支持了本文的斜撞击理论。最后,综合多方面的信息和撞击理论获取东海盆地构造分布图,并根据中央隆起线、溅射物及线性构造的分布特征等,提出东海盆地理论上是由一直径在50~100km的撞击体以10~30km/s的速度自东偏北约20°~30°方向以20°~30°的角度斜撞击月表而形成的。这可为研究更早期的月球撞击坑提供理论参考。     

适应数值模式垂直坐标的GPS掩星反演资料稀疏化方案

GPS掩星反演大气温湿资料具有高垂直分辨率、高精度、受云和降水影响小等优点,针对GRAPES同化预报系统,发展设计了一种既考虑预报模式高度-地形追随垂直坐标不均匀分层特点,又结合掩星反演资料特性的新适应性垂直稀疏化方案。通过个例试验和批量试验,探索了该适应性稀疏化方案对分析预报质量的影响。试验结果表明:选取合适的稀疏参数,新稀疏化方案的GPS掩星反演资料对背景场的调整更加有效,分析场质量更高;位势高度、比湿、温度和风场等预报场的均方根误差均更小;适应性稀疏化方案对改善台风路径预报具有积极作用。批量试验则进一步证实了适应性稀疏化方案对分析场质量有明显的改善作用。     

不同GPS掩星电离层剖面产品相关性分析

将在一定时空限定范围内的不同低轨卫星COSMIC、GRACE、CHAMP、FY3C的电离层掩星电子密度剖面定义为一个掩星对来对比分析不同类型掩星电离层产品。结果表明：COSMIC掩星对之间的电子密度剖面整体轮廓符合得很好,电子密度剖面主要在250 km以下和500 km以上存在较大的偏差,250~500 km的电子密度整体偏差较小,统计得到的COSMIC掩星对的电子密度参量NmF2和hmF2的相关系数能分别达到0.99和0.97,具有高度相关性,不同COSMIC卫星之间没有明显的系统误差;COSMIC、GRACE、CHAMP和FY3C不同低轨卫星间的电子密度剖面略有差异,通过统计电子密度参量NmF2和hmF2之间的相关系数,COSMIC和CHAMP的相关系数分别为0.95和0.86,COSMIC和GRACE的相关系数分别为0.98和0.94,COSMIC和FY3C的相关系数分别为0.96和0.92,不同掩星类型之间的电子密度参量之间也具有高度相关性,验证了不同卫星任务GPS掩星电离层剖面的一致性。     

大气掩星反演误差特性初步分析

GPS大气掩星探测技术可以获得全球大气折射率、气压、密度、温度和水汽压等气象参数,该技术基本原理是基于几何光学近似的Abel积分反演.地球扁率、电离层传播时间延迟、大气大尺度水平梯度、多路径传播现象等因素在某些高度范围影响大气反演的精度.本文采用模拟的方法,分析其中地球扁率及电离层对反演结果的影响,并讨论局部圆弧修正及电离层修正的效果.利用CHAMP掩星实测轨道数据和有关电离层和大气经验模式、采用三维射线追踪方法模拟计算几种情形下的GPS掩星观测附加相位数据,对模拟数据进行反演,将反演气象参量剖面与模拟时给定模式剖面进行比较,得到了0～60 km高度范围内的反演误差.误差统计分析结果表明,局部圆弧中心的修正以及电离层修正,对于高精度的GPS掩星反演是非常重要的;电离层修正残差仍是制约30～60 km高度范围内反演精度的重要因素,进一步完善和优化大气掩星反演需要发展新的电离层修正算法.