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。     

Noise reduction methods in the analysis of near infrared lunar occultation light curves for high angular resolution measurements

A lunar occultation （LO） technique in the near-infrared （NIR） provides angular resolution down to milliarcseconds for an occulted source, even with ground- based 1 m class telescopes. LO observations are limited to brighter objects because they require a high signal-to-noise ratio （S/N ~40） for proper extraction of angular diameter values. Hence, methods to improve the S/N ratio by reducing noise using Fourier and wavelet transforms have been explored in this study. A sample of 54 NIR LO light curves observed with the IR camera at Mt Abu Observatory has been used. It is seen that both Fourier and wavelet methods have shown an improvement in S/N compared to the original data. However, the application of wavelet transforms causes a slight smoothing of the fringes and results in a higher value for angular diameter. Fourier transforms which reduce discrete noise frequencies do not distort the fringe. The Fourier transform method seems to be effective in improving the S/N, as well as improving the model fit, particularly in the fainter regime of our sample. These methods also provide a better model fit for brighter sources in some cases, though there may not be a significant imorovement in S/N.     

利用COSMIC掩星资料分析南极地区对流层顶变化

目的 利用2011年全年的南极地区的COSMIC掩星资料,反演了大气温度剖面,进而提取对流层顶参数(温度和高度),定量分析了南极地区对流层顶的时空变化特征。在南极地区,温度递减率对流层顶比最冷点对流层顶更准确,且掩星反演法与臭氧、无线电探空仪等结果基本一致。南极对流层顶整体表现为位相相反的一波结构,温度变化范围为200～230K,高度变化范围为9～11km。南极地区对流层顶在冬季和春季“消失”,在夏季和秋季出现逆温层。南极地区对流层顶温度在冬季和春季表现出明显的梯度特征,纬度方向上,极点附近低,四周较高;经度方向上,西南极地区较低。     

利用掩星技术研究南极地区顶部电离层特性

掩星观测能够提供地面到低轨卫星轨道高度处的整个电离层电子密度剖面,对于顶部电离层的研究有重要的作用。本文利用COSMIC(constellation observing system for meteorology ionosphere and climate)掩星数据反演了电子密度剖面,提取了F₂层峰值高度(hmF2)、F₂层峰值密度(NmF2)、垂直标尺高(vertical scale height,VSH)等电离层参数,研究了南极地区的F₂层在太阳活动周期内的变化、年际变化、周日变化等,并且重点分析了南极地区的顶部电离层的垂直结构特征,尤其是威德尔海异常在垂直方向上的变化。结果表明,整个南极的hmF2每日均值在250~300 km左右,NmF2每日均值在1~8×10¹¹ el/m³之间,VSH每日均值在100~250 km,威德尔海异常主要表现在顶部电子密度的增强和底部电子密度的减少。     

Planetary-Scale Wave Structures of the Earth’s Atmosphere Revealed from the COSMIC Observations

GPS radio occultation（GPS RO） method,an active satellite-to-satellite remote sensing technique,is capable of producing accurate,all-weather,round the clock,global refractive index,density,pressure,and temperature profiles of the troposphere and stratosphere.This study presents planetary-scale equatorially trapped Kelvin waves in temperature profiles retrieved using COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate） satellites during 2006-2009 and their interactions with background atmospheric conditions.It is found that the Kelvin waves are not only associated with wave periods of higher than 10 days（slow Kelvin waves） with higher zonal wave numbers（either 1 or 2）,but also possessing downward phase progression,giving evidence that the source regions of them are located at lower altitudes.A thorough verification of outgoing longwave radiation（OLR） reveals that deep convection activity has developed regularly over the Indonesian region,suggesting that the Kelvin waves are driven by the convective activity.The derived Kelvin waves show enhanced（diminished） tendencies during westward（eastward） phase of the quasi-biennial oscillation（QBO） in zonal winds,implying a mutual relation between both of them.The El Nino and Southern Oscillation（ENSO） below 18 km and the QBO features between 18 and 27km in temperature profiles are observed during May 2006-May 2010 with the help of an adaptive data analysis technique known as Hilbert Huang Transform（HHT）.Further,temperature anomalies computed using COSMIC retrieved temperatures are critically evaluated during different phases of ENSO,which has revealed interesting results and are discussed in light of available literature.     

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.     

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。     

GPS-LEO掩星探测地球大气的方法

近年来伴随导航定位技术与无线电掩星技术的结合,一种崭新的遥感地球大气的方法-Global Positioning System/Meteoroloby(GPS/NET)应运而生,该方法可以有效地探测大气温、压、湿等气象参数。本文在介绍利用GPS-LEO掩星技术探测地球大气的原理,以及反演大气参数的方法、步骤的基础上,给出了模拟掩星数据反演出的温度廓线、密度廓线及部分GPS/NET实验数据的初步反演结果。通过分析可以看出,利用掩星技术反演出的温度廓线与大气实际情况相符,并且与ECMWF、NCEP的结果吻合较好。在干空气假设条件下,近地面大气的反演结果与实际情况还存在一定误差,有待深入研究解决。     

COSMIC掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

GNSS无线电掩星电离层反演技术现状与展望

回顾了GNSS无线电掩星电离层反演的不同方法和应用实例,并针对存在的问题和今后的研究方向进行了探讨和总结。