利用FY-3C气象卫星GNSS掩星估计全球重力波变化与分析

大气重力波是地球大气层中广泛存在的重要大气动力学扰动,研究其分布和变化规律对理解大气物理、大气结构以及大气动力学等具有重要意义.传统大气重力波探测手段,如雷达和探空气球等,均存在探测时间短、有效探测高度低等缺点,全球卫星导航系统（GNSS）掩星观测具有全天候、低成本、高精度等优点,被广泛应用于地球大气探测和研究,为研究区域或全球重力波变化和活动特征提供了新的观测手段.本文利用中国第一颗搭载GNSS掩星设备气象卫星——风云3C （FY-3C）获得的掩星数据,反演得到2014年8月—2016年12月大气温度轮廓线,并首次估计重力波参数分布,分析了重力波参数的时空变化分布特征.结果表明,海陆季节性对流导致冬夏两季的重力波势能强于春秋两季,赤道对流作用导致赤道区域重力波强于两极,夏季南半球中低纬度地区重力波活动频繁,冬季北半球中低纬度区域重力波活动频繁.重力波随着高度的上升,势能逐渐下降.另外,地形是低层大气重力波的主要来源.     

利用掩星资料分析东亚地区云厚的分布特征

利用2007年1月至2009年1月COSMIC掩星湿空气数据,基于相对湿度廓线出入云层时发生突变反演云边界高度的思想,统计分析了东亚地区云厚的分布特征。结果表明,掩星最低探测高度集中在3km以下,主要影响部分中云和低云云厚的反演。云发生概率沿纬度和经度方向呈现不同的分布特征,各类云概率随高度也有不同的变化规律。东亚地区所有云的平均厚度为1.78km,其中单层云和顶层云分布相似,双层云与其他云层的地理差异不大,单层云在春秋季分布相对均匀,而在夏冬季差异较大。夏季和冬季顶层云云顶高与云厚的二维频率分布各异,主要在于夏季有更多云体较厚且位于对流层上部的高云存在。     

对称模式下的CHAMP弯曲角掩星数据同化

简单介绍了无线电掩星技术探测行星大气的发展史,列举了该技术中存在的若干问题。从 Eyre提出的统计学的最优估计反演方法,比较了用相位、弯曲角和折射率作为同化因子时出现的问题和各自的优缺点。对弯曲角同化因子,以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)资料为背景场,运用一维变分技术,进行CHAMP掩星观测资料变分同化反演,从而获得水汽和温度剖面。将反演获得的气象剖面与非同化的剖面作比较,并且采用相应的探空气球资料作为验证,可以看出变分同化技术比传统的标准反演技术反演误差小。证实掩星数据资料的一维变分同化技术可以改进目前的数值天气预报模式。     

COSMIC及其在气象领域的应用

COSMIC是利用现代遥感技术、通信技术和计算机技术解决当今地球科学重大问题的地球科学卫星探测系统。作为GPS／MET的后续计划，主要是为了进行气象与气候研究、气候监测、太空天气和大地测量等研究。COSMIC计划于2003年之前发射8颗低轨卫星，8颗卫星每天可进行4000次GPS观测。本文介绍COSMIC系统组成及COSMIC数据应用。     

GPS掩星观测的发展及其在气象业务中的应用现状

GPS无线电掩星探测技术已经发展成为一种强有力的、相对经济的观测全球大气的方法.多年对GPS/MET概念卫星、CHAMP和SAC-C等GPS掩星观测的研究表明,GPS掩星观测资料与其他卫星资料相比具有很高的观测精度和垂直分辨率等优点,并且GPS掩星观测不受天气状况的影响,因此对其在天气预报及气候的应用有独特的优势.GP...     

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.     

基于COSMIC掩星数据分析全球NmF2周年和半年变化特征

使用COSMIC掩星提供的NmF2数据,利用傅里叶分析方法,研究全球F2层峰值电子密度的周年和半年分布特征,分析2010年LT12：00 14：00 NmF2周年和半年变化幅度及2008-2011年年平均值变化.结果显示,电离层NmF2周年和半年变化幅度在中高纬地区相对较大;在赤道和低纬地区相对较小,且NmF2以半年变化为主.太阳活动增强期间,NmF2年平均值增大.     

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。     

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.     

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。