AIRS与COSMIC反演大气温湿廓线比较

将福卫三号星系计划(COSMIC)气象、电离层及气候卫星探测系统、大气红外探测器(AIRS)反演的大气温度和湿度廓线与时间、空间匹配的欧洲中心中期天气预报(ECMWF)、美国环境预报中心(NCEP)分析值和无线电探空观测值进行比较, 结果表明, COSMIC具有垂直分辨率高、全天候的观测特点, 反演的大气温度和湿度廓线相对于AIRS而言与无线电探空观测值更接近, 能提供大气廓线的更精细结构, 但受掩星事件发生时所能探测最低高度的限制, 不能得到该高度以下的大气信息。AIRS在晴空时大气温湿廓线反演精度较高, 但受云天的限制, 在云层以下, 反演精度就大大降低。     

GPS掩星一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法研究

GPS无线电掩星资料的良好特性使其作为十分重要的观测资料在欧洲 及美国数值天气预报中效果明显. 本文设计了一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法和质量控制策略. 详细阐述了一维弯曲角正演算子及其切线性/伴随算子在全球四维变分资料同化系统中的实现步骤和过程, 其中折射率计算中采用Rüeger的折射率最佳平均因子的三项表达式, 计算出更加精确的折射率值. 对2012年8月份的GPS无线电掩星资料进行了观测误差统计, 引入了更加符合四维变分资料同化系统实际情况的一维弯曲角观测误差模型和质量控制策略. 同时, 对比了观测误差统计试验中同化GPS无线电掩星资料的模式背景场和未同化GPS无线电掩星资料的背景场的观测误差统计结果, 发现同化GPS无线电掩星资料之后的观测误差统计结果在全球区域正作用十分明显, 尤其是在中低纬度地区, 高度在10 km 以上的区域观测误差减小十分明显. 关键词： GPS无线电掩星 一维弯曲角算子 四维变分同化系统 质量控制     

垂直天线阵观测信息反演大气折射率廓线

利用垂直天线阵观测得到的电磁场信息建立目标泛函,从电磁波抛物方程传播模式出发,利用偏微分方程最优控制中的伴随方法研究大气折射率廓线反演问题. 针对反演的不适定性,采用正则化思想对目标泛函进行改造,并根据变分同化思想构建反演迭代格式. 数值模拟试验验证了理论算法的可行性. 由于采用分步Fourier算法求解电磁波抛物方程传播模式和伴随模式过程中产生的固有误差随着传播距离的增加累积增大,反演廓线在传播距离较远时不能收敛于观测廓线. 在这种情况下,引入较好的初猜廓线和背景场可以有效地改进反演结果. 关键词： 大气折射率 电磁波抛物方程 变分伴随 正则化     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

星-地无线电掩星技术探测火星大气和电离层

历史上几乎所有的行星探测任务都开展了无线电掩星实验,以探测行星的大气、电离层、行星环以及磁场,并取得了很多重要的科学成果.掩星发生时刻前后,测量航天器发出的信号穿过行星电离层和大气层时被遮掩而引起的信号频率、相位、幅度或极化等物理特性的变化,通过某种反演技术,可以得到大气的折射率廓线,推出中性大气的密度、温度、压强廓线以及电离层的电子浓度廓线.文章围绕中国“萤火1号”火星探测器（YH-1）火星探测计划中将要开展的星-地无线电掩星实验,介绍了该技术用于探测火星大气和电离层的相关情况.     

利用红外高光谱资料CrIS反演大气温湿廓线的模拟研究

大气温湿廓线是数值预报中最基本的气象参数,高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气信息,为了准确获取廓线信息,利用搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(national polar-orbiting partnership)平台上的CrIS(cross-track infrared sounder)红外高光谱观测资料,讨论了通道选取方法,采用特征向量统计法反演法得到初始大气廓线,利用非线性牛顿迭代法进一步提高反演精度。将反演结果和全球数据同化系统GDAS(global data assimilation system)模式分析数据以及配对的无线探空值进行比较,发现反演结果与真值趋势一致,较之初始廓线有显著提高,在100～700 hPa之间,温度廓线反演精度最高,均方差小于1 K,在300～900 hPa之间,湿度廓线反演精度最高,均方差小于20%,与所选取通道的雅各比峰值区间一致。     

GPS/LEO掩星正则变换反演方法

利用无线电全息方法, 如正则变换方法或全谱反演方法, 可以有效地解决大气多路径条件下GPS掩星信号的反演问题. 本文采用正则变换方法反演掩星资料, 模拟仿真反演结果显示正则变换方法可以准确地反演包含大气多路径效应的信号. 在模拟信号的相位中加入不同程度的高斯相位噪声后, 正则变换方法的反演结果会受到不同程度的影响. 用正则变换方法对2007年第71天至73天共约4500个COSMIC数据进行处理. 将其折射率反演结果和atmPrf资料 (利用全谱反演方法计算得到) 一起, 与对应的ECMWF 分析场资料进行统计比较, 结果表明: 在5 km以下, 正则变换方法计算的折射率的相对误差的平均值普遍大于atmPrf资料. 其原因可能为: 正则变换方法将信号从LEO轨迹后传播至辅助屏, 造成孔径缩小, 精度下降. 同时也讨论了信号截断对低对流层中反演精度和掩星个数的影响. 关键词： 无线电掩星 大气多路径 多相位屏技术 正则变换方法     

无线电掩星滑动频谱方法和后传播方法的分析比较

本文详细介绍了滑动频谱方法,并通过模拟仿真和实测资料处理与后传播方法进行比较. 通过对模拟仿真信号反演发现:后传播方法和滑动频谱方法均能削弱大气多路径的影响,后传播方法在一定程度上优于滑动频谱方法;在模拟信号的相位中加入高斯噪声对后传播方法影响不大,但对滑动频谱方法影响较大,尤其在边界层以下. 分别用后传播方法和滑动频谱方法对2007年第71天至73天共约4500个COSMIC掩星数据进行处理. 将折射率反演结果与ECMWF分析场资料进行统计比较,结果显示:滑动频谱方法反演的掩星廓线深度大于后传播方法;后 关键词： GPS/LEO掩星 多相位屏模型 后传播方法 滑动频谱方法     

基于改进的单差法计算GPS掩星附加相位

从GPS掩星探测数据中反演的参数可同化入数值天气预报模式. 附加相位的计算精度受参考链电离层噪音及L2噪音影响, 在L2信号加密情况下噪音影响更为显著.为提高附加相位处理精度, 减少一般单差法(single difference, SD)从参考链传入掩星链的噪音,本文采用改进的单差法 (updated single difference, USD)计算大气附加相位.参考链数据采用组合频率LC观测数据, 并以一定时间窗口(2 s)做平滑处理,逐项考虑天线相位中心改正、 相对论效应改正等因素的影响.利用COSMIC掩星观测数据对上述方法进行了验证. 上升及下降典型掩星事件分析表明:USD计算的附加相位与 COSMIC官方发布的附加相位有很好的一致性;计算了全球分布的440次掩星事件附加相位, 结果表明USD法可明显改进附加相位平均偏差与标准差的分布, 证明了我们算法的可靠性. USD法可应用于风云三号气象卫星掩星仪器半无码跟踪L2得到的数据处理中.     

COSMIC掩星电离层资料反演以及结果验证

通过COSMIC掩星电离层观测资料L1和L2相位组合,得到相对总电子含量TEC;利用非掩星的辅助观测数据校正TEC,消除LEO卫星高度以上的TEC部分;在电子密度局部球对称假设和信号直线传播的近似下,通过Abel积分变换可以得到电子密度垂直廓线.将2007年度中与电离层测高仪站点经度差小于10°,纬度差小于2°的4903个COSMIC掩星电离层资料与相对应的电离层测高仪数据进行比较,F₂层的临界频率f₀F₂的标准差约为059 关键词： COSMIC GPS/LEO掩星 电离层测高仪 电离层反演     

Monitoring of the ducting by a ground-based GPS receiver

In this paper, we describe the estimation of low-altitude refractivity structure from simulation and real ground-based GPS delays. The vertical structure of the refractive environment is modeled using three parameters, i.e., duct height, duct thickness, and duct slope. The refractivity model is implemented with a priori constraints on the duct height, thickness, and strength, which might be derived from soundings or numerical weather-prediction models. A ray propagation model maps the refractivity structure into a replica field. Replica fields are compared with the simulation observed data using a squared-error objective function. A global search for the three environmental parameters is performed using genetic algorithm. The inversion is assessed by comparing the refractivity profiles from the radiosondes to those estimated. This technique could provide near-real-time estimation of ducting effect. The results suggest that ground-based GPS provides significant atmospheric refractivity information, despite certain fundamental limitations of ground-based measurements. Radiosondes typically are launched just a few times daily. Consequently, estimates of temporally and spatially varying refractivity that assimilate GPS delays could substantially improve over-estimates using radiosonde data alone.     

Monitoring of ducting by using a ground-based GPS receiver

In this paper,we describe the estimation of low-altitude refractivity structure from simulation and real ground-based GPS delays.The vertical structure of the refractive environment is modeled using three parameters,i.e.,duct height,duct thickness,and duct slope.The refractivity model is implemented with a priori constraints on the duct height,thickness,and strength,which might be derived from soundings or numerical weather-prediction models.A ray propagation model maps the refractivity structure into a replica field.Replica fields are compared with the simulation observed data using a squarederror objective function.A global search for the three environmental parameters is performed using a genetic algorithm.The inversion is assessed by comparing the refractivity profiles from the radiosondes to those estimated.This technique could provide near-real-time estimation of the ducting effect.The results suggest that ground-based GPS provides significant atmospheric refractivity information,despite certain fundamental limitations of ground-based measurements.Radiosondes are typically launched just a few times daily.Consequently,estimates of temporally and spatially varying refractivity that assimilate GPS delays could substantially improve over-estimates caused by using radiosonde data alone.     

GPS/LEO无线电掩星开环反演技术

在低对流层,传统的闭环模式容易造成较大的信号追踪误差. 开环模式通过内部或外部方式消除导航资料调制(navigation data modulation, NDM)对大气反演的影响,能够准确地恢复信号的相位. 内部和外部方式的区别是,前者通过信号相邻采样的内在联系移除NDM, 后者利用卫星导航位元数据进行处理. 通过内部和外部两种方式处理COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)掩星数据,利用全谱反演方法获得弯曲角,通过Abel积分变换计算折射率. COSMIC掩星个案分析表明,在低对流层,内部方式可能会导致信号的半周跳现象, 从而造成反演的折射率出现误差. 分别用上述两种方式对2007年第71天至73天共约3130个COSMIC掩星开环数据进行处理. 将折射率反演结果与ECMWF(european centre for medium-range weather forecasts)分析场资料进行统计比较,结果显示:外部处理方式的探测深度比内部方式低100 —200 m. 在热带的3 km以下,内部方式具有比外部方式稍大的折射率负偏差. 因此,外部方式能够得到比内部方式略优的反演结果.     

基于GOSAT卫星数据的大气甲烷反演误差分析及校正

大气甲烷(CH₄)高精度反演受到多种因素的影响,其中地表特征和大气状态的不确定性是重要的影响因素,如地表反射率、温度、湿度和压力廓线。地表反射率受到诸多因素的影响,难以获得精确的数据,会给反演结果带来较大误差。温度、湿度和压力廓线的不确定性亦是反演误差的重要来源,由此产生的系统误差难以避免,单独利用CH₄吸收带进行反演难以消除此种误差。针对各种参数不确定性的影响,本文提出比值光谱法和CO₂吸收带校正法进行校正。比值光谱法通过将绝对辐亮度谱转化为比值光谱,抑制地表反射率在反演过程中的作用。CO₂吸收带校正法利用CO₂ 1.61 μm吸收带,将CH₄柱含量转化为CH₄体积混合比,校正温度、湿度和压力廓线不确定性引起的系统误差。通过将两种校正方法结合,可同时抑制地表反射率和温度、湿度、压力廓线不确定性产生的影响,减小反演误差。利用温室气体观测卫星(GOSAT)的观测数据进行大气CH₄反演,采用比值光谱法和CO₂吸收带校正上述误差,结果显示校正后的CH₄体积混合比与GOSAT-Level2产品相当接近,反演精度可达-0.24%,反演结果较为稳健可靠。研究表明,比值光谱法和CO₂吸收带校正法可有效校正地表特征和大气状态参数不确定性引起的误差,提高大气CH₄反演精度。     

Characteristics of atmospheric gravity waves observed using the MU (Middle and Upper atmosphere) radar and GPS (Global Positioning System) radio occultation

The wind velocity and temperature profiles observed in the middle atmosphere (altitude: 10–100 km) show perturbations resulting from superposition of various atmospheric waves, including atmospheric gravity waves. Atmospheric gravity waves are known to play an important role in determining the general circulation in the middle atmosphere by dynamical stresses caused by gravity wave breaking. In this paper, we summarize the characteristics of atmospheric gravity waves observed using the middle and upper atmosphere (MU) radar in Japan, as well as novel satellite data obtained from global positioning system radio occultation (GPS RO) measurements. In particular, we focus on the behavior of gravity waves in the mesosphere (50–90 km), where considerable gravity wave attenuation occurs. We also report on the global distribution of gravity wave activity in the stratosphere (10–50 km), highlighting various excitation mechanisms such as orographic effects, convection in the tropics, meteorological disturbances, the subtropical jet and the polar night jet.