無線電掩星反演大氣溫度的電離層影響

史永鵬,鄭南山,2,劉亞彬

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,徐州 221000;2.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,徐州 221000)

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無線電掩星反演大氣溫度的電離層影響

史永鵬1,鄭南山1,2,劉亞彬1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,徐州 221000;2.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,徐州 221000)

利用掩星的附加相位延遲數(shù)據(jù),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的幾何光學(xué)大氣反演算法進(jìn)行了研究。探究電離層的電子密度對(duì)溫度反演的影響,按照標(biāo)準(zhǔn)的幾何光學(xué)反演算法得到的干溫度與無線電探空儀數(shù)據(jù)的平均相對(duì)誤差小于5%。將經(jīng)過兩種方法電離層修正后反演得到的溫度與CDAAC的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,實(shí)驗(yàn)證明電離層殘差對(duì)溫度反演的影響隨著高度的增加而增大,在25 km以上是造成溫度反演誤差的主要因素,彎曲角電離層修正法要優(yōu)于相位電離層修正法。

無線電掩星;溫度反演;無線電探空儀;電離層修正;彎曲角修正法

0　引　言

基于GNSS的無線電掩星大氣探測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛用于天氣預(yù)報(bào)和氣候研究,也稱之為空基GNSS氣象學(xué),這種技術(shù)具有覆蓋面大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。陸續(xù)建立的可用于掩星觀測(cè)的衛(wèi)星系統(tǒng)有CHAMP,SAC-C,GRACE,COSMIC等。成功反演出了各類氣象要素廓線,與歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的氣象數(shù)據(jù)符合較好。與其他觀測(cè)設(shè)備,如探空儀、激光雷達(dá)、垂測(cè)儀的探測(cè)結(jié)果比較也能達(dá)到較高精度:掩星反演得到的大氣溫度數(shù)據(jù)在上對(duì)流層和下平流層區(qū)域平均誤差小于0.5 K;電離層峰值電子密度平均相對(duì)偏差約為1%[4-9].

掩星探測(cè)技術(shù)利用大氣引起的信號(hào)延遲,通過一系列關(guān)系式,反演出折射率、溫度、壓強(qiáng)等氣象參數(shù),為了獲得高精度的地球中性層大氣參數(shù),反演過程中需要消除電離層的影響。利用三維射線追蹤法模擬得知,電離層殘差對(duì)平流層頂部和中間層底部的大氣溫度反演影響明顯,模擬研究表明:在30～60 km高度范圍,溫度數(shù)據(jù)的平均誤差將達(dá)到1 K[5].探究大氣參數(shù)反演時(shí)的電離層影響,改進(jìn)電離層修正方法,對(duì)進(jìn)一步提高掩星大氣探測(cè)的精度至關(guān)重要。本文采用標(biāo)準(zhǔn)幾何光學(xué)算法對(duì)附加相位延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)合無線電探空儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),比較不同電離層電子密度情況下大氣溫度反演的精度,對(duì)比兩種電離層修正方法的優(yōu)劣。

1　掩星探測(cè)大氣的電離層修正

掩星系統(tǒng)利用安裝在低軌道的接收機(jī)接收穿過大氣層的衛(wèi)星信號(hào),傳播過程中電離層和中性大氣層對(duì)信號(hào)產(chǎn)生折射,信號(hào)的傳播路徑會(huì)發(fā)生彎曲并產(chǎn)生相位延遲,隨著接收機(jī)和衛(wèi)星相對(duì)位置的變化,一次掩星時(shí)間能完成對(duì)大氣層一次自上而下或自下而上的掃描。標(biāo)準(zhǔn)算法反演大氣參數(shù)首先要獲得由于折射引起的附加相位延遲,即信號(hào)經(jīng)過的光學(xué)路徑長(zhǎng)度Lk與衛(wèi)星和接收機(jī)的幾何距離之差。經(jīng)過電離層修正后得到僅由中性層大氣引起的附加相位延遲,根據(jù)附加相位延遲可以導(dǎo)出信號(hào)的彎曲角度廓線,彎曲角度廓線通過Abel轉(zhuǎn)換可以得到中性大氣層的折射指數(shù)廓線。中性大氣層的折射率是溫度、壓強(qiáng)、濕度等氣象參數(shù)的函數(shù),一般為

(1)

式中: N為折射率; n為折射指數(shù); T為溫度; P為壓強(qiáng); PW為水蒸氣壓力。

而電離層折射率和電離層電子密度密切相關(guān),一般用Appelton-Hartree公式表達(dá):

(2)

式中: C和K都為常數(shù); Bpar為地磁感應(yīng)強(qiáng)度在載波傳播方向的絕對(duì)值。fK中的K=1.2,代表兩個(gè)頻率的載波(f1=1 575.42MHz, f2=1 227.60MHz).在掩星數(shù)據(jù)的處理中,一般忽略了高階項(xiàng)的影響,進(jìn)行一階電離層修正。

低軌衛(wèi)星接收機(jī)接收到的信號(hào)穿過大氣層時(shí),主要受中性大氣層和電離層的影響,二者對(duì)信號(hào)的折射導(dǎo)致載波相位延遲,因此,載波的光學(xué)路徑長(zhǎng)度LK(K=1,2)可表示為

(3)

積分沿著射線路徑SK,包含了電離層和中性大氣層的影響,大氣探測(cè)的目的是為了獲得中性大氣層的附加相位延遲和彎曲角,并進(jìn)一步反演出大氣參數(shù),所以需要消除電離層的影響。

1) 相位修正法

由于電離層對(duì)載波的色散效應(yīng),電磁波的傳播速度會(huì)與頻率有關(guān),傳播路徑也會(huì)發(fā)生彎曲。假設(shè)沿相同路徑傳播,則可以將兩個(gè)載波的相位延遲L1和L2按照如下公式組合進(jìn)行電離層修正,得到修正后附加相位延遲:

(4)

導(dǎo)航定位常用類似的雙頻觀測(cè)進(jìn)行電離層修正。但前提是假設(shè)傳播路徑相同,通過下面的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),在掩星觀測(cè)中,這種傳播路徑的差異是不可忽略的。因此修正后仍有電離層殘余誤差。

2) 彎曲角修正法

彎曲角修正法首先要根據(jù)兩個(gè)頻率載波的附加相位延遲求得各自的彎曲角度廓線,將兩個(gè)信號(hào)的彎曲角度廓線進(jìn)行內(nèi)插,然后對(duì)彎曲角進(jìn)行線性組合,可以得到修正后的彎曲角,即彎曲角修正法:

(5)

式中，α為碰撞高度,即折射中心至入射(或出射)信號(hào)漸近線的垂直距離。彎曲角組合法將彎曲角內(nèi)插到同一碰撞高度,可以減小兩個(gè)信號(hào)傳播路徑不同造成的影響。

2　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用的掩星數(shù)據(jù)從NASA和CDAAC數(shù)據(jù)中心獲得,數(shù)據(jù)可分為四級(jí),L0為原始的觀測(cè)數(shù)據(jù),L1A為附加相位延遲數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù),LIB為數(shù)據(jù)中心提供的多普勒頻移和彎曲角,L2包含大氣的折射率廓線、溫度廓線、氣壓廓線以及電離層密度廓線等產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)2.1主要采用COSMIC的L2級(jí)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)2.2主要采用GRACE的L1A的附加相位數(shù)據(jù)。

2.1反演溫度和探空數(shù)據(jù)對(duì)比

為比較電離層對(duì)大氣參數(shù)反演的影響,選取了三次掩星事件(用事件①、事件②、事件③表示),將反演出的干溫度與無線電探空儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。三次掩星事件分別對(duì)應(yīng)的電離層電子密度廓線如圖1(a)所示,三次掩星事件所對(duì)應(yīng)的經(jīng)度相近,電離層電子密度有明顯差異,電子密度依次增大。電離層的電子密度與時(shí)間、緯度、季節(jié)等因素有關(guān),一般低緯地區(qū)要高于高緯地區(qū),白天要高于晚上,并與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān),變化較為復(fù)雜,這里不做詳細(xì)討論。

三次掩星事件反演出的干溫度和相應(yīng)位置的無線電探空儀的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖1(b),圖1(c),圖1(d)所示。通過對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn):反演出的干溫度廓線在5～15 km和無線電探空儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為符合,在接近地面的低對(duì)流層,由于干反演溫度沒有考慮水汽影響,采用標(biāo)準(zhǔn)反演算法得到,所以在接近地面的高度誤差較大,但相比無線電探空儀,掩星反演得到的結(jié)果可以探測(cè)到的高度更高,分辨率更高。CDAAC提供的掩星數(shù)據(jù)是經(jīng)過電離層修正的,去除了大部分的電離層影響。

圖1　廓線對(duì)比 (a)對(duì)應(yīng)事件①②③三種電子密度; (b)對(duì)應(yīng)事件①的干溫度； (c)對(duì)應(yīng)事件②的干溫度； (d)對(duì)應(yīng)事件③的干溫度

表1示出了三次掩星事件對(duì)應(yīng)的時(shí)間、位置和5 km以上高度溫度相對(duì)于探空儀數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差?？梢缘贸鲈诓煌婋x層電子密度大小的情況下,溫度的平均相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。在掩星事件③所對(duì)應(yīng)的電離層電子密度比較大的情況下,溫度的平均相對(duì)誤差比較大。從圖1的三次溫度對(duì)比結(jié)果可以看出,隨著高度的增加,反演出的溫度與無線電探空儀的差異會(huì)變大,這是由于隨著高度增加受電離層影響增大造成的。實(shí)驗(yàn)2.2中進(jìn)行詳細(xì)討論。

表1　掩星事件表

2.2電離層修正方法的比較

實(shí)驗(yàn)采用GRACE的附加相位數(shù)據(jù)和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù),利用附加多普勒頻移和掩星幾何關(guān)系可以得出信號(hào)的彎曲角。在利用彎曲角和Abel轉(zhuǎn)換得出折射率并進(jìn)一步反演氣象參數(shù)之前,需要進(jìn)行電離層修正來消除電離層的影響。

按照式(4)和式(5)進(jìn)行兩種方法的電離層修正:載波相位修正根據(jù)公式(4)對(duì)L1和L2的附加相位延遲進(jìn)行線性組合得到修正后的附加相位延遲,推導(dǎo)出的中性層彎曲角度廓線,如圖2中的黑色實(shí)線所示;彎曲角修正方法需要分別求得L1和L2的彎曲角,將彎曲角內(nèi)插到相同碰撞高度,然后根據(jù)式(5)進(jìn)行線性組合,得到中性層的彎曲角度廓線,如圖2中的點(diǎn)狀線條所示。為了便于觀測(cè)彎曲角度廓線的差異,圖2中,選取了高度為25 km以上部分,由于彎曲角變化范圍較大,橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。30 km以上,兩種修正方法修正后的彎曲角度廓線和利用單一頻率載波L1和L2得到的彎曲角度廓線差異明顯,所以進(jìn)行電離層修正以獲得更加準(zhǔn)確的中性層彎曲角度廓線是極其必要的。

圖2　彎曲角度廓線

從彎曲角的變化可以得知,由于大氣密度隨高度的增加而降低,所以高度越低折射越大,彎曲角也越大。彎曲角的量級(jí)隨高度的增加是指數(shù)下降的,每20 km的彎曲角度要相差一個(gè)數(shù)量級(jí),所以隨著高度的增加,電離層殘余誤差對(duì)彎曲角度的影響會(huì)變得更加明顯。

隨著高度增加,L1和L2載波的彎曲角度差異增大,在25 km以上高度的彎曲角度廓線的差異尤為明顯,所以會(huì)造成傳播路徑不同,所以直接假設(shè)傳播路徑相同的相位修正法的電離層殘差較大。

根據(jù)兩種電離層修正方法得到的彎曲角度廓線,按相同的氣體定律反演出溫度廓線如圖3所示。圖3中的線條包括了采用相位修正法和彎曲角修正法修正后的彎曲角度廓線反演得到的溫度廓線,反演溫度時(shí)都忽略了水蒸氣的影響,以及CDAAC提供的濕溫度廓線。濕溫度廓線是CDAAC以ECMWF或NCEP提供的全球或局地的精確大氣參數(shù)分布為背景場(chǎng),以折射率廓線作為觀測(cè)值,采用大氣一維或三維變分(3D-VAR)同化方法得到的。實(shí)踐表明,與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)反演算法相比,這種觀測(cè)資料和短期預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)合的數(shù)值預(yù)報(bào)方法結(jié)果更加合理[10]。

圖3　溫度廓線

將反演得到溫度廓線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證,以CDAAC提供的濕反演溫度為基準(zhǔn)求得兩種修正方法的相對(duì)偏差如圖4所示。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用的是幾何光學(xué)方法,在低對(duì)流層偏差較大,因此取高度范圍12～30 km的溫度,由于數(shù)據(jù)層數(shù)不同,所以首先將CDAAC提供的濕反演溫度和兩種電離層修正方法反演得到的溫度內(nèi)插到0.2 km間隔的高度網(wǎng)格上,再進(jìn)行比較。

圖4　兩種電離層修正方法反演溫度的相對(duì)偏差

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論:25 km以上的溫度反演結(jié)果和數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)偏差較大,這是因?yàn)殡S著高度增加,中性彎曲角變得非常小,測(cè)量噪聲和殘余電離層誤差的影響會(huì)更加明顯,電離層的影響也會(huì)隨著高度的增加而增大。

相位修正法和彎曲角修正法都可以進(jìn)行電離層修正。在12～30 km范圍內(nèi)與濕溫度廓線的相對(duì)誤差都低于3%.相比而言,從圖4可以看出,隨著高度增加,彎曲角修正方法比相位修正方法的相對(duì)誤差更小。

兩種修正方法都沒有考慮電離層高階項(xiàng)的影響,但是彎曲角電離層修正由于將彎曲角內(nèi)插到同一碰撞高度進(jìn)行組合,可以減小載波傳播路徑差異的影響,尤其是在電離層電子密度比較大時(shí),傳播路徑的差異是不可忽略的,所以彎曲角修正法效果更好,是目前掩星反演中較好的電離層修正方法。

通過和濕反演溫度廓線的比較,可以發(fā)現(xiàn)在低對(duì)流層,水蒸氣的影響是不可忽略的。掩星的幾何光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)算法由于忽略中低層大氣中的水汽的影響使低對(duì)流層反演的溫度存在較大誤差,反演出的溫度要低于濕反演溫度。

3　結(jié)束語(yǔ)

以上實(shí)驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)反演方法得到了較好的溫度廓線,通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了電離層對(duì)掩星反演大氣溫度的影響,從彎曲角、溫度方面分析對(duì)比了相位電離層修正法和彎曲角電離層修正法。

1) 電離層殘差對(duì)掩星溫度反演的精度有較大影響,干反演溫度與探空儀數(shù)據(jù)的平均相對(duì)誤差可以達(dá)到4.8%.電離層引起的誤差會(huì)隨著高度增加而增大。

2) 相位修正法雖然可以用于電離層修正,但電離層對(duì)信號(hào)具有色散效應(yīng),在掩星觀測(cè)這種低仰角情況下,電波傳播路徑的差別是不可忽略的,所以掩星觀測(cè)的相位電離層修正方法殘差較大。

3) 彎曲角修正法相比相位組合法,兩個(gè)載波的傳播路徑更加接近,修正效果更好,但殘余誤差中仍有電離層高階項(xiàng)的影響。更好的電離層修正方法有待進(jìn)一步研究。

為了獲得更高精度的大氣參數(shù)廓線,需要進(jìn)一步研究的問題有:由于一定高度以上彎曲角量級(jí)非常小,噪聲的影響增大,所以需要進(jìn)行大氣彎曲角統(tǒng)計(jì)優(yōu)化;在低對(duì)流層區(qū)域,為了避免多路徑效應(yīng)的影響,可以使用正則變換法和全譜反演法進(jìn)行反演。隨著數(shù)據(jù)反演和同化方法的不斷改進(jìn),GLONASS,Galileo,BeiDou等GNSS系統(tǒng)的完善,以掩星技術(shù)為基礎(chǔ)的空基GNSS氣象學(xué)有著廣闊的應(yīng)用前景。

致謝:感謝NASA和CDAAC的數(shù)據(jù)支持。

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The Influences of Ionosphere on the Radio Occultation Temperature Inversion

SHI Yongpeng1,ZHENG Nanshan1,2,LIU Yabin1

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221000,China; 2.NASGKeyLaboratoryofLandEnvironmentandDisasterMonitoring,Xuzhou221000,China)

This paper uses the excess phase delay data of occultation to make some research on the standard geometric optic algorithm of atmospheric inversion. It explores the influences of electron density on the temperature inversion. The average relative error between dry temperature which used the standard geometric optic algorithm and radiosonde data is less than 5%.Comparing the inversion temperature after the calibration of two ionosphere calibration methods with the CDAAC’s data, the result shows that the influence of the ionosphere on the temperature inversion increases with the increase of the height.Above 25km,it is the main factor which causes the temperature inversion errors.The bending angle calibration method is better than the phase calibration method.

Radio occultation; temperature inversion; radiosonde; ionosphere calibration; bending angle calibration method

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.001

2016-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51174206); 江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程 (編號(hào):SZBF2011-6-B35)

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0001-05

史永鵬(1991-),男,碩士生,研究方向?yàn)镚NSS氣象學(xué)。

鄭南山(1974-),男,博士,教授,研究方向?yàn)镚NSS及其信號(hào)反演、環(huán)境災(zāi)害遙感與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等。

劉亞彬(1991-),男,碩士生,研究方向?yàn)闇y(cè)量數(shù)據(jù)處理。

聯(lián)系人： 史永鵬 E-mail: 843042180@qq.com