探空數(shù)據(jù)與COSMIC掩星反演大氣廓線擬合度分析

丁 翠

(山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103)

低軌衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)在大氣傳播過程中幾乎不會(huì)受到云層遮擋的影響，且GPS掩星觀測方法具有垂直分辨率高、受云層干擾性較低以及大范圍探測、探測成本低等特性[1]，因此通過GPS掩星觀測可彌補(bǔ)傳統(tǒng)探測方法在海洋等地區(qū)探測精度低等不足。

1995年4月美國大學(xué)大氣研究中心(University Corporation for Atmospheric Research,UCAR)贊助的GPS/MET項(xiàng)目成功發(fā)射了一顆配備全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)接收機(jī)的MicroLabl近地軌道實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，有效推動(dòng)了GPS掩星探測技術(shù)在大氣研究方面的發(fā)展[2]。經(jīng)過多年不斷探索，全世界范圍內(nèi)陸續(xù)發(fā)起了多項(xiàng)GPS掩星探測技術(shù)項(xiàng)目，其中，丹麥等國率先成功搭建了CHAMP (Challenging Minisatellite Payload)和SAC-C (Satellite de Aplicaciones Cientificas-C)等衛(wèi)星平臺(tái)[3]。2006年4月15日，中國臺(tái)灣地區(qū)和美國聯(lián)合發(fā)起了COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate)計(jì)劃，該項(xiàng)目成功發(fā)射了由6顆低軌衛(wèi)星構(gòu)建而成的探測星座，利用掩星技術(shù)突破了傳統(tǒng)單顆低軌衛(wèi)星探測的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了大氣層以及氣候參數(shù)的探測，有力地推動(dòng)了GPS空基氣象學(xué)的發(fā)展[4]。

空基GPS探測大氣方法能夠提供全球范圍的三維觀測數(shù)據(jù)，近年來得到了眾多研究人員的關(guān)注?；诳栈鵊PS探測數(shù)據(jù)研究大氣參數(shù)的探測精度，是GPS氣象學(xué)研究的關(guān)鍵所在。學(xué)者夏朋飛等認(rèn)為基于傳統(tǒng)探測數(shù)據(jù)對掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行同化處理的過程中，首先應(yīng)保證時(shí)空匹配閾值控制在一定范圍內(nèi)，才能有效分析其誤差特性和分布[5]。學(xué)者Kursinski等人認(rèn)為通過分析比較掩星反演的大氣溫濕廓線與無線電探空觀測數(shù)據(jù)的偏差范圍，可驗(yàn)證GPS掩星探測方法的科學(xué)合理性[6]。學(xué)者Rocken 等重點(diǎn)對MicroLabl數(shù)據(jù)開展了大量的分析比對試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，掩星觀測技術(shù)反演的溫度與無線電探空技術(shù)解算值存在較小的溫度偏差，該誤差值跟緯度分布有關(guān)，在低緯度分布地區(qū)探測溫度誤差約為1 K，在高緯度分布地區(qū)探測溫度誤差不超過0.5 K。此外，通過對MicroLabl反演的溫度廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)在低緯度6～7 km探測區(qū)域測量溫度的偏差值介于10%～20%范圍，邊界層內(nèi)可達(dá)到5%，甚至更高[7]。學(xué)者王洪等人利用COSMIC反演大氣溫度，發(fā)現(xiàn)在5～30 km高度范圍內(nèi)溫度偏差不超過1.5 K，驗(yàn)證了COSMIC掩星數(shù)據(jù)反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)相關(guān)性和吻合度較好，可有效改善溫度測量的探測精度[8]。學(xué)者官莉等人比對分析了兩個(gè)不同時(shí)間段(夏季和冬季各七天)對應(yīng)的COSMIC反演大氣溫濕廓線資料，結(jié)果表明，兩者探測精度與季節(jié)基本沒有相關(guān)性，其質(zhì)量與分析場基本相當(dāng)[9-10]。

本文首先簡單介紹了COSMIC系統(tǒng)和COSMIC掩星反演大氣參數(shù)的原理以及數(shù)據(jù)資料。然后，基于傳統(tǒng)無線電探空數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對2010年不同季節(jié)的COSMIC大氣溫濕廓線資料展開季節(jié)性擬合度分析，進(jìn)而驗(yàn)證和評估COSMIC資料探測精度的可靠性，并進(jìn)行了掩星觀測資料和探空數(shù)據(jù)的擬合度研究。

1 COSMIC系統(tǒng)簡介

2006年4月，以GPS/ MET和CHAMP掩星計(jì)劃為基礎(chǔ)，COSMIC衛(wèi)星觀測系統(tǒng)成功發(fā)射，由6顆重量約62 kg的微型衛(wèi)星構(gòu)成各個(gè)子系統(tǒng)，可以對極地、海洋、沙漠等無人區(qū)天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測等方面研究的改善提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。COSMIC系統(tǒng)是世界上第一個(gè)可實(shí)時(shí)記錄大范圍區(qū)域大氣數(shù)據(jù)的觀測系統(tǒng)，因此廣泛應(yīng)用于全球氣象學(xué)、氣候變化等領(lǐng)域的研究[10-11]。

COSMIC系統(tǒng)基本原理是通過觀測并記錄大氣中GPS無線信號(hào)的彎曲參數(shù)，進(jìn)而解算地球大氣中的相關(guān)參數(shù)[12]。圖1分別展示了2010年冬季12月1天、7天、14天時(shí)間范圍內(nèi)掩星事件、無線電探空觀測的全球分布情況，可以看出，相較于傳統(tǒng)探空技術(shù)，掩星探測覆蓋范圍更廣。

圖1 2010年12月1天、7天、14天內(nèi)掩星事件、無線電探空觀測的全球分布

2 COSMIC大氣參數(shù)反演原理

GPS掩星探測技術(shù)主要是通過安裝在近地軌道衛(wèi)星LEO (Low Earth Orbit)上的GPS接收機(jī)，臨邊探測GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)[13]。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，全球范圍內(nèi)約每隔24 h能夠向用戶提供大量掩星觀測點(diǎn)的資料數(shù)據(jù)，如在海洋區(qū)域、沙漠和極地等無人區(qū)，COSMIC系統(tǒng)探測數(shù)據(jù)均能覆蓋到。因此，該系統(tǒng)能顯著彌補(bǔ)傳統(tǒng)無線電探空資料分布不均的缺陷。

圖2表征了2010年2月5日這一天內(nèi)三次掩星事件從開始到結(jié)束的分布曲線。在電磁波信號(hào)傳播穿過地球大氣層的過程中，隨著大氣層折射率梯度的改變，信號(hào)傳播路徑產(chǎn)生某種程度的彎曲，信號(hào)運(yùn)行速度會(huì)受明顯干擾，通過解算分析LEO衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)探測對應(yīng)的延遲參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)掩星事件的探測[14]。

圖2 LEO-GPS掩星事件開始結(jié)束軌跡示意圖

圖3表征了GPS與LEO衛(wèi)星完成掩星探測對應(yīng)的分布曲線軌跡。在掩星探測過程中，利用大氣延遲量比較衛(wèi)星歷元和探測獲得的相位延遲率序列信息，可解算求得對應(yīng)GPS信號(hào)的彎曲角剖面參數(shù)，再利用Abel積分逆變換方法解算彎曲角序列，最終求出大氣折射指數(shù)剖面值[15]。

圖3 LEO-GPS掩星觀測示意圖

由于在中性層分布區(qū)域，大氣折射率與大氣壓強(qiáng)、溫度和濕度之間基本符合Smith-Weintraub方程，在水汽干擾忽略不計(jì)的前提下，可將大氣視作為理想氣體，在流體靜力平衡方程的假設(shè)前提下，滿足式(1)[16]:

(1)

式中，p0為35 km的大氣壓強(qiáng)；g(h)為重力加速度；p為大氣總壓，hPa。

溫度廓線：

(2)

式中，k1=77.6 K/hPa；N為大氣折射率。若在已知大氣溫度廓線T(h)的條件下(如利用全球大氣模式)，利用公式迭代解算，可得到大氣的水汽廓線[17]。

本文比較方法是將傳統(tǒng)探空資料和掩星探測對應(yīng)時(shí)間和地點(diǎn)一致的探測數(shù)據(jù)匹配為一組，比較在掩星和探空剖面各個(gè)高度層二者之間的差別(這里用探空溫度減去掩星溫度)，作為溫度的絕對偏差，用公式定義為[18]:

ΔT(h)=Tr(h)-T0(h)

(3)

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 數(shù)據(jù)收集

本文采用的COSMIC掩星大氣參數(shù)剖面數(shù)據(jù)是COSMIC官網(wǎng)下載的濕空氣剖面數(shù)據(jù)(wetPrf)，相關(guān)信息如表1所示。該數(shù)據(jù)是屬于Level2的數(shù)據(jù)，由COSMIC數(shù)據(jù)分析與管理中心CDAAC提供[19]。

表1 數(shù)據(jù)介紹

由表1可知，比較數(shù)據(jù)選取時(shí)間范圍是2010年2月5日～2010年2月11日、2010年5月5日～2010年5月11日、2010年8月5日～2010年8月11日、2010年11月5日～2010年11月11日四個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)。其中，冬季時(shí)間段CDAAC共有12 739個(gè)大氣剖面，對應(yīng)時(shí)間范圍的全球探空數(shù)據(jù)共計(jì)有4 598個(gè)。

3.2 數(shù)據(jù)比較分析

考慮到無線電探空儀易受垂直探測區(qū)域的限制，有必要對COSMIC掩星和探空儀垂直探測范圍展開比較。利用2010年1月～2010年3月COSMIC掩星與無線電探空儀探測資料統(tǒng)計(jì)得到的對應(yīng)垂直探測區(qū)域的分布結(jié)果如表2所示。

表2 COSMIC掩星與無線電探空儀垂直探測范圍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

擬合度表示COSMIC掩星與無線電探空儀探測結(jié)果的一致性程度。由表2可知，全球范圍內(nèi)COSMIC掩星與無線電探空儀探測結(jié)果的擬合度為64.35%，而對于高、中、低不同緯度區(qū)域的擬合度分別是63.89%、63.58%、66.67%，表明COSMIC掩星與無線電探空儀探測結(jié)果的擬合度在不同緯度地區(qū)的變化相對較小，但總擬合度不到65%，表明二者探測結(jié)果存在一定誤差，但具體偏差大小還需對二者進(jìn)行溫度偏差擬合度分析。

3.3 大氣廓線反演結(jié)果分析

基于2010年四個(gè)時(shí)間段(春夏秋冬)COSMIC反演大氣廓線產(chǎn)品wetPrf與探空濕溫?cái)?shù)據(jù)sonPrf數(shù)據(jù)，進(jìn)行了全球范圍內(nèi)的比較分析，圖4～圖7分別呈現(xiàn)了四個(gè)季節(jié)(春夏秋冬)反演大氣廓線的比較結(jié)果。

圖4 COSMIC反演數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)春季大氣濕溫

圖5 COSMIC反演數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)夏季大氣濕溫

由圖4～圖7可知，不同季節(jié)兩種數(shù)據(jù)探測偏差均低于1.5 K，COSMIC掩星廓線資料大氣濕溫廓線與無線電探空數(shù)據(jù)探測精度相當(dāng)，擬合度較高。

4 結(jié) 論

本文通過分析COSMIC掩星與無線電探空儀探測結(jié)果的擬合度，以及兩種數(shù)據(jù)資料在不同季節(jié)的溫度偏差大小，驗(yàn)證和評估COSMIC資料探測精度的可靠性，實(shí)現(xiàn)了掩星觀測資料和探空數(shù)據(jù)的擬合度分析。結(jié)果表明，探測偏差低于1.5 K，COSMIC掩星廓線資料大氣濕溫廓線與無線電探空數(shù)據(jù)探測精度可靠，可應(yīng)用于大氣數(shù)據(jù)分析。