利用低軌道衛(wèi)星間微波信號探測反演溫濕廓線*

張志華，王 鑫，呂達仁

利用低軌道衛(wèi)星間微波信號探測反演溫濕廓線*

張志華1,2，王 鑫1，呂達仁1,2

（1 中國科學院大氣物理研究所 北京 100029 2 中國科學院大學 北京 100049）

通過同時測量微波信號的折射和吸收信息，低地球軌道衛(wèi)星間（LEO-LEO）微波掩星探測技術能夠獨立反演溫度和水汽廓線。通過仿真手段，首先，正演模擬了微波信號穿過大氣層后由折射和吸收效應分別導致的相位延遲和振幅衰減，在此基礎上，對溫度、水汽和云中液態(tài)水反演廓線進行了個例分析，然后，統(tǒng)計分析了溫度和水汽在不同緯度帶的反演性能，以及云對反演精度的影響。結果表明：溫度在約35 km以上存在明顯正偏差，高緯度的最大，中緯度次之，低緯度最小。水汽反演誤差在約4 km以下明顯增大，低緯度的最大，中緯度次之，高緯度最小。有云存在時，需要去除云的吸收作用，否則溫度和水汽會出現(xiàn)明顯的正偏差。上述研究為進一步發(fā)展LEO-LEO掩星探測計劃提供了理論參考依據(jù)。

LEO-LEO；微波掩星探測；反演；溫度廓線；水汽廓線

引 言

利用低地球軌道LEO（Low Earth Orbit）衛(wèi)星間微波信號對大氣進行掩星探測，是在全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)GNSS（Global Navigation and Positioning System）無線電掩星基礎上提出的一種新的掩星探測方法[1-3]。GNSS-LEO無線電掩星GRO（GNSS-LEO Radio Occultation）在對流層較暖區(qū)域存在“溫度-水汽模糊”問題，僅利用折射作用無法分離溫度和水汽對折射率的貢獻[4-7]，針對此問題，在20世紀90年代末期，研究人員開始考慮采用高于全球定位系統(tǒng)GPS導航信號的水汽吸收線附近的微波信號，基于電磁波在大氣中傳播時的折射和吸收效應，獲取電磁波信號的相位延遲和振幅衰減信息，從而在沒有輔助背景信息的情況下同時反演獲得溫度和水汽廓線[8-10]。LEO-LEO微波掩星LMO（LEO-LEO Microwave Occultation）信號可以穿透云層，彌補衛(wèi)星可見光、紅外遙感在這方面的缺陷[11]，具有高垂直分辨率、高精度、全天候、自校準、無需定標、長期穩(wěn)定等優(yōu)點[12]，可為現(xiàn)有的探測方法提供相互比對和補充，其探測資料將對提高數(shù)值天氣預報精度、氣候與全球變化研究、大氣模式研究和數(shù)據(jù)同化等方面都具有重要的科學價值和研究意義[13]。

LEO-LEO微波掩星探測概念自提出以來，相關研究人員開展了一系列有意義的研究。在探測技術方面，主要包括LEO-LEO掩星軌道設計研究、相關載荷研制和原理樣機地面試驗驗證等[14-18]。在反演技術方面，F(xiàn)eng等和Kursinski等利用相鄰頻率的信號強度比消除散焦、閃爍和衍射等非吸收效應，得到僅由吸收引起的大氣吸收系數(shù)，建立了LEO-LEO微波掩星的虛部折射率反演算法，結合已有的GNSS-LEO無線電掩星的實部折射率反演算法，同時反演得到了溫度和水汽廓線[2,19]。在此基礎上，Kirchengast和Gorbunov等開發(fā)了端到端的仿真反演計算模型，并進行了系列端到端的仿真反演實驗[20-22]，初步證明了LEO-LEO掩星探測地球大氣的可行性和探測能力。

由于技術條件、風險控制和預算調(diào)整等多種原因，目前國內(nèi)外仍沒有在軌實現(xiàn)的LEO-LEO掩星探測計劃[23]。對LEO-LEO微波掩星的反演技術研究也非常緩慢，特別是國內(nèi)，關于反演技術方面的研究幾乎不見報道。為了發(fā)展LEO-LEO掩星探測技術，使我國相關研究能力達到國際水平，進而探測得到精度盡可能高、高度范圍盡可能大的溫度和水汽廓線，仍需要對LEO-LEO微波掩星的反演技術開展大量且深入的研究。

本文通過仿真模擬手段，對LEO-LEO微波掩星反演溫度和水汽廓線進行了分析研究。首先介紹了LEO-LEO微波掩星的基本探測原理和反演方法，分析了微波信號的基本吸收特征，通過仿真模擬手段，正演模擬了微波掩星信號穿過大氣層后引起的相位延遲和振幅衰減，在此基礎上進行了反演實驗，對溫度、水汽和云中液態(tài)水的反演個例進行了分析，然后統(tǒng)計分析了溫度和水汽在低、中、高緯度帶的反演性能，并研究了云層對溫度和水汽反演精度的影響。

1 原理和方法

LEO-LEO微波掩星探測是指兩顆低軌道衛(wèi)星（LEO）分別運動到地球的兩側時，其中一顆作為發(fā)射衛(wèi)星，另一顆作為接收衛(wèi)星，由發(fā)射衛(wèi)星發(fā)出微波信號，穿過地球大氣到達接收衛(wèi)星。由于兩顆LEO衛(wèi)星之間的相對運動，發(fā)射信號從大氣層頂逐漸切過整層地球大氣直到地球表面，或者由地球表面逐漸切到大氣層頂?shù)倪^程，稱為發(fā)生了一次下降（或上升）LEO-LEO掩星事件[12]。

圖1 LEO-LEO掩星觀測幾何關系示意圖

最后，聯(lián)立實部折射率方程、虛部折射率方程（每個頻率對應一個方程）、大氣靜力平衡方程以及理想氣體狀態(tài)方程，建立非線性方程組[20]，表達式如下：

2 信號正演仿真模擬

LEO-LEO微波掩星探測的原始觀測量是電波信號的相位和振幅，目前國內(nèi)外還沒有在軌實現(xiàn)的LEO-LEO掩星探測計劃，在沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，可以通過理論計算正向模擬出掩星觀測的信號相位和振幅。

首先，模擬發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星的軌道位置和速度信息。有關仿真軌道參數(shù)設置見表1。星座采用太陽同步軌道，由4顆LEO衛(wèi)星組成，分為發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星兩組，每組各2顆衛(wèi)星，分布在同一軌道面內(nèi)，兩組衛(wèi)星分別運行在600 km和550 km高度軌道上，反向運行。利用表中參數(shù)，分別進行了1天、3天、7天和1個月的LEO-LEO掩星事件仿真模擬實驗。

表1 LEO-LEO掩星事件仿真衛(wèi)星軌道參數(shù)設置

圖2給出了LEO-LEO掩星事件的位置分布，1天共有240個掩星事件，上升和下降掩星事件各120個，各緯度均有掩星事件分布，但數(shù)量分布不均勻；3天共有718個掩星事件，上升和下降掩星事件各359個，各緯度數(shù)量均勻分布，基本覆蓋全球；7天共有1 678個掩星事件，上升和下降掩星事件各839個，各緯度數(shù)量密集分布；1個月共有7 194個掩星事件，上升和下降掩星事件各3 597個，各緯度數(shù)量均勻密集分布。LEO-LEO掩星探測可為極區(qū)、海洋、沙漠等地區(qū)提供更多的大氣參數(shù)信息。

圖2 LEO-LEO掩星事件位置分布：“△”代表上升掩星事件，“▽”代表下降掩星事件

將圖2模擬的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)作為輸入，給定信號初始方向和大氣背景場等參數(shù)，利用三維射線追蹤方法可以模擬發(fā)射信號經(jīng)過地球大氣到達接收機的射線傳播軌跡，得到指定采樣率下每個信號頻率的模擬附加相位和大氣損耗（散焦）[12]。在LEO-LEO微波掩星探測中，除了由散焦引起的大氣損耗，還要考慮吸收引起的大氣損耗，兩者組成總的大氣損耗，利用毫米波傳播模型（MPM93），可以沿每條射線路徑逐點計算得到大氣吸收衰減[29-31]。圖3給出了1 GHz～200 GHz頻率范圍內(nèi)不同濕度條件下水汽吸收系數(shù)與頻率的關系，吸收系數(shù)以對數(shù)形式表示。

圖3 不同濕度條件下1 000 hPa、100 hPa、10 ShPa氣壓層的水汽吸收系數(shù)譜線

由圖3可知，在1 000 hPa氣壓層，水汽在22.23 GHz和183.3 GHz附近均吸收強烈，對不同濕度條件非常敏感，22.23 GHz附近的水汽吸收系數(shù)在0.01 dB/km～1 dB/km之間，183.31 GHz附近的水汽吸收系數(shù)在1 dB/km～ 100 dB/km之間，其量綱是22.23 GHz的2倍以上；在100 hPa氣壓層，水汽的吸收強度變?nèi)酰貏e是22.23 GHz附近的信號頻率，不能靈敏區(qū)分不同濕度的水汽吸收強度，而183.31 GHz附近的信號頻率仍有較靈敏的特征，能夠區(qū)分不同濕度的水汽吸收強度；在10 hPa氣壓層，22.23 GHz和183.31 GHz附近的水汽吸收強度均變?nèi)酰茈y區(qū)分不同濕度的水汽吸收強度，無法探測到水汽信息。因此，為了探測獲得盡可能高范圍的水汽信息，需要在不同高度范圍內(nèi)使用不同的探測頻率，一般利用22.23 GHz探測對流層中低層的水汽信息，利用183.31 GHz探測對流層上層至平流層下層的水汽信息。

下面采用FASCODE中性大氣模式和3D_NeUoG電離層模式（F10.7=80）作為大氣環(huán)境背景場進行LEO-LEO微波掩星信號的仿真模擬實驗。為了能夠獨立測量從近地面到平流層下層的濕度信息，選用了位于22.23 GHz和183.31 GHz附近的5個頻點，分別在X波段、K波段和M波段，即9.7 GHz、17.25 GHz、22.6 GHz、179.0 GHz和182.2 GHz，探測采樣率均為10 Hz。圖4分別給出了一個上升和一個下降掩星事件的相位延遲和傳播損耗。上升掩星事件位于北半球中緯度（37.97°N，71.16°W），MLS（Mid-Latitude Summer）代表中緯度夏季大氣，下降掩星事件位于熱帶赤道附近（1.5°N，92.25°E），TRO（Tropic）代表熱帶大氣。

圖4 中緯度上升掩星事件和熱帶下降掩星事件的模擬相位延遲和大氣損耗

由圖4（a）可知：中緯度上升掩星事件的持續(xù)時間為35.0 s，由近地面（0 s）上升到80 km（35.0 s），相位延遲在近地面最大，為481.1 m，然后隨時間增加呈指數(shù)遞減。由圖4（b）可知：不同信號頻率呈現(xiàn)不同程度的衰減，在0 s～12 s內(nèi)，信號在9.7 GHz衰減最弱，衰減最大值為12.3 dB，在17.25 GHz和22.6 GHz衰減逐漸增強，最大值為18.8 dB和55.4 dB，信號在179.0 GHz和182.2 GHz衰減嚴重，在0 s～6 s內(nèi)，大氣損耗均大于200 dB。由圖4（c）可知：熱帶下降掩星事件的持續(xù)時間為39.4 s，由78.7 km（0 s）下降到近地面（39.4 s），相位延遲隨時間增加呈指數(shù)遞增，在近地面達到最大值678.2 m。由圖4（d）可知，隨著時間增加，掩星切點高度逐漸下降，信號頻率的衰減逐漸增強，在26 s～39.4 s內(nèi)，信號在9.7 GHz衰減最大值為17.2 dB，在17.25 GHz和22.6 GHz分別為35.8 dB和142.8 dB，在179.0 GHz和182.2 GHz衰減最嚴重，損耗均大于200 dB?？梢园l(fā)現(xiàn)：熱帶掩星事件的相位延遲比中緯度掩星事件的大，信號的損耗更強烈，這是由于熱帶對流層的溫度更高、水汽信息更豐富，信號的傳播路徑延遲更明顯、衰減強度更大。

3 反演結果

3.1 反演個例分析

下面利用模擬得到的相位延遲和振幅衰減進行反演實驗，首先進行反演個例分析。圖5是由圖4中中緯度掩星事件和熱帶掩星事件的相位延遲和大氣損耗，分別反演得到的實部折射率和虛部折射率廓線及其反演誤差。

圖5 實部折射率和虛部折射率反演廓線及其誤差

圖5（a）和5（e）給出了從近地面到平流層頂（0 km～50 km）的實部折射率廓線，實部折射率與頻率無關，五個信號頻率對應一條反演廓線。實部折射率隨高度降低呈指數(shù)增大，中緯度和熱帶掩星事件的實部折射率在對流層底層達到最大值，分別為240.24 N-units和275.47 N-units，反演相對誤差均在±0.2%之內(nèi)。圖5（c）和5（g）給出了從近地面到平流層下層（0 km～25 km）的虛部折射率廓線，五個頻率通道對應五條反演廓線。五個信號頻率在通過不同高度大氣時遭受到不同量的吸收，在約12 km以上，水汽稀少，22.23 GHz弱吸收線接近完全透射，183.3 GHz強吸收線具有較高的敏感性，可有效探測對流層上層水汽信息；在約10 km～12 km以下，大氣層對于179.0 GHz和182.2 GHz幾乎完全不透明，信號基本被大氣吸收，無法被接收機探測到，兩個信號頻率不可用，而9.7 GHz、17.25 GHz和22.6 GHz被大氣部分吸收，信號可以穿過大氣到達接收機，探測對流層中低層水汽信息。此外可以發(fā)現(xiàn)：中緯度掩星事件的虛部折射率誤差在約10 km～12 km明顯增大（圖5（d）），熱帶掩星事件在約14 km～16km明顯增大（圖5（h）），這是對流層頂結構存在引起的。由于對流層低層的水汽更豐富，熱帶掩星事件的虛部折射率誤差顯著增大。

圖6 溫度和水汽反演廓線及其誤差

圖6是反演得到的溫度和水汽廓線及其誤差。由圖6（a）和6（b）可知：中緯度和熱帶掩星事件的溫度反演廓線與真值廓線均非常接近，絕對誤差基本在±1 K以內(nèi)；在40 km以下反演誤差減小，在±0.5 K以內(nèi)，熱帶掩星事件的誤差在約3.5 km以下顯著增大。由圖6（c）和6（d）可知：中緯度和熱帶掩星事件在近地面的最大比濕分別為2.86 g/kg和9.59 g/kg，相對誤差基本在±5%以內(nèi)，在約20 km以上，誤差隨高度明顯增加，在這個高度以上的水汽非常稀少，導致即使在182.2 GHz，水汽吸收也很少。在約3.5 km以下，熱帶掩星事件的水汽誤差再次變大，基本在±10%以內(nèi)。

圖7給出了有云存在時反演得到的云中液態(tài)水含量廓線及其誤差。中緯度掩星事件的云參數(shù)設置為：云層中心高度為4.5 km，云厚度為0.5 km，液態(tài)水含量為0.4 g/m3；熱帶掩星事件的云參數(shù)設置為：云層中心高度為3.5 km，云厚度為0.8 km，液態(tài)水含量為0.6 g/m3。反演結果表明：液態(tài)水含量反演廓線和真值廓線比較接近，較好地呈現(xiàn)出中緯度在4.5 km附近厚度為0.6 km的云層和熱帶3.5 km附近厚度0.8 km的云層，絕對誤差基本在±0.2 g/m3以內(nèi)。

3.2 反演統(tǒng)計分析

下面進一步采用近實際大氣的ECMWF模式數(shù)據(jù)作為中性大氣背景場，統(tǒng)計分析了溫度和水汽廓線在不同緯度帶的反演性能。全球被劃分為低緯度帶（Low-latitude，30°S～30°N）、中緯度帶（Mid-latitude，30°N～60°N和30°S～60°S）和高緯度帶（Hight-latitude，60°N～90°N；60°S～90°S）。采用的ECMWF數(shù)據(jù)是2019年7月15日的ERA-Interim模式層數(shù)據(jù)，包括：溫度、水汽、云中液態(tài)水等變量信息。在各緯度帶分別選取60個LMO掩星事件的反演結果進行統(tǒng)計分析。

圖7 云中液態(tài)水含量反演廓線及其誤差

圖8是溫度在不同緯度帶的反演統(tǒng)計誤差。在約35 km以上，平均絕對偏差在各緯度帶隨高度升高均明顯增大，高緯度的誤差最大，中緯度的次之，低緯度的最小，并出現(xiàn)了明顯的正偏差，除了高緯度帶，RMS誤差在40 km以上基本在2 K以內(nèi)。這一方面是因為靜力學方程向下積分時初始值誤差向下傳導引起的，另一方面是因為隨著高度升高，大氣變得越來越稀薄，信號的信噪比越來越低，誤差越來越大，高緯度帶相比中低緯度，大氣更稀薄，反演誤差更大。在約10 km～35 km，各緯度帶的反演精度較高，偏差均在±0.2 K，RMS誤差均小于0.4 K。值得注意的是，低、中、高緯度帶在約16.5 km、11 km和10 km（圖8（d）、8（f）和8（h））均有一個明顯的誤差凸起，這是對流層頂引起的。在約4 km以下，各緯度帶的反演誤差隨高度降低均明顯增大。

圖9是水汽在不同緯度帶的反演統(tǒng)計誤差。各緯度帶的RMS誤差基本在10%以內(nèi)，滿足探測精度需求。在約18 km以上，各緯度帶的反演誤差均隨高度升高而逐漸增大，這是因為大氣濕度隨高度升高而越來越小，在同樣觀測噪聲的情況下，信噪比越來越低，誤差越來越大。在4 km以下，平均相對偏差在各緯度帶隨高度降低均明顯增大，低緯度的誤差最大，中緯度的次之，高緯度的最小。這是因為相比中、高緯度帶，低緯度帶在對流層低層的水汽信息更豐富，電波信號衰減更強烈，信號信噪比更低，信號有可能弱到無法到達接收機，因此反演誤差最大。

LEO-LEO微波掩星信號在穿過云層時會被不同程度地吸收衰減。下面分析了云中液態(tài)水對溫度和水汽反演性能的影響。圖10給出了溫度和水汽在晴空、有云及忽略云層情況下的統(tǒng)計反演誤差。云中液態(tài)水一般分布在8 km以下，溫度和水汽的反演精度在8 km以上基本不受其影響。在約4 km～8 km的高度，在有云時與晴空情況下，溫度的RMS誤差均在0.5 K以內(nèi)，水汽的RMS誤差均在4%以內(nèi)。在約4 km以下，溫度和水汽的反演誤差隨高度降低均明顯增大，在晴空時存在正偏差，在有云時存在負偏差。如果有云時忽略云層對吸收的貢獻，將其作為晴空條件進行反演處理，在約8 km以下，溫度和水汽的偏差、標準差和RMS誤差隨高度降低均顯著增大（圖10（c）和10（g）），出現(xiàn)了明顯正偏差，在約6 km以下，溫度和水汽的RMS誤差分別大于1 K和10%（圖10（d）和10（h））。因此，在反演溫度和水汽廓線時，如果有云層存在，需要將云對吸收的貢獻從總吸收中去掉。

4 結束語

本文從LEO-LEO微波掩星信號在大氣中傳播的正向模擬出發(fā)，首先分析了微波信號的基本吸收特征，采用22.23 GHz和183.3 GHz附近的五個頻率通道進行了信號仿真模擬，分析了一個中緯度上升和一個熱帶下降掩星事件的相位延遲和傳播損耗特征。在此基礎上進行了反演實驗，對五個信號頻率的實部折射率和虛部折射率廓線及其反演誤差特性進行了分析，在不引入輔助大氣背景情況下，同時反演得到了溫度和水汽廓線，以及副產(chǎn)品云中液態(tài)水廓線。最后，統(tǒng)計分析了溫度和水汽在低、中、高緯度帶的反演性能，并研究了云中液態(tài)水對溫度和水汽反演精度的影響，得到的主要結論如下：

LEO-LEO微波掩星信號在通過不同高度大氣時受到不同量的吸收，采用位于弱吸收線22.23 GHz附近的3個頻點及強吸收線183.31 GHz附近的2個頻點，能夠測量從近地面到平流層下層的大氣濕度信息。溫度的平均絕對偏差在約35 km以上隨高度升高均明顯增大，高緯度的誤差最大，中緯度的次之，低緯度的最小，并出現(xiàn)了明顯的正偏差。在約10 km～35 km的高度，溫度的反演精度在各緯度帶均很高，RMS誤差均小于0.4 K。在約4 km以下的高度，由于大氣折射和吸收效應更強，溫度反演誤差隨高度降低而明顯增大。水汽的平均相對偏差在約4 km以下隨高度降低也均明顯增大，低緯度的誤差最大，中緯度的次之，高緯度的最小。在約18 km以上的高度，各緯度帶的反演誤差均隨高度升高而逐漸增大，但RMS誤差基本在10%以內(nèi)，滿足探測精度需求。在反演溫度和水汽廓線時，如果有云存在，需要將云的吸收從總吸收中去掉，否則溫度和水汽的反演誤差在約8 km以下會顯著變大，出現(xiàn)明顯的正偏差。

LEO-LEO掩星探測技術是未來無線電掩星探測發(fā)展的重要方向，為了進一步發(fā)展LEO-LEO微波掩星探測技術，得到探測精度盡可能高的溫度和水汽廓線，仍需要提高35 km以上溫度反演精度，以及約4 km以下溫度和水汽反演精度。未來可以從探測技術和反演技術兩個角度開展研究，一方面盡可能提高載荷的探測信噪比，另一方面通過大量仿真反演實驗，評估影響溫度和水汽反演性能的各種因素，不斷改進優(yōu)化反演算法，從而提高反演精度。

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Retrieval of temperature and water vapor profiles by measuring microwave signals between LEO satellites

ZHANG Zhihua1,2, WANG Xin1, LYU Daren1,2

（1. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

LEO-LEO microwave occultation measurement technique can independently retrieve the temperature and water vapor profiles using both refraction and absorption measurements of microwave signals between LEO satellites. In this paper, the excess phase and atmospheric loss caused by refraction and absorption were simulated firstly. On this basis, the individual retrieval profile of temperature, water vapor and cloud liquid water content were analyzed. Then, the retrieval performance of temperature and water vapor profiles at different latitudes and the influence of cloud on the retrieval accuracy were statistically analyzed. The results show that the retrieved temperature profiles has significant positive bias above 35 km, with the largest in high latitude, the second in middle latitude, and the smallest in low latitude. The retrieval error of water vapor profiles increases significantly below 4 km, with the largest in low latitude, the second in middle latitude and the smallest in high latitude. In the cloudy atmospheric conditions, it is necessary to remove the absorption of clouds, otherwise the retrieved temperature and water vapor profiles will have positive bias. This study can provide theoretical reference for the further development of LEO-LEO occultation space exploration missions.

LEO-LEO; Microwave occultation measurement; Retrieval; Temperature profiles; Water vapor profiles

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

P412.27

A

CN11-1780(2022)06-0096-12

10.12347/j.ycyk.20220419001

張志華, 王鑫, 呂達仁.利用低軌道衛(wèi)星間微波信號探測反演溫濕廓線[J]. 遙測遙控, 2022, 43(6): 96–107.

10.12347/j.ycyk.20220419001

: ZHANG Zhihua, WANG Xin, LYU Daren. Retrieval of temperature and water vapor profiles by measuring microwave signals between LEO satellites[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 96–107.

中科院戰(zhàn)略性先導科技專項空間科學背景型號項目（XDA15021000）

王鑫（wangx2003@mail.iap.ac.cn）

2022-04-19

2022-05-06

張志華 1990年生，博士研究生，主要研究方向為LEO-LEO微波掩星探測技術。

王 鑫 1977年生，博士，高級工程師，主要研究方向為大氣物理、大氣與海洋遙感。

呂達仁 1940年生，院士，研究員，大氣物理學家。

(本文編輯：傅 杰)