应用一维变分法反演GPS掩星大气温湿廓线-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 15 (2013) 159301 应用一维变分法反演GPS 掩星大气温湿廓线* † 毕研盟 廖蜜 张鹏 马刚 ( 国家卫星气象中心, 北京 100081 ) ( 2013 年2 月16 日收到; 2013 年4 月1 日收到修改稿) GPS 掩星观测的折射率是大气温度、湿度状态的函数, 应用一维变分方法(1DVAR) 可以从折射率资料中同 时反演出大气温、湿度廓线, 利用COSMIC 2011 年中国区域掩星观测数据对这一方法进行了测试, 背景场采用 ECMWF 大气廓线, 反演结果与相匹配的探空观测有较好一致性. 重点研究了一维变分反演方法中非理想气体效应 (non-ideal effect) 对温度、湿度反演误差的影响, 不同月份的比较结果表明, 非理想气体效应对掩星反演大气廓线是 一种系统性影响, 考虑这一效应可对温度反演改进0.1 K 的偏差(bias), 对比湿可改进约0.5%偏差. 掩星资料作为数 值天气预报资料同化中少数无需偏差改正的卫星遥感资料, 非理想气体效应改正是无疑是非常重要的, 此外, 考虑 这一效应对掩星资料的气候应用也有重要价值. 关键词: 一维变分, 掩星, 非理想气体效应 PACS: 93.85.Pq DOI: 10.7498/aps.62.159301 的相位信息, 结合卫星位置速度信息, 可计算出由 8 1 引言 大气延迟引起的附加相位(excess phase) 信息 , 然 后进一步计算信号弯曲角, 基于Abel 变换和大气 无线电掩星技术应用于太阳系行星大气研究 球对称假设可得到大气折射率廓线信息910 . 在水 1 已超过40 年 . 随着上世纪90 年代全球定位系统 汽影响可忽略的平流层, 温度廓线可单独解出; 但 (The Global Positioning System, GPS) 的建成, 这一 是在对流层中, 仅从折射率却无法同时计算出大气 方法开始应用于地球大气的研究. GPS 卫星属于高 温度及湿度廓线, 这称之为温、湿信息的模糊性, 轨道(约20000 km) 卫星, 通过在低轨道(Low Earth 必须考虑其他方法同时解算出温度、湿度随高度 Orbit, LEO) 卫星上放置GPS 接收机, 可以利用临边 分布. 为解决上述模糊性问题, 最优估计或一维变 观测(limb-viewing) 的掩星技术观测地球大气, 用 分反演方法开始发展起来1112 . 这种方法结合观 2 以获取大气温度、湿度等状态参数廓线 . 测值、先验值以及误差信息同时反演温度与湿度 上述 GPS 掩星探测地球大气原理被美国 垂直分布信息. 当前, 在欧洲Metop/GRAS、美国和 GPS/MET3、德国CHAMP4 等试验所证实, 随后 台湾合作的COSMIC 数据处理中, 皆采用一维变分 5 美国进行了更一步的科学试验COSMIC 计划 , 反演方法获得大气廓线. 欧洲也在业务卫星Metop 上放置了掩星探测仪 无线电掩星资料不同于传统辐射率遥感资料, GRAS6 , 以上计划目的是