探空数据与COSMIC掩星反演大气廓线拟合度分析

丁 翠

(山东城市建设职业学院，山东 济南 250103)

低轨卫星发射的无线电信号在大气传播过程中几乎不会受到云层遮挡的影响，且GPS掩星观测方法具有垂直分辨率高、受云层干扰性较低以及大范围探测、探测成本低等特性[1]，因此通过GPS掩星观测可弥补传统探测方法在海洋等地区探测精度低等不足。

1995年4月美国大学大气研究中心(University Corporation for Atmospheric Research,UCAR)赞助的GPS/MET项目成功发射了一颗配备全球定位系统GPS(Global Positioning System)接收机的MicroLabl近地轨道实验卫星，有效推动了GPS掩星探测技术在大气研究方面的发展[2]。经过多年不断探索，全世界范围内陆续发起了多项GPS掩星探测技术项目，其中，丹麦等国率先成功搭建了CHAMP (Challenging Minisatellite Payload)和SAC-C (Satellite de Aplicaciones Cientificas-C)等卫星平台[3]。2006年4月15日，中国台湾地区和美国联合发起了COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate)计划，该项目成功发射了由6颗低轨卫星构建而成的探测星座，利用掩星技术突破了传统单颗低轨卫星探测的瓶颈，实现了大气层以及气候参数的探测，有力地推动了GPS空基气象学的发展[4]。

空基GPS探测大气方法能够提供全球范围的三维观测数据，近年来得到了众多研究人员的关注。基于空基GPS探测数据研究大气参数的探测精度，是GPS气象学研究的关键所在。学者夏朋飞等认为基于传统探测数据对掩星数据进行同化处理的过程中，首先应保证时空匹配阈值控制在一定范围内，才能有效分析其误差特性和分布[5]。学者Kursinski等人认为通过分析比较掩星反演的大气温湿廓线与无线电探空观测数据的偏差范围，可验证GPS掩星探测方法的科学合理性[6]。学者Rocken 等重点对MicroLabl数据开展了大量的分析比对试验，研究结果表明，掩星观测技术反演的温度与无线电探空技术解算值存在较小的温度偏差，该误差值跟纬度分布有关，在低纬度分布地区探测温度误差约为1 K，在高纬度分布地区探测温度误差不超过0.5 K。此外，通过对MicroLabl反演的温度廓线数据进行比对，发现在低纬度6～7 km探测区域测量温度的偏差值介于10%～20%范围，边界层内可达到5%，甚至更高[7]。学者王洪等人利用COSMIC反演大气温度，发现在5～30 km高度范围内温度偏差不超过1.5 K，验证了COSMIC掩星数据反演结果与探空数据相关性和吻合度较好，可有效改善温度测量的探测精度[8]。学者官莉等人比对分析了两个不同时间段(夏季和冬季各七天)对应的COSMIC反演大气温湿廓线资料，结果表明，两者探测精度与季节基本没有相关性，其质量与分析场基本相当[9-10]。

本文首先简单介绍了COSMIC系统和COSMIC掩星反演大气参数的原理以及数据资料。然后，基于传统无线电探空数据，重点对2010年不同季节的COSMIC大气温湿廓线资料展开季节性拟合度分析，进而验证和评估COSMIC资料探测精度的可靠性，并进行了掩星观测资料和探空数据的拟合度研究。

1 COSMIC系统简介

2006年4月，以GPS/ MET和CHAMP掩星计划为基础，COSMIC卫星观测系统成功发射，由6颗重量约62 kg的微型卫星构成各个子系统，可以对极地、海洋、沙漠等无人区天气预报、气候监测等方面研究的改善提供关键数据。COSMIC系统是世界上第一个可实时记录大范围区域大气数据的观测系统，因此广泛应用于全球气象学、气候变化等领域的研究[10-11]。

COSMIC系统基本原理是通过观测并记录大气中GPS无线信号的弯曲参数，进而解算地球大气中的相关参数[12]。图1分别展示了2010年冬季12月1天、7天、14天时间范围内掩星事件、无线电探空观测的全球分布情况，可以看出，相较于传统探空技术，掩星探测覆盖范围更广。

图1 2010年12月1天、7天、14天内掩星事件、无线电探空观测的全球分布

2 COSMIC大气参数反演原理

GPS掩星探测技术主要是通过安装在近地轨道卫星LEO (Low Earth Orbit)上的GPS接收机，临边探测GPS卫星发射的无线电信号实现[13]。在系统运行过程中，全球范围内约每隔24 h能够向用户提供大量掩星观测点的资料数据，如在海洋区域、沙漠和极地等无人区，COSMIC系统探测数据均能覆盖到。因此，该系统能显著弥补传统无线电探空资料分布不均的缺陷。

图2表征了2010年2月5日这一天内三次掩星事件从开始到结束的分布曲线。在电磁波信号传播穿过地球大气层的过程中，随着大气层折射率梯度的改变，信号传播路径产生某种程度的弯曲，信号运行速度会受明显干扰，通过解算分析LEO卫星上的GPS接收机探测对应的延迟参数，可实现掩星事件的探测[14]。

图2 LEO-GPS掩星事件开始结束轨迹示意图

图3表征了GPS与LEO卫星完成掩星探测对应的分布曲线轨迹。在掩星探测过程中，利用大气延迟量比较卫星历元和探测获得的相位延迟率序列信息，可解算求得对应GPS信号的弯曲角剖面参数，再利用Abel积分逆变换方法解算弯曲角序列，最终求出大气折射指数剖面值[15]。

图3 LEO-GPS掩星观测示意图

由于在中性层分布区域，大气折射率与大气压强、温度和湿度之间基本符合Smith-Weintraub方程，在水汽干扰忽略不计的前提下，可将大气视作为理想气体，在流体静力平衡方程的假设前提下，满足式(1)[16]:

(1)

式中，p0为35 km的大气压强；g(h)为重力加速度；p为大气总压，hPa。

温度廓线：

(2)

式中，k1=77.6 K/hPa；N为大气折射率。若在已知大气温度廓线T(h)的条件下(如利用全球大气模式)，利用公式迭代解算，可得到大气的水汽廓线[17]。

本文比较方法是将传统探空资料和掩星探测对应时间和地点一致的探测数据匹配为一组，比较在掩星和探空剖面各个高度层二者之间的差别(这里用探空温度减去掩星温度)，作为温度的绝对偏差，用公式定义为[18]:

ΔT(h)=Tr(h)-T0(h)

(3)

3 实验分析

3.1 数据收集

本文采用的COSMIC掩星大气参数剖面数据是COSMIC官网下载的湿空气剖面数据(wetPrf)，相关信息如表1所示。该数据是属于Level2的数据，由COSMIC数据分析与管理中心CDAAC提供[19]。

表1 数据介绍

由表1可知，比较数据选取时间范围是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日四个时间段的数据。其中，冬季时间段CDAAC共有12 739个大气剖面，对应时间范围的全球探空数据共计有4 598个。

3.2 数据比较分析

考虑到无线电探空仪易受垂直探测区域的限制，有必要对COSMIC掩星和探空仪垂直探测范围展开比较。利用2010年1月～2010年3月COSMIC掩星与无线电探空仪探测资料统计得到的对应垂直探测区域的分布结果如表2所示。

表2 COSMIC掩星与无线电探空仪垂直探测范围的统计结果

拟合度表示COSMIC掩星与无线电探空仪探测结果的一致性程度。由表2可知，全球范围内COSMIC掩星与无线电探空仪探测结果的拟合度为64.35%，而对于高、中、低不同纬度区域的拟合度分别是63.89%、63.58%、66.67%，表明COSMIC掩星与无线电探空仪探测结果的拟合度在不同纬度地区的变化相对较小，但总拟合度不到65%，表明二者探测结果存在一定误差，但具体偏差大小还需对二者进行温度偏差拟合度分析。

3.3 大气廓线反演结果分析

基于2010年四个时间段(春夏秋冬)COSMIC反演大气廓线产品wetPrf与探空湿温数据sonPrf数据，进行了全球范围内的比较分析，图4～图7分别呈现了四个季节(春夏秋冬)反演大气廓线的比较结果。

图4 COSMIC反演数据与探空数据春季大气湿温

图5 COSMIC反演数据与探空数据夏季大气湿温

由图4～图7可知，不同季节两种数据探测偏差均低于1.5 K，COSMIC掩星廓线资料大气湿温廓线与无线电探空数据探测精度相当，拟合度较高。

4 结 论

本文通过分析COSMIC掩星与无线电探空仪探测结果的拟合度，以及两种数据资料在不同季节的温度偏差大小，验证和评估COSMIC资料探测精度的可靠性，实现了掩星观测资料和探空数据的拟合度分析。结果表明，探测偏差低于1.5 K，COSMIC掩星廓线资料大气湿温廓线与无线电探空数据探测精度可靠，可应用于大气数据分析。