COSMIC掩星反演数据质量分析

利用2007?2010年的中国探空资料评估GPS掩星探测系统COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere, and climate)反演产品, 对比数据在空间上限定掩星事件发生地和探空站的水平距离在100 km以内, 在时间上相差不超过1小时, 对比高度范围为925~10 hPa。对比结果表明, COSMIC反演大气温度略低于探空仪测量值, 平均绝对偏差为?0.08 K, 标准差为1.67 K。两者水汽资料在200 hPa以上高度有系统性偏差; 在200 hPa以下, 比湿的平均偏差约为+0.080 g/kg, 标准差为0.692 g/kg, 水汽压平均相对误差约为+69.6%, 标准差为160.0%, 水汽压存在极端低值的异常情况。通过对全球不同区域6种探空仪的对 比, COSMIC反演产品在700 hPa以下高度显著受背景场影响, 由于背景场误差随区域改变, 因此, 只有在精度要求不高的情况下, COSMIC反演产品才适合用于评估其他资料。     

COSMIC掩星反演数据质量分析

利用2007—2010年的中国探空资料评估GPS掩星探测系统COSMIC(constellation observing system formeteorology,ionosphere,and climate)反演产品,对比数据在空间上限定掩星事件发生地和探空站的水平距离在100 km以内,在时间上相差不超过1小时,对比高度范围为925~10 hPa。对比结果表明,COSMIC反演大气温度略低于探空仪测量值,平均绝对偏差为0.08 K,标准差为1.67 K。两者水汽资料在200 hPa以上高度有系统性偏差;在200 hPa以下,比湿的平均偏差约为+0.080 g/kg,标准差为0.692 g/kg,水汽压平均相对误差约为+69.6%,标准差为160.0%,水汽压存在极端低值的异常情况。通过对全球不同区域6种探空仪的对比,COSMIC反演产品在700 hPa以下高度显著受背景场影响,由于背景场误差随区域改变,因此,只有在精度要求不高的情况下,COSMIC反演产品才适合用于评估其他资料。     

ROPP掩星数据反演软件及其精度分析

GPS掩星探测技术已成为地球大气和电离层探测的重要手段。介绍了无线电掩星数据反演地球大气参数的原理方法以及处理软件ROPP的功能和模块构成;并详细阐述了模块的算法原理。依据掩星探测几何关系,在球对称模式下利用ROPP软件进行参数配置,对COSMIC掩星数据进行预处理,由阿贝尔积分反演得到大气折射率廓线;并利用一维变分反演方法得到大气参数如温度、湿度和压强的廓线。反演结果图示说明,与CDAAC处理数据进行了比较和误差分析,分析表明折射率、温度、压强和湿度的吻合程度较好,30km以下折射率误差约在5%范围内;同时给出了误差的来源及分析。     

利用CrIS红外高光谱卫星数据反演大气温湿度廓线的研究

大气温湿度廓线信息是数值天气预报和气候变化评估等科学研究必不可少的基础数据,利用高光谱卫星数据准确定量地反演高精度的大气温湿度廓线,对提高天气预报和气候预测能力具有重要意义.本文利用搭载在Suomi-NPP(National Polar-orbiting Partnership)卫星上的新一代跨轨红外探测器CrIS(Cross-track Infrared Sounder)的高光谱红外辐射资料,联合欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的温湿度廓线再分析资料,利用D-R(Dual-Regression)双回归反演算法进行了大气温湿度廓线的反演研究.并利用上海宝山站点2014-2016年6-9月的实测的大气温湿度廓线探空数据和美国国家海洋与大气管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)官方算法NUCAPS(NOAA Unique Combined Atmospheric Processing System)提供的大气温湿度产品进行了对比与验证.结果表明:基于ECMWF的大气温湿度再分析数据作为背景场的D-R算法反演得到的大气温度廓线的总体BIAS基本保持在±1 K以内,RMSE(root mean square error)在2 K以内,与NUCAPS算法的反演精度相当;在低层,D-R算法的反演精度仍保持在2 K以内,要优于NUCAPS算法(RMSE指标).相对湿度在高度300 hPa以下时与NUCAPS算法反演的精度相当,其RMSE基本在20%以内,BIAS基本在±10%以内,反演结果较好且稳定;但在高于300 hPa时,D-R算法反演的误差明显增大到30%,精度降低.     

一种新的多因子约束下的NWP反演ZTD残差改正模型

对流层延迟是GNSS定位的主要误差源之一,利用NWP模型的气象数据积分反演ZTD是当前研究热点.然而,采用两大气象预报中心(ECMWF和NCEP)的再分析资料反演ZTD的残差一般在±60 mm之间浮动,预报资料反演的ZTD的精度更差,都不能直接用于精密定位.一般是先将此反演的ZTD作为初值,设定先验方差,将残差作为未知参数求解.NWP反演的ZTD的精度,将直接影响对流层和模糊度参数在滤波过程中收敛速度.前人的研究表明,NWP反演ZTD的残差大小与测站所在纬度相关,利用纬度与残差的相关函数可提高NWP反演ZTD的精度,但效果并不明显.针对以上问题,比较ECMWF和NCEP再分析资料反演ZTD的精度,然后分析精度较高的ECMWF资料反演的ZTD的残差随温度、湿度、纬度、季节等因子变化的规律,并结合基于最小绝对残差法的多项式拟合方法拟合残差,提出一种新的多因子约束下的NWP反演ZTD的残差改正模型,从而提高NWP反演ZTD的精度.为验证模型的性能,以133个IGS站高精度ZTD为参考,拟合2015年ECMWF反演ZTD的残差,构建残差改正模型,并利用此模型改正2016年ECMWF反演的ZTD.实验结果表明：在纬度高于15°的地区,NWP反演的ZTD的平均残差和均方根误差比使用模型前分别减小了86.9%和36.3%.另外,对于较低纬度地区,此残差改正模型的效果不明显.     

临近空间卫星探测温度数据的精度评估

为综合分析评估中国区域内临近空间卫星遥感探测的温度数据精度,利用2006年4月至2009年12月的COSMIC掩星探测数据与TIMED/SABER卫星探测数据进行对比分析,计算2种卫星数据之间的平均温度偏差和温度标准差,并统计分析随季节和纬度分布的温度偏差特征。对比统计结果表明,中国区域内2种卫星遥感探测数据的温度随高度变化的特征总体一致;其平均温度偏差均在2K以上,在15km附近偏差较大,在37~57km内平均温度偏差以约0.22K/km的速度随高度递增;同时,平均温度偏差在夏季最小,冬季最大,在35~60km内季节的变化对温度偏差影响较大,且温度偏差随纬度的变化在不同高度范围内呈现不同的分布特征。此次评估综合分析了COSMIC与TIMED/SABER在中国区域内的温度数据精度,能够为临近空间卫星探测数据在国内的应用提供一定的参考依据。     

GRAS误差对大气折射率廓线反演精度影响仿真研究

利用EGOPS软件仿真研究了多普勒偏差、多普勒频移、时钟稳定性/单差分、接收机噪声和局部多路径等GRAS误差对GNSS无线电掩星反演大气折射率廓线精度的影响.选择了一个上升掩星事件和一个下降掩星事件进行模拟分析,结果表明:误差最大值大部分出现在平流层顶附近,其中多普勒偏差引起的折射率相对误差最大值接近1%,多普勒频移引起的折射率相对误差最大值小于0.2%,时钟稳定性/单差分引起的折射率相对误差最大值接近0.8%,现实接收机噪声引起的折射率相对误差最大值超过了3%,局部多路径引起的折射率相对误差最大值小于1%.经讨论分析认为:对于高质量的无线电掩星大气廓线反演,仪器误差源中最主要的是接收机热噪声、时钟稳定性/单差分和多普勒偏差.     

GRAS误差对大气折射率廓线反演精度影响仿真研究

利用EGOPS软件仿真研究了多普勒偏差、多普勒频移、时钟稳定性/单差分、接收机噪声和局部多路径等GRAS误差对GNSS无线电掩星反演大气折射率廓线精度的影响。选择了一个上升掩星事件和一个下降掩星事件进行模拟分析,结果表明：误差最大值大部分出现在平流层顶附近,其中多普勒偏差引起的折射率相对误差最大值接近1%,多普勒频移引起的折射率相对误差最大值小于0.2%,时钟稳定性/单差分引起的折射率相对误差最大值接近0.8%,现实接收机噪声引起的折射率相对误差最大值超过了3%,局部多路径引起的折射率相对误差最大值小于1%。经讨论分析认为：对于高质量的无线电掩星大气廓线反演,仪器误差源中最主要的是接收机热噪声、时钟稳定性/单差分和多普勒偏差。     

基于Sentinel-1A的长江口近岸风矢量场反演研究

选取长江口外近岸海域,以欧空局发射的Sentinel-1A为SAR图像数据源,利用多级小波变换和傅里叶变换获得高精度风向信息,再利用基于GMF的3种CMOD系列模型反演风速,最后将反演结果与同时相的ECMWF模式风场数据以及五组实测数据进行对比.结果表明,除个别包含复杂纹理特征的SAR子图像以外,SAR风场反演精度整体优于ECMWF模式风场.经过多级小波变换后的风向反演结果更优,均方根误差分别为31.6°,29.7°,23.5°.经过二级小波变换之后的整景SAR图像结合风向信息代入到CMOD系列模型中反演得到的风速精度最优,均方根误差控制在0.8 m/s.比较适合长江口外近海海域的是MOD-IFR2和CMOD4,均方根误差分别为1.08 m/s和1.05 m/s.     

基于COSMIC资料的大气波导时空分布特征

为了掌握大气波导的发生规律,利用2007年7月至2012年9月的气象、电离层与气候卫星观测系统星座(COSMIC)掩星折射率数据,对海上悬空波导的发生概率、高度、强度和梯度的全球时空特征进行统计与分析。结果表明,波导事件基本发生在海陆交界地区,非洲西岸的波导事件随着赤道辐合带的移动表现季节性变化;波导高度随着海岸距离的增加而增加,高概率发生区域的波导高度相对较高;波导强度季节和时次变化特征显著,强度值集中在10以下;波导梯度值普遍超过-60/km,阿拉伯海地区在春季受携带沙尘的季风影响,出现-120/km的最小梯度值。因此,COSMIC掩星折射率数据能较好地反映海上悬空波导的时空分布特征。     

The ray-tracing mapping operator in an asymmetric atmosphere

In a spherically symmetric atmosphere, the refractive index profile is retrieved from bending angle measurements through Abel integral transform. As horizontal refractivity inhomogeneity becomes significant in the moist low atmosphere, the error in refractivity profile obtained from Abel inversion reaches about 10%. One way to avoid this error is to directly assimilate bending angle profile into numerical weather models. This paper discusses the 2D ray-tracing mapping operator for bending angle in an asymmetric atmosphere. Through simulating computations, the retrieval error of the refractivity in horizontal inhomogeneity is assessed. The step length of 4 rank Runge- Kutta method is also tested.     

结合激光雷达评估常规探空资料反演青藏高原混合层高度的适用性

利用微脉冲激光雷达探测资料,采用梯度法获取那曲地区夏季的混合层高度序列及日最大混合层高度;利用每日两次(08:00和20:00)的探空资料结合地面最大位温,采用气块法得到雷达探测对应日期的日最大混合层高度(MMH)。通过对比从不同资料得到的MMH,发现08:00探空反演结果与激光雷达结果有较好的一致性(相关系数R为0.85,均方根误差RMSE为0.30 km,平均绝对误差MAE为0.25 km,并通过显著性水平为0.95的t检验);20:00探空反演结果则与激光雷达结果偏差相对较大(R为0.84,RMSE为0.67 km,MAE为0.54 km,未通过t检验)。分析产生偏差的原因发现,探空时刻的残余层、前期的天气变化过程以及对流泡活动或强卷夹过程引起的混合层高度时空变化等都可能是导致20:00高度结果与激光雷达结果不一致的原因,使得20:00探空资料不适合进行最大混合高度的反演。位温廓线的日变化特征也会影响反演结果的准确性,导致08:00探空结果偏高,但可以通过统计订正做修正。     

基于高分六号卫星遥感影像的太湖叶绿素a质量浓度反演

针对太湖叶绿素a浓度反演大多采用低中分辨率遥感数据,缺少基于高分辨率遥感数据研究的现状,采用高分六号卫星遥感影像,运用波段比值模型、归一化差异叶绿素指数（NDCI）模型和三波段模型定量反演了太湖蓝藻的叶绿素a质量浓度,并采用2018年10月28日、2019年4月6日和2019年6月3日的高分六号卫星遥感影像对3种模型的反演精度进行了验证。结果表明,采用NDCI模型的平均相对误差、均方根误差和平均绝对误差最小,NDCI模型具有更好的精度和稳定性,更适合高分六号卫星遥感影像在太湖叶绿素a质量浓度反演方面的应用。     

雷达海杂波反演大气折射率剖面试验分析

讨论了基于5参数法的大气折射率剖面反演技术,利用雷达海杂波携带的传播路径上的环境信息反演大气折射率剖面．通过在我国部分海区试验情况,以某天同时存在表面波导和蒸发波导为例进行验证．试验结果表明：反演值与实际测量值在有效范围内,验证了5参数法反演大气折射率剖面技术在我国海区的适应性．此方法克服了海上条件下大气折射率剖面难于测量的困难,具有实时、方便、易行的特点．     

广义延拓法在似大地水准面模型精化中的应用

为了确定广义延拓法在似大地水准面模型精化中的精度,采用理论分析与实验的方法,研究了GPS技术所获得的大地高数据和水准测量获得的正常高数据之间的关系,推导了广义延拓法的数学模型,用铁法矿区的实验数据,验证了广义延拓法的拟合结果。研究结果表明:其精度和计算时间均优于精度较高的有限元法,在不引入其他数据的情况下,在丘陵地区可以达到四等水准的精度要求。该成果对似大地水准面精化具有一定的参考价值和指导意义。     

辽东湾北部碱蓬群落及滩涂土壤盐分遥感反演模型

土壤盐分是评价土壤质量的重要指标，也是影响辽河口滨海湿地盐地碱蓬生长的主要环境因素之一，提出一种实时、准确、大尺度监测碱蓬群落及周围滩涂土壤盐分的算法十分必要.为了减少大气对模型的影响，该文利用地面高光谱数据模拟Landsat 8 OLI卫星反射率，采用基于交叉验证的逐步回归分析方法构建土壤盐分反演模型.结果表明：1) 碱蓬样本的土壤盐分明显低于裸滩，海南三区域土壤盐分在总体上低于鸳鸯沟和笔架岭区域，而植株高度和生物量普遍均高于鸳鸯沟和笔架岭区域，在一定程度上说明了土壤盐分对盐地碱蓬生长的影响；2) 模拟卫星反射率构建的多光谱指数与土壤盐分的相关性相较于单波段在整体上有所提高，其中植被指数NDVI和RVI与土壤盐分的相关性较高，相关系数达到了－0.689和－0.683；3) 利用基于交叉验证的逐步回归分析法构建土壤盐分反演模型，模型的自变量为RVI、SAVI和SI3，模型的建模集决定系数R2为0.684，均方根误差(RMSE)为3.45，验证集RMSE为1.88，相对分析误差(RPD)为2.28，表明模型的反演精度和反演能力较好；为了进一步验证模型的精度，对比分析基于逐步回归分析法筛选的指数因子构建的多元线性回归反演模型，发现交叉验证的逐步回归模型的R2、RMSE均优于多元线性回归反演模型，同时土壤盐分反演值和实测值散点图更接近1∶1线，为辽东湾北部碱蓬群落及裸滩土壤盐分因子的反演提供技术及数据支持.