当前的电离层气候学研究

将电离层形态研究与对流层气候学研究加以对比, 分析了它们之间的异同, 从正常和异常电离层行为的角度指出了电离层气候学研究的主要特点, 逐项讨论了决定这些特点的重要因素, 在对当前的研究现状简要评述的基础上, 提出了几个重要而未解决的问题, 并对进一步深入研究的途径和方向做了讨论.

电离层全球电子总含量的气候学特性分析与经验模式构建

利用120°E子午线上的GPSTEC数据,计算了1996～2004年间的等效电离层全球电子总含量(GEC).应用偏相关方法分析了GEC与太阳活动指数F10.7,以年为基频的季节因子之间的相关性,发现GEC与F10.7,年变化和半年变化因子之间均存在较强的相关性.据此,构建了一个由太阳活动指数和季节因子共同驱动的GEC经验模式,并考察了太阳活动指数的修正对建模效果的影响.结果表明GEC的变化主要由太阳活动周变化,年变化和半年变化3种分量构成,其中太阳活动周变化由太阳活动指数控制,其变化幅度最大;年变化与半年变化的幅度也受太阳活动指数调制,半年变化的幅度略大于年变化幅度.此外,经过对比分析,文中构建的GEC经验模型优于Afraimovich等人提出的GEC经验模型.

COSMIC-2近实时廓线反演对流层延迟及其质量分析

为了进一步提高全球大气探测和极端天气预报的精度,提出一种气象、电离层与气候星座观测系统2代(COSMIC-2)近实时廓线反演对流层延迟方法:指出随着气象、电离层与气候星座观测系统2代(COSMIC-2)掩星探测深度的加深,通过掩星手段为地表全球卫星导航系统(GNSS)观测站提供近实时先验天顶对流层延迟(ZTD)产品成为可能;采用COSMIC-2掩星Level 2近实时产品wetPf2大气湿度廓线获取掩星ZTD,并以欧洲中期数值天气预报中心第五代再分析资料(ERA5)作为参考,分高程、纬度、季节评估其反演精度。结果表明,COSMIC-2掩星反演天顶对流层延迟ZTD整体精度较高,10 km高程以下全球定位系统(GPS)信号反演ZTD精度较格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)信号更优;掩星反演ZTD精度随高程增加而提升,在0~1 km高程范围内精度最低,均方根(RMS)分别为11.33 mm(GPS)、11.54 mm(GLONASS);中低纬度区域(25°N—35°N)反演ZTD精度低于低纬(15°N—25°N)和中纬(35°N—45°N)区域,其中中纬区域精度最高,RMS分别为4.74 mm(GPS)、4.70 mm(GLONASS);掩星反演ZTD精度同样受季节影响,GPS/格洛纳斯全球卫星导航系统(GLONASS)双模信号均在夏季反演精度最差,冬季反演精度最高,冬季RMS分别为4.15 mm(GPS)、4.18 mm(GLONASS)。

星基GNSS掩星事件预报方法分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)星基掩星观测时长通常仅有几十秒,特别是在升星掩星观测中,需要快速实现负高度角卫星信号的捕获跟踪,才能获得及时有效的掩星观测时长的问题,基于先验轨道信息辅助的开环跟踪技术,提出一种基于切线高度的掩星事件快速预报方法,以辅助掩星接收机快速捕获和跟踪GNSS掩星信号,从而保证掩星观测数据质量和有效观测时长:对地球局部曲率中心进行修正,得到更为精准的切线高度;然后设置掩星事件的判决条件,采用极值的方式快速预报出符合阈值的掩星事件;最后对全球内曲率中心和曲率半径进行分析。实验结果表明,曲率中心的修正距离最大值可至45 km,曲率半径波动范围可达到65 km,足以影响掩星探测的准确预报。基于气象、电离层和气候星座观测系统(COSMIC-2)实测数据的仿真结果表明,掩星预报的全球定位系统(GPS)掩星漏报率低于3%,格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)掩星漏报率约14.5%,且预报掩星开始时间大多提前5~10 s;证明基于切线高度的掩星预报方法能够有效地应用于星基掩星事件的预报,以辅助接收机准确捕获和跟踪信号,提升掩星观测资料的数据量和有效观测时长。

用比湿数据及独立成分分析研究ENSO在对流层上层的响应

基于2006—2016年气象、电离层与气候卫星观测系统(COSMIC)提供的level 2‘wetPrf’比湿数据集,首次提出了独立成分分析(ICA)联合低通滤波的方法提取对流层上层的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)信号。结合现有的气象学研究与传统方法主成分分析(PCA)的结果,分析了ENSO信号在对流层上层的响应。结果表明:ICA提取的ENSO信号具有更高的可靠性、有效性和可解释性,且得到了现有气象研究很好的支撑。该方法很好地分离出具有不同区域特征的源信号,凸显了这种基于信息理论的方法在ENSO信号提取方面的潜力。

基于RT-PPP的低轨卫星实时高精度时间同步方法

实现低轨导航增强的关键前提是实现低轨星座的整网时间同步,本文针对低轨导航增强系统,提出了一种基于实时精密单点定位(RT-PPP)的低轨卫星高精度时间同步方法,以解决低轨星座实时高精度时间同步的问题.本文分析了在处理过程中存在的各类误差,介绍了低轨卫星采用状态空间(SSR)改正信息通过精密单点定位(PPP)实现实时高精度时间同步方法的处理流程,将此方法应用于气象、电离层与气候星座观测系统(COSMIC)卫星实测数据的处理,并将该方法与采用广播星历伪距的方法以及事后精密星历的方法进行了比较分析.结果表明:采用SSR改正信息PPP的方式对2颗COSMIC卫星进行GPS双频观测值的解算,得到的轨道误差的标准差在分米级,钟差误差标准差分别在2.4 ns和2.3 ns左右,可以达到纳秒级.通过对不同方法解算的结果进行比较可以看出,采用SSR改正信息PPP的方法明显优于采用广播星历伪距方法的解算精度,且与事后精密星历PPP的方法解算精度相当.

COSMIC掩星反演的水汽廓线质量分析

利用2006—2012年北半球冬季低纬度地区(30°S^30°N)无线电探空站数据及全球大气成分和气候监测再分析数据对1000 h Pa^200 h Pa高度层的气象、电离层与气候星座观测系统全球定位系统掩星反演的比湿廓线进行了精度和可靠性验证。结果表明,水汽对气象、电离层与气候星座观测系统掩星反演影响较大,尤其在中、低对流层及热带地区等水汽含量比较大的地区,且气象、电离层与气候星座观测系统掩星数据在850 hpa以下可能并不太适用于评估其他数据。

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。

利用第二类正则变换方法反演COSMIC掩星探测数据

为了验证第二类正则变换（CT2）方法反演折射率的精度,选取2007-2009年1月和7月的气象、电离层和气候观测系统星座（COSMIC）附加相位和振幅数据,利用CT2方法处理得到折射率,并与利用全谱反演（FSI）方法得到的COSMIC折射率数据、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）分析资料折射率进行对比。结果表明,CT2方法反演的折射率、COSMIC折射率以及ECMWF分析资料折射率的平均偏差在1~40km均不超过1%;在1~15km,CT2方法和FSI方法反演的折射率与ECMWF分析资料折射率的平均偏差均在1%以内;CT2方法与ECMWF分析资料折射率偏差的标准差小于FSI方法的。总的来说,CT2方法和FSI方法都具有很高的反演精度,但随着水汽含量的增加,CT2方法和FSI方法的反演精度会降低,并且CT2方法反演的不确定性小于FSI方法。