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GPS掩星反演廓线质量分析及大气边界层高度反演研究

王耀兴  
【摘要】:传统大气探测系统易受外界因素影响,且在高原、海洋、极地等特殊地区探测数据十分匮乏。而GPS无线电掩星技术作为一种新兴的地球大气探测手段,具有全天候观测、自校正探测精度高、花费较低廉、长期稳定、垂直分辨率高和全球覆盖等优点,对数值天气高精度预报和空间气候变化研究有重要意义。为验证掩星技术科学性,本文详细阐述了GPS无线电掩星技术的探测原理、误差来源和反演算法,利用国家卫星气象中心和CDAAC(COSMIC Data Analysis and Archival Center)提供的掩星廓线资料,与美国国家气候数据中心提供的IGRA2全球站点探空数据集进行时空匹配,对不同类型、不同纬度带、不同季节掩星廓线资料展开质量分析。经验证掩星技术科学性后,利用我国风云三号C(FY3C)掩星折射率廓线资料,对全球边界层高度时间变化特征和空间分布特征进行了深入探讨。本文主要研究内容和结论具体如下:(1)比对分析同时期不同掩星计划探测资料误差特性。结果表明:COSMIC、KOMPAST5、MetOp-A、MetOp-B、PAZ和TSX掩星偏差均值差异不大,且统计量F=0.98570.05,可拒绝原假设,即不同掩星数据偏差无显著性差异,GPS掩星反演廓线资料探测精度不受掩星任务影响。此外,无论是哪类掩星计划,其湿温廓线数据温度偏差均为负值,总平均偏差在-0.1~-0.5 K间变化,掩星数据相对于IGRA无线电探空站资料存在绝对值小于0.4 K的负偏差,即掩星技术探测资料和传统探空站点探测精度相当;(2)比对纬度带变化、季节更替对COSMIC掩星反演廓线质量的影响。结果表明:季节变化因素对应的统计量F=0.99960.05,表明季节变化与温度平均偏差无显著性差异,即COSMIC湿温廓线数据质量不受季节因素变化影响;纬度带变化因素的统计量F=0.02440.05,表明纬度带变化因素与温度平均偏差有显著性差异,即COSMIC湿温廓线数据质量受纬度带因素变化影响。特别地,温度平均偏差峰值位于热带地区,南半球南寒带次之,这主要是由EQU和SHH地区水汽丰富影响引起的。但是,全球范围内温度平均偏差为-0.1628 K,总体低于0.2 K,COSMIC掩星反演的湿温廓线质量和探空精度相当;(3)分析不同匹配准则对GPS掩星反演廓线质量的影响。结果表明:由于观测时间差变化因素统计量F=0.4120.05和空间距离差变化因素统计量F=0.9740.05,均可接受原假设,表明匹配准则变化与GPS掩星数据均值偏差无显著性差异,即GPS无线电掩星折射率廓线质量不受匹配准则变化影响。此外,全球范围内FY3C温度平均偏差不超过在0.15 K,折射率平均偏差低于1%,比湿廓线平均偏差小于0.1 g/kg,全球范围内FY3C掩星数据精度和IGRA探空站资料具有一致性,即GPS掩星反演廓线质量和传统探空精度相当;(4)鉴于掩星技术的科学性,利用我国FY3C掩星数据对全球边界层高度时间变化和空间分布特征进行了深入探讨。结果表明:全球范围内平均边界层高度主要集中在地表至2 km高度处,粗略估算大约占全部样本数的70%,2 km以下各边界层高度统计频率均超过了5%。从空间分布特征方面看,海洋地区平均边界层高度明显小于陆地地区。我国平均边界层高度分布存在两个峰值覆盖区域,分别地处东南沿海和青藏高原地区,相较于周边其他区域明显较高。从时间变化特征方面看,随着月份递增,南北半球大气平均边界层高度均呈现“两个波峰,一个波谷”的变化趋势。本文有图32幅,表19个,参考文献84篇


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