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GPS掩星观测的变分同化技术

刘敏  
【摘要】:常规的大气探测手段的时空分辨率限制了我们对于地球大气的时变特性和空间分布的深入认识。GPS/LEO掩星技术以其全球覆盖、高精度、高垂直分辨力、长期稳定、低费用、全天候观测等特点,提供了一种新的大气探测技术。该技术对将来的中性大气和电离层的探测具有广阔的应用前景,对我国的数值天气预报和气候的研究具有十分重要的价值。 本文围绕无线电掩星反演地球大气的原理以及变分同化方法的运用,讨论了该技术在数值预报方面的应用,主要工作如下: 1、简单地介绍了地球大气以及无线电掩星观测的意义、历史和发展。讲述了无线电掩星观测技术的发展现状,以及开展GPS气象学的科学意义和在国防建设、国民经济中的应用价值。 2、详细描述了无线电掩星的基本技术原理。以COSMIC计划为例,介绍了掩星观测系统(包括GPS卫星和LEO卫星),观测资料的数据处理流程(包括数据采集、精密定轨、校正处理和反演处理)以及掩星观测的特点。 3、介绍了无线电波在中性大气中传播的基本理论(正演)和有关大气折射的基本知识,然后介绍GPS掩星反演地球大气的基本理论,以及球对称假设下的中性大气标准反演法及其计算流程,并且给出了反演实例。对于电离层反演,也作了简单介绍。 4、为了克服标准算法中存在模糊度的缺陷,进一步提高反演精度,引入了变分同化方法。介绍了数据同化的历史与发展,以及各种同化方法的理论基础以及它们各自的优缺点。对一维变分同化反演技术作了详细的介绍,介绍了各种一维变分同化中同化因子的算法,还列举了两种常用的求解价值函数极小值的方法:牛顿迭代法和Levenberg-Marquardt方法。详细比较了用各种不同的同化因子时的优缺点,对于目前气象预报中最常用的四维变分(4DVAR)同化技术也做了简单介绍。 5、以CHAMP掩星观测为实例,说明了GPS数据在数值预报中的作用。并且我们用对称模式下的一维弯曲角算子和折射率算子来同化反演结果,证明了变分同化方法对于反演结果的改进。


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