利用GPS掩星探測全球對流層頂結構變化的研究

《利用GPS掩星探測全球對流層頂結構變化的研究》是依託武漢大學，由徐曉華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：利用GPS掩星探測全球對流層頂結構變化的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐曉華
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

對流層頂狀態直接影響到大氣圈層的各種天氣現象和氣候演變。對全球對流層頂結構及其時空變化的研究對於我們了解穿越對流層頂的水汽、質量和化學物質交換及其對全球氣候和生態環境的影響有著重要意義。GPS掩星觀測數據具有高垂直解析度、全球分布、無需儀器校正及長期穩定等優點，是對流層頂觀測的理想資料。由GPS掩星溫度廓線出發確定對流層頂高度的傳統方法受到了由彎曲角廓線到溫度廓線反演過程中各種大氣假設的影響。本課題的重點就是通過數值模擬和實際計算，提出一種由GPS掩星彎曲角廓線出發研究對流層頂高度及結構的新方法，充分發揮掩星資料在地球大氣對流層頂研究中的潛力。在此基礎上，利用近十年來CHAMP、COSMIC等掩星任務的觀測資料對全球對流層頂的結構和時空分布進行分析，並給出相應的物理解釋。

結題摘要

對流層頂狀態直接影響到地球大氣圈層的各種天氣現象和氣候演變，GPS無線電掩星技術的發展為地球大氣對流層頂結構變化的研究提供了豐富的觀測資料。由掩星溫度廓線出發確定對流層頂高度的傳統研究手段可能導致相關結果受到各種溫度反演誤差的影響。本項目旨在提出直接由掩星彎曲角廓線出發確定對流層頂高度的方法，利用實測GPS掩星資料對近年來全球和局域對流層的結構和時空變化規律進行分析，並給出相應的物理解釋。項目實施過程中主要完成了如下工作：收集整理了近年來COSMIC和CHAMP等掩星任務的觀測數據、全球無線電探空數據及大氣模式資料。分不同緯度帶、季節和高度區間對GPS掩星大氣參數廓線的精度進行了驗證，為利用GPS掩星資料進行對流層頂結構提供了依據。探討了利用GPS掩星產品構建全球大氣折射指數模型可行性。對由GPS掩星溫度廓線出發確定CPT及LRT對流層頂高度的方法進行了研究，並聯合利用COSMIC和CHAMP的觀測資料對全球和中國區域的CPT及LRT對流層頂時空變化特性進行了分析討論。在對GPS掩星彎曲角廓線的特性進行分析的基礎上，提出了兩種由掩星彎曲角廓線出發確定對流層頂高度的方法，包括彎曲角梯度法和彎曲角自然對數協方差變化法，分別對這兩種方法的數學模型進行了深入研究並編制完成了相應的程式模組。基於大量實測掩星和探空資料對各種由GPS掩星廓線確定對流層頂高度的方法進行了比較，指出了彎曲角自然對數協方差變化法最為穩定有效。對全球和區域對流層頂結構及其時空變化的分析方法進行了深入研究。利用COSMIC任務近5年來的觀測資料，基於彎曲角自然對數協方差變化法確定每條掩星廓線對應的對流層頂高度、溫度與氣壓，在此基礎上分別採用不同方法對全球和中國區域對流層頂的時空變化進行了分析。並對各對流層頂參數的變化趨勢進行了討論，給出了相應的物理解釋。研究成果豐富了GPS掩星數據在對流層頂結構探測套用中的理論與方法，增進了對全球和區域對流層頂結構變化的認識。