无线电掩星反演大气温度的电离层影响

史永鹏,郑南山,2,刘亚彬

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院,徐州 221000;2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室,徐州 221000)



无线电掩星反演大气温度的电离层影响

史永鹏1,郑南山1,2,刘亚彬1

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院,徐州 221000;2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室,徐州 221000)

利用掩星的附加相位延迟数据,对标准的几何光学大气反演算法进行了研究。探究电离层的电子密度对温度反演的影响,按照标准的几何光学反演算法得到的干温度与无线电探空仪数据的平均相对误差小于5%。将经过两种方法电离层修正后反演得到的温度与CDAAC的数据进行了对比,实验证明电离层残差对温度反演的影响随着高度的增加而增大,在25 km以上是造成温度反演误差的主要因素,弯曲角电离层修正法要优于相位电离层修正法。

无线电掩星;温度反演;无线电探空仪;电离层修正;弯曲角修正法

0　引　言

基于GNSS的无线电掩星大气探测技术已经广泛用于天气预报和气候研究,也称之为空基GNSS气象学,这种技术具有覆盖面大、分辨率高等优点[1-3]。陆续建立的可用于掩星观测的卫星系统有CHAMP,SAC-C,GRACE,COSMIC等。成功反演出了各类气象要素廓线,与欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)和美国国家环境预报中心(NCEP)的气象数据符合较好。与其他观测设备,如探空仪、激光雷达、垂测仪的探测结果比较也能达到较高精度:掩星反演得到的大气温度数据在上对流层和下平流层区域平均误差小于0.5 K;电离层峰值电子密度平均相对偏差约为1%[4-9].

掩星探测技术利用大气引起的信号延迟,通过一系列关系式,反演出折射率、温度、压强等气象参数,为了获得高精度的地球中性层大气参数,反演过程中需要消除电离层的影响。利用三维射线追踪法模拟得知,电离层残差对平流层顶部和中间层底部的大气温度反演影响明显,模拟研究表明:在30～60 km高度范围,温度数据的平均误差将达到1 K[5].探究大气参数反演时的电离层影响,改进电离层修正方法,对进一步提高掩星大气探测的精度至关重要。本文采用标准几何光学算法对附加相位延迟数据进行处理,结合无线电探空仪的实测数据,比较不同电离层电子密度情况下大气温度反演的精度,对比两种电离层修正方法的优劣。

1　掩星探测大气的电离层修正

掩星系统利用安装在低轨道的接收机接收穿过大气层的卫星信号,传播过程中电离层和中性大气层对信号产生折射,信号的传播路径会发生弯曲并产生相位延迟,随着接收机和卫星相对位置的变化,一次掩星时间能完成对大气层一次自上而下或自下而上的扫描。标准算法反演大气参数首先要获得由于折射引起的附加相位延迟,即信号经过的光学路径长度Lk与卫星和接收机的几何距离之差。经过电离层修正后得到仅由中性层大气引起的附加相位延迟,根据附加相位延迟可以导出信号的弯曲角度廓线,弯曲角度廓线通过Abel转换可以得到中性大气层的折射指数廓线。中性大气层的折射率是温度、压强、湿度等气象参数的函数,一般为

(1)

式中: N为折射率; n为折射指数; T为温度; P为压强; PW为水蒸气压力。

而电离层折射率和电离层电子密度密切相关,一般用Appelton-Hartree公式表达:

(2)

式中: C和K都为常数; Bpar为地磁感应强度在载波传播方向的绝对值。fK中的K=1.2,代表两个频率的载波(f1=1 575.42MHz, f2=1 227.60MHz).在掩星数据的处理中,一般忽略了高阶项的影响,进行一阶电离层修正。

低轨卫星接收机接收到的信号穿过大气层时,主要受中性大气层和电离层的影响,二者对信号的折射导致载波相位延迟,因此,载波的光学路径长度LK(K=1,2)可表示为

(3)

积分沿着射线路径SK,包含了电离层和中性大气层的影响,大气探测的目的是为了获得中性大气层的附加相位延迟和弯曲角,并进一步反演出大气参数,所以需要消除电离层的影响。

1) 相位修正法

由于电离层对载波的色散效应,电磁波的传播速度会与频率有关,传播路径也会发生弯曲。假设沿相同路径传播,则可以将两个载波的相位延迟L1和L2按照如下公式组合进行电离层修正,得到修正后附加相位延迟:

(4)

导航定位常用类似的双频观测进行电离层修正。但前提是假设传播路径相同,通过下面的实验可以发现,在掩星观测中,这种传播路径的差异是不可忽略的。因此修正后仍有电离层残余误差。

2) 弯曲角修正法

弯曲角修正法首先要根据两个频率载波的附加相位延迟求得各自的弯曲角度廓线,将两个信号的弯曲角度廓线进行内插,然后对弯曲角进行线性组合,可以得到修正后的弯曲角,即弯曲角修正法:

(5)

式中，α为碰撞高度,即折射中心至入射(或出射)信号渐近线的垂直距离。弯曲角组合法将弯曲角内插到同一碰撞高度,可以减小两个信号传播路径不同造成的影响。

2　实验及结果分析

实验采用的掩星数据从NASA和CDAAC数据中心获得,数据可分为四级,L0为原始的观测数据,L1A为附加相位延迟数据以及卫星轨道数据,LIB为数据中心提供的多普勒频移和弯曲角,L2包含大气的折射率廓线、温度廓线、气压廓线以及电离层密度廓线等产品。实验2.1主要采用COSMIC的L2级数据,实验2.2主要采用GRACE的L1A的附加相位数据。

2.1反演温度和探空数据对比

为比较电离层对大气参数反演的影响,选取了三次掩星事件(用事件①、事件②、事件③表示),将反演出的干温度与无线电探空仪的数据进行比较。三次掩星事件分别对应的电离层电子密度廓线如图1(a)所示,三次掩星事件所对应的经度相近,电离层电子密度有明显差异,电子密度依次增大。电离层的电子密度与时间、纬度、季节等因素有关,一般低纬地区要高于高纬地区,白天要高于晚上,并与太阳活动密切相关,变化较为复杂,这里不做详细讨论。

三次掩星事件反演出的干温度和相应位置的无线电探空仪的数据对比如图1(b),图1(c),图1(d)所示。通过对比,可以发现:反演出的干温度廓线在5～15 km和无线电探空仪的实测数据较为符合,在接近地面的低对流层,由于干反演温度没有考虑水汽影响,采用标准反演算法得到,所以在接近地面的高度误差较大,但相比无线电探空仪,掩星反演得到的结果可以探测到的高度更高,分辨率更高。CDAAC提供的掩星数据是经过电离层修正的,去除了大部分的电离层影响。

图1　廓线对比 (a)对应事件①②③三种电子密度; (b)对应事件①的干温度； (c)对应事件②的干温度； (d)对应事件③的干温度

表1示出了三次掩星事件对应的时间、位置和5 km以上高度温度相对于探空仪数据的相对误差。可以得出在不同电离层电子密度大小的情况下,温度的平均相对误差在5%以内。在掩星事件③所对应的电离层电子密度比较大的情况下,温度的平均相对误差比较大。从图1的三次温度对比结果可以看出,随着高度的增加,反演出的温度与无线电探空仪的差异会变大,这是由于随着高度增加受电离层影响增大造成的。实验2.2中进行详细讨论。

表1　掩星事件表

2.2电离层修正方法的比较

实验采用GRACE的附加相位数据和卫星轨道数据,利用附加多普勒频移和掩星几何关系可以得出信号的弯曲角。在利用弯曲角和Abel转换得出折射率并进一步反演气象参数之前,需要进行电离层修正来消除电离层的影响。

按照式(4)和式(5)进行两种方法的电离层修正:载波相位修正根据公式(4)对L1和L2的附加相位延迟进行线性组合得到修正后的附加相位延迟,推导出的中性层弯曲角度廓线,如图2中的黑色实线所示;弯曲角修正方法需要分别求得L1和L2的弯曲角,将弯曲角内插到相同碰撞高度,然后根据式(5)进行线性组合,得到中性层的弯曲角度廓线,如图2中的点状线条所示。为了便于观测弯曲角度廓线的差异,图2中,选取了高度为25 km以上部分,由于弯曲角变化范围较大,横坐标采用对数坐标。30 km以上,两种修正方法修正后的弯曲角度廓线和利用单一频率载波L1和L2得到的弯曲角度廓线差异明显,所以进行电离层修正以获得更加准确的中性层弯曲角度廓线是极其必要的。

图2　弯曲角度廓线

从弯曲角的变化可以得知,由于大气密度随高度的增加而降低,所以高度越低折射越大,弯曲角也越大。弯曲角的量级随高度的增加是指数下降的,每20 km的弯曲角度要相差一个数量级,所以随着高度的增加,电离层残余误差对弯曲角度的影响会变得更加明显。

随着高度增加,L1和L2载波的弯曲角度差异增大,在25 km以上高度的弯曲角度廓线的差异尤为明显,所以会造成传播路径不同,所以直接假设传播路径相同的相位修正法的电离层残差较大。

根据两种电离层修正方法得到的弯曲角度廓线,按相同的气体定律反演出温度廓线如图3所示。图3中的线条包括了采用相位修正法和弯曲角修正法修正后的弯曲角度廓线反演得到的温度廓线,反演温度时都忽略了水蒸气的影响,以及CDAAC提供的湿温度廓线。湿温度廓线是CDAAC以ECMWF或NCEP提供的全球或局地的精确大气参数分布为背景场,以折射率廓线作为观测值,采用大气一维或三维变分(3D-VAR)同化方法得到的。实践表明,与传统的标准反演算法相比,这种观测资料和短期预报结果统计结合的数值预报方法结果更加合理[10]。

图3　温度廓线

将反演得到温度廓线进行统计验证,以CDAAC提供的湿反演温度为基准求得两种修正方法的相对偏差如图4所示。因为实验采用的是几何光学方法,在低对流层偏差较大,因此取高度范围12～30 km的温度,由于数据层数不同,所以首先将CDAAC提供的湿反演温度和两种电离层修正方法反演得到的温度内插到0.2 km间隔的高度网格上,再进行比较。

图4　两种电离层修正方法反演温度的相对偏差

通过实验结果得出如下结论:25 km以上的温度反演结果和数据中心提供的数据偏差较大,这是因为随着高度增加,中性弯曲角变得非常小,测量噪声和残余电离层误差的影响会更加明显,电离层的影响也会随着高度的增加而增大。

相位修正法和弯曲角修正法都可以进行电离层修正。在12～30 km范围内与湿温度廓线的相对误差都低于3%.相比而言,从图4可以看出,随着高度增加,弯曲角修正方法比相位修正方法的相对误差更小。

两种修正方法都没有考虑电离层高阶项的影响,但是弯曲角电离层修正由于将弯曲角内插到同一碰撞高度进行组合,可以减小载波传播路径差异的影响,尤其是在电离层电子密度比较大时,传播路径的差异是不可忽略的,所以弯曲角修正法效果更好,是目前掩星反演中较好的电离层修正方法。

通过和湿反演温度廓线的比较,可以发现在低对流层,水蒸气的影响是不可忽略的。掩星的几何光学标准算法由于忽略中低层大气中的水汽的影响使低对流层反演的温度存在较大误差,反演出的温度要低于湿反演温度。

3　结束语

以上实验按照标准反演方法得到了较好的温度廓线,通过实测数据分析了电离层对掩星反演大气温度的影响,从弯曲角、温度方面分析对比了相位电离层修正法和弯曲角电离层修正法。

1) 电离层残差对掩星温度反演的精度有较大影响,干反演温度与探空仪数据的平均相对误差可以达到4.8%.电离层引起的误差会随着高度增加而增大。

2) 相位修正法虽然可以用于电离层修正,但电离层对信号具有色散效应,在掩星观测这种低仰角情况下,电波传播路径的差别是不可忽略的,所以掩星观测的相位电离层修正方法残差较大。

3) 弯曲角修正法相比相位组合法,两个载波的传播路径更加接近,修正效果更好,但残余误差中仍有电离层高阶项的影响。更好的电离层修正方法有待进一步研究。

为了获得更高精度的大气参数廓线,需要进一步研究的问题有:由于一定高度以上弯曲角量级非常小,噪声的影响增大,所以需要进行大气弯曲角统计优化;在低对流层区域,为了避免多路径效应的影响,可以使用正则变换法和全谱反演法进行反演。随着数据反演和同化方法的不断改进,GLONASS,Galileo,BeiDou等GNSS系统的完善,以掩星技术为基础的空基GNSS气象学有着广阔的应用前景。

致谢:感谢NASA和CDAAC的数据支持。

[1] 邹晓蕾. GPS无线电掩星资料特点[J]. 气象科技进展,2012(5):49-54.

[2] 郭鹏. 无线电掩星技术与CHAMP掩星资料反演[D].上海: 中国科学院研究生院(上海天文台),2006.

[3] 曾桢. 地球大气无线电掩星观测技术研究[D]. 武汉:中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所),2006.

[4] 彭冲,张祖强. 上对流层/下平流层GPS掩星资料与我国探空温度对比[J]. 气象,2012,(9):1033-1041.

[5] 柳聪亮. GNSS掩星大气参数反演中电离层残差模拟研究[D]. 中国矿业大学,2014.

[6] 杜晓勇,毛节泰. GPS-LEO掩星探测现状和展望[J]. 高原气象,2008(4):919-926.

[7] 徐晓华,罗佳. GPS掩星与探空观测统计比较中配对标准的比较研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2009,(11):1332-1335.

[8] 宫晓艳. 大气无线电GNSS掩星探测技术研究[D].北京: 中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心),2010.

[9] 吴小成. 电离层无线电掩星技术研究[D]. 北京:中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心),2010.

[10]徐晓华. 利用GNSS无线电掩星技术探测地球大气的研究[D]. 武汉:武汉大学,2006.

The Influences of Ionosphere on the Radio Occultation Temperature Inversion

SHI Yongpeng1,ZHENG Nanshan1,2,LIU Yabin1

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221000,China; 2.NASGKeyLaboratoryofLandEnvironmentandDisasterMonitoring,Xuzhou221000,China)

This paper uses the excess phase delay data of occultation to make some research on the standard geometric optic algorithm of atmospheric inversion. It explores the influences of electron density on the temperature inversion. The average relative error between dry temperature which used the standard geometric optic algorithm and radiosonde data is less than 5%.Comparing the inversion temperature after the calibration of two ionosphere calibration methods with the CDAAC’s data, the result shows that the influence of the ionosphere on the temperature inversion increases with the increase of the height.Above 25km,it is the main factor which causes the temperature inversion errors.The bending angle calibration method is better than the phase calibration method.

Radio occultation; temperature inversion; radiosonde; ionosphere calibration; bending angle calibration method

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.001

2016-05-23

国家自然科学基金(批准号:51174206); 江苏高校优势学科建设工程 (编号:SZBF2011-6-B35)

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0001-05

史永鹏(1991-),男,硕士生,研究方向为GNSS气象学。

郑南山(1974-),男,博士,教授,研究方向为GNSS及其信号反演、环境灾害遥感与风险评价等。

刘亚彬(1991-),男,硕士生,研究方向为测量数据处理。

联系人： 史永鹏 E-mail: 843042180@qq.com