温度与气压反演结果的分析
2013-12-06曲建光
曲建光
(黑龙江工程学院 测绘工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050)
美国大学大气研究联合会(UCAR)1995年首次进行了无线电掩星试验,在GPS/MET实验中,利用低轨道地球卫星Microlab-1的掩星数据成功反演出了大气折射率、温度、气压及电子密度等气象要素,并通过气象部门数据的对比,证明利用GPS无线电掩星技术探测大气的可行性[1-3]。其后的CHAMP、GRACE卫星和COSMIC计划也取得了比较满意的掩星反演结果[4-5]。这些掩星计划的实施为今后的研究提供了丰富的GPS掩星数据。
温度和气压是掩星反演的重要气象要素,本文通过CHAMP数据反演结果的分析,讨论了温度和气压的反演问题。
1 温度与气压的反演
GPS信号穿过地球大气层到达GPS接收机,信号传播路线在大气传播过程中将产生弯曲和延迟。利用大气附加延迟可以解算出总折射角α和大气折射率N(h),进而反演温度和气压等大气参数。在温度反演过程中,由于积分不可能到无穷大,因此通常采用MSISE-90模型给出的在高度hU处的模型温度作为其上边界条件,即有
故有
式中:PU为高度hU处的气压,是气压的上边界条件;R为普适气体常数,其值为8314J/(kmol);M=28.964kg/kmol是干空气的平均分子质量;ρ(hU)为高度hU处大气密度。当h≤hU时,有[6]
式中:P(hi)为高度hi处的总的大气压(hPa);T(hi)为高度hi处的绝对温度(K);ρ(hi)为高度hi处大气密度;g0(hi)=g0(rE/(rE+hi))2;g0=9.807m/s2,为地面上的重力加速度。如果顾及到g(h)在积分范围内变化情况,则有
2 温度和气压反演结果的分析
本文在对CHAMP Level2数据进行了坐标转换后,采用几何光学反演的方法反演出不同上边界的大气折射率、大气密度、大气温度和气压的廓线。为了便于分析和比较,下面只对不同上边界的大气温度和气压的反演结果进行分析和验证。由于GFZ公布的结果是经过气象资料验证的,精度可靠,因此可以作为比较的基准值。
图1和图2是上界高度取为60km时利用2001-05-27 1号CHAMP掩星数据反演的温度和气压阔线、GFZ网上公布的温度和气压阔线以及相应的差值图。从图1中可以看出总体上反演的温度要小于GFZ公布的温度(GFZ经过验证的结果一般在30km以下),但在35km以下反掩的温度阔线与GFZ的温度阔线偏差很小,大约在2K以内,在35km以上偏差逐渐变大,波动也很大,偏差最大接近了30K,造成这种差值的主要原因是GFZ采用的大气模型数据与本文采用的大气模型MSISE-90数据有一定的差别,造成温度积分的上边界不同(相差约4K)所引起的。此外,地球扁率改正后的曲率半径略微有些不同,也会导致温度在高度上的不对应。由于气压的上边界与温度的上边界是对应的,因此,气压也会产生相应的变化,在15km以下气压偏差较大,最大约40hPa。
图1 hU=60km时,反演温度和GFZ公布数据对比
图2 hU=60km时,反演气压和GFZ公布数据对比
图3至图6表示的是上界高度取55km、50km、45km和40km时 利 用2001-05-27 1号CHAMP掩星数据反演的温度阔线、GFZ网上公布的温度阔线以及相应的差值图。从这些图中可以看出:温度反演的精度与上界高度有关,上界高度越高,偏差在2K以内的温度对应的高度也越高,即上界高度越高,反演的温度阔线和GFZ网上公布的温度阔线吻合的部分越多。造成这种情况的原因可能是大气模型MSISE-90的数据精度较低,影响到了反演温度的精度,上界高度越低,模型温度对掩星数据反演的影响也越大。
图3 hU=55km时,反演温度和GFZ公布数据对比
图4 hU=50km时,反演温度和GFZ公布数据对比
图6 hU=40km时,反演温度和GFZ公布数据对比
图5 hU=45km时,反演温度和GFZ公布数据对比
为了清楚地看出不同上界高度反演的温度廓线之间差别,图7给出不同上界高度反演的温度廓线的对比。对上述CHAMP掩星数据反演的温度通过数值进一步地分析,表1给出了不同上边界高度hU反演的温度廓线在不同高度处对应的温度。
图7 不同上界高度反演的温度廓线
表1 各种上边界高度反演的温度廓线在不同高度处对应的温度
从表1中可以看出,在10km和15km处不同的hU对温度影响不大,温度变化在0.7K以内,在20km处最大相差1.5K,25km处最大相差2.2K,30km处最大相差6.8K,而到了35km处最大差值达到了14.6K,40km处最大相差13.7K(不含hU=40km的温度值)。hU从40km到60km,反演的温度值在各个层面都是由小到大的变化。上边界高度的不同会得到不同的反演结果,因此,hU的选取将影响到大气参数的反演精度。本例为hU=60km时反演的结果最接近GFZ网上公布的温度。
3 结束语
本文除对上述掩星数据处理和分析外,还对GPS/MET和CHAMP多组掩星数据进行处理和分析,得到大致相同的结论:上边界高度值的大小对温度和气压反演精度有较大影响,上边界高度对20km以下温度反演结果影响非常小,但在20km以上对反演结果的影响逐渐变大,上界高度值越大,反演的温度阔线与GFZ、UCAR网上公布的温度阔线吻合得越好。原因可能是反演时所采用的大气模型MSISE-90的数据精度比较低,影响了温度和气压的反演精度,如果上界高度值取的越小,模型误差对温度和气压的反演精度影响就会越大。
采用统计优化方法能弱化模型误差对反演结果的影响,也即是削弱上边界hU的大小对反演结果的影响,但对CHAMP数据反演结果的优化效果不太明显,怎样更好地解决这一问题,有待进一步研究。
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