应用气象学报  2009, 20 (5): 586-593   PDF    
引用本文
杜明斌, 杨引明, 丁金才. COSMIC反演精度和有关特性的检验[J]. 应用气象学报, 2009, 20(5): 586-593.
Du Ming bin, Yang Yinming, Ding Jincai. Evaluation for Retrieving Precision and Some Merits of COSMIC Data[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2009, 20(5): 586-593  
COSMIC反演精度和有关特性的检验
杜明斌, 杨引明, 丁金才     
上海市卫星遥感和测量应用中心, 上海 201100
2008-07-02 收到, 2009-06-25 收到修改稿.
资助项目: 中国气象局2007年气象新技术推广项目 (CMATG2007M16) 和科技部863计划 (2006AA12A107) 共同资助    
摘要: COSMIC是一个由6颗低轨卫星组成的用于天气、气候和电离层观测的空基GPS星座观测系统, 从2006年9月开始每天可提供覆盖全球的约2000~3000个掩星点, 掩星过程可提供从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料。为了有效利用这些资料, 以探空资料为基准, 对2007年1-10月我国及邻近区域的COSMIC掩星资料进行精度、可用性和全天候性的检验。结果表明: COSMIC反演的温度和折射率的精度很高, 水汽压的精度相对较差。与NCEP/NCAR再分析资料相比, 折射率和湿度廓线有更高精度。
关键词: 空基GPS气象学    COMIC掩星    飞机下投探空仪    
Evaluation for Retrieving Precision and Some Merits of COSMIC Data
Du Ming bin, Yang Yinming, Ding Jincai     
Shanghai Center of Satellite Remote Sensing and Application, Shanghai 201100
Abstract: The COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate) consists of six Low Earth Orbit (LEO) satellites. Based on the GPS signals observed by LEO in the occultation condition of the GPS satellites, the profiles of atmospheric temperature, pressure, humidity and ionosphere are retrieved. COSMIC provides these to about 2000 to 3000 GPS soundings globally every day since September 2006, and it can be the effective supplementary of regular radiosonde. COSMIC data is collected in the area of China and Northwest Pacific during the period of January to October in 2007.And the precision, applicability and characteristics of fitting all weather condition are evaluated by the error statistics based on radiosonde data. The results show that the accuracy of temperature profiles retrieved from COSMIC is excellent. The root-mean-square error (RMS) is less than 2 K and the relative error is less than 1%. The retrieved refractivity above 500 hPa level is very accurate, with the RM S less than 1, while under 500 hPa level the RMS increases from 1 to 10 near the ground. The precision of water vapor is high above 500 hPa level, but the RMS increases linearly from 0.2 hPa or less to 2 hPa near the ground under 500 hPa level. Meanwhile the error comparison between COSMIC data and NCEP (National Center of Environment Precipitation) reanalysis data shows that COSMIC data have higher accuracy than NC EP in vapor pressure and refractivity, for instance, the relative error of vapor pressure of COSMIC is 2%-5% less than NCEP data. Additionally two COSMIC occultation events in the clouds are studied to compare COSMIC data with the nearby radiosonde and airborne dropsonde observations. It' s validated that the profiles of the temperature, vapor pressure and refractivity of COSMIC data coincide well with the corresponding radiosonde profiles, so the COSMIC data are appropriate under all weather condition.
Key words: space-based GPS meteorology     COSMIC occultation     airborne dropsonde    
引 言

空基GPS气象学是20世纪90年代发展起来的探测大气要素垂直廓线的新技术。到目前为止, 已经历了理论研究、单颗试验和业务试验的3个阶段。由于它具有高垂直分辨率、高覆盖率、高精度、全天候和不需要定标等优点, 可有效弥补目前常规探空资料的不足, 具有广阔的应用前景。

1988年Melbourne等首先提出利用GPS掩星来探测地球大气[1]。1992年, Hardy等在理论上研究了用于低轨卫星星载GPS接收机与GPS卫星之间的掩星观测来反演大气参数的方法[2], 这项技术也称为无线电掩星探测方法 (radio occultation, 简称RO)。低轨卫星飞行的角速度较快, 一次掩星过程从60 km的大气层顶到地面只需要2 min就可完成, 可获得连续的大气折射率和其他要素的探空廓线[3-4]。1995年4月, UCAR (University Corporation for Atmospheric Research) 主持GPS/MET实验, 发射一颗低轨卫星 (Microlab-1), 每天可提供覆盖全球500个掩星点上的5~45 km高度范围内高分辨率的温度和水汽廓线。2000年后随着低轨卫星SAC-C (Scientific Application Satellite-C)和CHAMP(Challenging Minisatellite Payload) 等陆续发射成功, 掩星技术水平得到很大提高。方宗义等用探空资料检验了探空点300 km内的GPS/MET在干空气模式下反演的17个大气廓线, 得出气压结果比较理想, 但温度误差较大, 低于5~7 km的反演结果难以使用[5]。王鑫等[6]将SAC-C卫星和CHA MP卫星探测的温度廓线与匹配的无线电探空数据做了对比, 验证青藏高原地区掩星温度廓线的准确性。吴小成等研究得出2100 m以下山基G PS掩星折射率与探空折射率相对偏差的平均值为-2.0 % [7]。

COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate) 是1997年开始研究实施的空间科学实验项目, 计划发射6颗低轨卫星, 形成低轨卫星星座。COSMIC配备了专为掩星测量而设计的前后两个方向的高增益专用天线, 因此数据质量都好于以往单颗掩星计划。COSMIC预计每天可产生大约3000个掩星点, 这将有力增强目前全球大气观测系统, 极大地弥补了常规探空资料的不足, 尤其是增加了在海洋、两极、高原和沙漠等缺少探空观测地区的气象监测, 对改进天气预报、气候监测和空间天气研究具有积极的意义[8-11]。本文收集了COSMIC在2007年1-10月的大气廓线资料, 对我国及临近区域 (0°~60°N, 70°~160°E) 的COSMIC掩星资料反演精度以及相关特性进行检验, 分析其可用性和全天候性的特点。

1 资料介绍

2006年4月15日COSMIC的6颗LEO卫星成功升空, 2006年9月开始每天提供覆盖全球约2000个左右掩星事件的大气要素的廓线资料。COSM IC提供的资料产品有: ①原始GPS资料, 包括L1和L2波段的伪距观测、载波信号、卫星轨道以及GPS卫星钟差等; ②轨道定轨资料, 包括GPS卫星和LEO卫星的精密轨道和预报轨道参数; ③大气廓线资料; ④电离层电子总量和电离层廓线资料; ⑤微型电离层摄像机的原始TIP (tiny ionospheric photometer) 资料。其中大气廓线资料主要有4种, 如表 1所示。

表 1 空基COSMIC部分探空资料列表 Table 1 List of part data for COSMIC profiles

干模式大气廓线 (atmPrf) 是不考虑水汽的干模式反演的廓线资料, 包括温度、气压、折射率指数﹑弯曲角和碰撞系数。湿模式大气廓线 (wetPrf) 是考虑水汽的湿模式反演的廓线资料, 以atmPrf资料为基础, 利用AVN (NCEP Aviation) 等预报摸式的一维同化处理, 包括温度﹑气压﹑水汽压和折射率指数。再处理大气廓线 (bfrPrf) 的掩星廓线反演资料从atmPrf资料中取温度、气压和折射率指数, 从wetPrf资料提取水汽压, 它综合了atmPrf和wetPrf的结果, 但垂直分辨率相对比较低, 在数值模式中用处较大。从表 1中可见空基COSMIC卫星对大气的探测高度范围和垂直分辨率较探空资料有明显优势, 同时, COSMIC掩星探测最低高度在热带达到海拔1 km以下的有70 %, 而在高纬度地区达到海拔1 km以下的有90% [10-11]。

鉴于wetPrf资料反演时考虑到大气中水汽存在的实际情况, 并且垂直分辨率相对较高, 本文选取wetPrf资料进行COSMIC的资料精度估计。COSMIC资料是随机分布在全球的大气廓线探测结果, 常规无线电探空是目前世界统一的探测高空大气要素的规范方式, 有稳定的数据源, 分布也比较广, 可以用于对COSMIC反演结果的检验。在理想条件下和经过仔细订正后, 无线电探空是很精确的。无线电探空的一般精度, 气温为±0.5K, 气压为±1 hPa, 相对湿度为±5%。探空仪的上升高度一般可达30 km以上, 但在对流层和平流层, 气压和温度精度降低, 一般来说, 温度误差可从250 hPa的1 K增加到10 hPa的4 K[5]。

2 精度检验方法

以中国区域和西北太平洋地区 (0°~60 ° N, 70°~160 ° E) 的常规探空资料为检验基准, 同与之在时间和空间临近的COSM IC大气廓线资料比较, 通过统计相对误差、均方根误差、相对偏差和平均误差, 来检验COSM IC反演的大气廓线的精度[12]。参与比较的两个COSM IC掩星点和探空站资料要求观测时间相差小于1 h, 距离在110 km之内。无线电探空仪没有直接的折射率观测结果, 可用式 (1) 计算得到。通过条件筛选得到301个样本对。在探空资料中有大气压、大气温度、露点等, 可以计算出大气折射率指数随高度变化的分布, 计算方法表示如下:

(1)

式 (1) 中, N为某一高度层的大气折射率指数, 纲量为1。n为折射率, T为该层的大气温度, e为大气水汽压, p为大气气压, ne为电离层的电子密度, f为GPS信号载波频率。由于ne是小项, 实际计算中可忽略。

3 检验结果分析 3.1 误差的统计分析

图 1是对301个COSMIC掩星点和相应探空站的大气廓线对比分析结果。从图 1a相对误差的统计结果中可见位势高度、温度、折射率指数的相对误差都比较小。位势高度和温度的相对误差整层都维持在0. 5 %以下, 折射率指数在500 hPa以上相对误差小于0. 5 %, 500 hPa以下仍然小于1 %。水汽压的精度最差, 相对误差较大, 达到20 %~40 %。图 1b是各个要素的均方根误差, 位势高度在500 hPa以下的中低层具有较高精度, 均方根误差小于3 dagpm, 在500 hPa以上均方根误差很快增加到5 dagpm以上, 这和气压层高度值的增加有一定关系, 从相对误差上看精度仍然较高。温度均方根误差整层都维持在2 K之内, 且随高度基本不变, 显示了较高的稳定性和可用性。由于水汽压在500 hPa以上的中高层水汽压小于1. 5 hPa, 数值很小, 其均方根误差都小于0. 5 hPa。重点分析500 hPa以下的中低层水汽反演精度, 均方根误差随高度降低迅速增加, 在500 hPa高度处均方根误差为0. 2 hPa, 在近地层的925 hPa高度处增加到2 hPa。折射率指数在500 hPa以上的中高层反演精度很高, 均方根误差都小于0. 5, 在500 hPa以下的中低层均方根误差随高度降低而递增, 折射率指数均方根误差在500 hPa高度处小于1, 在近地层的925 hPa高度处增加到10。图 1c中相对偏差统计结果表明: COSMIC反演的位势高度略有偏高的倾向, 水汽压在850 hPa以下有偏低倾向, 在850 hPa以上有偏高倾向。折射率指数偏差值在500 hPa以上的中高层几乎为零, 在500 hPa以下的中低层也只有微弱的偏高倾向。

图 1. COSMIC掩星资料反演与无线电探空仪在各个气压层的探测结果比较 (a)相对误差, (b)均方根误差, (c)相对偏差, (d)平均误差 Fig 1. Comparison of COSMIC inversion with radiosonde in all the pressure layers (a) relative error, (b) root-mean-square error, (c) bias, (d) mean error

需要注意的是由于掩星事件的发生地点几乎是一个随机事件, 1 h间隔内的掩星点数量较少, 不足以内插到临近的探空点, 难以排除掩星点与无线电探空观测点在位置和时间上的差异。探空气球在上升的过程中随风飘移, 飘移可达几十千米至上百千米, 因此, 无线电探空仪观测的结果代表了观测点附近几十千米的一条廓线, 同时, 掩星切线点的经纬度随高度变化, 探测结果也代表了一定尺度水平方向上的平均值[13-14]。这样看来, 上述对COSM IC资料的精度检验误差结果中包括了比对点在位置和时间上的差异造成的气象要素本身差异。其中水汽的时空可变性远大于温度等其他要素[15], 这也是上述统计中水汽反演误差较大的原因之一。

3.2 与NCEP/NCAR再分析资料精度的比较

NCEP/NCAR全球再分析资料是美国国家环境预测中心 (NCEP) 和国家大气研究中心 (NCAR) 的合作建立起的资料库, 分析过程中, 利用了当前固定时间段中所有可能的资料[16], 这样既消除了观测系统更换带来的影响, 也使分析资料尽可能准确。NCEP/NCAR再分析场和预报场资料已普遍被世界各国气象部门使用, 温、压、风、湿和降水等再分析资料与气候分析相似度很高[16-18]。本文使用的NCEP/ NCAR再分析网格资料水平分辨率为2.5 ° ×2. 5°, 时间分辨率是6 h, 每日资料从00 : 00(世界时, 下同) 开始, 时间段选取与COSMIC资料相同 (2007年1 -10月)。然后通过Cressman插值方案内插到上述参与比对的301个COSMIC掩星廓线的各高度层上, 以相对应的探空站资料为基准, 进行类似的相对误差、均方根误差的统计分析。再将COSMIC资料反演的大气廓线误差减去NCEP再分析大气廓线误差, 以检验COSMIC反演资料的相对于NCEP/NCAR再分析资料的精度。这样处理的目的是使参与比较的COSMIC和NCEP/NCAR再分析资料各自误差中所含的时间和空间上要素本身的差异相同, 因此, 两者误差偏差消除了这部分要素本身的空间差异。

图 2显示了NCEP/NCAR再分析资料与无线电探空仪探测结果的相对误差和均方根误差统计结果。和图 1比较可见, NCEP/NCAR的各要素的误差随高度的分布特点和COSMIC资料十分相似, 但是NCEP/NCAR的折射率和水汽压的误差明显大于COSMIC资料误差。图 3显示了COSMIC资料与NCEP/NCAR资料误差的比较结果, 负值表示COSMIC资料精度要好于NCEP/MCAR资料。图 3a中相对误差在位势高度上COSMIC反演的结果在700 hPa以下比NCEP/NCAR大1 %~2 %, 在700 hPa以上两者的差别几乎为零; 温度上两者的差别较小; 水汽压上在700 hPa高度以上COSMIC和NCEP/NCAR误差的差别很小, 但是在700 hPa高度以下, COSMIC反演结果的相对误差比NCEP/NCAR小2 %~6 %; 折射率指数相对误差的差别也主要在700 hPa以下, COSMIC的相对误差比NCEP/NCAR小1 %~2 %。图 3b中COSMIC位势高度的均方根误差整层都比NCEP/ NCAR偏高1~2 dagpm, 两者的温度精度非常接近; 水汽压误差在700 hPa高度以上COSMIC和NCEP/NCAR的差别很小, 但是在700 hPa高度以下, COSMIC的均方根误差比NCEP/NCAR小; 折射率指数精度明显高于NCEP/NCAR, 尤其在700 hPa高度以下, 两者的差别随高度降低而迅速增加, 在700 hPa高度处为1, 在925 hPa的近层增加到4. 5。上述比较结果表明: COSMIC反演的温度、湿度和折射率等气象要素的精度高于NCEP/ NCAR的资料。

图 2. NCEP/ NCAR再分析资料与无线电探空仪探测结果比较 (a) 相对误差, (b) 均方根误差 Fig 2. Comparison of NCEP/ NCAR reanalysis with radiosonde (a) relative error, (b) root-mean-square error

图 3. COSMIC掩星反演资料误差与NCEP/ NCAR再分析资料误差的差别 (a)相对误差之差, (b)均方根误差之差 Fig 3. Difference of COSMIC inversion error and NCEP/ NCAR reanalysis error (a)difference of relative error, (b)difference of root-mean-square error

3.3 全天候性的检验

理论上云中水滴和雨水对GPS信号传播的影响很小, 因此GPS反演大气要素的技术具有全天候的优点[10-11], 但是目前还没有看到实际观测资料的检验报告。由于海洋上的常规探空资料太少, 很难搜索到符合与COSMIC掩星点比对条件的探空点, 本文搜索到分别发生在一个对流云团和2007年13号韦帕台风环流云区内GPS掩星点和探空点的2个例子进行比较 (如图 4所示)。图 4a是2007年10月15日12 : 12发生在南海上一个对流云团内的GPS掩星事件。掩星点位于17. 04° N, 112. 82° E, (图 4a中标号为A), 临近常规探空站位置在16. 83° N, 112. 33° E (图 4a中标号为B), 两点相距58. 6 km, 时间间隔为12 min。图 4b是2007年9月17日11 : 49发生在我国台湾以东洋面上0713号台风韦帕螺旋云带内的GPS掩星事件。掩星点位于22. 22° N, 126. 22° E (图 4b中标号C)。附近洋面上没有常规探空站, 但有我国台湾地区实施的飞机探空计划DOTSTAR的下投探空仪的观测资料。探空仪的下投点位置为22.40° N, 127.10° E, 下投时间为2007年9月17日11 : 31(图 4b中标号为D)。两者相距约92 km, 时间间隔为18 m in。

图 4. 发生在密蔽云区内的COSMIC掩星点与临近的探空点 (a) 南海对流云团内掩星点A和临近常规探空站B, (b) 0713号韦帕台风螺旋云带内的掩星点C和下投探空点D Fig 4. COSMIC occultation and sounding points occurred in dense cloud covered region (a) occultation point A close to radiosonde Station B in convective cloud clusters over the South China Sea, (b) occultation point C and dropsonde point D in spiral cloud band of typhoon Wipha (0713)

图 5和图 6分别显示了发生在对流云团和台风云带内的COSMIC掩星反掩的和临近探空观测的温度﹑露点﹑折射率和水汽压廓线的比较。从图 5可见两者的温度﹑露点和折射率的廓线吻合很好。图 5c中在500 hPa高度以下, 两者的温度差小于1 K, 露点差小于2. 5 K。两者的折射率廓线几乎重合。图 5d中水汽压廓线除了在700~500 hPa的中间层有一定的差别外, 其余高度上的廓线也吻合很好。图 6显示两者的各大气要素的廓线吻合得都很好, 尤其是图 6d中水汽压的廓线, 两者的差别小于1 hPa, 明显好于总体统计的水汽压反演的均方根误差。

图 5. 对流云团内COSMIC掩星点和临近探空站探测廓线比较 (a)温度和露点, (b)折射率指数, (c)温度差和露点差, (d)水汽压 Fig 5. Comparison of profiles from COSMIC inversion and radiosonde in convective cloud clusters (a) temperature and dewpoint, (b) refractive index, (c) temperature difference and dewpoint difference, (d) vapor pressure

图 6. 2007年13号台风韦帕螺旋云带内COSMIC掩星探测与下投探空仪观测廓线比较 (a)温度和露点, (b)折射率指数, (c)气压, (d)水汽压 Fig 6. Comparison of profiles from COSMIC inversion and radiosonde in convective cloud clusters (a) temperature and dewpoint, (b) refractive index, (c) pressure, (d) vapor pressure

从上述比较可见, 在有云水条件下COSMIC反演的各气象要素精度并没有受到影响, 反而在低层水汽的反演精度明显好于总体统计的水汽反演精度, 显示了COSMIC资料全天候性观测的优点。另外, COSMIC掩星观测的探测高度可达到大气层顶, 比探空仪的观测高度高得多, 这也是它的优点之一。

4 小结

通过对2007年1 -10月我国及西北太平洋区域COSMIC掩星资料进行总体精度和可用性﹑全天候性的检验, 得出COSMIC反演的各气象要素廓线总体来说精度比较理想, 尤其是温度和气压反演精度很高, 水汽压的反演结果相对较差。COSMIC资料反演的温度精度和NCEP/NCAR再分析资料等同, 而折射率和湿度廓线精度都优于NCEP/ NCAR再分析资料, 尤其是水汽压相对误差小于NCEP/NCAR再分析资料2 %~5 %。COSMIC具有明显的全天候观测优点, 在有云水条件下并不影响COSMIC的反演精度。

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