樂新安, 郭英華， 曾楨, 萬衛(wèi)星

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京　100029 2 COSMIC Program Office, University Corporation for Atmospheric Research, Boulder, CO 80301, USA

近地空間環(huán)境的GNSS無線電掩星探測技術(shù)

樂新安1,2, 郭英華2， 曾楨2, 萬衛(wèi)星1

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京100029 2 COSMIC Program Office, University Corporation for Atmospheric Research, Boulder, CO 80301, USA

摘要從GPS/MET計(jì)劃開始，基于GNSS的無線電掩星技術(shù)已成為一種強(qiáng)大的近地空間環(huán)境探測手段.截至到目前，已經(jīng)有20多顆發(fā)射的低軌道衛(wèi)星帶GPS掩星接收機(jī)，其中COSMIC是首個(gè)專門用于掩星探測的衛(wèi)星星座.這些掩星數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、氣候與全球變化研究、及空間天氣監(jiān)測和電離層研究.由于COSMIC的成功，相關(guān)合作單位目前正積極推動(dòng)COSMIC-2計(jì)劃，該計(jì)劃將總共有12顆衛(wèi)星，于2016年與2019 年各發(fā)射6顆.COSMIC-2將攜帶一個(gè)高級(jí)的 GNSS掩星接收機(jī)，它將接受GPS與GLONASS信號(hào)，并具備接受其他可獲得信號(hào)源的能力(如中國北斗定位信號(hào))，其每日觀測的掩星數(shù)量將是COSMIC的4～6倍.同時(shí)COSMIC-2還將攜帶兩個(gè)空間天氣載荷，加強(qiáng)空間天氣的監(jiān)測能力.本文以COSMIC與COSMIC-2計(jì)劃為主線，對掩星的發(fā)展歷史、技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了簡單介紹，并簡要綜述了COSMIC取得的部分科學(xué)成果，同時(shí)對未來包括技術(shù)發(fā)展和眾多的掩星觀測進(jìn)行了展望.關(guān)鍵詞GNSS； 無線電掩星； COSMIC； 空間天氣； 氣候與全球變化

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1引言

掩星技術(shù)最早可以追溯到18世紀(jì)，天文學(xué)家利用一個(gè)天體在另一個(gè)天體與觀測者之間通過而產(chǎn)生的遮蔽現(xiàn)象對包括月球與眾多行星/小行星在內(nèi)的天體進(jìn)行測量，該方法至今在天文學(xué)界仍有廣泛應(yīng)用(Gulbis et al., 2006).其中，對日出日落時(shí)期穿過地球大氣的太陽輻射測量，可以反演得到眾多大氣成分的高度剖面，對大氣化學(xué)和全球氣候變化監(jiān)測具有重要價(jià)值，被稱之為恒星掩星技術(shù) (Bernath et al., 2005).當(dāng)無線電信號(hào)穿過行星大氣層時(shí)，由于折射率梯度的存在，電波信號(hào)會(huì)彎曲.利用這種彎曲信息，可以反演大氣折射率，并在一定的近似條件下可以進(jìn)一步反演對應(yīng)的大氣物理參量包括密度、溫度、水汽等，這就是無線電掩星技術(shù).它是眾多行星大氣遙感測量方法中的一種.1965年，美國斯坦福大學(xué)與噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家首次把無線電掩星技術(shù)應(yīng)用到水手4號(hào)探測器上，首次對火星大氣層進(jìn)行了掩星測量 (Kliore et al., 1964).此時(shí)，Abel 變換法被引入到彎曲角到折射率的反演過程中，該方法直到現(xiàn)在仍是地球大氣掩星的常用反演方法(Fjeldbo and Eshelman,1968).隨后，無線電掩星技術(shù)幾乎被應(yīng)用到所有太陽系內(nèi)的行星及其衛(wèi)星的探測中(Jin et al., 2014).利用無線電掩星技術(shù)對地球大氣進(jìn)行探測的設(shè)想始于1965年(Fishbach,1965).但是，由于缺乏廉價(jià)信號(hào)源使得它的性價(jià)比遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)其他的大氣探測手段，而最終沒有相關(guān)的探測項(xiàng)目 (Yunck et al.,2000).基于GPS作為信號(hào)源的掩星探測稱之為GPS無線電掩星探測.盡管GPS衛(wèi)星從1978年開始已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射，但是直到90年代初，伴隨著GPS組網(wǎng)完成和相關(guān)技術(shù)的突破，包括：半無碼跟蹤技術(shù)使雙頻相位測量精度達(dá)毫米量級(jí)；全球地基GPS觀測臺(tái)網(wǎng)的組建使得可以通過差分的方式幫助去除掉衛(wèi)星鐘差；低軌衛(wèi)星GPS定位精度可以達(dá)分米量級(jí)等，使得GPS掩星技術(shù)探測地球大氣層成為了可能(Melbourne et al.,1994； Yunck et al.,2000).

1995年，由美國UCAR主導(dǎo)、NSF資助、及多單位參與的首個(gè)地球大氣掩星探測項(xiàng)目GPS/MET搭載MicroLab-1衛(wèi)星升空，儀器在軌運(yùn)行了約2年，且成功進(jìn)行了相當(dāng)數(shù)量的掩星觀測(Ware et al., 1996; Rocken et al., 1997).GPS/MET項(xiàng)目論證了利用GPS掩星技術(shù)探測地球大氣層和電離層的可行性，并對該技術(shù)的發(fā)展帶來了以下一些顯著影響：(1)大量原始觀測檢驗(yàn)了已有的反演算法、激勵(lì)了反演算法的改進(jìn)和優(yōu)化、及通過模擬和獨(dú)立數(shù)據(jù)源比對驗(yàn)證掩星數(shù)據(jù)的精度(Kursinski et al.,1997; Rocken et al.,1997; Gorbunov and Gurvich，1998;Hajj and Romans,1998;Hocke et al.,1999; Schreiner et al.,1999; Steiner et al.,1999; Sokolovskiy,2000; Syndergaard,1998,2000).(2)利用該觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家們在大氣科學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、及空間天氣等方面進(jìn)行了系列探索性和原創(chuàng)性研究，進(jìn)一步確認(rèn)了掩星探測技術(shù)的優(yōu)勢(Rius et al.,1997;Rocken et al.,1997; Kuo et al.,1998a,1998b; Zou et al.,1999; Anthes et al., 2000).(3)直接帶動(dòng)了后續(xù)系列包括COSMIC星座在內(nèi)的掩星計(jì)劃的蓬勃發(fā)展.表1對截至目前已經(jīng)發(fā)射的帶掩星觀測的衛(wèi)星項(xiàng)目及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié), 總共有來自10余個(gè)國家或地區(qū)的25顆衛(wèi)星具備掩星探測能力.隨著俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)的建立及中國(北斗二代)和歐洲定位系統(tǒng)(Galileo)的快速發(fā)展，接收多定位系統(tǒng)信號(hào)以增加掩星觀測量漸成趨勢，故現(xiàn)在又統(tǒng)稱GNSS掩星技術(shù).

近20年來，GNSS無線電掩星技術(shù)及掩星資料的應(yīng)用研究方興未艾. 一方面， 許多國家已經(jīng)開展了自己的GNSS掩星觀測衛(wèi)星計(jì)劃，積累了大量的掩星觀測數(shù)據(jù)，成為全球大氣觀測系統(tǒng)的重要組成部分；另一方面，GNSS接收機(jī)天線技術(shù)、信號(hào)跟蹤技術(shù)和掩星資料反演技術(shù)不斷發(fā)展(Sokolovskiy et al., 2014a, 2014b)，對掩星觀測的優(yōu)勢和局限性的認(rèn)識(shí)正不斷深化(Sokolovskiy et al., 2010).掩星資料正廣泛地應(yīng)用于大氣監(jiān)測和研究的諸多方面，開辟著一個(gè)全新的研究領(lǐng)域.本文在簡單介紹掩星發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，對掩星技術(shù)進(jìn)行簡介，然后以兩個(gè)里程碑式的項(xiàng)目(COSMIC與COSMIC-2)為主線，對掩星在氣候與全球變化和空間天氣監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)行舉例說明，同時(shí)對掩星技術(shù)的發(fā)展瓶頸進(jìn)行了介紹及對其未來進(jìn)行了展望.

表1　截至2014年9月已經(jīng)發(fā)射的帶GNSS掩星載荷的衛(wèi)星及參數(shù)列表與參考文獻(xiàn)

注：亦有一些衛(wèi)星如Jason-1/2帶GPS接收機(jī)，但不具備掩星接收能力，故沒有列出；這里衛(wèi)星重量大部分是指發(fā)射重量;大部分衛(wèi)星高度不是絕對固定，這里給出的是大概結(jié)果；TurboRogue接收機(jī)無開環(huán)觀測，BlackJack接收機(jī)除SAC-C外都無開環(huán)觀測；除GRACE有2顆衛(wèi)星、COSMIC有6顆衛(wèi)星外，其他均是1顆衛(wèi)星；有部分衛(wèi)星不觀測電離層掩星；有部分衛(wèi)星是為了進(jìn)行技術(shù)測試等，并沒有連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)可用；不排除這里的總結(jié)有遺漏.

圖1　基于GPS信號(hào)的掩星觀測構(gòu)型示例Fig.1　GPS radio occultation geometry illustration

2GNSS掩星技術(shù)簡介

圖1給出的是一個(gè)掩星觀測幾何關(guān)系的示意圖.當(dāng)GPS信號(hào)穿過電離層和大氣層、到達(dá)位于另一端的低軌衛(wèi)星時(shí)，由于傳播介質(zhì)及其梯度的存在，會(huì)產(chǎn)生附加時(shí)延和彎曲.利用這些附加時(shí)延和彎曲信息、基于一定的假設(shè)條件下，可以反演得到電離層電子密度和低層大氣的折射率、溫度、密度、及水汽含量等(Kursinski et al.,1997).下面以UCAR/CDAAC所采用的反演方法為例，分大氣和電離層分別介紹基本的數(shù)據(jù)處理過程(Kuo et al.,2004；Schreiner et al.,2010,2011).

低層大氣反演的基本原理是基于折射率對各個(gè)物理參數(shù)的依賴關(guān)系，如公式(1)所示：

(1)

這里N是折射率、p是大氣壓(hPa)、T是溫度(K)、e是水汽壓(hPa)、ne是電子密度(el./m3)、f是電波頻率(Hz).從原始觀測到最后可用物理參量，主要處理過程如下：

(1) 低軌衛(wèi)星軌道定軌、及剩余相位計(jì)算：彎曲角解算需要知道精確的衛(wèi)星軌道及速度.不同的數(shù)據(jù)處理中心、或者對不同的LEO衛(wèi)星，采用的定軌方法會(huì)有所不同.目前在CDAAC，采用的是基于Bernese定軌軟件，利用相位的線性組合和零差分簡化動(dòng)力濾波方法估算衛(wèi)星位置、速度、和時(shí)鐘(Schreiner et al., 2010).輸入包括雙頻偽距和載波相位、GPS軌道及鐘差、LEO衛(wèi)星姿態(tài)、地球方位信息等.GPS衛(wèi)星軌道和鐘差由IGS提供.由于COSMIC沒有獨(dú)立的其他定軌方法，直接對定軌精度進(jìn)行驗(yàn)證比較困難.但是跟其他單位通過不同算法得到的定位結(jié)果比較顯示，位置與速度的精度(總均方根誤差)分別在15～20 cm與0.15～0.2 mm·s-1的量級(jí)(Schreiner et al., 2010).對不同的衛(wèi)星，這個(gè)值會(huì)有差別，因?yàn)橄鄳?yīng)的觀測質(zhì)量、衛(wèi)星姿態(tài)、局地多徑環(huán)境會(huì)有差別.0.2 mm·s-1的速度誤差可以造成～0.06urad的彎曲角誤差.一般衛(wèi)星位置誤差具有較長的周期，而一個(gè)掩星事件持續(xù)2～3 min，在一個(gè)掩星事件中衛(wèi)星位置的整體偏差不會(huì)造成反演誤差，但是速度誤差會(huì)導(dǎo)致彎曲角的偏差，對天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用而言，這些誤差都基本可以忽略，對氣候研究應(yīng)用，通過眾多掩星觀測的平均，這個(gè)速度誤差也基本可以消除(Schreiner et al., 2011).剩余相位即是實(shí)際觀測相位與GPS-接收機(jī)連線距離的差別，根據(jù)實(shí)際情況不同，計(jì)算剩余相位有以下三種常用方法：零差分：假設(shè)LEO時(shí)鐘完美、使用定軌求解的GPS時(shí)鐘，不會(huì)引入額外噪音；單差分：需要使用對應(yīng)參考星的觀測，通過掩星與參考星觀測的相減去掉LEO的鐘差，使用定軌求解的GPS時(shí)鐘，會(huì)引入來自參考星觀測的觀測噪音；雙差分：需要使用參考星及地面GNSS臺(tái)站的觀測，通過雙差的方式消除掉LEO/GPS鐘差，但引入了參考星觀測及地面觀測對應(yīng)的噪音(Schreiner et al., 2010).目前CDAAC在處理COSMIC觀測時(shí)是采用的單差分辦法，各種差分方法詳細(xì)的比較及驗(yàn)證參見Schreiner等(2010).

(2) 彎曲角計(jì)算：彎曲角計(jì)算的基本原理是基于GPS/LEO的位置和速度及剩余多普勒頻移計(jì)算射線的出射角和到達(dá)角，在折射率球?qū)ΨQ假設(shè)下進(jìn)一步計(jì)算彎曲角和碰撞高度(Kursinski et al.,1997).在實(shí)際求解中，不同處理中心在具體細(xì)節(jié)上會(huì)有不同.CDAAC的處理方式已經(jīng)在Kuo等(2004)與Schreiner等(2011) 中詳細(xì)說明了，這里進(jìn)行簡單介紹.首先要對掩星底部噪音大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，閉環(huán)觀測是根據(jù)剩余多普勒與氣候?qū)W模式的偏離程度來判斷，開環(huán)模式則是根據(jù)信噪比判斷 (Sokolovskiy et al.,2009).然后對L1與L2剩余多普勒進(jìn)行濾波.在低對流層以上的高度，利用幾何光學(xué)的辦法就可以求解L1與L2的彎曲角，基于彎曲角線性組合，即可以獲得大氣彎曲角(Syndergaard,2000).在低對流層，L1彎曲角則是利用波動(dòng)光學(xué)(包括全譜反演、相位匹配等)的辦法在原始復(fù)信號(hào)的基礎(chǔ)上求解.電離層校正利用過渡高度附近的固定值或者從上面向下外插完成(Sokolovskiy et al.,2010).最后，幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)計(jì)算的彎曲角連在一起成為彎曲角剖面，二者的過渡高度既可以動(dòng)態(tài)變化也可以是固定值.在上平流層，由于觀測噪音超過背景大氣彎曲及電離層小尺度不均勻體的影響，需要對彎曲角進(jìn)行初始化或者統(tǒng)計(jì)優(yōu)化，CDAAC采用跟氣候模式的加權(quán)平均(Kuo et al.,2004).

(3) 折射率及溫度、壓強(qiáng)、密度、水汽剖面反演: 基于計(jì)算的最優(yōu)化彎曲角和球?qū)ΨQ假設(shè)，大氣折射率剖面可以用Abel變換計(jì)算得到.在這一步，彎曲角誤差具有向下傳遞的非局地特性.根據(jù)方程(1)描述的折射率與溫度和大氣壓的關(guān)系，在忽略水汽(對流層頂及以上高度是成立的)影響的情況下，利用靜壓平衡方程積分，可以得到干大氣溫度、密度、壓強(qiáng)剖面.在低對流層，水汽效果不能忽略，基于一定的先驗(yàn)信息可以進(jìn)一步區(qū)分水汽和溫度的影響、反演得到水汽和濕大氣溫度剖面.在CDAAC，這一步是通過一維變分實(shí)現(xiàn)的.

COSMIC發(fā)射之初，衛(wèi)星列隊(duì)一起飛行，Schreiner等(2007)通過對這些幾乎同時(shí)同地對同一個(gè)GPS測量的掩星反演結(jié)果進(jìn)行對比，表明掩星探測在10～20 km高度折射率有0.2%的高精確度.不同LEO衛(wèi)星平臺(tái)的對比表明，不同衛(wèi)星之間也沒有系統(tǒng)偏差(Schreiner et al.,2011).Ho等(2012)對6個(gè)不同數(shù)據(jù)中心對CHAMP 2002—2008年期間的掩星資料的處理結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對比，盡管6個(gè)中心處理的方法有些差別，彎曲角在8～30 km內(nèi)相對集合平均的平均偏差在-0.08%至0.12%的范圍內(nèi)，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差則在0.02%的范圍，驗(yàn)證了掩星資料處理的高精確度的可重復(fù)性.

電離層數(shù)據(jù)處理包括：(1)斜TEC解算：跟地基TEC解算略有區(qū)別，主要包括周跳探測及修正、多路徑效應(yīng)校正、相位TEC對偽距TEC的平滑、DCB解算等步驟.其中多路徑效應(yīng)是采用一段時(shí)間內(nèi)的觀測統(tǒng)計(jì)估算的，對一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)，多路徑效應(yīng)比較穩(wěn)定，并不需要每次都重新估算.DCB估算是基于頂部電離層球?qū)ΨQ假設(shè)，利用同時(shí)對不同GPS觀測的垂直TEC應(yīng)該相等構(gòu)建方程組，然后取最小二乘擬合解.TEC精度大致在2～3TEC Unit(1TECU=1016el·m-2)，跟衛(wèi)星平臺(tái)、接收機(jī)質(zhì)量等都有關(guān)系，詳細(xì)解算步驟及誤差分析參見Yue 等(2011a)；(2)電子密度剖面反演: 理論上來說，從GPS射線彎曲可以解算電子密度剖面，但是由于電離層里射線彎曲并不顯著，各種噪音很大，反演誤差也很大.由于電子密度對信號(hào)的作用有頻率依賴，所以從雙頻觀測可以直接反演電子密度剖面，這是目前通行的做法.所采用的假設(shè)有：球?qū)ΨQ電離層、直線傳播、觀測共面、球形衛(wèi)星軌道、頂部密度一階估算(Yue et al., 2010a).其中，球?qū)ΨQ假設(shè)是最主要的誤差源.在F層，峰值密度與高度的精度是約15%與20 km，在頂部與底部有較大誤差，在低緯及赤道地區(qū)等電離層水平不均勻性較大的地區(qū)誤差也較大(Yue et al., 2013a).

為方便讀者理解，圖2簡要給出了CDAAC的數(shù)據(jù)處理流程及主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品列表.Anthes(2011)曾經(jīng)對掩星探測的優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)列舉，幾乎這里所有的特征都得到眾多掩星觀測的驗(yàn)證.表2把這些優(yōu)勢翻譯成中文，供讀者參考.

表2　掩星探測優(yōu)勢( Anthes，2011)

圖2　CDAAC主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品列表及簡要數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2　Main data products and processing flow in CDAAC

3COSMIC項(xiàng)目及其科學(xué)應(yīng)用

COSMIC項(xiàng)目是一個(gè)美國與臺(tái)灣合作的由6顆微小衛(wèi)星組成的星座計(jì)劃，在臺(tái)灣亦被稱為FORMOSAT-3.衛(wèi)星由OSC公司制造，臺(tái)灣NSPO負(fù)責(zé)組裝、測試及地面運(yùn)行.COSMIC于2006年4月15號(hào)世界時(shí)1∶40在美國加尼福利亞的范登堡空軍基地由Minotaur火箭成功發(fā)射.每個(gè)衛(wèi)星的主要載荷是由JPL設(shè)計(jì)、BRE公司制造的IGOR GPS掩星接收機(jī).每個(gè)衛(wèi)星有4個(gè)GPS天線：2個(gè)4貼片高增益指向側(cè)下方的掩星天線主要用來對大氣掩星事件進(jìn)行50 Hz采樣，并具備開環(huán)觀測模式；2個(gè)單貼片天線安裝在15°仰角的位置，采樣率是1 Hz，主要用來進(jìn)行衛(wèi)星精密定軌及電離層掩星剖面探測，有時(shí)也有對參考衛(wèi)星的50 Hz采樣，用來去掉接收機(jī)振蕩器漂移.除了掩星接收機(jī)，每個(gè)衛(wèi)星還攜帶了兩個(gè)空間天氣載荷：電離層光度計(jì)(TIP)與三頻信標(biāo)(TBB)，TIP主要觀測夜間的O+135.6 nm氣輝的輻射光子數(shù)，可以反演得到夜間電離層電子密度，TBB則主要進(jìn)行電離層閃爍測量，這兩個(gè)儀器的同步觀測增強(qiáng)了電離層的觀測精度與可用性.COSMIC的數(shù)據(jù)在美國主要由CDAAC進(jìn)行處理(實(shí)時(shí)與后處理兩個(gè)模式)與發(fā)布.截至到目前(2014年12月)，CDAAC共有來自78個(gè)國家和地區(qū)的2500多個(gè)注冊用戶.COSMIC已經(jīng)產(chǎn)生了約400多萬個(gè)掩星剖面(包括低層大氣彎曲角、折射率、溫度、密度、大氣壓、水汽及電離層電子密度)及約17800 h的TIP夜間輻射測量.這些數(shù)據(jù)被廣泛地應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、氣候研究、及空間天氣等研究與應(yīng)用領(lǐng)域.作為第一個(gè)衛(wèi)星星座計(jì)劃，COSMIC與之前的單星模式的掩星觀測計(jì)劃相比，每日可獲得的掩星剖面數(shù)量大大增加；由于6顆LEO小衛(wèi)星均勻分布在相互間間隔約60°的6個(gè)軌道面上，COSMIC實(shí)現(xiàn)了對大氣的全時(shí)空觀測；開環(huán)跟蹤的接收技術(shù)使COSMIC對地球大氣的探測深度大幅提高，低層大氣的數(shù)據(jù)品質(zhì)也有所改進(jìn)(Anthes et al., 2008).目前國際上一些主要數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心已經(jīng)將COSMIC掩星資料同化作為業(yè)務(wù)資料同化的一部分，對改進(jìn)全球天氣預(yù)報(bào)和極端天氣預(yù)警有很大的價(jià)值.不僅如此，COSMIC反演的溫壓濕剖面數(shù)據(jù)本身也廣泛地應(yīng)用于監(jiān)測和研究大氣結(jié)構(gòu)和過程，在監(jiān)測氣候變化研究中體現(xiàn)出巨大的潛力.

COSMIC的主要目標(biāo)是證明掩星技術(shù)可以通過衛(wèi)星星座的形式改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)、氣候與空間天氣監(jiān)測.截至到2011年5月，COSMIC已經(jīng)完全完成了預(yù)定的科學(xué)目標(biāo).在COSMIC發(fā)射之初，每天提供約2000～2500個(gè)掩星剖面，盡管從2011年開始，衛(wèi)星開始出現(xiàn)部分功能退化，它現(xiàn)在每天還能觀測約1000～1500個(gè)掩星剖面.圖3給出的是截至到目前為止COSMIC觀測的每天的掩星事件分布.Anthes等(2008)與Anthes(2011)曾經(jīng)對部分早期COSMIC研究成果進(jìn)行了詳細(xì)綜述, 但側(cè)重氣象和氣候方面.下面我們將以我們合作作者自己的研究為主，以COSMIC數(shù)據(jù)在氣候與全球變化和空間天氣領(lǐng)域的應(yīng)用為例進(jìn)行具體介紹.

圖3　UCAR/CDAAC處理的每日COSMIC大氣掩星剖面數(shù)量從發(fā)射至2014年10月12號(hào)的變化，綠線是后處理結(jié)果， 紅線是實(shí)時(shí)處理結(jié)果Fig.3　Daily atmospheric radio occultation profile number processed in UCAR/CDAAC since launch till October 12,2014. Grees line represents post-processed results while red line for real-time processing

圖4　赤道區(qū)(10°S—10°N)掩星觀測的MJO溫度(a)和濕度(b)距平的垂直結(jié)構(gòu)隨MJO相位的演化，黑色實(shí)線表示熱帶降雨觀測衛(wèi)星TRMM測到的降水幅度變化(幅度值由右Y坐標(biāo)標(biāo)識(shí))Fig.4　Vertical structures of (a) RO temperature and (b) specific humidity MJO anomalies (shading) averaged over 10°S—10°N for a composite cycle (8 phases). The overlaid solid black lines are TRMM MJO rainfall anomalies (scale at right) for the same period of COSMIC RO data

圖5　在南半球夏季(DJF，a,b)和北半球夏季(JJA，c,d)，對流層頂(CPT)上1 km范圍內(nèi)大氣的日落后溫度驟降區(qū)域(b,d)與熱帶降雨觀測衛(wèi)星TRMM穿透性降水特征(overshooting precipitation feature)頻發(fā)區(qū)(a,c)的地理對應(yīng)關(guān)系.溫度冷卻的幅度大小由晨(10∶00±2∶00)昏(18∶00±2∶00)溫差決定(摘自Khaykin et al., 2013圖5)Fig.5　Comparison between geographical locations of late-afternoon cooling in the 1km-thick layer above the local cold point tropopause (2nd and 4th panels) and TRMM OPF density number above 14 km (1st and 3rd panels, adapted from LZ05). Top panels: DJF; bottom: JJA. The OPF frequency of occurrence is in units per thousand in each bin divided by the TRMM 3A25 total pixel number for removing the sampling bias. The color scale of the cooling is the value of the mean difference between late afternoon (18∶00±02∶00) and morning (10∶00±02∶00) temperatures

圖6　一個(gè)強(qiáng)對流系統(tǒng)的例子，發(fā)生于2008年4月14日17∶07∶00 UTC .左圖是CALIOP星載激光雷達(dá)532 nm總后向散射系數(shù)；右邊兩圖則分別為同時(shí)同地掩星觀測的彎曲角異常(綠色)和溫度廓線(紅色)，ECMWF分析場溫度數(shù)據(jù)和氣候均態(tài)溫度(由多年掩星觀測資料平均所得)分別用青綠色和藍(lán)色標(biāo)出.青綠色水平線標(biāo)出標(biāo)準(zhǔn)的對流層頂高度，紅色水平線則對應(yīng)于掩星溫度最冷點(diǎn)和彎曲角異常極點(diǎn)高度(摘自Biondi et al. 2012圖4b)Fig.6　One example of convective systems reaching different altitude occurred on 14 April 2008 at 17∶07∶00 UTC (bottom panel). The left panels show the total attenuated backscatter at 532 nm from CALIOP, and the right panels show the bending angle anomaly profile (green), the temperature profile from GPS RO during the storm (red), the temperature profile from ECMWF analysis (cyan) and the climatological temperature profile (blue). The horizontal cyan line is the altitude of the standard tropopause and the horizontal red line is the altitude of the coldest point and the bending angle anomaly spike

圖7　掩星資料(GPSRO：藍(lán)色)和ECMWF模式再分析數(shù)據(jù)(插值至掩星處的標(biāo)為ERAs(綠色)；直接的分析場數(shù)據(jù)標(biāo)為ERA(紅色))診斷出的南(右圖)北(左圖)半球熱帶邊界緯度(TEL)的季節(jié)變化(上圖)及其TEL異常隨時(shí)間的變化(下圖)(摘自Ao and Hajj, 2013圖2)Fig.7　Tropical edge latitude (TEL) and anomalies inferred from monthly meridional means of tropopause heights based on the subjective criterion with a relative height threshold of 1.5 km obtained with GPSRO (blue), ERAs (green), and ERA (red). (a) Monthly time series of TEL in Northern Hemisphere (NH). (b) Same as a but for the Southern Hemisphere (SH). (c) Monthly anomalies of the TEL in NH after the 10 year seasonal cycles have been subtracted. Also shown are the linear fits with the inferred decadal trends and 95% confidence intervals. (d) Same as c but for SH

3.1氣候與全球變化

由于掩星資料良好的時(shí)空覆蓋性、高垂直分辨率(100 m～1 km)和高精度(對于干空氣(8～25 km)，掩星反演溫度剖面可以精確到1 K以內(nèi)(Ho et al., 2012))，它們已經(jīng)應(yīng)用于監(jiān)測和研究全球大氣熱力學(xué)結(jié)構(gòu)和各種不同時(shí)空尺度的大氣波動(dòng)過程，譬如，厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(ENSO)的全三維結(jié)構(gòu)(Scherllin-Pirscher et al.,2012)，平流層準(zhǔn)兩年振蕩(QBO)，熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩(MJO)的熱力學(xué)細(xì)節(jié)特征(Zeng et al.,2012)，赤道開爾文波的結(jié)構(gòu)特征(Alexander et al.,2008; Pan et al.,2011)，周日遷移潮結(jié)構(gòu)及隨季節(jié)和緯度的變化(Xie et al., 2010; Scherllin-Pirscher et al.,2010), 對流層頂附近及下平流層重力波的全球分布特征(Wang and Alexander, 2010;Xiao and Hu, 2010)等.雖然這些大氣過程已經(jīng)被各種探空儀、雷達(dá)、和衛(wèi)星觀測過和理論研究過，但給出其全球三維的精細(xì)結(jié)構(gòu)并不多見.比如，MJO是熱帶地區(qū)占主導(dǎo)地位的大氣振蕩模式，雖在過去幾十年已經(jīng)被深入地研究，但其形成機(jī)制仍有爭議，MJO的數(shù)值模式也是個(gè)有待解決的問題.Zeng等(2012)基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)分析出熱帶地區(qū)MJO熱力學(xué)的精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)和傳播特征(圖4)，揭示出小尺度MJO強(qiáng)對流和大尺度Kelvin波對對流層頂高度和溫度的調(diào)制作用.研究顯示，掩星資料不僅時(shí)空分布均勻、垂直分辨率高，而且不受云層的影響，可以獲取云層中和云層下的大氣參數(shù)， 較衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)或全球再分析資料在MJO研究上更有優(yōu)勢.再如，Khaykin等(2013)從COSMIC掩星資料中分析出低緯UTLS高度上大氣溫度日變化的區(qū)域特征和成因，顯示了夏季陸面強(qiáng)對流性降水頻發(fā)地區(qū)與熱帶對流層頂層(TTL)高度上傍晚(日落后)溫度冷卻區(qū)域相對應(yīng)，南半球的吻合度較北半球的更好(如圖5所示)，揭示出深對流對夏季TTL溫度日變化的區(qū)域性影響和南北半球差異.盡管理論上預(yù)測了這種非遷移周日潮的存在，主要由低層大氣潛熱釋放引起，但對其熱響應(yīng)的觀測則局限在中間層和熱層.在對流層和平流層，由于其振幅很小，且隨經(jīng)度變化，對它的全球分布的探測不僅要求測量精度高，還需具備全時(shí)空采樣的能力，而這是常規(guī)的氣象衛(wèi)星(時(shí)間分辨率低)和局地探測(無法實(shí)現(xiàn)全球覆蓋)都無法實(shí)現(xiàn)的.

由于掩星資料具有高垂直分辨率，是監(jiān)測大氣特征分界層的一種十分理想的手段.近年來許多研究利用COSMIC掩星反演的彎曲角、折射率、水汽的梯度信息探測大氣邊界層高度(Sokolovskiy et al.,2006; Guo et al.,2011)，并分析出邊界層結(jié)構(gòu)(高度和銳度)的全球時(shí)空分布特征(Ao et al.,2012).掩星探測的邊界層高度與探空儀和CALIOP星載激光雷達(dá)測量結(jié)果相吻合(Ho et al.,2015)，與模式分析比較的結(jié)果顯示模式給出的邊界層高度在太平洋東南海域過低(Xie et al.,2012).掩星資料無疑為大氣邊界層的探測提供了新的視野，彌補(bǔ)了其他觀測資料在時(shí)空分布上的間斷性，有助于我們進(jìn)一步了解地表溫度和降水與低云氣候反饋?zhàn)饔弥g的關(guān)系.同樣，掩星資料被廣泛地應(yīng)用于探測和分析全球尺度的對流層頂?shù)姆植?，對流層頂?shù)木?xì)結(jié)構(gòu)和過程，多對流層頂?shù)姆植家?guī)律，熱帶外對流層頂逆溫層的特征，熱力學(xué)定義的(CPT)和動(dòng)力學(xué)定義下的對流層頂(LRT)之間的差異分析等(Son et al., 2011; Kim and Son, 2012; Munchak and Pan, 2014; Randel and Wu, 2015).掩星資料幫助我們更好地理解對流層和平流層之間的動(dòng)力耦合過程和大氣成分收支變化.掩星資料也被應(yīng)用于探測強(qiáng)對流云頂?shù)母叨?Biondi et al., 2012,2013).圖6舉出個(gè)例，顯示了強(qiáng)對流事件中CALIOP星載激光雷達(dá)觀測的云頂高度與掩星彎曲角異常和溫度垂直結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系.Biondi等(2012)收集了更多的強(qiáng)對流事件，從統(tǒng)計(jì)意義上驗(yàn)證了利用彎曲角異常的極值高度來探測強(qiáng)對流云頂高度的可行性.Vergados等(2014)則利用掩星測量的熱帶氣旋過境處的最低溫度及相應(yīng)高度來近似熱帶氣旋內(nèi)的云頂溫度和高度，根據(jù)Wong和Emanuel(2007)建立的颶風(fēng)強(qiáng)度估計(jì)模型估算出熱帶氣旋的強(qiáng)度.與最優(yōu)路徑資料的比較表明，利用掩星資料推算出的熱帶氣旋強(qiáng)度有較高的精度，顯示了掩星數(shù)據(jù)在監(jiān)測熱帶氣旋強(qiáng)度方面的應(yīng)用潛力.

由于掩星探測的高度和氣壓相互獨(dú)立，掩星反演出的大氣參數(shù)可以用于推導(dǎo)全球大氣風(fēng)場和大氣環(huán)流信息.Verkhoglyadova等(2014a)通過模擬掩星觀測來分析由掩星位勢高度推導(dǎo)地轉(zhuǎn)風(fēng)的可行性和精度，Scherllin-Pirscher等(2014)則進(jìn)一步從實(shí)際掩星觀測的位勢高度信息分析出熱帶外地轉(zhuǎn)風(fēng)和梯度風(fēng)的三維氣候?qū)W特征，掩星計(jì)算的月平均風(fēng)速與模式分析場給出的結(jié)果相比，誤差一般不到2 m·s-1.掩星技術(shù)成為探測大氣高空風(fēng)場的又一有效途徑，可彌補(bǔ)全球高空風(fēng)場數(shù)據(jù)的不足.還有一些研究利用掩星觀測來研究熱帶邊界寬度及其氣候變化特征.Davis和Birner(2013)利用掩星觀測的對流層頂和地表之間的位溫差異及推斷的地轉(zhuǎn)風(fēng)信息兩種方案診斷出熱帶邊界寬度，并給出其季節(jié)變化特征.Ao和Hajj(2013)則是從掩星觀測到的對流層頂高度的經(jīng)向梯度變化來定義熱帶邊界緯度(tropical edge latitude，簡寫為TEL)，分析Hadley環(huán)流寬度隨時(shí)間的演化，發(fā)現(xiàn)2002—2011年間北半球熱帶增寬達(dá)1°之多，南半球則沒有統(tǒng)計(jì)意義上的明顯變化(如圖7所示).

由于掩星數(shù)據(jù)的高精確性，它們已經(jīng)被應(yīng)用于評(píng)估其他數(shù)據(jù)的質(zhì)量，包括全球探空儀溫度和濕度數(shù)據(jù)(Kuo et al., 2005； He et al., 2009b)，紅外或微波衛(wèi)星輻射觀測數(shù)據(jù)(Ho et al., 2009； Feltz et al., 2014)，專用微波成像儀(SSM/I)水汽含量數(shù)據(jù)(Mears et al.,2012)等.同樣，掩星資料也用于診斷大氣模式中可能存在的系統(tǒng)誤差.如Wee等(2012)從WRF模式分析和掩星數(shù)據(jù)的比較研究中發(fā)現(xiàn)，WRF模式給出的位勢高度和溫度存在系統(tǒng)性誤差，并給出相應(yīng)的補(bǔ)償方案.通過掩星數(shù)據(jù)來識(shí)別和輔助修正模式的系統(tǒng)誤差對于提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的精度具有重要意義.

在氣候變化研究方面，COSMIC對大氣觀測的長期穩(wěn)定性，精確性和覆蓋范圍都是前所未有的，掩星數(shù)據(jù)正在被廣泛應(yīng)用于平流層和對流層的溫度趨勢的研究.Steiner等(2011)對1995—2010年所有掩星觀測的溫度數(shù)據(jù)做分析，發(fā)現(xiàn)熱帶下平流層有變冷、對流層有變暖的趨勢，這與氣候模型的預(yù)測結(jié)果一致.雖然到目前為止掩星觀測記錄還不足夠長，尚不能準(zhǔn)確地區(qū)分自然的氣候脈動(dòng)(包括逐日、季節(jié)、年際和年代際變化，如ENSO等)和人為溫室效應(yīng)對溫度變化的影響.不過隨著掩星數(shù)據(jù)的不斷積累，可以預(yù)期在將來掩星觀測能夠?yàn)槲覀兲峁?zhǔn)確可靠的全球氣候變化及其趨勢信息.

3.2電離層與空間天氣

傳統(tǒng)的電離層電子密度測量手段主要有測高儀、地基GNSS TEC測量、非相干散射雷達(dá)、及衛(wèi)星在軌測量等，與這些相比，掩星觀測具有全時(shí)空分布與高垂直分辨率，這些特點(diǎn)決定了COSMIC數(shù)據(jù)在電離層氣候?qū)W研究上的巨大優(yōu)勢，自從COSMIC發(fā)射至今，其反演的電離層電子密度剖面已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于電離層氣候?qū)W研究上，包括經(jīng)度方向的四波結(jié)構(gòu)(Lin et al.,2007)、季節(jié)變化如年變化與半年變化等(Liu et al.,2009)、分點(diǎn)不對稱性(Liu et al., 2010)、太陽活動(dòng)變化(Burns et al., 2014； Liu et al., 2011)、各種電離層偏離Chapman理論的異常結(jié)構(gòu)如冬季異常(Burns et al.,2014)、年度異常等(Zeng et al.,2008)、威德海異常( Burns et al.,2008; He et al.,2009a)、中緯夜間增強(qiáng)(Luan et al.,2008)等.圖8給出的是從2007—2013年每月COSMIC觀測的電離層峰值密度(NmF2)的磁地方時(shí)-磁緯的二維分布，除了四波結(jié)構(gòu)(因?yàn)檫@里已經(jīng)做了經(jīng)度平均)、威德海異常(緯度較高)外，這張圖里可以找到所有以上提到的電離層氣候?qū)W特征.威德海異常是指在威德海附近的電離層呈現(xiàn)出晚上電子密度比白天高的現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象很早就由測高儀觀測到.但是COSMIC觀測第一次給出了這個(gè)現(xiàn)象的三維立體結(jié)果(Burns et al.,2008;He et al.,2009a)，其主要原因是赤道向中性風(fēng)與來自等離子體層增強(qiáng)的通量.更詳細(xì)的基于COSMIC掩星觀測的電離層氣候?qū)W研究參見Yue等(2015b).除此之外，掩星的全球測量還可以用來研究一些由于地磁場構(gòu)型差異導(dǎo)致的電離層的局部特性.如Zhao等(2013)曾用COSMIC電子密度研究了中國地區(qū)電離層?xùn)|西部地區(qū)的差異，圖9(圖片截取自Zhao et al., 2013 文章)給出了2007年6月上午10點(diǎn)中國地區(qū)電子密度的三維分布，同時(shí)還標(biāo)明了磁偏角的正負(fù)變化.可以看到，由于磁偏角的差異，調(diào)制了中性風(fēng)場對電離層的抬升作用，導(dǎo)致東西部地區(qū)電子密度的顯著差異.

掩星最大的特點(diǎn)是可以獲得全球分布的高度剖面，盡管反演導(dǎo)致在低高度有較大的誤差(Yue et al.,2010a)，但這個(gè)優(yōu)勢還是使得可以進(jìn)行一些跟高度分布相關(guān)的研究.如在極光橢圓帶夜側(cè)，由于高能離子沉降的影響，在120 km高度前后，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)離化的增強(qiáng)層，在有些季節(jié)，甚至出現(xiàn)了120 km高度附近的電子密度比F2層峰值還要高的情況.盡管這個(gè)現(xiàn)象從理論上可以預(yù)測，但是目前為止并沒有測高儀或者非相干雷達(dá)是處于這個(gè)帶內(nèi)，IRI模式里面也不包括這個(gè)現(xiàn)象.有一些衛(wèi)星觀測可以測高能沉降，但不能直接給出電子密度的相應(yīng)特征.Yue等(2013c) 曾經(jīng)把COSMIC觀測的這個(gè)現(xiàn)象跟NCAR-TIEGCM模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)模式結(jié)果跟觀測結(jié)果在變化形態(tài)上并不完全一致，說明模式的高能粒子沉降參數(shù)化模型需要改進(jìn).圖10給出了COSMIC在2008年北半球冬季觀測的極光橢圓帶E層高度離化增強(qiáng)現(xiàn)象.Sheng等(2014)進(jìn)一步利用COSMIC在高緯的觀測研究了E層與F層高度積分Pedersen電導(dǎo)率的比值及與TIEGCM模式結(jié)果進(jìn)行了對比.此外，電子密度剖面可以用來統(tǒng)計(jì)一些電離層特殊的分層結(jié)構(gòu)，尤其在頂部是地基測高儀無法研究的，如Zhao等(2011)利用COSMIC剖面數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)分析了電離層F3層現(xiàn)象的時(shí)空分布及對應(yīng)的經(jīng)度與季節(jié)變化，驗(yàn)證了此前提出的電場漂移的垂直梯度導(dǎo)致F3層形成的機(jī)制.

圖8　COSMIC觀測的赤道異常區(qū)電離層峰值電子密度在2007—2013年間每月地方時(shí)-地磁緯度的變化特征Fig.8　LT-MLat variation of monthly NmF2 observed by COSMIC during 2007—2013

圖9　遠(yuǎn)東地區(qū)電離層上午10點(diǎn)電子密度2007—2008年夏季的三維分布和地磁偏角變化(摘自Zhao et al. 2013圖7)Fig.9　Three-dimensional distribution of the plasma density over the Far East region at a fixed local time 10∶00 LT during June 2007 with three slices represent the situation of Ne (Longitude=60°E), Ne (Latitude=50°N), and Ne (altitude=250 km), respectively. The blue, red, and black lines denote the positive, zero, and negative value of geomagnetic declination separately

圖10　COSMIC觀測的120 km高度電子密度在北半球冬季隨磁緯與磁地方時(shí)的變化特征Fig.10　MLat-MLT variation of COSMIC observed electron density at 120 km altitude during northern winter

圖11　(a) COSMIC掩星觀測的極區(qū)(70°N—84°N)緯向平均中性溫度的高度剖面在2009年SSW期間的變化過程，黑線是NCEP緯向平均緯向風(fēng)場在10 hPa高度的值； (b) COSMIC NmF2的緯向平均的緯度及天數(shù)變化； (c) 相應(yīng)太陽與地磁活動(dòng)指數(shù)Fig.11　(a) COSMIC observed polar (70°N—84°N) zonal mean neutral temperature profiles during 2009 SSW event. Black lines represents the NCEP zonal mean zonal wind at 10 hPa altitude; (b)COSMIC observed zonal mean NmF2; (c) Corresponding solar (F10.7) and geomagnetic (Ap) activity index versus day number

除了氣候?qū)W研究，也有人用COSMIC星座觀測來進(jìn)行電離層天氣學(xué)研究.如Pedatella等(2009)曾經(jīng)綜合利用COSMIC RO與TIP及其他衛(wèi)星和地基觀測，系統(tǒng)研究了2006年12月一個(gè)中等磁暴期間電離層長時(shí)間持續(xù)的正暴特征.掩星觀測能同時(shí)觀測低層與高層大氣的主要參量，使得它特別適合做某些低層-高層大氣耦合研究.如Yue等(2010b)曾同時(shí)利用COSMIC掩星觀測的低層大氣溫度和高層大氣電子密度分析了2009年同溫層增溫(SSW)事件期間全球電離層的響應(yīng)特征.圖11給出的是2009年SSW期間高緯低層大氣溫度場的變化過程及電離層緯向平均峰值電子密度的變化.可以看到1月20號(hào)前后在同溫層高度出現(xiàn)明顯的增溫過程，并有向下傳播的趨勢，同時(shí)在電離層高度，峰值電子密度平均來說有減小的響應(yīng).具體的響應(yīng)過程有地方時(shí)及緯度變化，詳細(xì)特征及物理解釋請參見Yue等(2010b).

掩星觀測的斜TEC具有2-3TECU的高精度(Yue et al.,2011a)，它是一個(gè)長距離的積分量，具有時(shí)空混合效應(yīng)，并不適合直接拿來做科學(xué)研究.但是這種觀測特性卻是數(shù)據(jù)同化的理想數(shù)據(jù)源.COSMIC掩星觀測的斜TEC被很多小組拿來進(jìn)行過數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)，驗(yàn)證了掩星觀測在改進(jìn)電離層的剖面描述上有很好的效果(Komjathy et al.,2010).目前COSMIC TEC數(shù)據(jù)已經(jīng)被實(shí)時(shí)同化到USAF的空間天氣數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)中，以改進(jìn)電離層天氣的現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)能力.同時(shí)，眾多掩星衛(wèi)星觀測，加上密集的地基GNSS觀測網(wǎng)絡(luò)，使得我們可以通過數(shù)據(jù)同化的方式、像低層大氣(NCAR/NCEP、ECMWF)再分析一樣，產(chǎn)生電離層電子密度的再分析產(chǎn)品.基于這個(gè)想法，Yue等(2012a) 首次基于IRI模式，在所有CDAAC處理的衛(wèi)星數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上、加上全球地基GNSS觀測網(wǎng)絡(luò)及Jason-1/2衛(wèi)星在海洋地區(qū)的觀測，同化產(chǎn)生了2002—2012年全球電離層的格點(diǎn)化的電子密度再分析值，并采用多種獨(dú)立的數(shù)據(jù)源對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果顯示，尤其是2006年COSMIC發(fā)射以來，再分析有顯著優(yōu)于背景模式的精確度.圖12給出了一個(gè)全球再分析電子密度的示例、同時(shí)給出的還有全球峰值密度和垂直積分TEC地圖結(jié)果.產(chǎn)生再分析的主要意義有：(1)更好地對不同源、不同構(gòu)型的觀測進(jìn)行存檔；(2)供相關(guān)的科學(xué)研究和應(yīng)用使用；(3)有可能用于中性大氣掩星反演精度的提高.

圖12　一個(gè)全球電子密度再分析個(gè)例及相應(yīng)的峰值密度和垂直TEC地圖Fig.12　An example of reanalyzed global electron density and corresponding NmF2 and TEC map

圖13　COSMIC觀測F層平均S4指數(shù)在2007—2013年間每月地方時(shí)-地磁緯度的變化特征.只有平均S4大于0.3才畫出Fig.13　LT-MLat variation of COSMIC observed F region means S4 index during 2007—2013. Only mean S4 larger than 0.3 is shown

前面已經(jīng)介紹，COSMIC的POD與RO天線都進(jìn)行50 Hz的幅度采樣，其中POD天線只保留了1 Hz的標(biāo)準(zhǔn)差下傳到地面用以重構(gòu)S4指數(shù)，而RO天線則保留了原始SNR.有很多學(xué)者利用這些觀測進(jìn)行了電離層擴(kuò)展E層及F層閃爍的統(tǒng)計(jì)研究(Arras et al., 2008, Carter et al., 2013).圖18左邊給出的即是COSMIC POD 天線觀測的S4指數(shù)在約100 km高度平均值的全球分布，這個(gè)可以代表全球Es的發(fā)生率，這個(gè)結(jié)果與此前其他觀測的結(jié)果一致，尤其在中緯，很好地支持了Es形成的風(fēng)剪切理論，更詳細(xì)的關(guān)于COSMIC觀測的Es分布結(jié)果見 Arras等(2008).利用COSMIC觀測，很多人對電離層F層閃爍進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(Carter et al., 2013)，獲得了與此前其他探測手段一致的分布.但是掩星觀測使得我們可以對這些電離層不均勻體進(jìn)行成像，對實(shí)際應(yīng)用有較大價(jià)值.圖13給出的是COSMIC觀測2007—2013年度每月的S4指數(shù)平均值的地方時(shí)-地磁緯度分布，這里只有平均S4指數(shù)>0.3的才給出.可以看到F層閃爍主要集中在低緯及赤道地區(qū)的日落時(shí)段，有明顯的太陽活動(dòng)變化，如果與圖8給出的NmF2的變化相比，可以看到二者有很好的相關(guān)性，說明赤道電離層閃爍與EIA有非常密切的關(guān)系.

4COSMIC-2項(xiàng)目進(jìn)展介紹

由于COSMIC項(xiàng)目的成功，美國與臺(tái)灣相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)決定資助一個(gè)二代計(jì)劃，全稱為FORMOSAT-7/COSMIC-2(后面統(tǒng)稱COSMIC-2).COSMIC-2計(jì)劃在～2016年與～2019年分別發(fā)射6顆低傾角軌道與6顆高傾角軌道衛(wèi)星.美國以NOAA為主導(dǎo)，參與單位包括NASA、USAF、UCAR等單位(Cook et al., 2014).COSMIC-2衛(wèi)星是由NSPO資助、SSTL設(shè)計(jì)與制造.圖14給出的是COSMIC-2衛(wèi)星的大致的樣子及后向側(cè)的面板配置(Curiel et al., 2013).COSMIC-2 主要的掩星載荷是由USAF資助、NASA/JPL設(shè)計(jì)的TriG GNSS掩星接收機(jī)(TGRS)，TriG將接收GPS與GLONASS的掩星信號(hào)，并具備接收其他系統(tǒng)的能力，如北斗與Galileo等(Meehan et al., 2012).當(dāng)12顆衛(wèi)星都發(fā)射后，每天觀測大氣與電離層掩星事件將分別超過8000與12000個(gè)，是COSMIC觀測的4～6倍(其中低緯與赤道地區(qū)達(dá)10～15倍).TGRS有兩個(gè)掩星天線與兩個(gè)精密定軌天線(POD)，每種天線在衛(wèi)星前后向面板各有一個(gè)，較大的掩星天線專門用于對流層測量，它支持板載數(shù)字波束控制、以增強(qiáng)在低對流層的觀測能力；定軌天線相對于衛(wèi)星速度方向稍微向上傾斜，主要用來進(jìn)行衛(wèi)星定軌及電離層掩星探測.此外，第一批發(fā)射的6顆衛(wèi)星還攜帶由USAF資助的另外兩個(gè)空間天氣載荷，即UHF/L/S波段信標(biāo)發(fā)射機(jī)和離子速度探測儀(IVM)，分別進(jìn)行電離層閃爍與在軌離子密度與等離子體漂移速度測量(Straus and Betz, 2014).IVM將進(jìn)行在軌等離子體三維漂移速度測量，進(jìn)而可以推算電離層電場，這些電場測量將對電離層研究具有重要價(jià)值，因?yàn)榈途暫统嗟赖貐^(qū)電離層天氣的主要驅(qū)動(dòng)源即是電離層電場的變化，而頭6顆低仰角衛(wèi)星將在低緯地區(qū)提供前所未有的高時(shí)空分辨率的電場測量覆蓋.與COSMIC相比，COSMIC-2無論是在數(shù)據(jù)數(shù)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量、或是數(shù)據(jù)種類(尤其是電離層)上，都有很大改進(jìn).與COSMIC的準(zhǔn)業(yè)務(wù)化不同，COSMIC-2將完全業(yè)務(wù)化，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)延遲方面將通過增強(qiáng)地面站的數(shù)量來進(jìn)一步改進(jìn)(Fong et al., 2012).圖15左邊給出了COSMIC與COSMIC-2的軌道覆蓋比較，中間列給出的是觀測的COSMIC與模擬的COSMIC-2在3 h內(nèi)觀測的掩星事件分布，可以看到明顯的數(shù)量提高和覆蓋改進(jìn).右邊給出了一些主要參數(shù)的對比.COSMIC-2數(shù)據(jù)將由UCAR CDAAC處理并免費(fèi)發(fā)布給研究與業(yè)務(wù)單位.表3給出的是COSMIC-2將提供的空間天氣參數(shù)及對應(yīng)的精度，因?yàn)榇髿鈪?shù)與COSMIC相比無顯著變化，這里不列出.可以預(yù)期，COSMIC-2數(shù)據(jù)將對天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、與空間天氣監(jiān)測等方面發(fā)揮積極作用.Yue等(2014b)曾經(jīng)基于COSMIC-2的設(shè)計(jì)軌道做了一系列觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，評(píng)估了低傾角衛(wèi)星與高傾角衛(wèi)星、地基與空基、掩星與海洋反射等觀測資料在電離層現(xiàn)報(bào)中的相對貢獻(xiàn)，表明COSMIC-2衛(wèi)星掩星觀測對全球大中尺度電離層現(xiàn)報(bào)具有顯著的改進(jìn)作用.Yue等(2014c)詳細(xì)介紹了COSMIC-2的空間天氣觀測.

圖14　FORMOSAT-7/COSMIC-2衛(wèi)星(圖片來源：SSTL)Fig.14　FORMOSAT-7/COSMIC-2 satellite (Image Credit: SSTL)

圖15　COSMIC(上面)與COSMIC-2(下面)的相關(guān)比較：最左列：衛(wèi)星軌道覆蓋比較；中間列：掩星事件在3 h內(nèi)的全球分布；最右列：衛(wèi)星及載荷相關(guān)基本參數(shù).最左列圖片來源于NSPOFig.15　Comparison between COSMIC (up panels) and COSMIC-2 (bottom panels). Left: satellite orbits (Image Credit: NSPO); Middle: Occultation events distribution in 3 hours; Right: parameters of satellites and payloads

儀器參數(shù)觀測范圍精度TGRS絕對TEC0～2000TECU0.3TECU相對TEC0～2000TECU3TECU電子密度剖面3×1010～1013m-3小于1011m-3與20%二者中的較大值幅度閃爍(S4)0.1～1.50.1相位閃爍(σφ)0.1～20rad0.1radIVM離子密度109～5×1012m-35%離子組成0～15%離子速度軌道交叉向:±1000m·s-1;軌道方向:±1000m·s-1軌道交叉向:±5m·s-1;軌道方向:±10m·s-1RFBeacon幅度閃爍(S4)0.1～1.50.1相位閃爍(σφ)0.1～20rad0.1rad

5掩星數(shù)據(jù)處理可能改進(jìn)的方面

5.1大氣反演

5.1.1低對流層與上平流層相對較大誤差

圖16　L1 SNR(-)與多普勒(--)的高度變化個(gè)例.陰影區(qū)域是掩星探測精度較高的區(qū)域Fig.16　Straight line variation of L1 SNR (-) and L1 Doppler (--) of one COSMIC occultation. Shading area is the key accurate region of radio occultation

目前一般的掩星接收機(jī)都從～130 km高度開始進(jìn)行高頻率掩星信號(hào)采樣(也有的較低，比如Metop-A 從～80 km開始).在大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理中心(如UCAR/CDAAC)，最后處理的產(chǎn)品輸出上邊界高度一般是60 km.在低對流層，由于增強(qiáng)的大氣吸收和水汽折射的影響，掩星信號(hào)信噪比降低至噪音水平，使觀測的相位精度降低甚至不可用.在平流層上部，相位本身幅度降低之噪音水平，這里的噪音主要來源于電離層殘差、接收機(jī)熱噪音等(Sokolovskiy et al., 2010).為了形象說明這個(gè)問題，圖16給出了一個(gè)COSMIC觀測掩星的L1信噪比與剩余多普勒隨高度變化的個(gè)例.高質(zhì)量掩星觀測主要集中在8～35 km高度范圍，基于ECMWF預(yù)報(bào)系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果，這個(gè)范圍也是掩星觀測對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)改善最顯著的區(qū)域(Cardinali and Healy， 2014).

5.1.2電離層不均勻體的影響

電離層里有很多小尺度不均勻體，主要包括發(fā)生在赤道和高緯度地區(qū)的擴(kuò)展F層及全球均可能發(fā)生但以中緯度地區(qū)夏季為主的擴(kuò)展E層.這些不均勻體會(huì)造成掩星信號(hào)幅度和相位的閃爍、甚至某些特殊的結(jié)構(gòu).如 Zeng和Sokolovskiy(2010)就曾通過模擬和實(shí)測的方式證明了擴(kuò)展E層能造成掩星信號(hào)呈現(xiàn)U形.在利用彎曲角線性組合去除電離層影響時(shí)，這些小尺度不均勻體的影響不能完全消除，體現(xiàn)在彎曲角的擾動(dòng)和偏差，進(jìn)而造成后續(xù)折射率、溫度、水汽等反演參數(shù)的擾動(dòng)和誤差.作為個(gè)例，圖17給出了存在擴(kuò)展E層和F層不均勻體的情況下計(jì)算的彎曲角.在擴(kuò)展E層個(gè)例中，SNR顯示存在擴(kuò)展E層，對應(yīng)的彎曲角在相同高度有較大的附加彎曲，經(jīng)過線性組合后，存在顯著的電離層殘差，且幅度遠(yuǎn)大于背景大氣彎曲；在F層閃爍個(gè)例中，從左邊的信噪比看，這是一個(gè)典型的由于F層不均勻體造成的信噪比在整個(gè)剖面的閃爍個(gè)例，兩個(gè)頻率的彎曲角都呈現(xiàn)出閃爍特征，經(jīng)過線性組合后，雖然電離層大部分影響被消除，小尺度變化依然存在.這些小尺度變化幅度已經(jīng)超過背景中性大氣彎曲，會(huì)給反演造成較大誤差.已有的研究表明，盡管這些小尺度不均勻體造成的殘差要遠(yuǎn)比大尺度電離層殘差(下面一節(jié)將要闡述)大(約100～1000倍)，但是他們不會(huì)造成系統(tǒng)偏差，即不會(huì)對基于掩星資料的氣候?qū)W研究產(chǎn)生影響(Verkhoglyadovaet al., 2014b).但是就單個(gè)剖面而言，影響不可忽略，嚴(yán)重影響了在上平流層及以上的反演精度.圖18非常清楚地給出了電離層不均勻體對大氣反演彎曲角的影響.左邊給出的是COSMIC觀測全球Es的分布，右邊給出的則是中性大氣彎曲角在60～80 km高度范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這個(gè)基本可以代表小尺度電離層不均勻體的殘差.可以看到在中緯地區(qū)，這個(gè)殘差跟Es的分布完全一致，說明在中緯地區(qū)Es的影響是主要的；我們也看了不同季節(jié)的分布，二者的季節(jié)演化是完全一致的.在赤道地區(qū)我們也可以看到彎曲角殘差有一個(gè)增強(qiáng)，但沒有中緯地區(qū)顯著，這個(gè)可能是由于赤道地區(qū)電離層不均勻體引起的.在高緯地區(qū)，彎曲角殘差比較大，可能是Es與高緯F層不均勻體共同影響的結(jié)果.

圖17　存在擴(kuò)展E層(a)和F層不均勻體(b)時(shí)對應(yīng)的信噪比和彎曲角個(gè)例：左邊：L1 SNR；右邊：相應(yīng)的L1(--)/L2(-.)彎曲角及線性組合后的中性大氣彎曲角(-).兩個(gè)個(gè)例均來自COSMIC觀測Fig.17　Example of occultations with sporadic E (a) and F region scintillation (b) occurrence. Left: L1 SNR; Right: bending angle of L1 (--), L2 (-.), and ionosphere free atmosphere (-). Both examples are observed by COSMIC

圖18　COSMIC觀測全球Es分布(a)及彎曲角在60～80 km高度區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差的分布(b).(a)中利用90～110 km高度范圍內(nèi)的平均S4指數(shù)表征Es，鑲嵌的線及上面的數(shù)字表示水平地磁場強(qiáng)度(高斯)Fig.18　COSMIC observed global sporadic E occurrence (a, mean S4 index between 90～110 km altitude, imbeded line and number represents the horizontal intensity of geomagnetic field in Gauss calculated by IGRF) and the standard deviation of bending angle during 60～80 altitude range (b)

5.1.3中性大氣反演中電離層大尺度殘差

目前的反演算法中，一般是利用電離層的色散特性進(jìn)行雙頻觀測的線性組合來消除電離層的附加時(shí)延，研究表明彎曲角的線性組合比剩余相位的線性組合要更精確(Syndergaard, 2000).但是這種線性組合不能完全或者說準(zhǔn)確地消除電離層效應(yīng)，剩下的部分統(tǒng)稱為大尺度電離層殘差.電離層殘差主要是由于以下一些原因造成(Mannucci et al., 2011)：

(1) L1與L2射線經(jīng)過的路徑略有不同，盡管在做彎曲角線性組合的時(shí)候已經(jīng)把兩頻段結(jié)果插值到相同的碰撞高度上，這只能減少、但不能完全消除路徑不同造成的殘差.

(2) 在計(jì)算彎曲角的時(shí)候，一個(gè)基本的假設(shè)是LEO高度與GPS高度的折射率為1.由于GPS一般在2 萬多公里的高度，接近于真空狀態(tài)，這個(gè)假設(shè)基本不會(huì)造成誤差，但是在LEO高度，尤其是太陽活動(dòng)高年的白天，如果軌道再偏低(如CHAMP的400 km高度)，這個(gè)假設(shè)誤差就比較大，盡管做了線性組合能去掉大部分，卻殘存一個(gè)二階誤差.圖19給出了基于全三維射線追蹤程序和IRI經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M的這個(gè)假設(shè)對L1頻段彎曲角的影響.基本設(shè)定是：電離層是球?qū)ΨQ，LEO衛(wèi)星高度取400 km與800 km兩種情況，太陽活動(dòng)水平取高中低三種情況.對每種情況分別做射線追蹤，利用模擬的相位計(jì)算彎曲角，計(jì)算彎曲角的時(shí)候分別采用這個(gè)假設(shè)及不采用(LEO軌道折射率直接由模式給出)這個(gè)假設(shè)，二者的差表征該假設(shè)的影響.由圖可以看出，太陽活動(dòng)高年比低年顯著、低LEO軌道比高LEO軌道顯著.在太陽活動(dòng)高年400 km高度(如CHAMP衛(wèi)星)，這個(gè)假設(shè)對彎曲角的影響可以達(dá)-40 urad，盡管在線性組合中這個(gè)影響的大部分會(huì)去掉，但會(huì)有一個(gè)二階殘差.

(3) 等離子對無線電波的影響除了跟頻率成平方反比關(guān)系的線性項(xiàng)外，還有跟地磁場有關(guān)的高階項(xiàng)，盡管這些高階項(xiàng)相對于線性項(xiàng)的比例大概是0.1%，他們依然會(huì)造成一個(gè)系統(tǒng)偏差.

以上幾個(gè)因素中，(1)是最主要的大尺度電離層殘差來源，(3)相對貢獻(xiàn)較小.大尺度殘差與背景電離層的離化強(qiáng)度與不對稱性都有很大關(guān)系，電離層E層與F層都會(huì)造成大尺度殘差，由于這個(gè)殘差幅度很小，對掩星在天氣學(xué)上的應(yīng)用沒有影響.由于電離層離化有顯著的太陽活動(dòng)、周日變化等特性，會(huì)造成相應(yīng)的大尺度殘差的變化，使得利用掩星觀測研究大氣的氣候?qū)W特征精度降低.為了形象地展示大尺度電離層殘差對掩星氣候?qū)W的影響，圖20給出了在2002—2013年間CHAMP與COSMIC掩星觀測電離層峰值電子密度(NmF2)及對應(yīng)的大氣掩星觀測的彎曲角與NCAR氣候?qū)W模式在60～80 km的平均偏差的磁地方時(shí)和磁緯度的分布.這里彎曲角的偏差可以看作是真正的大氣氣候?qū)W和電離層殘差的綜合效應(yīng).可以看到，彎曲角偏差有著與背景電離層相似的變化特征，如：白天比晚上高；太陽活動(dòng)高年(2002,2013)比太陽活動(dòng)低年(2008,2009)高；低緯比中緯高.盡管60～80 km高度范圍的氣候變化并不是目前氣候?qū)W的重點(diǎn)，但是這個(gè)電離層殘差是存在于整個(gè)掩星剖面的，因此當(dāng)我們利用掩星資料研究對流層和平流層的氣候?qū)W變化(彎曲角、折射率、溫度等)時(shí)，就會(huì)受到這個(gè)電離層殘差的影響.除了太陽活動(dòng)依賴外，由于受到溫室氣體的影響及地球磁場的變化(如磁極的移動(dòng)、主磁場的西飄等)電離層本身也具備更長時(shí)間尺度的長期變化趨勢(Yue et al., 2008).如果電離層殘差不完全去掉，所分析的對流層、平流層的氣候變化將受電離層長期變化趨勢、電離層太陽活動(dòng)變化、周日變化及緯度變化等的顯著影響，造成虛假的氣候?qū)W特征及相應(yīng)的分布.目前有一部分人著手進(jìn)行這方面的研究，但所提方法只是減少了電離層的殘差影響，對氣候?qū)W的影響依然存在(Danzer et al., 2013, Yue et al., 2014a).

圖19　(a) 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫娮用芏绕拭嬖谌N太陽活動(dòng)下的變化； (b) 對應(yīng)于左邊的電子密度，由于n=1假設(shè)造成的L1彎曲角誤差在LEO=400(虛線)與LEO=800 km(實(shí)線)的情況Fig.19　(a) Electron density profile calculated by empirical model under three solar activity levels; (b) L1 bending angle error due to n=1 assumption when LEO satellite is in 400 km (--) and 800 km (-) altitude corresponding to three electron density profiles in the left

5.2電離層反演

電離層數(shù)據(jù)反演需要改進(jìn)的方面包括：

(1) Yue等(2011a)詳細(xì)介紹了LEO觀測的斜 TEC的處理過程及誤差源，總體來說，TEC的精度在2～3 TECU，跟接收機(jī)及衛(wèi)星平臺(tái)有關(guān)系.因?yàn)橐话阊谛荰EC能到幾百或者上千TECU，這個(gè)精度相對已經(jīng)很高了.但是，對于較高軌道的接收機(jī)來說(比如～800 km高的COSMIC衛(wèi)星)，衛(wèi)星頂部的TEC通常也就在幾個(gè)TECU的量級(jí)，這個(gè)精度就限制了利用這些數(shù)據(jù)研究頂部電離層和等離子體層的能力.如何進(jìn)一步通過硬件的改進(jìn)和計(jì)算方法的改進(jìn)提高TEC的精度比較重要.尤其是未來大量的TEC觀測(參見表4)，使得對全球電離層進(jìn)行四維成像成為可能，TEC精度提高尤為重要.

圖20　磁地方時(shí)-磁緯度變化： (a) 無線電掩星觀測的峰值電子密度(NmF2,2002—2005是CHAMP值，2006—2013是COSMI值)； (b) 掩星反演彎曲角與NCAR氣候?qū)W在60～80 km高度偏差的平均值. 從上到下是2002—2013年的結(jié)果. 為了更好地展示結(jié)果，這里彎曲角偏差乘了一個(gè)-1的因子Fig.20　MLT-MLat variations of radio occultation observed NmF2 (a) and the mean bending angle deviation of radio occultation retrieval from the NCAR climate during 60～80 km (b). The results during 2002—2005 are observed by CHAMP and during 2006—2013 are observed by COSMIC. From top to bottom are for years from 2002—2013. For comparison purpose, the bending angle in the right panels are multiplied by a factor of -1

注：這里收集的主要來源于相關(guān)的文章、報(bào)告、會(huì)議文集、WMO OSCAR網(wǎng)站(http:∥www.wmo-sat.info/oscar/)及一些合作交流等.更詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)參見第3次IROWG會(huì)議文檔(http:∥irowg.org/wpcms/wp-content/uploads/2013/12/Status_Global_Observing_System_for_RO.pdf).

(2) 做電離層電子密度剖面Abel反演時(shí)，基于球?qū)ΨQ假設(shè)，所反演的電子密度實(shí)際上是整個(gè)掩星區(qū)域的平均值，當(dāng)把反演結(jié)果分配到掩星切點(diǎn)處，由于電離層水平梯度的存在，會(huì)造成系統(tǒng)偏差.簡單理解，反演會(huì)對原始電子密度結(jié)果做大尺度平滑，造成高值處低估、低值處高估.具體來說，在頂部，會(huì)造成剖面形狀的失真，這點(diǎn)無論是觀測還是模擬都可以證實(shí)(Yue et al., 2011b)；在底部，會(huì)在低緯和赤道地區(qū)造成較大偏差，有時(shí)候甚至負(fù)值，產(chǎn)生虛假的等離子體空洞及低高度緯向多峰結(jié)構(gòu)(Lei et al., 2010, Yue et al., 2010a, 2012c)；在高緯，反演結(jié)果會(huì)平滑極光橢圓帶由于高能粒子沉降造成的120 km高度的離化增強(qiáng)(Yue et al., 2013c).總體來說，在峰值密度處具有較高的精度，峰值密度和高度的精度在15%與20 km的幅度(Yue et al., 2010a).Yue等(2013a)曾經(jīng)對這些誤差進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié).作為示例，圖21給出了利用模式模擬得到的Aebl反演在低緯與赤道地區(qū)的反演誤差分布，可以看到反演造成的虛假的等離子體空洞(Yue et al., 2010a)，具體請參見Yue等(2010a).盡管有很多辦法提出來用來改進(jìn)Abel反演，如模式約束的數(shù)據(jù)同化(Yue et al., 2011c, 2012b)、其他觀測輔助反演(Yue et al., 2013b)等，但考慮到數(shù)據(jù)的獨(dú)立性和處理的可行性，這些方法并不能取代Abel反演法.但是隨著未來數(shù)據(jù)的急劇增多，基于數(shù)據(jù)同化的辦法給出全球精確的電子密度將成為可能，至少在掩星切點(diǎn)處的電子密度將得到改善，因?yàn)槎嘤^測本身已經(jīng)可以提供電離層水平梯度信息(Yue et al., 2012a, 2012b).Guo等(2015)提出的利用掩星觀測電子密度剖面本身構(gòu)建電離層氣候?qū)W背景進(jìn)而輔助Abel反演，并通過迭代的方式逐步減少Abel反演誤差，是一種既不喪失數(shù)據(jù)獨(dú)立性，也可以統(tǒng)計(jì)意義上減少Abel反演偏差的有效方法.

(3) 除電子密度外，掩星探測另外一個(gè)重要的空間天氣觀測就是關(guān)于電離層不均勻體的信息，包括擴(kuò)展F與擴(kuò)展E層等，主要以閃爍指數(shù)的形式(包括幅度閃爍和相位閃爍).但是，由于掩星探測是整個(gè)路徑的積分值，無法準(zhǔn)確判斷這些不均勻體的具體位置(Yue et al., 2015a; Zeng and Sokolovskiy, 2010).雖然統(tǒng)計(jì)上來看，把這些不均勻體分配到切點(diǎn)高度是成立的，但對單個(gè)個(gè)例并不屬實(shí).發(fā)展可靠的辦法來確定這些不均勻體的具體位置對提升掩星觀測的價(jià)值意義重大，尤其是當(dāng)觀測量足夠時(shí)，對全球不均勻體進(jìn)行成像將成為可能.目前已發(fā)展了一些方法，如基于信號(hào)后向傳播算法等(Sokolovskiy et al., 2002)，但需要進(jìn)一步檢驗(yàn).

6未來展望

6.1多源/多波段信號(hào)

除了目前已經(jīng)完成全球覆蓋的GPS與GLONASS系統(tǒng)信號(hào)可以作為掩星信號(hào)源外，還有即將完成全球覆蓋的中國北斗和正在建設(shè)中的歐洲伽里略計(jì)劃可以使用，加上正在發(fā)展的印度(IRNSS)和日本(QZSS)的區(qū)域定位系統(tǒng)，未來總共可供利用的掩星信號(hào)源衛(wèi)星可達(dá)130多顆(Petrovski， 2014).對多源掩星接收機(jī)，這將極大地增強(qiáng)掩星事件的觀測密度.同時(shí)，一些新信號(hào)源的出現(xiàn)，能在一定程度上提高掩星數(shù)據(jù)反演結(jié)果的精度，如： (1) 一般接收機(jī)主要接收L1C/A(開放信號(hào))與L2P(加密信號(hào))兩個(gè)波段的信號(hào)， 以方便進(jìn)行電離層校正.其中對L2P的觀測主要采用在L1C/A輔助基礎(chǔ)上的半無碼跟蹤技術(shù)，這導(dǎo)致觀測的L2P信噪比(SNR)比較低，同時(shí)在有電離層不均勻體時(shí)不確定性變大；在低對流層，為了提高觀測質(zhì)量，一般采用開環(huán)跟蹤(OL)而不是常用的鎖相環(huán)(PLL)跟蹤技術(shù)，導(dǎo)致無L2P觀測，對電離層的校正需要采用從上面鎖相環(huán)跟蹤時(shí)候的結(jié)果外插.這兩者都一定程度上減少了反演數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量.但是，從2005年開始發(fā)射的GPS衛(wèi)星在L2波段新增加了一個(gè)民用碼L2C.觀測顯示L2C有與L1C/A相當(dāng)、甚至更高的信噪比與穩(wěn)定性，對L2C掩星信號(hào)的觀測與處理可以增加掩星反演的數(shù)量和質(zhì)量、減少電離層噪音.對L2C的跟蹤原理及對掩星反演的改進(jìn)詳情請參見Meehan等(2008)與Sokolovskiy等(2014a).此外，未來GPS也可能廣播更多頻率的民用信號(hào)(如L5)，都可能對提高掩星數(shù)據(jù)精度有幫助.(2) 除了L波段外，未來Galileo也可能廣播S波段與C波段的信號(hào)，這些更高頻率的信號(hào)將對電離層殘差的校正有相當(dāng)大的幫助，同時(shí)，通過多頻率信號(hào)組合的方式，也可以減少線性組合時(shí)由于誤差放大造成的精度降低(Syndergaard and Larsen, 2011).

圖21　(a) 模擬的電子密度真實(shí)值； (b) Abel反演的值； (c) Abel反演絕對誤差； (d) Abel反演相對誤差Fig.21　(a) Modeled realistic electron density (105/cm3); (b) Abel retrieved electron density;(c) Absolute Abel error; (d) Relative Abel error

6.2多衛(wèi)星海量探測數(shù)據(jù)

如前所述，隨著掩星觀測數(shù)據(jù)的不斷增加，尤其是COSMIC項(xiàng)目的進(jìn)行，掩星觀測已經(jīng)在短中長期天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、和空間天氣監(jiān)測方面顯示出重要的價(jià)值.加上掩星載荷的低性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)，使得它可以搭載在從幾十公斤的微小衛(wèi)星到幾千公斤的高精度衛(wèi)星等不同衛(wèi)星平臺(tái)上.除了前面已經(jīng)介紹的COSMIC-2計(jì)劃外，越來越多的國家、地區(qū)、和組織在計(jì)劃他們的下一代天氣、氣候、對地遙感、空間天氣等低軌衛(wèi)星時(shí)，都考慮增加掩星載荷(Jin et al., 2014).表4列出了目前已知的將要(可能)搭載掩星接收機(jī)的10余個(gè)計(jì)劃總計(jì)46顆衛(wèi)星及實(shí)施機(jī)構(gòu)和大致發(fā)射日期.其中的PAZ項(xiàng)目將首次進(jìn)行GNSS掩星信號(hào)的極化測量來探測暴雨事件(Cardellach et al., 2010).可以預(yù)期：不斷提高的數(shù)據(jù)質(zhì)量和增加的數(shù)據(jù)數(shù)量，將對天氣預(yù)報(bào)、氣候研究和空間天氣應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.

7結(jié)論

本文以COSMIC與COSMIC-2項(xiàng)目為主線，對基于GNSS信號(hào)的無線電掩星技術(shù)進(jìn)行了簡單綜述，主要內(nèi)容包括：GNSS無線電掩星數(shù)據(jù)反演要點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)及未來展望；目前已經(jīng)發(fā)射的及將來可能發(fā)射的攜帶GNSS掩星載荷的衛(wèi)星項(xiàng)目；COSMIC掩星資料在氣候與全球變化和電離層與空間天氣中的應(yīng)用舉例.可以預(yù)期，將來不斷增多的無線電信號(hào)源和掩星衛(wèi)星項(xiàng)目，將產(chǎn)生海量的掩星觀測，掩星技術(shù)將在氣象預(yù)報(bào)、氣候與全球變化研究、和空間天氣監(jiān)測方面發(fā)揮更強(qiáng)更大的作用.

我國目前已經(jīng)計(jì)劃的風(fēng)云3號(hào)系列5顆(FY3C-FY3G)低地球軌道極軌衛(wèi)星將進(jìn)行大氣層和電離層掩星探測(Bi et al.,2012).第一顆衛(wèi)星FY3C已經(jīng)于2013年9月發(fā)射，搭載可以同時(shí)測量GPS與北斗掩星信號(hào)的掩星接收機(jī)(Bai et al., 2014).已經(jīng)立項(xiàng)的地震電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星將進(jìn)行以電離層為主的掩星探測(Shen,2014).

附錄部分機(jī)構(gòu)及術(shù)語縮寫全稱

ACRCSS: Australian Cooperative Research Centre for Satellite Systems

AFRL: Air Force Research Laboratory

ASI: Italian Space Agency

BRE：BroadReach EngineeringCALIOP: The Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal PolarizationC/NOFS：Communications/Navigation Outage Forecasting SystemCDAAC: COSMIC Data Analysis and Archive CenterCEA: China Earthquake Administration

CHAMP: Challenging Minisatellite Payload

CICERO：Community Initiative for Continuing Earth Radio OccultationCLARREO: Climate Absolute Radiance and Refractivity Observatory CMA： China Meteorological Administration

CNES: Centre National d′Etudes Spatiales

CNSA ：China National Space AdministrationCONAE：Comisión Nacional de Actividades EspacialesCORISS: the C/NOFS Occultation Receiver for Ionospheric Sensing and Specification

COSMIC: Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate

DLR: German Aerospace Center

EADS: European Aeronautic Defence and Space Company

ECMWF：European Centre for Medium-Range Weather Forecasts

ESA: European Space AgencyESEM: Experimental Satellite on Electromagnetism MonitoringEUMESAT: European Organisation for the Exploitation of Meteorological SatellitesFY3C: Feng-Yun satellite series 3C

GFZ： GeoForschungsZentrumGLONASS：“Globalnaya navigatsionnaya sputnikovaya sistema” or “Global Navigation Satellite System”GPS： Global Positioning System

GPS/MET: GPS/MeteorologyGRACE: Gravity Recovery And Climate ExperimentGRAS: Global Navigation Satellite System Receiver for Atmospheric SoundingGNOS：GNSS Occultation Sounder

GNSS: Global Navigation Satellite System

IGOR: Integrated GPS Occultation Receiver

IGS：International GNSS Service

IRI： International Reference IonosphereIRNSS：Indian Regional Navigation Satellite SystemIROWG：International Radio Occultation Working Group

ISRO: Indian Space Research Organization

IVM: Ion Velocity Meter

JASON：Joint Altimetry Satellite Oceanography Network

JASON-CS：JASON Continuity of Service

JPL: Jet Propulsion Laboratory

KARI: Korea Aerospace Research Institute

KOMPSAT-5: Korean Multi-purpose Satellite 5

LEO：Low Earth OrbitMetOp: Meteorological Operational Satellite Program of EuropeMetOp-SG: MetOp Second Generation

MJO: Madden-Julian OscillationNASA：National Aeronautics and Space AdministrationNCAR：National Center for Atmospheric ResearchNCEP: National Centers for Environmental PredictionNOAA: National Oceanic and Atmospheric AdministrationNOX：Navigation and Occultation eXperiment

NSF：National Science Foundation

NSPO: National SPace Organization of Taiwan

OL：Open Loop

OSC：Orbital Sciences CorporationOSCAR：Observing Systems Capability Analysis and Review ToolPLL：Phase Locked Loop

POD: Precise Orbit Determination

QBO: Quasi-Biennial Oscillation

QZSS: Quasi-Zenith Satellite System

RO： Radio Occultation

ROSA： Radio Occultation Sounder for Atmosphere RosHydroMet: Russian Federal Service for Hydrometorology and Environmental MonitoringSAC-C：Scientific Application Satellite-C

SAC-D：Scientific Application Satellite-D

SAR: Synthetic-Aperture Radar

SNR：Signal-to-Noise Ratio

SSM/I : The Special Sensor Microwave Imager

SSTL： Surrey Satellite Technology Ltd

SSW: Stratosphere Sudden Warming

SUNSAT: Stellenbosch UNiversity SATelliteTanDEM-X: TerraSAR-X add-on for Digital Elevation MeasurementTBD：To Be Determined

TBB：Tri-Band-Beacon

TEC： Total Electron Content

TECU: TEC Unit

TET-1：Technologie-Erprobungs-Tr?ger 1

TerraSAR-X: X-band TerraSAR

TGRS：TriG GNSS Radio-occultation SystemTIEGCM: Thermosphere Ionosphere Electrodynamics General Circulation ModelTIP：Tiny Ionosphere Photometer

TRMM: Tropical Rainfall Measuring Mission

TSX-NG: TerraSAR-X Next Generation

TTL: Tropical Tropopause Layer

UCAR: University Corporation for Atmospheric Research

UHF：Ultra High Frequency

USAF: United States Air ForceUTLS: Upper Troposphere and Lower StratosphereWMO：World Meteorological Organization

WRF: Weather Research and Forecast

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(本文編輯胡素芳)

GNSS radio occultation technique for near-Earth space environment detection

YUE Xin-An1,2， GUO Ying-Hua2, ZENG Zhen2, WAN Wei-Xing1

1InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences，Beijing100029,China2COSMICProgramOffice,UniversityCorporationforAtmosphericResearch,Boulder,CO80301,USA

AbstractSince the GPS/MET mission, Global Navigation Satellite System (GNSS) based radio occultation (RO) technique has been a powerful technique to detect the near Earth′s space environment. Up to date, there has been more than 20 launched low Earth orbit satellites equipped with GPS RO receiver, with COSMIC was the first constellation dedicated for RO. These RO data are widely used in numerical weather prediction, climate and global change, and space weather monitoring and ionospheric research. With the success of COSMIC, the corresponding partners are moving forward with a follow-on RO mission, named COSMIC-2, which will ultimately place 12 satellites in orbit with two launches approximately in 2016 and 2019, respectively. Each COSMIC-2 satellite will carry an advanced GNSS RO receiver that will track both GPS and GLONASS signals, with capability for eventually tracking other GNSS signals from such as the Chinese BeiDou and European Galileo system, as well as two secondary space weather payloads to enhance space weather monitoring. COSMIC-2 will provide 4～6 times the number of atmospheric and ionospheric observations that were tracked with COSMIC. In this article we will focus on COSMIC/COSMIC-2, discuss the history of RO and some key technique issue,and review some scientific achievements. In addition, we will look into the future of RO technique including technique improvement and multiple RO missions of opportunity.

KeywordsGNSS； Radio occultation； COSMIC； Space weather； Climate and global change

基金項(xiàng)目COSMIC與COSMIC-2受NSF、NSPO、NOAA、NASA、USAF聯(lián)合資助. 中組部青年千人計(jì)劃資助.

作者簡介樂新安,男,1981年生,研究員，現(xiàn)主要從事GPS/無線電掩星技術(shù)、電離層及空間天氣、數(shù)據(jù)同化等研究.

doi:10.6038/cjg20160401 中圖分類號(hào)P353，P423

收稿日期2015-04-09，2015-07-09收修定稿

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