利用GPS掩星探测全球对流层顶结构变化的研究

对流层顶状态直接影响到大气圈层的各种天气现象和气候演变。对全球对流层顶结构及其时空变化的研究对于我们了解穿越对流层顶的水汽、质量和化学物质交换及其对全球气候和生态环境的影响有着重要意义。GPS掩星观测数据具有高垂直分辨率、全球分布、无需仪器校正及长期稳定等优点，是对流层顶观测的理想资料。由GPS掩星温度廓线出发确定对流层顶高度的传统方法受到了由弯曲角廓线到温度廓线反演过程中各种大气假设的影响。本课题的重点就是通过数值模拟和实际计算，提出一种由GPS掩星弯曲角廓线出发研究对流层顶高度及结构的新方法，充分发挥掩星资料在地球大气对流层顶研究中的潜力。在此基础上，利用近十年来CHAMP、COSMIC等掩星任务的观测资料对全球对流层顶的结构和时空分布进行分析，并给出相应的物理解释。

对流层顶状态直接影响到地球大气圈层的各种天气现象和气候演变，GPS无线电掩星技术的发展为地球大气对流层顶结构变化的研究提供了丰富的观测资料。由掩星温度廓线出发确定对流层顶高度的传统研究手段可能导致相关结果受到各种温度反演误差的影响。本项目旨在提出直接由掩星弯曲角廓线出发确定对流层顶高度的方法，利用实测GPS掩星资料对近年来全球和局域对流层的结构和时空变化规律进行分析，并给出相应的物理解释。项目实施过程中主要完成了如下工作：收集整理了近年来COSMIC和CHAMP等掩星任务的观测数据、全球无线电探空数据及大气模式资料。分不同纬度带、季节和高度区间对GPS掩星大气参数廓线的精度进行了验证，为利用GPS掩星资料进行对流层顶结构提供了依据。探讨了利用GPS掩星产品构建全球大气折射指数模型可行性。对由GPS掩星温度廓线出发确定CPT及LRT对流层顶高度的方法进行了研究，并联合利用COSMIC和CHAMP的观测资料对全球和中国区域的CPT及LRT对流层顶时空变化特性进行了分析讨论。在对GPS掩星弯曲角廓线的特性进行分析的基础上，提出了两种由掩星弯曲角廓线出发确定对流层顶高度的方法，包括弯曲角梯度法和弯曲角自然对数协方差变化法，分别对这两种方法的数学模型进行了深入研究并编制完成了相应的程序模块。基于大量实测掩星和探空资料对各种由GPS掩星廓线确定对流层顶高度的方法进行了比较，指出了弯曲角自然对数协方差变化法最为稳定有效。对全球和区域对流层顶结构及其时空变化的分析方法进行了深入研究。利用COSMIC任务近5年来的观测资料，基于弯曲角自然对数协方差变化法确定每条掩星廓线对应的对流层顶高度、温度与气压，在此基础上分别采用不同方法对全球和中国区域对流层顶的时空变化进行了分析。并对各对流层顶参数的变化趋势进行了讨论，给出了相应的物理解释。研究成果丰富了GPS掩星数据在对流层顶结构探测应用中的理论与方法，增进了对全球和区域对流层顶结构变化的认识。