利用全球探空站背景場資料分析不同掩星數(shù)據(jù)偏差特性*

張秋昭，王耀興，沈 震

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院， 江蘇 徐州 221116;2. 中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116)

20世紀(jì)90年代，GPS掩星技術(shù)首次應(yīng)用于地球大氣探測(cè)。該技術(shù)將無線電信號(hào)由GPS衛(wèi)星向低軌 (Low Earth Orbit, LEO)衛(wèi)星傳送過程中由于受地球大氣干擾，其傳播路徑呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。掩星剖面切點(diǎn)高度垂直覆蓋范圍是由地面至LEO高度，故GPS掩星技術(shù)作為一種探測(cè)覆蓋面廣且均勻的新興大氣探測(cè)技術(shù)，可提供全球規(guī)模高垂直分辨率和高精度的大氣廓線，其探測(cè)數(shù)據(jù)已廣泛用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和空間氣候監(jiān)測(cè)多領(lǐng)域研究[1-8]。

為驗(yàn)證掩星技術(shù)的可行性，20世紀(jì)90年代初，美國率先發(fā)射了首顆搭載掩星接收機(jī)平臺(tái)的Microlab-1衛(wèi)星，成功開展掩星探測(cè)實(shí)驗(yàn)[9]。經(jīng)解算發(fā)現(xiàn)， GPS/氣象(METeorology, MET)掩星技術(shù)探測(cè)溫度偏差低于0.5 K，均方根偏差小于1.5 K，掩星探測(cè)技術(shù)實(shí)用價(jià)值得到了初步驗(yàn)證，具有重大科學(xué)意義。繼此后，陸續(xù)有諸多掩星計(jì)劃得以開展，包括丹麥Orsted、南非Sunsat、德國CHAMP、阿根廷SAC-C、德美聯(lián)合GRACE、澳大利亞FedSat、巴西EQUARS、歐洲MetOp與ACE+、我國臺(tái)灣地區(qū)和美國聯(lián)合發(fā)射的氣象、電離層和氣候星座探測(cè)系統(tǒng)(Constellation Observing System for the Meteorology, Ionosphere, and Climate， COSMIC)以及我國Feng-Yun3C掩星計(jì)劃。由于眾多掩星計(jì)劃可在全球范圍內(nèi)提供充足的數(shù)據(jù)文件，從而有效支撐了掩星技術(shù)可行性驗(yàn)證研究[10]。

國外諸多學(xué)者利用不同掩星數(shù)據(jù)，基于全球探空站背景場資料 (Integrated Global Radiosonde Archive, IGRA)展開了大量的研究工作。Ware等對(duì)GPS/MET實(shí)驗(yàn)資料開展評(píng)估分析，結(jié)果表明，從地面到40 km高度層探測(cè)溫度平均偏差約為1 K[11]。Fu等以整年35個(gè)分布在澳大利亞和南極的探空站資料為參考基準(zhǔn)，對(duì)COSMIC掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同地理環(huán)境的質(zhì)量評(píng)估，分析發(fā)現(xiàn)，掩星數(shù)據(jù)反演結(jié)果跟背景場資料高度擬合，無線電掩星技術(shù)可靠性得以驗(yàn)證[12]。Sun等比較分析了IGRA和COSMIC大氣剖面資料的偏差特性，量化分析得到兩種資料在赤道和南半球高緯度帶地區(qū)濕溫廓線質(zhì)量相對(duì)不穩(wěn)定，存在離散點(diǎn)大偏差，但在北半球高緯度帶和中緯度帶地區(qū)擬合性較好[13]。He等以多類型無線電探空儀數(shù)據(jù)為背景場資料，評(píng)估分析了COSMIC掩星數(shù)據(jù)在對(duì)流層上部和平流層下部的探測(cè)偏差，分析表明COSMIC掩星數(shù)據(jù)與Vaisala-RS92、上海無線電探空儀溫度測(cè)量結(jié)果一致，均值差異趨向于零[14]。Kishore將COSMIC/FORMOSAT-3掩星資料與IGRA作比對(duì)，發(fā)現(xiàn)掩星濕溫廓線資料與探空探測(cè)值偏差可基本忽略[15]。

文獻(xiàn)[16-19]均對(duì)無線電探空儀資料與掩星數(shù)據(jù)探測(cè)值的良好擬合性進(jìn)行了驗(yàn)證。然而，當(dāng)前研究中僅對(duì)代表性掩星數(shù)據(jù)作了評(píng)估工作，而對(duì)不同掩星數(shù)據(jù)之間的偏差特性研究尚且較少。因此，以IGRA作為參考值，對(duì)不同掩星計(jì)劃的濕溫廓線產(chǎn)品數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)分析，探究不同掩星數(shù)據(jù)偏差特性，為掩星大氣產(chǎn)品多領(lǐng)域科學(xué)的應(yīng)用研究提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)來源

本研究參考值資料下載自IGRA網(wǎng)站(https://www1.ncdc.noaa.gov/)，共收集了中國區(qū)域分布的97個(gè)無線電探空站資料。

論文評(píng)估了2018—2019年的中國區(qū)域掩星數(shù)據(jù)。各類掩星wetPrf資料分別為MetOp-B、TerraSar-X、KOMPSAT5、COSMIC、PAZ和MetOp-A，數(shù)據(jù)均下載自CDAAC歸檔中心 (http://cosmic-io.cosmic.ucar.edu/cdaac/)，該資料記錄了不同垂直高度層的大氣參數(shù)，分別包含海拔高度、濕度、溫度和折射率等，垂直探測(cè)范圍為0～40 km，垂直分辨率為100 m。表1注明了不同掩星計(jì)劃的數(shù)據(jù)概況。

表1 不同掩星計(jì)劃規(guī)格參數(shù)概況

由于掩星探測(cè)不受空間、天氣等因素影響，可實(shí)現(xiàn)全球全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)無線電探空儀分布站點(diǎn)局限于內(nèi)陸板塊，掩星的探測(cè)范圍可延拓至大陸及海岸線、廣大海域等范圍。

2 比較方案

2.1 時(shí)空匹配

采用高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)空匹配準(zhǔn)則，將兩種資料水平距離限制為100 km，時(shí)間窗口設(shè)為1 h[20]。基于IGRA，經(jīng)有效配準(zhǔn)后，比對(duì)統(tǒng)計(jì)同時(shí)期在選定經(jīng)緯度和時(shí)間范圍內(nèi)的不同掩星廓線資料，旨在探究不同掩星數(shù)據(jù)的偏差特性。

2.2 統(tǒng)計(jì)評(píng)估

由于IGRA傳統(tǒng)無線電探空儀大氣參數(shù)探測(cè)值以位勢(shì)高度為基準(zhǔn)記錄，而GPS掩星探測(cè)技術(shù)基于海拔高度記錄觀測(cè)值。為統(tǒng)一參考基準(zhǔn)，需對(duì)探空資料進(jìn)行高度換算，即通過式(1)、式(2)將探空位勢(shì)高度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的海拔高度。

(1)

式中：φ是探空站點(diǎn)對(duì)應(yīng)緯度；Re(φ)是探空站點(diǎn)對(duì)應(yīng)緯度地區(qū)的地球半徑，單位為km。

(2)

式中：hgeopotential是位勢(shì)高度，Hgeometric是海拔高度，單位均為km。鑒于GPS掩星技術(shù)垂直分辨率高，而IGRA傳統(tǒng)探空數(shù)據(jù)分辨率較低，經(jīng)式(3)可將掩星數(shù)據(jù)和IGRA均進(jìn)行分段線性插值，內(nèi)插至以0.2 km為間隔的0.2～30 km垂直高度處，統(tǒng)計(jì)各插值高度層對(duì)應(yīng)溫度的平均偏差ΔT，解算函數(shù)為式(4)。

(3)

ΔT(v,m)=TwetPrf(v,m)-Tradiosonde(v,m)

(4)

式(4)中：ΔT(v,m)是溫度平均偏差；TwetPrf(v,m)和Tradiosonde(v,m)為IGRA和眾多掩星計(jì)劃數(shù)據(jù)在各插值高度層的溫度探測(cè)值；v是插值高度層；m是探測(cè)數(shù)據(jù)組匹配樣本數(shù)。統(tǒng)計(jì)解算公式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 質(zhì)量控制

由于掩星探測(cè)受多路徑效應(yīng)、無線電信號(hào)中斷、數(shù)據(jù)插值計(jì)算誤差等因素影響，實(shí)際時(shí)空配對(duì)樣本存在少許粗差探測(cè)值，故而配對(duì)樣本不能直接用于掩星濕溫廓線探測(cè)精度評(píng)估研究，需對(duì)離散粗差探測(cè)值點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制，即剔除大偏差的離群資料[21-22]。

質(zhì)量控制采用雙權(quán)重法，通過檢測(cè)時(shí)空配對(duì)樣本，比較被測(cè)數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，將對(duì)應(yīng)插值層溫度平均偏差大于標(biāo)準(zhǔn)差4倍的離散粗差數(shù)據(jù)集選擇剔除。

雙權(quán)重法[23]首先通過樣本中位數(shù)M和偏差中位數(shù)MAD解算出每個(gè)插值高度層溫度Ti相應(yīng)的權(quán)重函數(shù)ωi，計(jì)算方法如下：

(9)

式中：c為常數(shù)7.5；當(dāng)|ωi|≥1時(shí)，對(duì)該插值高度層進(jìn)行數(shù)據(jù)歸并，取定值ωi=1。

將雙權(quán)重指標(biāo)定義為：

(10)

(11)

(12)

3 結(jié)果分析

為探究我國不同掩星濕溫廓線數(shù)據(jù)探測(cè)精度差異，將掩星數(shù)據(jù)與IGRA進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 不同掩星計(jì)劃溫度總體偏差

為更直觀表征不同掩星探測(cè)計(jì)劃在各插值高度層上的溫度偏差特征。圖1展示了時(shí)空匹配后COSMIC、KOMPAST5、METOPA、METOPB、PAZ和TSX掩星數(shù)據(jù)溫度偏差隨海拔高變化趨勢(shì)分布情況。為便于直觀讀取各高度層信息，將雙軸數(shù)據(jù)展示于同一幅圖中。其中，黑色坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)曲線表征各高度層溫度偏差變化趨勢(shì)，藍(lán)色坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)曲線表征各高層匹配樣本數(shù)目。紅色實(shí)線表征溫度平均偏差分布曲線，而兩側(cè)綠色虛線表征均值偏差加減標(biāo)準(zhǔn)差后對(duì)應(yīng)的分布曲線。

(a) COSMIC

由圖1不難看出，COSMIC掩星溫度偏差集中分布在-1～0.5 K間；相較于其他掩星探測(cè)計(jì)劃，METOPA和METOPB配對(duì)樣本數(shù)明顯較多，8～15 km高度范圍內(nèi)溫度偏差絕對(duì)值低于0.5 K；PAZ和TSX掩星存在較大偏差，15～20 km高度范圍內(nèi)溫度偏差峰值逼近于2 K；從變化趨勢(shì)看，KOMPSTA5掩星溫度偏差在0 K左右擾動(dòng)，穩(wěn)定性最好。再結(jié)合表2可知，總體上，相較于IGRA中國區(qū)域探空站數(shù)據(jù)，無論是哪類無線電掩星計(jì)劃，掩星資料探測(cè)溫度相對(duì)于探空參考值存在小于1.65 K的標(biāo)準(zhǔn)差偏差，總平均偏差在-0.5～0.5 K間變化，故二者探測(cè)精度相當(dāng)。

由于掩星數(shù)據(jù)和探空站資料精度擬合性良好，而不同掩星數(shù)據(jù)偏差變化特征尚不可知，需對(duì)其展開統(tǒng)計(jì)分析。圖2為2018—2019年期間各掩星濕溫廓線資料折射率相對(duì)偏差隨海拔高度變化的偏差曲線圖。其中，曲線圖實(shí)線部分是均值偏差分布特征；左右兩條虛線部分反映了平均偏差±標(biāo)準(zhǔn)差分布特征。可以看出，近地表折射率相對(duì)偏差平均值隨高度上升呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；8～20 km高度處偏差擾動(dòng)幅度較小，20～25 km高度處存在明顯峰值偏差。

圖2 2018—2019年不同掩星資料折射率相對(duì)偏差對(duì)比Fig.2 Comparison of relative deviation of refractivity of different occultation data in 2018—2019

整體上，不同掩星數(shù)據(jù)折射率相對(duì)偏差分布特征變化趨勢(shì)基本相同。但量化統(tǒng)計(jì)結(jié)果尚不可知，針對(duì)不同掩星計(jì)劃探測(cè)精度差異進(jìn)行顯著性分析，檢驗(yàn)算法采用單因素一元方差分析F統(tǒng)計(jì)量。圖3給出了2018—2019年期間不同掩星折射率廓線偏差顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。其中，黑色實(shí)線表征樣本上下界，藍(lán)色上下邊界分別表征上1/4分位線和下1/4分位線，紅色橫線表征均值偏差分布特征，紅色加號(hào)表征離散點(diǎn)異常值。從變化趨勢(shì)上可知，紅色線條近似同處一條直線，故折射率相對(duì)偏差結(jié)果相近。2018—2019年不同掩星資料折射率相對(duì)偏差F的統(tǒng)計(jì)量結(jié)果見表3。將不同掩星計(jì)劃探測(cè)精度結(jié)合表3可知，該因素的統(tǒng)計(jì)量F=0.985 7>0.05，可接受原假設(shè)，即無顯著性差異。

圖3 2018—2019年不同掩星數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Significance test results of different occultation data in 2018—2019

表3 2018—2019年不同掩星資料折射率相對(duì)偏差F統(tǒng)計(jì)量結(jié)果Tab.3 Results of F-statistics of relative deviation of refractive index of different occultation data in 2018—2019

4 結(jié)論

本文以1 h和100 km為匹配準(zhǔn)則，利用我國2018—2019年期間的IGRA探空數(shù)據(jù)，將其與CDAAC提供的不同掩星數(shù)據(jù)時(shí)空匹配，統(tǒng)計(jì)評(píng)估各插值高度層溫度偏差，旨在驗(yàn)證不同掩星數(shù)據(jù)探測(cè)精度。結(jié)果表明，掩星資料探測(cè)溫度相對(duì)于探空背景場參考值，濕溫廓線數(shù)據(jù)溫度偏差均呈現(xiàn)負(fù)值，存在小于1.65 K的標(biāo)準(zhǔn)差偏差，總平均偏差在-0.5～0.5 K間變化，故掩星數(shù)據(jù)和探空站資料精度相當(dāng)。此外，經(jīng)折射率廓線偏差顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)F=0.985 7>0.05，故不同掩星數(shù)據(jù)探測(cè)精度無顯著性差異。