LEO-LEO微波掩星探測溫度和水汽廓線研究進展*

張志華，王 鑫，呂達仁

LEO-LEO微波掩星探測溫度和水汽廓線研究進展*

張志華1,2，王 鑫*1，呂達仁1,2

（1中國科學院大氣物理研究所 北京 100029 2中國科學院大學 北京 100049）

低地球軌道衛(wèi)星間（LEO-LEO）微波掩星探測技術利用水汽吸收線附近信號，通過測量信號的折射和吸收作用，能夠在沒有輔助背景信息的情況下獨立反演溫度和水汽廓線，從而克服GNSS-LEO無線電掩星技術在大氣中低對流層存在的“溫度–水汽模糊”問題。目前，國內(nèi)外還沒有實現(xiàn)在軌的LEO-LEO掩星探測。為了促進我國LEO-LEO掩星探測技術發(fā)展，本文對LEO-LEO微波掩星探測溫度和水汽廓線研究前沿及進展進行了回顧和總結。首先介紹了LEO-LEO掩星探測技術的發(fā)展歷史，闡述了LEO-LEO掩星探測的基本原理和探測頻點選擇，重點介紹了LEO-LEO微波掩星探測溫度和水汽廓線的反演技術研究動態(tài)，并介紹了LEO-LEO掩星探測任務國際進展，最后進行了總結和展望。本研究可為實現(xiàn)LEO-LEO掩星空間探測技術提供基本科學理論參考。

LEO-LEO；微波掩星探測；反演；溫度廓線；水汽廓線

引 言

近些年來，臺風、海嘯、暴雨等極端天氣的頻發(fā)帶來巨大災害，已使全球氣候變化與應對策略成為關乎國家發(fā)展與人民生活的極端重要科學問題。溫度和水汽是描述地球大氣狀態(tài)的兩個重要參數(shù)，具有明顯的四維時空變化特性，直接影響太陽短波輻射與地–氣系統(tǒng)長波輻射的相互作用，進而影響全球的輻射能量收支平衡。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告顯示，相對于1850–1900年，2010–2019年全球地表平均溫度已上升約1 ℃，并指出從未來20年的平均溫度變化來看，全球溫升預計將達到或超過1.5 ℃[1]。報告預估，在未來幾十年里，所有地區(qū)的氣候變化都將加劇。水是地球大氣中唯一能以固、液、氣三相態(tài)存在的物質(zhì)，且存在三相態(tài)互相變化，在云的演變、降水的發(fā)生及變化中都起著重要的作用。水汽在地球大氣中所占比例很?。▋H0.1%～3%），卻是大氣中最活躍的部分，對地球生態(tài)系統(tǒng)有重大影響[2]。水汽還是地球大氣的主要溫室氣體，它對于太陽短波是透明的，但能夠吸收地球的長波輻射，從而使大氣溫度升高[3]。認識和了解溫度和水汽的時空分布與變化規(guī)律，特別是高垂直分辨率、高精度、長期穩(wěn)定的垂直分布特征，是研究認識大氣能量物質(zhì)交換、全球變化等重大問題的科學基礎，對氣候變化研究、天氣現(xiàn)象分析及數(shù)值天氣預報等都具有重要意義。

1960年4月，美國國家航空航天局（NASA）成功發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星Tiros-1，開創(chuàng)了空間探測科學研究的新紀元，衛(wèi)星遙感技術具有視野開闊、觀測范圍廣、觀測時次多等優(yōu)點，成為探測地球大氣的有力手段[4]。利用衛(wèi)星探測地球大氣垂直結構，經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，從初期僅有少數(shù)幾個紅外寬波段通道、低空間分辨率觀測，逐步發(fā)展到紅外儀器、微波儀器同平臺跨衛(wèi)星軌道掃描和較高空間分辨率觀測。然而，紅外探測設備不能穿透云層，地球上大約有三分之二的區(qū)域覆蓋了云，這給紅外遙感系統(tǒng)造成了基本的采樣困擾，全球對流層的紅外采樣本質(zhì)上是不完整的和偏干的，例如AIRS像素的90%～95%受到云污染[5]。另外，強對流天氣系統(tǒng)通常形成在多云區(qū)域，而紅外儀器無法穿透，無法滿足盡可能早地捕獲強對流天氣系統(tǒng)的愿望。被動微波探測器能夠穿透云層，例如衛(wèi)星微波輻射計，通過被動接收大氣輻射的微波信號，探測輻射亮溫信息，從而獲得大氣溫度和濕度廓線。但由于大陸地表溫度的多變性和復雜性，此技術用于海洋表面的遙感比陸地更為適合，且衛(wèi)星微波輻射計的垂直分辨率有限，例如先進微波探測儀（AMSU-B），其垂直分辨率約為2 km。此外，被動微波臨邊探測儀（MLS）可以提供對流層中上層的大氣廓線，垂直分辨率約為2 km～3 km，但容易受冰云散射的限制，反演得出的對流層采樣不完整且有偏[6,7]。

二十世紀九十年代初，美國的全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）星座的建成為無線電掩星探測地球大氣創(chuàng)造了條件[8]。全球導航定位系統(tǒng)GNSS（Global Navigation and Positioning System）無線電掩星探測可以實現(xiàn)大氣折射率、溫度和水汽等大氣參數(shù)的高垂直分辨率、高精度探測，GNSS導航信號穿越大氣層時，不受云、雨和氣溶膠的影響，彌補了衛(wèi)星可見光、紅外遙感在這方面的缺陷，具有真正全天候的優(yōu)勢[9]。此外，GNSS-LEO無線電掩星GRO（GNSS-LEO Radio Occultation）探測是自定標系統(tǒng)，具有自校準能力，衛(wèi)星成功運行后，不再需要進行校正和調(diào)整，具有長期穩(wěn)定的特點[10]。GNSS-LEO無線電掩星技術作為目前最先進的空間探測技術之一，探測資料已被各大數(shù)值天氣預報中心同化到數(shù)值天氣預報模式中，對天氣預報和氣候研究產(chǎn)生了積極的影響。然而，在對流層低層較暖區(qū)域，水汽比較豐富，僅使用GNSS導航信號進行掩星探測，無法準確區(qū)分溫度和水汽對折射率的貢獻，存在“溫度–水汽模糊”問題[11,12]。針對這一問題，二十世紀九十年代末，低地球軌道衛(wèi)星間（LEO-LEO）微波掩星探測的概念被提出。LEO-LEO微波掩星LMO（LEO-LEO Microwave Occultation）采用水汽吸收線附近的微波信號[12]，基于電磁波在大氣中傳播時的折射和吸收效應，獲取電磁波信號的相位延遲和振幅衰減信息，能夠在沒有輔助大氣背景場的情況下獨立反演溫度和水汽廓線。

LEO-LEO微波掩星探測具有高精度、高垂直分辨率、高穩(wěn)定性、全天候、全球分布等特點[13,14]，它獨立于現(xiàn)有的探測方法，是現(xiàn)有地球大氣探測手段的重要補充。發(fā)展LEO-LEO掩星探測技術，對提高我國在大氣領域的探測能力和相關研究水平具有重要的科學意義和應用價值。到目前為止，國內(nèi)外還沒有實現(xiàn)在軌的LEO-LEO掩星探測衛(wèi)星，回顧LEO-LEO微波掩星探測技術的發(fā)展過程和研究其未來發(fā)展趨勢，可以更好地促進我國LEO-LEO微波掩星探測技術的發(fā)展。

本文重點對LEO-LEO微波掩星探測溫度和水汽廓線的研究進展進行了介紹和總結。首先介紹了LEO-LEO掩星探測技術的發(fā)展歷史，闡述了LEO-LEO掩星探測的基本原理和微波掩星探測溫度、水汽廓線的技術途徑與反演方法，其次介紹了國際LEO-LEO掩星探測計劃的前沿進展，最后進行了總結和展望。

1 LEO-LEO掩星探測技術發(fā)展歷史

掩星技術最早可以追溯到十八世紀[15]，天文學家利用月球和行星掩星技術進行時間測定，在行星掩星觀測過程中發(fā)現(xiàn)，當恒星光線進入行星大氣層時，強度會逐漸變?nèi)?，這個變?nèi)醯倪^程與行星大氣標高有關，由此提出利用自然光源如太陽或星光進行掩星行星大氣探測。二十世紀六十年代，星際飛行器問世，利用無線電掩星技術探測行星大氣廓線的設想得以實現(xiàn)。在地震波反演地層結構技術的基礎上，無線電掩星技術的數(shù)學方法被提出，用于行星大氣參數(shù)廓線的探測反演研究，Abel變換法被引入到從彎曲角到折射率的反演過程中[16]。隨后，NASA進行了一系列太陽系行星探測計劃，通過水手號、海盜號和先驅者號等探測器，成功進行了行星大氣的掩星觀測，獲得了幾乎所有太陽系行星及其衛(wèi)星的大氣廓線[17]。然而，利用無線電掩星技術探測地球大氣的設想一直沒有實現(xiàn)，主要原因是掩星探測要求信號的發(fā)射端和接收端都必須在被探測體之外，而在地球周圍一直沒有找到合適的觀測點，缺乏廉價信號源使得它的性價比遠低于當時其他的大氣探測手段，導致沒有相關的探測項目得以實施[8]。二十世紀七十年代，美國和蘇聯(lián)出于軍事考慮，開始籌建各自的全球定位系統(tǒng)——GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)。二十世紀九十年代初，美國GPS導航星座建成，為地球大氣掩星觀測提供了無線電發(fā)射端，以相對較低的成本為掩星技術探測地球大氣創(chuàng)造了條件。1995年4月3日，搭載GPS接收機的Microlab-1低軌實驗衛(wèi)星被成功發(fā)射，首次從工程方面驗證了GPS掩星探測地球大氣的可行性，為無線電掩星技術探測地球大氣拉開了序幕[8]。

GPS/MET掩星觀測試驗儀器在軌運行了約兩年，成功進行了相當數(shù)量的掩星觀測，獲得了大量氣壓、溫度和水汽廓線等寶貴大氣資料。Kursinski等研究認為[9,18]，在低對流層較暖區(qū)域（>240 K），水汽比較豐富，溫度和水汽對總折射率的貢獻無法準確區(qū)分，造成“溫度–水汽模糊性”問題。如果忽略水汽，利用實部折射率方程、流體靜力方程和理想氣體狀態(tài)方程，可求解得到干空氣假設下氣壓、密度和溫度廓線，干空氣的溫度通常在7 km以下比實際溫度偏低；如果不忽略水汽，三個方程約束密度、壓力、溫度和水汽四個未知變量，在不引入輔助先驗溫度信息時，無法反演得到水汽廓線[19]。Poli等（2002）提出將一維變分（1D Var）同化反演方法應用于濕大氣廓線的反演[20]，以數(shù)值模式數(shù)據(jù)作為輔助背景場，可同時反演得到溫度和水汽廓線，但其反演精度非常依賴模式初始場和模式誤差，不同的模式數(shù)據(jù)有其固有的系統(tǒng)偏差，采用不同的模式數(shù)據(jù)作為背景場會導致不同的結果[21,22]。

為了克服“溫度–水汽模糊性”問題，獨立反演獲得溫度和水汽廓線，在GNSS-LEO無線電掩星探測技術的基礎上，1995年，美國亞利桑那大學的研究人員開始考慮利用高于GPS的信號頻率來測量因22 GHz水汽共振線引起的水汽吸收，探索其進行掩星探測的可能性[14,23]。1997年，美國噴氣推進實驗室和亞利桑那大學的研究人員對22 GHz附近頻率進行掩星探測的性能進行了初步評估。1998年，前期相關研究成果被總結成兩大提案提交給NASA，即AMORE任務和ATOMS任務。其中，ATOMS提案獲得資助，研究人員對22 GHz和183 GHz水汽吸收線附近的微波掩星探測能力進行了評估研究[23]。Feng等（2001）和Kursinski等（2002）在GNSS-LEO無線電掩星實部折射率反演算法的基礎上[11,12]，發(fā)展了LEO-LEO微波掩星虛部折射率反演算法，利用相鄰頻率的信號強度比消除散焦、閃爍和衍射等非吸收效應，得到僅由吸收引起的大氣差分透過率和大氣吸收系數(shù)。2005年，在前期研究基礎上，ATOMMS計劃被提出，用以實現(xiàn)近地面到中間層大氣溫度、水汽和氣壓的高精度、高垂直分辨率探測[9]。2007年，Kursinski等提出研制ATOMMS原型機，并進行飛機對飛機掩星演示試驗，但由于資金限制，飛機演示試驗未得到實施，僅成功研制了ATOMMS原理樣機。2010年3月，Kursinski等在亞利桑那大學校園內(nèi)進行了ATOMMS原型機“高頻段”182 GHz～205 GHz的屋頂試驗，得到了水汽吸收光譜的時間序列，由于無法測量沒有水汽吸收的“大氣頂”的信號強度，沒有得到絕對水汽含量，僅得到沿路徑上水汽含量隨時間的變化，試驗證明了ATOMMS儀器對吸收光譜線形狀的敏感性[24]。2010年8月，Kursinski等在亞利桑那州圖森市北部相距約5.4 km的兩山之間進行了ATOMMS原型機“低頻段”22 GHz通道的山頂試驗。2011年8月，又在兩山之間進行了第二次山頂試驗，在晴朗、多云和雷暴天氣條件下，測量了ATOMMS儀器在信號頻率24.4 GHz和198.5 GHz的水汽吸收光譜，得到了高達17的光學厚度條件下的精確水汽結果，在該光學厚度以上，信號已不可檢測[25]。

在歐洲，早在1996年就提出通過添加Ku波段信號來分離溫度和水汽。2001年，WATS計劃被提出，用以探測對流層和平流層的水汽和溫度垂直分布，并對22 GHz附近頻率掩星探測的性能進行了初步評估[26]。2002年，ACE+計劃被提出，它由WATS計劃的LEO-LEO微波掩星任務與ACE計劃的GRO任務合并而成，兩顆小衛(wèi)星攜帶X和K波段的發(fā)射機，另外兩顆小衛(wèi)星攜帶X和K波段的掩星接收機，測量LEO-LEO鏈路之間的電波相位和振幅變化[6]。2004年，ACCURATE計劃被奧地利格拉茨大學魏格納氣候研究中心提出，目標是對上對流層-下平流層（UTLS）區(qū)域大氣氣候化學和氣候趨勢進行探測，它不僅繼承了ACE+計劃的LEO-LEO微波掩星探測技術，還進行低軌道衛(wèi)星間紅外激光掩星探測（LIO），構成LEO-LEO微波掩星和紅外激光掩星（LMIO）概念[27,28]。2010年，ACCURATE計劃得到進一步資金支持，開展了紅外激光掩星原型機的研制，并于2013年進行了地面驗證實驗[29]。

國內(nèi)對LEO-LEO掩星探測技術的研究起步較晚。2007年，杜曉勇等分析了發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星的軌道高度、傾角、近地點角距、升交點赤經(jīng)等軌道參數(shù)對LEO-LEO掩星事件數(shù)量和分布的影響[30]。呂華平等仿真研究了一天及一個月LEO-LEO掩星事件的數(shù)量及分布，并對LEO-LEO掩星探測頻點選擇進行了初步研究[31,32]。孫立剛等對LEO-LEO掩星事件持續(xù)時間及衛(wèi)星間相對角速度進行了仿真分析[33]。2017年，中國科學院大氣物理所呂達仁等提出了我國首個LEO-LEO掩星探測任務——CACES（Climate and Atmospheric Components Exploring Satellites）計劃，旨在通過低地球軌道衛(wèi)星間微波與紅外激光掩星探測手段，獲取特定頻率與譜段的信號相位和振幅變化，反演得到氣壓、溫度和水汽等大氣參數(shù)廓線，以及H2O、CO2、CH4和O3等多種氣體成分廓線。中國科學院國家空間科學中心研制了LEO-LEO微波掩星原理樣機，探測頻點在22.23 GHz水汽吸收線附近[34]。2018年，馮梓宸等進行了LEO-LEO掩星信號接收技術研究[35]，設計研制了一套針對60 km～90 km大氣探測的LEO-LEO掩星接收機原理樣機。

自LEO-LEO掩星探測概念提出以來，依托上述提出的掩星探測計劃，研究人員開展了相關載荷研制和原理樣機地面試驗驗證等工作，并在LEO-LEO掩星軌道設計、頻率選擇評估、反演算法改進、探測性能分析等方面開展了一系列仿真模擬研究，為LEO-LEO掩星探測技術的實現(xiàn)打下了堅實的基礎，積累了寶貴的經(jīng)驗。但由于技術條件、風險控制和預算調(diào)整等多種原因，上述提出的計劃后續(xù)均未得到在軌實施，目前國際上仍沒有實現(xiàn)的LEO-LEO掩星空間探測任務。發(fā)展LEO-LEO掩星探測技術，使我國相關研究能力達到國際前沿水平，還需從硬件研制、反演技術等方面進行大量且深入的研究。

2 LEO-LEO微波掩星探測原理

2.1 LEO-LEO掩星探測方式

LEO-LEO掩星探測是基于衛(wèi)星的雙雷達系統(tǒng)，以主動臨邊掃描方式探測地球大氣層。LEO-LEO掩星事件是指兩顆低軌衛(wèi)星LEO（Low Earth Orbit）分別運動到地球的兩側，其中一顆作為發(fā)射衛(wèi)星，另一顆作為接收衛(wèi)星。由發(fā)射衛(wèi)星發(fā)出電波信號，穿過地球大氣到達接收衛(wèi)星，由于兩顆LEO衛(wèi)星之間的相對運動，發(fā)射信號從大氣層頂逐漸切過整層地球大氣直到地球表面。或者相反，從切過地球表面直到切過大氣層頂，稱為發(fā)生了一次LEO-LEO掩星事件[8]。LEO-LEO掩星探測技術的發(fā)射和接收衛(wèi)星軌道高度一般都在300 km～900 km高度范圍，收發(fā)距離約6 000 km，相比GNSS-LEO無線電掩星探測距離相對較短，并且發(fā)射信號源的特性可以控制，能夠提供較高的信噪比[36]。

GNSS-LEO無線電掩星探測技術使用導航衛(wèi)星信號探測地球大氣，GNSS信號頻點最初的選擇是為了最大限度地減少大氣信息的影響，用于氣象觀測會受到特定波長（L波段，1 GHz～2 GHz）的限制。與GNSS-LEO無線電掩星探測不同，LEO-LEO微波掩星探測技術可采用22.23 GHz和183.31 GHz水汽吸收中心線附近的頻率作為發(fā)射頻率探測地球大氣，如圖1所示，微波信號從發(fā)射衛(wèi)星穿過地球大氣層時被折射和吸收，其傳播速度和路徑發(fā)生變化，還會引起電波信號衰減，這些效應的綜合導致電波信號的相位和振幅發(fā)生變化。通過測量電波信號的相位延遲和振幅衰減信息，可以在沒有輔助大氣背景信息的條件下同時反演得到密度、氣壓、溫度、水汽等大氣參數(shù)廓線。

圖1 LEO-LEO微波掩星探測示意圖

2.2 LEO-LEO微波掩星探測頻點選擇

GNSS-LEO掩星探測技術是利用LEO上搭載的接收機接收GNSS導航信號，發(fā)射頻點固定，不需要考慮發(fā)射機的信號頻率。但LEO-LEO微波掩星不同，它除了需要在一顆LEO上搭載接收機，還需要在另外一顆LEO上搭載發(fā)射機，發(fā)射機頻率通道的選擇是LEO-LEO掩星探測技術需要考慮的重要問題之一。

LEO-LEO微波掩星的信號穿過地球大氣時，會造成信號相位延遲和大氣損耗，總的大氣損耗由散焦和吸收兩部分引起，一般分開考慮。在各種大氣成分中，水汽和氧氣對電波信號的吸收衰減起主要作用。在200 GHz以下，存在22.23 GHz和183.31 GHz兩條水汽吸收中心線。通常，在頻率0處靠近共振吸收頻率的氣體（水汽）吸收系數(shù)()可以表示為[37]

大氣中的水汽含量在整個對流層和平流層的變化超過幾個數(shù)量級，不同吸收線在不同高度的吸收強度明顯不同，因此必須將大氣分成幾個高度區(qū)域，為每個高度區(qū)域選擇適當?shù)奶綔y頻率。Yunck等（2000）評估分析了22.23 GHz水汽吸收線探測大氣濕度的能力[10]，結果表明，23 GHz頻率通道對探測相對干燥的上對流層大氣很重要，而10 GHz、14 GHz和18 GHz頻率通道對探測潮濕的下對流層大氣很重要。Eriksson等（2003）評估分析了利用10 GHz～35 GHz頻率通道探測對流層和平流層水汽的性能[26]，研究表明，10.3 GHz、17.2 GHz、22.6 GHz足夠用于水汽信息探測，27.4 GHz和32.9 GHz對熱噪聲更敏感，水汽反演精度更差。Herman等（2003）利用毫米波傳播模型（MPM93）計算并分析了200 GHz以下頻率通道在不同濕度條件下的吸收光譜，包括水汽和氧氣在近地面、約15 km、30 km和50 km高處的吸收衰減，研究結果表明，183.31 GHz水汽吸收線的吸收系數(shù)更大，被用于探測水汽含量低的高空，而22.23 GHz水汽吸收線被用于探測水汽含量豐富的中低對流層。由于散焦、衍射和閃爍等誤差影響，一般選擇兩個或更多頻率同時測量信號衰減，靠近水汽吸收線中心的頻率作為主頻率，測量強信號吸收，遠離吸收線中心的頻率作為參考頻率，測量弱信號吸收用于校正。兩個頻率的大氣透過率相減得到差分透過率，計算得到差分吸收系數(shù)，能夠消除背景吸收和散焦等不必要影響[11-13]。LEO-LEO微波掩星探測利用22.23 GHz和183.31 GHz水汽吸收線附近的頻率，通過在不同高度范圍內(nèi)使用不同信號頻率對之間的差分吸收系數(shù)進行計算，能夠探測整個對流層和平流層的溫度和水汽廓線。

從科學目標的角度來看，LEO-LEO微波掩星選擇頻率通道時，希望盡可能選擇接近水汽吸收中心線的頻點，以便更靈敏地探測水汽，并達到更大的高度范圍。但是，頻率通道的選擇涉及科學目標與國際無線電頻率分配之間的權衡[36]。例如，國際無線電頻率規(guī)定禁止直接使用吸收線中心的頻點進行主動探測，水汽吸收線中心頻率及其相鄰頻率已經(jīng)被保護用于其他專門的科學和商業(yè)應用，不能用于LEO-LEO微波掩星空間任務的實際探測[13,14]。因此，在LEO-LEO微波掩星相關載荷研制設計中，選擇載荷頻點時，必須在滿足國際無線電頻率規(guī)則的情況下，根據(jù)科學探測目標，在允許的頻率段范圍內(nèi)，選擇能夠提供最佳水汽信息的頻點。

3 LEO-LEO微波掩星探測反演研究

3.1 溫度和水汽廓線反演

LEO-LEO微波掩星探測的原始觀測量是電波信號的相位和振幅，在已知各種大氣參數(shù)條件下，正向模擬出掩星觀測的信號相位和振幅，是正演過程。由LEO-LEO掩星探測的電波信號相位和振幅數(shù)據(jù)，獲得傳播路徑上的大氣介質(zhì)信息，是信號傳播的一個反演過程。

在幾何光學近似條件下，利用LEO-LEO微波掩星反演溫度和水汽等大氣參數(shù)廓線，可以總結為三大部分[8,36,38]，即：

①實部折射率反演。首先，對模擬或觀測到的相位延遲數(shù)據(jù)進行平滑處理，去除異常值，并進行電離層校正，剔除電離層引起的電波彎曲和相位延遲；然后，計算多普勒頻移，結合發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星的精密軌道信息，導出彎曲角廓線，并對高空彎曲角進行統(tǒng)計優(yōu)化處理；最后，利用經(jīng)典Abel積分變換公式，由彎曲角廓線反演得到實部大氣折射率廓線。

②虛部折射率反演。LEO-LEO微波掩星的電波信號因吸收作用導致振幅衰減，反映了射線路徑上的水汽含量。首先，對LEO-LEO微波掩星測得的信號振幅進行散焦和球面信號擴展校正以及歸一化處理，根據(jù)Bouguer-Lambert-Beer定律，由振幅計算得到大氣透過率廓線；然后，結合反演得到的彎曲角廓線和實部折射率廓線，通過另外的Abel積分變換可以反演得到大氣吸收系數(shù)廓線，進而求得虛部折射率廓線。

③大氣參數(shù)廓線反演。利用以上由相位延遲和振幅求得的實部折射率和虛部折射率，結合大氣靜力學方程、理想氣體狀態(tài)方程、光譜方程，建立非線性方程組。通過對靜力學方程向下積分，依次求解出每個高度層的氣壓、水汽、溫度等大氣參數(shù)。

LEO-LEO微波掩星探測的實部折射率反演部分與GNSS-LEO無線電掩星探測的基本相同，虛部折射率反演是LEO-LEO微波掩星探測特有的反演過程，每個頻率對應一個虛部折射率廓線。在濕大氣條件下，在水汽的貢獻不能忽略時，有密度、氣壓、溫度和水汽四個未知變量，LEO-LEO微波掩星探測將多個頻率通道對應的虛部折射率方程與實部折射率方程、流體靜力方程和濕空氣狀態(tài)方程聯(lián)立，至少有四個方程可用于約束四個未知變量，非線性方程組是超定方程組，不需要引入任何輔助背景場，即可獨立求解得到溫度和水汽廓線，克服了GNSS-LEO無線電掩星探測存在的“溫度–濕度模糊”問題。

Kursinski等（2002）研究了LEO-LEO微波掩星反演大氣透過率和大氣吸收系數(shù)的基本方法，通過在不同高度范圍內(nèi)使用不同信號頻率對之間的差分透過率進行計算，水汽反演誤差在約1 km～75 km內(nèi)可控制在約1%～3%之內(nèi)，溫度反演誤差從幾千米到80千米可在亞開爾文量級[12]。Syndergaard等（2004）研究表明，在吸收系數(shù)水平梯度極端的情況下，由于不滿足球對稱假設，導致在5 km以下對流層低層水汽反演的不確定性為百分之幾十[39]。Schweitzer等（2011）研究發(fā)現(xiàn)氣壓、溫度和水汽廓線的誤差分別小于0.2%、0.5 K和10%，準確度基本滿足探測目標要求，在三個頻率均位于K波段時，水汽在約11 km以下的相對誤差小于10%，另外增加兩個183 GHz水汽吸收中心線附近的頻率時，準確反演能達到約18 km[36]。

在對流層低層，水汽含量往往較為豐富并伴隨小尺度的劇烈變化，導致大氣折射率急劇變化，從而使電波信號在傳播時產(chǎn)生多路徑效應。在大氣多路徑條件下，通過幾何光學方法反演得到的彎曲角是碰撞參數(shù)的多值函數(shù)。針對這個問題，Gorbunov和Kirchengast等進行了波動光學方法反演水汽廓線的研究[40-42]，利用正則變換方法（CT）由相位和振幅計算得到彎曲角和大氣透過率廓線，然后反演獲得水汽廓線，結果表明，在約3 km處水汽反演準確度可達到0.5 g/kg。

3.2 云的影響

LEO-LEO微波掩星信號可以穿透云層探測地球大氣信息，但電波信號在穿過云層時，會因不同云層結構的存在被不同程度地吸收衰減。云的微物理特性依賴于水粒子的尺寸、形狀和相態(tài)。通常情況下，水滴粒子是球形的，且小于0.1 mm。冰晶可以組成各種各樣的尺寸和形狀，在自然界中，除了簡單的多面體外，也有很多不規(guī)則冰晶和簡單形狀的混合體。當有云層存在時，22.23 GHz水汽吸收線的波長約為13.5 mm，明顯大于云中液態(tài)水的顆粒尺寸，散射相比吸收作用可以忽略不計[8]。一般來說，云中液態(tài)水的吸收大約比冰晶的吸收大兩個數(shù)量級。當有云中冰晶時，冰晶相對于液態(tài)水粒子直徑更大，對微波信號的散射作用更強[26]，且散射作用的影響隨著頻率的增加而增加，故冰晶對頻率為183.31 GHz的散射影響比22.23 GHz的更大。

在對流層下部，除了水汽對LEO-LEO微波掩星信號的吸收作用外，如果有云層存在，云中液態(tài)水也會對總吸收做出貢獻，為了反演得到高精度的溫度和水汽廓線，需要去除云中液態(tài)水對總吸收的貢獻。對于LEO-LEO微波掩星探測技術，如果提供足夠的頻率通道，可以區(qū)分開水汽和云中液態(tài)水引起的吸收。在反演溫度和水汽廓線時，云中液態(tài)水廓線可以作為副產(chǎn)品被同時反演出來。Kursinski等（2004）初步討論了云層對水汽和溫度反演精度的影響[43]，結果表明，在對流層最低層存在液態(tài)水云的情況下，水汽反演精度比晴空條件下約低2倍。ATOMMS任務擬采用22 GHz水汽吸收線附近的至少五個頻率，以分離液態(tài)水與水汽的影響，擬采用183 GHz水汽吸收線附近頻率，探測對流層上層的水汽信息。

在理論上，云中冰晶也可以利用LEO-LEO微波掩星技術被探測并反演出來。183 GHz附近的頻率對冰粒子的散射比較敏感[43]，利用吸收通道和參考通道的比率可以消除幾乎大部分冰晶對溫度和水汽探測的影響。Kursinski等（2004）提出，通過測量單個頻率的衰減曲線來獲得冰晶信息，通過測量至少2個頻率間隔較寬的信號來獲得有關冰量和其他屬性的信息，具體探測和反演技術未來仍需要開展深入研究。

3.3 湍流的影響

電波信號在湍流介質(zhì)中傳播時，通過衍射產(chǎn)生干擾，從而產(chǎn)生相位和振幅閃爍，在測量水汽吸收特征時，湍流引起的振幅閃爍是一種噪聲源[9]。Kursinski等研究發(fā)現(xiàn)，通過使用吸收通道和參考通道之間的差分大氣透過率，可以在很大程度上消除絕對大氣透過率中常見的不必要的寬帶效應，特別是大氣湍流中的振幅閃爍影響[11,12]。

Kursinski和Otarola等估計分析了對流層中層22 GHz水汽吸收線附近的濕湍流貢獻和對流層上層183 GHz水汽吸收線附近的干湍流貢獻[9]，研究結果表明，對于22 GHz和183 GHz，單頻率原始振幅變化的標準偏差大約為7%～8%，兩頻率振幅比的標準偏差約為1%～2%。較短的波長更容易受到湍流的影響，盡管原始振幅閃爍在22 GHz和183 GHz吸收線相當，但對于183 GHz，參考通道離吸收線中心越近，在比值后產(chǎn)生的湍流效應的抵消效果越好。Gorbunov和Kirchengast（2007）進行了2-D湍流仿真模擬研究，評估分析了22 GHz水汽吸收線附近湍流的影響，研究結果表明，在低緯度的5 km～8 km高度范圍，9.7 GHz和17.25 GHz頻率的差分大氣透過率誤差約為0.05 dB或1%。值得注意的是，Kursinski等估計的低緯度中對流層條件下的大氣透過率誤差大約是Gorbunov等估計結果的兩倍。盡管二者用于模擬湍流效應的方法非常不同，但近似的湍流噪聲水平在某種程度上是真實的，如何更好地理解和協(xié)調(diào)兩種誤差估計方法之間的差異還需要更進一步的研究。

在反演溫度和水汽廓線時，湍流強度可作為副產(chǎn)品被同時反演出來，即對于湍流研究來說，利用LEO-LEO掩星探測技術是一個測量獲取湍流信息的潛在途徑[6]。

4 LEO-LEO微波掩星探測計劃進展

目前，國際上主要有三個LEO-LEO掩星探測計劃，即歐洲的ACCURATE計劃、美國的ATOMMS計劃和中國的CACES計劃。

① ACCURATE計劃

ACCURATE（Atmospheric Climate and Chemistry in the UTLS Region And climate Trends Explorer）計劃由奧地利格拉茨大學魏格納氣候研究中心在2004年提出，旨在對上對流層–下平流層（UTLS）區(qū)域大氣氣候化學和氣候趨勢進行探測。ACCURATE計劃的探測目標是5 km～35 km范圍內(nèi)的氣壓、溫度和水汽等大氣參數(shù)廓線，同時探測6種主要的溫室氣體，水汽、二氧化碳和它們的同位素，以及探測氣溶膠、云層和大氣閃爍等。該計劃繼承了ACE+計劃的LEO-LEO微波掩星探測任務，同時進行LEO-LEO紅外激光掩星探測，是首個被提出的LEO-LEO微波掩星和紅外激光掩星（LMIO）概念。LEO-LEO微波掩星探測的頻點均在Ｋ波段，分別為17.25 GHz、20.2 GHz和22.6 GHz，3個頻點可以采用1個天線，從而減少了儀器體積、重量和成本。ACCURATE星座設計為4顆LEO衛(wèi)星，分布在2個軌道平面上，軌道高度分別為650 km和850 km，每個軌道面分布2顆LEO衛(wèi)星[27]。

依托ACCURATE計劃，Kirchengast等對EGOPS軟件包進行了升級改進，可以進行端到端的LEO-LEO微波掩星仿真和反演計算，取得了一些有意義的成果，但到目前為止，該計劃沒有開展過相關LEO-LEO微波掩星載荷的硬件研制工作。Kirchengast等研制了紅外激光掩星原型機，并在2011年進行了地面驗證實驗，研究人員對地面實驗結果進行了分析研究，之后關于該計劃的研究基本處于停滯狀態(tài)。

② ATOMMS計劃

ATOMMS（Active Temperature, Ozone and Moisture Microwave Spectrometer）計劃由美國亞利桑那大學在2005年提出，即主動式溫度、臭氧和水分微波波譜儀，旨在探測從近地面到中間層的密度、氣壓、溫度和水汽廓線，以及從對流層頂?shù)酵瑴貙拥某粞趵€。該計劃組合了GPS-LEO掩星探測系統(tǒng)和LEO-LEO微波掩星探測系統(tǒng)，只進行微波掩星探測。LEO-LEO微波掩星的探測頻點分別在X波段、Ｋ波段和M波段，在22.23 GHz水汽吸收線附近有5個頻點，分別是9.7 GHz、13.5 GHz、17.25 GHz、20.2 GHz和22.6 GHz；在183.31 GHz水汽吸收線附近有3個頻點，分別是179.0 GHz、181.95 GHz和183.6 GHz。ATOMMS星座設計為12顆LEO衛(wèi)星，分布在2個軌道平面，軌道高度分別為650 km和800 km，每個軌道面分布6顆LEO衛(wèi)星，一天可以發(fā)生1 000次以上LEO-LEO掩星事件和6 000～8 000次GPS-LEO掩星事件[6]。

亞利桑那大學的研究人員研制了低頻段22.23 GHz和高頻段183.31 GHz的原理樣機，分別在樓頂和山頂進行了水汽吸收線衰減測量試驗，但后續(xù)沒有對儀器再進行改進和研制，之后關于該計劃的研究也基本處于停滯狀態(tài)。

③ CACES計劃

CACES（Climate and Atmospheric Components Exploring Satellites）計劃由中國科學院大氣物理研究所在2017年提出，旨在通過低地球軌道衛(wèi)星間微波與紅外激光掩星探測手段，獲取特定頻率與譜段的信號相位和振幅變化，反演大氣溫度、濕度和壓強等大氣參數(shù)，獲得H2O、CO2、CH4和O3等多種氣體成分廓線，并結合紅外成像實現(xiàn)三維立體探測。LEO-LEO微波掩星的探測頻點分別在X波段和Ｋ波段，分別為9.7 GHz、13.5 GHz、17.25 GHz和22.6 GHz。CACES星座設計為4顆LEO衛(wèi)星，分布在2個軌道平面上，軌道高度分別為500 km和550 km，每個軌道面分布2顆LEO衛(wèi)星。

CACES計劃是目前國際上在研的LEO-LEO掩星探測計劃，前期經(jīng)過科學概念研究、深化論證和預先研究三個階段，目前順利得到中國科學院“空間科學（二期）”戰(zhàn)略性先導科技專項的后續(xù)支持，進入到背景型號研制階段，關鍵載荷紅外激光掩星與微波掩星原理樣機正在研制當中，目前計劃開展外場實驗，進行山基探測驗證。

5 LEO-LEO微波掩星探測技術展望

基于國際研究前沿與當前進展，認為未來LEO-LEO微波掩星探測技術研究需要在目前研究基礎上，開展以下工作：

①反演技術

Kursinski等地面實驗表明[24]，AM6.2光譜模型比MPM93模型更適合測量光譜線的形狀。目前的反演算法中，微波信號的模擬實部折射率和虛部折射率是由MPM93模型計算的，未來仍需要通過大量仿真實驗，對比分析MPM93、AM6.2等微波傳輸模型對溫度和水汽廓線反演精度的影響，選擇最優(yōu)的微波傳輸模型建立LEO-LEO微波掩星反演算法。此外，微波信號的實部折射率和虛部折射率的權重在低對流層的設置不是最佳的，不同信號頻率的權重分配是固定的，為了進一步提高溫度和水汽廓線的反演精度，仍需要對權重函數(shù)進行定量計算分析與改進，也可根據(jù)信號頻率的強度建立動態(tài)可變的權重因子，從而提高算法的反演精度。

對流層低層水汽含量豐富，當存在較厚云層和湍流時，溫度和水汽廓線反演精度會受到顯著不利影響。針對此問題，Kirchengast等提出兩個解決方法[36]，一是引入先驗溫度場信息，利用最佳擬合溫度外推方法反演3 km～6 km以下溫度和水汽廓線，但此方法存在的缺點是需要引入輔助背景場信息，這與LEO-LEO獨立反演溫度和水汽廓線的初衷不符；二是波動光學方法，在反演大氣透過率的過程中可以減少閃爍波動，能夠在沒有先驗信息的情況下反演對流層下部的溫度和水汽廓線。目前，主要有第二類正則變換方法（CT2）、全譜法（FSI）等波動光學反演方法。Gorbunov等利用波動光學方法初步研究了22.23 GHz吸收線附近頻點反演溫度和水汽廓線的性能，仍需要進一步開展研究，比較不同波動光學方法對反演性能的影響。此外，還需對波動光學方法在183.31 GHz吸收線附近頻點反演溫度和水汽廓線的性能進行評估分析。

LEO-LEO微波掩星理論上可以實現(xiàn)云中冰晶的探測，但目前關于這方面的研究非常少，在未來工作中，需要從基本原理出發(fā)，研究云中冰晶的探測和反演技術，從而實現(xiàn)LEO-LEO微波掩星技術對水汽、云中液態(tài)水和云中冰晶三相態(tài)的探測和反演。

②硬件載荷研制

國外已研制出低頻段22.23 GHz和高頻段183.31 GHz的原理樣機，并進行了地面實驗驗證，有待進行星載探測驗證[24,25]；國內(nèi)硬件研制領域，低頻器件及相關技術較高頻器件成熟，目前已經(jīng)突破X/K波段高穩(wěn)定功率發(fā)射與高精度接收技術、X/K波段天線幅度穩(wěn)定度控制技術等關鍵技術研究，研制出了低頻段22.23 GHz的原理樣機，未來將進行外場、山基等實驗驗證。但尚缺乏183.31 GHz原理樣機相關的研制，主要原因是高頻振蕩器等方面的關鍵技術有待攻關突破。

③ LEO-LEO微波掩星技術與LEO-LEO紅外激光掩星技術協(xié)同研究

LEO-LEO微波掩星技術利用微波信號的折射作用反演大氣的溫度、壓強等大氣熱力學參數(shù)廓線，結合水汽吸收頻點的吸收作用反演水汽廓線；再以微波掩星探測的大氣熱力學參數(shù)作為輸入量，利用各種氣體成分對相應吸收譜線頻點的吸收作用反演氣體濃度廓線，該過程既是LEO-LEO微波掩星和LEO-LEO紅外激光掩星的同步探測過程，也是協(xié)同反演的過程，從而實現(xiàn)大氣溫度、濕度和壓強等熱力學參數(shù)以及H2O、CO2、CH4、N2O、O3和CO等多種氣體成分的高精度、高垂直分辨率探測。因此，在開展上述總結的LEO-LEO微波掩星技術研究工作的同時，需要開展LEO-LEO紅外激光掩星的研究工作，主要包括多通道差分吸收激光雷達技術、短波紅外波段高精度高靈敏度探測技術等關鍵技術的攻關研究。

6 結束語

LEO-LEO掩星探測技術是目前無線電掩星技術最有前途的發(fā)展方向之一。LEO-LEO微波掩星探測概念自提出以來，已經(jīng)開展了一系列有意義的研究，建立了LEO-LEO微波掩星反演算法，開展了系列端到端的仿真計算和反演實驗，進行了載荷原理樣機的地面驗證試驗，初步證明了LEO-LEO掩星探測地球大氣的可行性和探測能力[5,6,8,12,14,36]。本文重點對LEO-LEO微波掩星探測溫度和水汽廓線的研究進展進行了總結，并對未來LEO-LEO微波掩星探測技術研究進行了展望，為發(fā)展LEO-LEO掩星空間探測技術提供了基本科學理論參考。

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Progress of temperature and water vapor profiles detected by LEO-LEO microwave occultation

ZHANG Zhihua1,2, WANG Xin1, LYU Daren1,2

（1. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

LEO-LEO microwave occultation measurement technique uses the frequencies near the water vapor absorption line to measure both refraction and absorption of the signals, enabling simultaneous retrieval of the temperature and water vapor profiles without an auxiliary background field, which overcomes the "temperature-humidity ambiguity" problem of GNSS-LEO radio occultation technique in the middle and low troposphere. At present, there is no any LEO-LEO occultation exploration mission in the space. In order to promote of LEO-LEO occultation measurement technique, the research frontiers and progress of temperature and water vapor profile detected by LEO-LEO microwave occultation are reviewed and summarized in this paper. Firstly, the development history of LEO-LEO occultation measurement technique is introduced, and the basic principle of LEO-LEO occultation detection and the frequencies selection are explained. Secondly, the research trends of retrieval technique of LEO-LEO microwave occultation detection temperature and water vapor profiles is emphasized, and the progress of LEO-LEO occultation missions is introduced. Finally the paper summarizes and offers a prospect. This study can provide basic scientific and theoretical reference for the realization of LEO-LEO occultation space exploration mission.

LEO-LEO; Microwave occultation measurement; Retrieval; Temperature profiles; Water vapor profiles

P412.27

A

CN11-1780(2022)01-0001-12

10.12347/j.ycyk.20211109001

張志華, 王鑫, 呂達仁.LEO-LEO微波掩星探測溫度和水汽廓線研究進展[J]. 遙測遙控, 2022, 43(1): 1–12.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211109001

: ZHANG Zhihua, WANG Xin, LYU Daren. Progress of temperature and water vapor profiles detected by LEO-LEO microwave occultation[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(1): 1–12.

張志華 1990年生，在讀博士研究生，主要研究方向為LEO-LEO微波掩星探測技術。

王 鑫 1977年生，博士，高級工程師，主要研究方向為大氣物理、大氣與海洋遙感。

呂達仁 1940年生，院士，研究員，大氣物理學家。

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

基金項目：中科院戰(zhàn)略性先導科技專項空間科學背景型號項目（XDA15021000）

通訊作者：王鑫（wangx2003@mail.iap.ac.cn）

2021-11-09

2021-12-16

(本文編輯：傅 杰)