许小峰
新冠疫情下异军突起的无线电掩星气象信息 精选
2021-10-12 20:45
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利用全球导航卫星系统(GNSS)无线电掩星(RO)信息可以获取大气层的垂直温、湿廓线信息,已是相对成熟的技术了,其在国内外许多与大气活动相关的科研、业务中都得到了成功应用。无线电掩星技术的基本物理原理是在真空中传播的电磁波进入有介质存在的区域(如大气)后会产生折射,而介质的变化又会引起折射率的变化,从而导致电磁波传播产生弯曲。在大气层中,垂直结构是连续变化的,电磁波折射率也会随之变化,通过折射率和折射率变化这样可以定量计算的物理量信息便能进一步推算出大气变量的分布信息,如温度、

湿度等。

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20世纪60年代,RO测量技术就被提出,当时被用于行星大气(火星、金星)的研究,可以发现无线电波通过行星大气、电离层后产生弯曲的变化。1965年,美国科学家通过水手4号(Mariner4)卫星并利用RO原理对火星大气进行了第一次测量,随后,克里奥尔等人在《科学》杂志上发表了题为《掩星试验:首次测量火星大气和电离层的结果》的文章;1969年,布鲁斯等人在IEEE会议文集上发表文章,题为《用掩星测量地球大气》。尽管那时已从科学机理上认识到可以通过掩星方式测量行星大气,并可以开展试验性研究,但受限于技术条件和成本等因素,与实际应用尚有较大距离。

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上个世纪80年代,全球定位系统(GPS)卫星星座的建立为掩星探测大气创造了绝佳契机,可以免费获取的无线电信号大幅度降低了资源成本。80年代后期,美国喷气动力实验室(JPL)开始提出利用GPS信号进行掩星探测的设想。1996年,由美国自然基金会支持的GPS/MET掩星试验成功证实了可以通过GPS-RO技术获取有效的大气温度信息,并由此进一步激发了诸多发射低轨掩星卫星的计划和实施,使通过掩星获取全球大气温湿廓线信息的技术从试验走向应用。如美国和中国台湾2006年联合发射的COSMIC卫星星座,由6颗低轨小卫星组成,经过10多年的运行,为科研和业务应用提供了大量全球大气垂直廓线信息。其后续星座COSMIC-2第一批6颗小卫星也于2019年成功发射,已可以提供数据产品。在一些极轨气象卫星上也安装了RO仪器,如欧洲Metop系列卫星上搭载的GRAS(大气探测全球定位系统),中国风云三号卫星上安装的GNOS(全球导航卫星掩星探测仪),都成功实现了业务应用。值得关注的是,近年来商业公司的介入,在RO小卫星星座的发射上表现出快速发展态势,如美国的SPIRE公司,已向太空发射了由超过110颗低轨小卫星组成的狐猴(Lemur)星座,可以每天提供超过10万个分布于全球的大气垂直廓线信息。

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尽管RO信息已在全球大气探测领域占有一席之地,发挥着越来越重要的作用,但与各类相对成熟的遥感或直接探测资料相比,RO信息权重排名尚不算突出。2020年突发的新冠肺炎疫情却意外提供了一个机会,使RO资料的重要性得以凸显,地位上升。

 

要想使RO信息在大气资料分析和预报模式中得以普遍应用,需要满足一些基本条件。一是要有足够的信息源,满足时空密度要求;二是信息提供要足够稳定,保持业务的持续稳定性;三是这些信息具有独特的优势,避免信息重叠。这些条件在2020年得以同时满足,促成了RO信息重要性提升,这在全球数值天气预报水平处于领先地位的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)表现得尤为明显。首先是在欧洲的三颗极轨卫星Metop-AMetop-BMetop-C上相继安装了GRAS仪器,每天可以稳定提供1800RO廓线信息;二是COSMIC-2星座的6颗卫星发射,接替了已经接近尾声的COSMIC首批卫星,每天可以提供4000RO廓线信息;20204月,美国SPIRE公司向ECMWF免费开放了该公司GNSS-RO数据访问权限,使可以获取的RO信息大增;与此同时,2020年以来新冠疫情造成原本在ECMWF模式中应用效果良好的大量航空探测信息锐减。上述不同类型信息的增减背景,促成ECMWF2020年加强了对RO信息的应用工作,特别是对2019年刚发射的COSMIC-2SPIRE公司所提供的Lemur星座信息,开展同化、测试和评估,并在短期内取得了可喜的成果。

 

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通过最终测试,在20203ECMWF模式同化了COSMIC-2信息后,GNSS-RO资料的贡献率从5%以下提升到了10%5月又增加了SPIRE公司信息后,贡献率又增加到接近15%。而同期由于飞机航空探测信息减少,其贡献率则从15%左右降至约5%,星升机降,反映出2020年在新冠肺炎疫情影响下两类信息应用的结局。或许随着疫情的缓解,还会出现新的变化,但通过这一结果比较,确实体现了GNSS-RO信息的价值,前景看好。另一方面,对于这类非直接探测资料应用,需要在同化方法和技巧上下更大的工夫,并非简单的公式套用就可以解决问题。同样的资料,也会由于应用水平的差异产生完全不同的结果。ECMWF能在短期内挖掘出飞机资料锐减后的替代品,也反映出其在数据同化技术领域的能力和优势。

《中国气象报》


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