Một phương pháp động mới cho tối ưu hóa thống kê các góc uốn của hiện tượng chiết xạ vô tuyến GNSS nhằm tối ưu hóa khả năng giám sát khí hậu

Yuncang Li1, Gottfried Kirchengast2, Barbara Scherllin‐Pirscher2, Suqin Wu1, Marc Schwaerz2, Johannes Fritzer2, Shaocheng Zhang1, Brett Carter1, Kefei Zhang1
1Satellite Positioning for Atmosphere, Climate, and Environment (SPACE) Research Centre, RMIT University, Melbourne, Victoria, Australia
2Wegener Center for Climate and Global Change (WEGC) and Institute for Geophysics, Astrophysics, and Meteorology/Institute of Physics (IGAM/IP), University of Graz, Graz, Austria

Tóm tắt

Tóm tắt

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) dựa trên hiện tượng chiết xạ vô tuyến (RO) là một kỹ thuật thu thập dữ liệu từ xa bằng vệ tinh, cung cấp các hồ sơ chính xác về khí quyển của Trái đất cho các ứng dụng dự báo thời tiết và khí hậu. Tuy nhiên, ở độ cao khoảng 30 km trở lên, tối ưu hóa thống kê là một quy trình quan trọng để khởi tạo các góc uốn RO nhằm tối ưu hóa khả năng giám sát khí hậu của các hồ sơ khí quyển thu được. Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu một thuật toán tối ưu hóa thống kê động tiên tiến, sử dụng các góc uốn từ nhiều ngày dự báo ngắn hạn và phân tích của Trung tâm Dự báo Thời tiết Trung âu (ECMWF), cùng với các góc uốn quan sát trung bình, để có được các hồ sơ nền và các ma trận hiệp phương sai sai số liên quan với các ước lượng không chắc chắn nền biến thiên theo địa lý được cập nhật hàng ngày. Thuật toán mới được đánh giá so với thuật toán hiện có của Hệ thống Xử lý Chiết xạ Wegener phiên bản 5.4 (OPSv5.4), sử dụng một vài ngày dữ liệu mô phỏng MetOp và dữ liệu quan sát CHAMP và COSMIC, trong điều kiện tháng Một và tháng Bảy. Chúng tôi nhận thấy các kết quả sau đây cho hiệu suất của phương pháp mới so với OPSv5.4: 1.) nó làm giảm đáng kể các lỗi ngẫu nhiên (độ lệch chuẩn), giảm xuống khoảng một nửa kích thước của chúng, và để lại ít hơn hoặc khoảng bằng các lỗi hệ thống dư (độ thiên) trong các góc uốn đã được tối ưu hóa; 2.) ước lượng động (hàng ngày) của ma trận hiệp phương sai sai số nền đã cải thiện các góc uốn được tối ưu hóa; 3.) các hồ sơ độ chiết suất và hồ sơ khí quyển (nhiệt độ) thu được sau đó được hưởng lợi từ các đặc điểm sai số được cải thiện, đặc biệt là ở độ cao khoảng 30 km trở lên. Dựa trên những kết quả đầy hứa hẹn này, chúng tôi nỗ lực áp dụng ước lượng hiệp phương sai sai số động tương tự cho các góc uốn đã quan sát và áp dụng phương pháp này cho toàn bộ tháng và sau đó cho toàn bộ hồ sơ dữ liệu khí hậu.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

10.5194/amt‐4‐1077‐2011

10.1175/BAMS‐89‐3‐313

10.1029/2012GL051720

Bassiri S., 1993, Higher‐order ionospheric effects on the GPS observables and means of modeling them, Manuscr. Geod., 18, 280

10.1002/qj.756

10.1002/jgra.50089

10.1175/2008WAF2007070.1

10.5194/amt‐6‐2169‐2013

10.1002/qj.828

Foelsche U. andB.Scherllin‐Pirscher(2012) Development of bending angle climatology from RO data CDOP Visiting Scient. Report 14 Danish Meteorol. Inst. Copenhagen Denmark.

10.3319/TAO.2008.01.14.01(F3C)

10.5194/amt‐4‐2007‐2011

Fritzer J. G.Kirchengast andM.Pock(2011) End‐to‐End Generic Occultation Performance Simulation and Processing System version 5.5 (EGOPS 5.5) Software User Manual Tech.Rep.ESA/ESTEC‐1/2011 Wegener Center and IGAM/Inst. of Physics Univ. of Graz Graz Austria.

10.5194/amt‐6‐121‐2013

Gobiet A. andG.Kirchengast(2002) Sensitivity of atmospheric profiles retrieved from GNSS occultation data to ionospheric residual and high‐altitude initialization errors Tech.Rep.ESA/ESTEC‐1/2002 Inst. for Geophys. Astrophys. and Meteorol. Univ. of Graz Graz Austria.

10.1029/2004JD005117

10.5194/acp‐7‐3519‐2007

10.1029/2000RS002370

10.1016/S1364‐6826(01)00114‐6

10.1029/2003JD003909

10.5194/angeo‐19‐459‐2001

10.1002/qj.49712656606

10.1256/qj.04.182

10.1029/90JA02125

10.1029/2009JD011969

10.1029/2012JD017665

10.1007/s00585‐997‐0443‐1

Isaksen L., 2010, The new Ensemble of Data Assimilations, ECMWF Newsl., 123, 17

10.1126/science.271.5252.1107

10.1029/97JD01569

10.1029/96RS01094

10.5194/amt‐4‐2065‐2011

10.22499/2.6002.004

Leitinger R., 1996, A ‘simple’ global empirical model for the F layer of the ionosphere (in German; English version available from the authors), Kleinheubacher Ber., 39, 697

10.1016/j.asr.2013.05.021

10.1029/2004RS003117

10.1175/2008BAMS2399.1

10.5194/amt‐4‐2837‐2011

Pirscher B.(2010) Multi‐satellite climatologies of fundamental atmospheric variables from radio occultation and their validation (PhD thesis) Sci. Rep. 33‐2010 Wegener Center Verlag Graz.

10.1029/2000JD000052

10.1029/97JD02400

Rocken C. W.Schreiner S.Sokolovskiy andD.Hunt(2009) Ionospheric errors in COSMIC radio occultation profile paper presented at the 89th Annual Meeting Am.Meteorol.Soc. Phoenix Ariz. 14 Jan.

10.1029/RG014i004p00609

10.1142/9789812813718

10.5194/amt‐4‐1875‐2011

10.5194/amt‐4‐2019‐2011

10.1029/2006GL027557

10.1029/2010JD014850

Simmons A., 2007, ERA‐Interim: New ECMWF reanalysis products from 1989 onwards, ECMWF Newsl., 110, 25

SokolovskiyS. andD.Hunt(1996) Statistical optimization approach for GPS/MET data inversions paper presented at the URSI GPS/MET workshop Union Radio Sci. Int. Tuscon Ariz.

10.1007/978-3-662-09041-1_15

10.1029/2004JD005251

10.1007/s00585‐999‐0122‐5

10.1016/S1464‐1895(01)00034‐5

10.1029/2010RS004614

10.5194/acp‐13‐1469‐2013

10.1029/1999RS002199

Untch A., 2006, Towards a global meso‐scale model: The high‐resolution system T799L91 and T399L62 EPS, ECMWF Newsl., 108, 6

10.1029/2002JD002908

10.1029/2009GL039968

Vorob'ev V. V., 1994, Estimation of the accuracy of the atmospheric refractive index recovery from Doppler shift measurements at frequencies used in the NAVSTAR system, Izvestiya, Atmos. Oceanic Phys., 29, 602

10.1175/1520‐0477(1996)077<0019:GSOTAF>2.0.CO;2

10.1029/2001GL013117

10.2151/jmsj.2004.381

10.1029/2010JA015466