风云三号C星掩星数据误差特性和优化算法研究

GNSS radio occultation (RO) is an emerging new atmospheric sounding technique that can provide relatively globally evenly distributed atmospheric profiles with a high accuracy and vertical resolution. As such, the technique has been widely used in weather prediction, climate monitoring and space weather forecasting, and excellent results have been obtained. Recognising the significance of the new technology, China launched its first GNSS RO mission, i.e., FY-3C, in Sept 2013. Preliminary researches show that large discrepancies and appreciable error of atmospheric profiles exist above 30 km. In addition, most of the current assessment work conducted was based on the early observations of FY-3C which is not necessarily ideal since the new mission takes time to stabilise. Furthermore, the time period of observations used for the evaluation is not sufficient long for a comprehensive evaluation. This project aims to develop an optimal RO data processing system by studying RO basic theory and investigating optimal retrieval algorithms. It is anticipated that our research will lead to significant benefits to the optimisation of FY-3C data processing system and therefore improve the accuracy of atmospheric profiles retrieved. It is also expected that this research can provide advanced and very valuable algorithms and software supports for the development of new Chinese RO missions including the FY series.

GNSS无线电掩星技术是一种能提供全球均匀分布，高精度和高垂直分辨率大气廓线的新兴大气探测技术。当前掩星技术已被广泛地运用于数值天气预报，气候监测和空间天气预报等研究，并取得了显著成果。鉴于掩星技术的先进性和重要性，我国于2013年9月发射了第一颗掩星卫星即风云三号C星。初步评估发现，C星大气廓线在30km以上存在较大误差且反演算法仍然存在许多不足。另外，当前评估使用的数据为卫星早期处于不稳定时期的数据，且使用数据时间较短，因此对大气廓线的评估精度方法亟待改进。鉴于此，本项目拟通过对掩星新算法的研究来建立优化的掩星数据处理系统，以显著提高掩星大气反演能力和精度。本项目成果可以优化风云三号C星数据处理系统相关算法，从而提高反演的大气参数精度，并为我国即将发射的包括风云系列卫星在内的其他掩星项目提供算法和技术支持。

本项目对我国首颗掩星卫星风云三号C星数据质量进行了详细的评估，研究了误差来源和特性，构建了适用于风云卫星的质量控制机制和误差模型，研制了统计优化和一维变分新算法等，将掩星产品精度在平流层(>30km)提升了5%且在低对流层(<5km)提升了10%以上。另外，本项目还成功利用风云掩星产品研究了平流层顶的分布与变化情况和台风对大气边界层的影响等。.项目总体进展顺利，完成了预期研究内容、任务和目标。基于项目成果共发表了23篇期刊论文，其中SCI检索20篇（包括TOP1区6篇），EI检索2篇，超出项目任务书4篇SCI论文的要求，形成了两套数据处理系统，培养了研究生3名。本项目成果有助于提高风云三号C星掩星数据质量和拓展北斗导航系统的创新应用，从而为即将发射的其他具备掩星功能的风云系列卫星提供算法、理论、技术和软件等支持。项目组下一步计划同中国气象局紧密合作，将本项目相关算法成果嵌入到风云C-E星掩星数据处理系统之中，预计2023年可以完成。