全球对流层顶的多掩星观测研究

对流层顶是对流层和平流层的过渡区域，研究对流层顶的空间结构和时间变化特征对于理解对流层-平流层交换有重要意义。掩星作为一项新的大气探测技术，具有全球覆盖、高精度、高垂直分辨率和长期稳定等优势。本项目将综合利用多个掩星项目的数据，对全球尤其是中纬和极地对流层顶高度、温度、压强等参数的统计特征进行研究，给出对流层顶参数细致的空间分布、季节及年周期变化、季节内波动等，分析对流层顶断裂带的位置与变化，探索掩星用于极地对流层顶研究的可行性，明晰多掩星数据在反映对流层顶细致空间结构和短时间变化特征上的能力和优势。这一工作将增进人们对对流层顶时空结构的认识，促进掩星在对流层顶研究中的应用，对于上对流层/下平流层区域研究有重要意义。

对流层顶的结构与对流层-平流层的物质能量交换和全球气候变化等密切相关，故对其特征的研究备受关注。本研究综合利用7个掩星项目2001年5月至2013年4月大气观测数据（共6075359个剖面），研究了全球热对流层顶的时空变化特征。不同掩星大气温度的交叉比较显示：在上对流层和下平流层区域，温度没有系统性偏差，平均温度差约为0.06 K，标准差为1.6 K。利用丰富的掩星观测获取了高分辨率的对流层顶结构，并由此揭示了其年周期、空间分布、年际变化和日变化的新特征和细致结构。在赤道南、北纬5度以内，除了1-2月对流层顶温度的季节变化在4月存在第二个低值，这可能与南、北半球波作用力的合力在该时段的峰值有关。分析展示了各纬度带上对流层顶参数的季节变化模式及模式转变的精确信息，并发现热带外地区对流层顶压强和温度的相关特征并不一致。在冬季，热带对流层顶温度极值与压强极值的覆盖范围并不完全匹配，而且前者与强对流的分布区域更一致，说明热带对流层顶压强还受到其他因素的影响。采用热对流层顶的定义，可得到北极和夏季南极合理的对流层顶结构。在赤道、中纬和北极地区，对流层顶温度的年际变化特征均表现出明显的纬向差异，这是低空间分辨率数据研究未曾报道过的。对于赤道和北极地区，无论是整个纬度带还是在局部的经度区间，对流层顶温度与下平流层温度的年际变化一致，而与对流层温度没有相关性。中纬对流层顶与其上、下大气层的温度变化均没有相关性。热带对流层顶有明显的日变化，其中对流层顶温度在上午较大，午夜最低。.对流层延迟是高精度卫星导航定位的重要误差源。利用GPS对流层天顶延迟（ZTD）观测和再分析大气资料深入分析了ZTD的时空特征，建立了基于三维空间参数表的IGGtrop全球对流层修正模型，其平均bias和RMS误差分别为-0.8和4.0 cm，且IGGtrop在全球各地区均具有较为一致的修正效果，优于EGNOS等一维模型。针对IGGtrop模型参数量较大的问题，通过调整模型算法、建立自适应的空间网格以及采用优化的参数存储方法等，建立了一系列新模型IGGtrop_ri (i = 1, 2, 3)。3个新模型具有与IGGtrop基本相当的修正精度，参数数量仅为原模型的3.1–21.2%，提高了模型应用的方便性。这一系列对流层模型在精度和应用上各具优势，能满足用户的不同需求，可作为我国北斗卫星导航系统的参考模型。