掩星大气参数反演中电离层残差及其修正方法研究

The monitoring of global climate change is one of the great global challenges, and the GNSS Radio Occultation (RO) technique has a large potential to address the problem. However, the ionosphere is a major error source in GNSS RO measurements and although an ionosphere-free linear combination of dual-frequency bending angles is commonly used to mitigate the ionospheric effect, the residual ionopheric error (RIE) is still considerable, thus it needs to be further mitigated for high accuracy RO applications, especially in upper-air (25-65 km) where the RIE is severe. In this research project, we aim to study the RIE statistical characteristics for effectively mitigating the RIE and the research mainly includes the following three objectives/tasks. Firstly, bending angle RIE’s mechanism and statistical characteristics will be investigated using an end-to-end simulation. The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) analysis atmospheric model and Global Assimilation of Ionospheric Measurements (GAIM) ionospheric model will be used in the simulation process. In addition, the effects of solar activity, local time, azimuth of the occultation plane and season on the RIE will be also quantified and analyzed. Secondly, an empirical model for the bending angle RIE will be established based on the analysis results of both RO simulation data and observation data. Finally, a robust and more efficient bending angle RIE correction approach will be established by modeling and correcting the ionospheric “dispersion” residuals. The research results are expected to be significant for the improvement in mitigating the RIE in RO bending angles and so for other atmospheric retrievals, which is critical for the monitoring of the upper atmosphere by using the GNSS RO technique.

全球气候监测是世界各国面临的重大难题，掩星大气探测技术是解决该问题的有效途径。然而，电离层误差是GNSS掩星大气参数反演的主要误差之一，用双频线性组合法改正的弯曲角仍含有电离层残差，该残差是制约掩星中高层（25-65 km）大气探测的主要瓶颈。本项目拟采用ECMWF大气模式和GAIM电离层模式模拟地球大气，用三维射线追踪法仿真研究电离层残差的产生机理和统计特性，分析太阳活动强度、地方时、掩星平面方位角、季节等因素与弯曲角电离层残差的定量关系，及其对大气参数反演精度的影响；其次，在综合分析GNSS掩星仿真和观测数据的基础上，建立弯曲角电离层残差经验模型；最后，建立由电离层色散效应引起的弯曲角电离层“色散”残差项模型，发展稳健高效的弯曲角电离层误差改正方法。本项目旨在揭示弯曲角电离层残差的产生机理和误差特性，发展新的电离层误差改正方法，为实现GNSS掩星中高层大气探测的突破奠定基础。

全球气候监测是世界各国面临的重大难题，掩星大气探测技术是解决该问题的有效途径。然而，电离层误差是GNSS掩星大气参数反演的主要误差之一，用双频线性组合法改正的弯曲角仍含有电离层残差，该残差是制约掩星中高层（25-65 km）大气探测的主要瓶颈。.本项目采用中性大气模式和电离层模式模拟地球大气，用三维射线追踪法仿真研究了弯曲角电离层残差统计特性和产生机理。结果表明：电离层残差是掩星中高层大气产品的主要误差，其大小与太阳活动强度、地方时、掩星平面方位角相关；电离干扰会使弯曲角电离层残余误差增大数倍至二十多倍。“入射线”和“出射线”的电子密度分布不对称是弯曲角电离层残差的主要原因之一。量化分析了平流层底部（15~35km）、平流层顶部（35~50km）、中间层底部（50~65km）和中间层顶部（65~80km）的区域日平均弯曲角电离层残余误差。在分析过程中，全球被划分为全球（GLO）、北半球高纬（NHH）、北半球中纬（NHM）、赤道白天（EDT）、南半球中纬（SHM）和南半球高纬（SHH）六个统计区域。分析了太阳活动强度、纬度带和电离层局部球对称对弯曲角电离层残差的影响。结果表明：弯曲角电离层平均偏差是一种负的系统性偏差，且随太阳活动强度的增强而增大。六个统计区域中，EDT的弯曲角电离层偏差最大，中间层顶部、中间层底部和平流层顶部的弯曲角电离层残差平均偏差分别可达−0.048µrad、−0.041µrad和−0.032µrad；SHH的弯曲角电离层残差平均偏差最小，其大小几乎为零。另外，我们对COSMIC和FY-3C GNOS等掩星观测数据进行了相关的验证和分析。在综合分析GNSS掩星仿真和观测数据的基础上，根据弯曲角电离层残差的产生机理及其负偏性，课题组建立了由电离层色散效应引起的弯曲角电离层“色散”残差项模型，提出了Kappa和Bi-local电离层残差修正方法。初步测试结果表明上述电离层修正方法具有可行性。我们在做进一步的测试和优化工作。.本项揭示了弯曲角电离层残差的产生机理和误差特性，发展了新的电离层误差改正方法，为实现GNSS掩星中高层大气探测的突破奠定了理论基础。