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我国中纬地区地基观测的GNSS卫星信号失锁研究

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我国中纬地区地基观测的GNSS卫星信号失锁研究

作者：赵伟华山东大学

学位级别：硕士

电离层是距离地球表面约60-1000千米的被部分电离的太空区域,对无线电通讯、导航与定位及超视距雷达探测等高新技术应用具有重要的意义。当卫星信号穿过扰动的电离层时,其幅度和相位等可能会发生快速而剧烈的扰动,这一现象被称为电离层... 详细信息

电离层是距离地球表面约60-1000千米的被部分电离的太空区域,对无线电通讯、导航与定位及超视距雷达探测等高新技术应用具有重要的意义。当卫星信号穿过扰动的电离层时,其幅度和相位等可能会发生快速而剧烈的扰动,这一现象被称为电离层闪烁;而当闪烁严重时,甚至能引起信号中断,进而导致卫星信号不能被锁定,即信号失锁。电离层闪烁和信号失锁会对无线电波传播产生诸多不利影响,严重影响通讯、导航、定位与超视距雷达探测等的精度。前人对信号失锁现象有过初步探索研究,主要集中在空基或部分地基观测的低纬和高纬地区及磁暴期间的信号失锁,而对中纬地区的信号失锁现象则关注较少,尤其是中纬地区地基设备的信号失锁现象。研究表明信号失锁现象主要发生在低纬和高纬地区,中纬地区很少出现,事实是否果真如此仍需进一步研究。我国大部分国土位于中纬地区,故而非常有必要进一步了解该区域的信号失锁的分布特征及其形成机理。本文利用山东省威海市槎山站（122.296°E,36.866° N）和玛珈山站（122.06°E,37.54°N）的GNSS电离层TEC和闪烁监测仪的多年观测,系统研究了山东半岛的信号失锁现象。首先,分析了我国中纬地区典型信号失锁事件并给出判定标准;然后,全面总结中纬地区信号失锁的时空分布特征;最后,初步探究中纬地区产生信号失锁及电离层闪烁的原因等。本文的主要研究结果如下:1、发现中纬地区也存在较多的信号失锁现象,并开展了典型事件分析分析了 GPS、北斗等多类卫星的典型信号失锁事件,研究发现信号失锁现象在我国中纬地区也有发生,且信号失锁前有闪烁指数上升、信噪比下降、短时间内连续多次发生等典型特征,这可能与中纬地区电离层物理参量局地变化有关。依据这些事件分析,我们提出信号失锁的判定标准,为进一步开展失锁现象统计工作奠定了基础。2、统计了中纬地区信号失锁的时空分布特征统计分析了威海槎山站和玛珈山站地面GNSS接收机的北斗和GPS卫星信号失锁事件的时空分布特征,发现信号失锁主要发生在东经1 19°-123°、北纬34°-39°之间的我国中部及东北部沿海地区,内陆区域较少;事件持续时间较短,以1-2分钟居多,3-6分钟次之;槎山站和玛珈山站观测事件的世界时（UT）分布趋势基本一致,但槎山站的事件数量（2017-2021年共76个）整体少于玛珈山站（2020-2021年共130个）。这可能是因为玛珈山站位于市区,受电磁干扰较多所致。玛珈山站的130个事件中发生于日出（21:00:00UT）、日落（10:00:00-13:00:00UT）时段的数量多于其他时段,而槎山站的76个事件中发生于（0:00:00-1:00:00UT）事件较多。信号失锁事件在秋冬季节居多,但玛珈山站在7/8月份出现峰值,主要可能因为该时期为威海市区旅游旺季,各类人为活动干扰较多。信号失锁事件发生率在2018-2021年逐年增加,这可能与太阳活动性增强有关;在槎山站的观测中,发生在北斗卫星的事件数量多于GPS卫星,但在玛珈山站并没有这种差异。3、探讨了信号失锁发生的可能原因——电离层等离子体密度较快下降可能直接引发信号失锁利用Madrigal TEC数据、GNSS卫星TEC数据和张衡一号卫星探测的原位等离子体数据,发现信号失锁发生前后,失锁位置位于不均匀体边缘TEC梯度较大处,卫星TEC数值在失锁发生前降低约0.2 TECu,且在一些失锁事件发生时TEC在扰动和较快降低中达到最低值;电离层S4指数与电离层电子密度扰动（ΔNe）有良好对应关系,表明电离层等离子体密度较快下降可能直接引发信号失锁。当电离层密度扰动恢复平静后,信号失锁现象消失。本文对我国中纬地区地基观测的卫星信号失锁现象及其形成原因进行了研究,该结果有助于深入理解中纬地区卫星信号失锁的时空分布特征及其形成机理,将应用于电离层及其闪烁建模预报,为提升卫星通讯导航及超视距雷达探测精度提供科学依据。

关键词：中纬电离层地基观测卫星信号失锁电离层闪烁 GNSS总电子含量北斗/GPS 张衡一号

基于CE-318观测的甘肃省气溶胶光学特性分析

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高原气象 2024年第1期43卷 241-253页

作者：黄芳芳马伟强王遂缠张鸿孔小怡卢品睿王旭东刘昊闫一丹甘肃省气象信息与技术装备保障中心甘肃兰州730020 中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统科学国家重点实验室地气作用与气候效应团队北京100101 兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000 西藏珠穆朗玛特殊大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站西藏定日858200 中国科学院中国-巴基斯坦地球科学研究中心伊斯兰堡453206 兰州市气象局甘肃兰州730030

对于大气气溶胶地基观测资料的定量分析是了解气溶胶光学特性和大气污染特征的基本途径,可为探讨污染治理方向提供一定的依据。近年来,利用地基观测资料分析甘肃省不同区域气溶胶光学特性的研究较少。为了解甘肃省不同下垫面的大气气溶... 详细信息

对于大气气溶胶地基观测资料的定量分析是了解气溶胶光学特性和大气污染特征的基本途径,可为探讨污染治理方向提供一定的依据。近年来,利用地基观测资料分析甘肃省不同区域气溶胶光学特性的研究较少。为了解甘肃省不同下垫面的大气气溶胶光学特性,本文基于2018年4月至2020年9月CE-318型太阳光度计观测资料,通过ASTPwin软件反演获得了甘肃省四个站点的气溶胶光学厚度AOD,计算了Angstrom波长指数α,分析了甘肃省不同区域不同季节AOD和α的分布和变化特征以及气溶胶光学厚度和波长指数的关系。结果表明:(1)观测时段内,所有站点各波段AOD的变化趋于一致,且AOD值随波长增大而减小。兰州和皋兰山AOD值冬季最高,春、秋季次之,夏季最低,兰州冬、春季AOD值分别比年均值超出14.98%和4.68%,皋兰山冬季AOD值比年均值超出3.88%。敦煌和民勤AOD值均为春季最高,比各自的年均值高出24.49%和26.30%。敦煌AOD季节分布为:春季>夏季>冬季>秋季,而民勤则表现为从春到冬季逐渐减小的趋势。(2)兰州和皋兰山春夏季主控粒子为粗模态,秋冬季则为细颗粒物主导。敦煌和民勤大气气溶胶常年由粗模态粒子主控。2019年冬季,兰州市区AOD值比其城郊的皋兰山高出68.0%;敦煌和民勤2019年春季沙尘气溶胶污染较为严重,敦煌AOD值比民勤超出42.42%。(3)四个站点AOD和α的频率分布均呈单峰曲线,不同季节AOD高频次分布范围存在差异性,但都处于1.0以下。α的高频次范围分布较为复杂,兰州春季、皋兰山春夏季、敦煌四季、民勤春夏秋季,α分布区间均小于1.0,而兰州夏秋冬季、皋兰山秋冬季、民勤冬季α主要分布于1.1以上。(4)不同季节AOD和α的关系存在差异,表现为不同季节,大气出现严重或者局部污染时,气溶胶的主控粒子粒径大小不同。春季大气出现局部或者严重污染、夏季大气局部污染时,四个站点气溶胶主要是大粒径粒子,其中沙尘气溶胶的贡献较大。夏季大气处于严重污染时,皋兰山气溶胶主要是细模态粒子,兰州、敦煌、民勤气溶胶依然由粗模态主控,但是兰州小粒径粒子导致的污染比重高于其余两站,其中85%以上属于城市工业-气溶胶污染。秋季大气处于严重污染状况时,兰州和皋兰山均由细模态粒子主导,其中城市工业-气溶胶占比明显增加,而敦煌和民勤依然由粗模态粒子主导,其中沙尘气溶胶占比偏重。冬季大气严重污染时,兰州依然由细模态粒子主导,而其他三站由粗模态粒子占据主导地位,冬季大气局部污染时,敦煌和民勤粗模态粒子与细模态粒子同时出现,皋兰山以细模态粒子为主。分析可知,总体上甘肃偏北地区气溶胶污染以沙尘气溶胶为主,而偏南地区气溶胶污染表现为粗模态与细模态粒子交替出现,这为下一步结合卫星遥感资料研究甘肃不同区域的气溶胶特性及大气污染特征提供了一些参考。

关键词： CE-318太阳光度计气溶胶光学厚度(AOD) 地基观测甘肃省

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基于地基观测的时序卫星红外光谱建模与分析

物理学报 2019年第5期68卷 264-271页

作者：谷牧任栖锋周金梅廖胜中国科学院光电技术研究所成都610209 中国科学院大学北京100049

针对地基观测的卫星红外光谱受复杂因素的影响和外场试验对测量卫星物性信息的缺乏,无法解释卫星红外光谱反演出特征的有效性和具体物理意义的问题,提出了一种基于地基观测的卫星热红外光谱的建模和分析的方法.首先,考虑了太阳辐射、地... 详细信息

针对地基观测的卫星红外光谱受复杂因素的影响和外场试验对测量卫星物性信息的缺乏,无法解释卫星红外光谱反演出特征的有效性和具体物理意义的问题,提出了一种基于地基观测的卫星热红外光谱的建模和分析的方法.首先,考虑了太阳辐射、地球辐射、卫星各面对探测器的可见情况、地基探测器可探测卫星的范围、大气衰减等因素的影响,更加准确地建立卫星热红外光谱模型.然后,以风云三号卫星为例,利用该模型计算了在观测时序上卫星在地基探测器入瞳上的3—14μm红外光谱辐照度;分析了影响卫星红外光谱变化的主要因素.最后,利用普朗克函数拟合卫星红外光谱,提取出特征与卫星的物性比较,并对其进行分析.结果表明:在各种影响因素中,由卫星运动引起的对探测器可见情况的改变是影响卫星红外光谱数据的主要因素.等效温度和等效面积物理含义能被有效地解释,等效温度接近于太阳帆板的温度,温差仅在15 K左右,等效面积能表征卫星投影面积的变化;发现利用帆板和本体有较大的温差,能实现帆板和本体的分离,并实现新特征的提取.

关键词：卫星红外光谱地基观测普朗克函数特征提取

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极区气溶胶光学厚度研究现状与展望

极地研究 2024年

作者：陈李静张雷佘勇姚振东曾昭亮田彪郑宇丁明虎中国气象科学研究院灾害天气实验室成都信息工程大学

近年来日益突出的极区大气污染以及气候变化问题使得气溶胶深入研究成为重要课题。气溶胶光学厚度(Aerosal Optical Depth, AOD)作为表征气溶胶光学特性的重要参数之一,其与大气颗粒物和气象要素的相关性可用以指示气溶胶对大气污染和... 详细信息

近年来日益突出的极区大气污染以及气候变化问题使得气溶胶深入研究成为重要课题。气溶胶光学厚度(Aerosal Optical Depth, AOD)作为表征气溶胶光学特性的重要参数之一,其与大气颗粒物和气象要素的相关性可用以指示气溶胶对大气污染和气候的影响。从全球角度看,目前对气溶胶研究在中纬度地区的开展较多,而由于受观测连续性和遥感能力特别是卫星遥感反演精度的限制,对南北极地区的气溶胶研究开展较少。本文分析了极区AOD研究的历史、现状和瓶颈,概述极区AOD总体研究的进展,探索地基观测和卫星遥感等制约其深入研究的能力及原因。

关键词：极区气溶胶光学厚度地基观测卫星遥感

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月球辐射照度模型比对及地基对月观测验证

遥感学报 2017年第6期21卷 864-870页

作者：张璐张鹏胡秀清陈林王阳王威中国气象科学研究院北京100081 南京信息工程大学南京210044 国家卫星气象中心北京100081 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

月球是除太阳外对地张角最大的天体,反射率稳定性为10–8每年,适合用于遥感卫星的辐射定标、夜间地基大气遥感和夜间卫星遥感,但月球辐射照度模型的精度束缚了上述应用的发展。为检验现有ROLO(RObotic Lunar Observatory)和MT2009(Mille... 详细信息

月球是除太阳外对地张角最大的天体,反射率稳定性为10–8每年,适合用于遥感卫星的辐射定标、夜间地基大气遥感和夜间卫星遥感,但月球辐射照度模型的精度束缚了上述应用的发展。为检验现有ROLO(RObotic Lunar Observatory)和MT2009(Miller-Turner 2009)地基整盘月球辐射照度模型的精度,国家卫星气象中心于2015年底至2016年初在云南丽江组织了3个月的地基对月观测,使用高光谱月球成像光谱仪获取了399.00—1060.00 nm连续光谱的月球辐射照度。基于整盘月球辐射照度模型,利用丽江地基对月观测试验资料,对比模型与模型、模型与丽江地基观测月球辐射照度。结果表明:(1)MT2009与ROLO模型在短波红外谱段的差异明显大于可见光谱段;(2)地基观测高光谱月球辐射照度结果与ROLO模型更接近,但是可见光波段比ROLO模型辐射照度平均小5.86%左右。为探究差异产生的主要来源,对结果还进行了进一步的分析和讨论,以期为今后月球辐射模型的改进和夜间微光遥感研究提供经验和依据。

关键词： ROLO MT2009 月球辐射照度模型地基观测辐射定标

卫星-地基-模式统一的自动观测云分类原则和标准的研究

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地球物理学报 2014年第8期57卷 2433-2441页

作者：李昀英方乐锌寇雄伟解放军理工大学气象海洋学院南京211101

随着空基、地基云状观测自动化进程的推进,国际通用的人工观测云分类标准不再适用于自动观测.本文提出了适用于自动观测的卫星观测、地基观测和数值预报模式统一的云分类原则和分类标准,依据大气代表性原则、仪器观测可行性原则、历史... 详细信息

随着空基、地基云状观测自动化进程的推进,国际通用的人工观测云分类标准不再适用于自动观测.本文提出了适用于自动观测的卫星观测、地基观测和数值预报模式统一的云分类原则和分类标准,依据大气代表性原则、仪器观测可行性原则、历史继承性原则和可扩展性原则,不考虑云的高度,沿用形态学和发生学理论,将云分为卷云、层状云、波状云和积状云4属,更细分为薄卷云、密卷云、波云、雨波云、层云、雨层云、浅积云和深积云8类,列出了各类云特征的定性描述,为自动观测、预报保障和模式评估提供参考.

关键词：云分类地基观测卫星观测数值预报模式

基于地基观测及源清单的2017—2019年德州市秋冬季大气污染防治效果评估

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环境科学研究 2019年第10期32卷 1739-1746页

作者：陶士康张清爽安静宇黄丹丹楼晟荣乔利平程金平李莉黄成上海市环境科学研究院国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室上海200233 山东省德州生态环境监测中心山东德州253034 上海交通大学上海200240 上海大学上海200444

为评估污染减排措施实施效果,基于地基观测及排放清单数据,运用WRF中尺度气象模型和CAMx空气质量模型,对德州市2017—2019年秋冬季大气污染攻坚实施效果进行了评估.结果表明,2017—2018年秋冬季,德州市ρ(PM2.5)同比下降31.7%,高于京津... 详细信息

为评估污染减排措施实施效果,基于地基观测及排放清单数据,运用WRF中尺度气象模型和CAMx空气质量模型,对德州市2017—2019年秋冬季大气污染攻坚实施效果进行了评估.结果表明,2017—2018年秋冬季,德州市ρ(PM2.5)同比下降31.7%,高于京津冀及周边地区平均水平(25.6%),大气污染攻坚措施成效显著;2018—2019年秋冬季,德州市ρ(PM2.5)同比增加8.5%,高于京津冀及周边地区平均水平(4.2%),这与不利气象条件及排放量同比减少有关.观测结果显示,2018—2019秋冬季,德州市PM2.5中无机组分、一次排放示踪物以及SO2和CO等气态前体物浓度较上一年度呈下降趋势,ρ(SOA)(SOA为二次有机气溶胶)、ρ(NH4^+)同比有大幅增长,增幅分别为53.8%和19.1%,这与大气中VOCs(挥发性有机物,增加46.5%)及大气氧化性(增加6.4%)的增加密切相关,表明德州市复合型大气污染加剧,PM2.5防控难度加大.综合气象和减排评估结果可知,2017—2018年秋冬季,气象条件(13.4%)和长效措施(9.4%)是德州市PM2.5改善的两个主要因素;2018—2019年秋冬季,长效措施减排效果较为有限,减排主要来自预警应急(5.0%)和区域减排(5.2%),若仅考虑不利气象条件的影响,将导致同比约19.9%的反弹.因此,持续深入推进长效减排措施,降低污染物排放水平,是德州市实现空气质量改善的根本途径.

关键词：地基观测污染源清单 PM2.5 污染防治效果评估德州市

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温室气体柱总量地基观测系统

中国科学院院刊 2023年第S1期38卷 108-108页

主要技术与性能指标,光谱响应范围:5400-9000 cm^(−1),光谱分辨率:最高0.25 cm^(−1),低分辨率如0.5 cm^(−1)、1 cm^(−1)可选,探测器:高性能电制冷红外探测器,采集速度:1-2条/s(@分辨率1 cm^(−1)),CO_(2)柱浓度探测精度:优于0.25%,CH4柱... 详细信息

主要技术与性能指标,光谱响应范围:5400-9000 cm^(−1),光谱分辨率:最高0.25 cm^(−1),低分辨率如0.5 cm^(−1)、1 cm^(−1)可选,探测器:高性能电制冷红外探测器,采集速度:1-2条/s(@分辨率1 cm^(−1)),CO_(2)柱浓度探测精度:优于0.25%,CH4柱浓度探测精度:优于0.5%。

关键词：低分辨率探测精度光谱响应范围光谱分辨率红外探测器柱浓度温室气体地基观测

香河地基观测臭氧柱总量数据分析及臭氧变化趋势研究

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气候与环境研究 2019年第2期24卷 143-151页

作者：窦鑫张金强朱彬郑向东夏祥鳌陈洪滨南京信息工程大学大气物理学院环境工程系南京210044 中国科学院大气物理研究所北京100029 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 中国科学院大学北京100049 南京信息工程大学大气物理学院南京210044 中国气象科学研究院北京100081

大气臭氧变化在全球气候和环境中具有重要作用,是当今大气科学领域的重要研究对象之一。对比分析了中国科学院大气物理研究所河北香河大气综合观测试验站2014～2016年Dobson和Brewer两种臭氧总量观测仪器探测结果的一致性,并使用1979～2... 详细信息

大气臭氧变化在全球气候和环境中具有重要作用,是当今大气科学领域的重要研究对象之一。对比分析了中国科学院大气物理研究所河北香河大气综合观测试验站2014～2016年Dobson和Brewer两种臭氧总量观测仪器探测结果的一致性,并使用1979～2016年Dobson观测数据分析了香河地区臭氧总量的长期变化趋势。结果表明:进行有效温度修正后,两种臭氧总量仪器观测结果一致性较好,平均偏差仅为-0.14DU(多布森单位),平均绝对偏差为8.00 DU,标准差为36.09 DU,相关系数达0.964。整体来说,两类仪器观测臭氧总量吻合较好。SO2浓度对Dobson仪器数据精度有一定影响,两组仪器数据在SO2浓度为0～0.2DU、0.2～0.4DU和>0.4DU大气条件情况下的平均偏差分别为4.8 DU、7.0 DU和8.0 DU,平均偏差随SO2浓度升高而增大。过去38年香河地区的臭氧总量季节差异性强,春、冬两季臭氧总量高,夏、秋两季臭氧总量相对低,季节变化趋势差异明显。从长期变化上看,臭氧总量变化波动有不同的周期,在4个大的时间段变化趋势不同,2000～2010年臭氧层有显著恢复,但最近几年又有变薄的趋势。

关键词：臭氧柱总量地基观测 Brewer观测仪器 Dobson观测仪器一致性分析