多GNSS掩星技術(shù)：大氣參數(shù)與邊界層高度反演及質(zhì)量評(píng)估的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義大氣作為地球系統(tǒng)的重要組成部分，其狀態(tài)和變化對(duì)人類的生存與發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響。氣象預(yù)報(bào)能夠幫助人們提前做好應(yīng)對(duì)極端天氣的準(zhǔn)備，減少災(zāi)害損失；環(huán)境監(jiān)測(cè)則有助于我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決大氣污染等環(huán)境問(wèn)題，保護(hù)生態(tài)平衡。因此，精確獲取大氣參數(shù)和邊界層高度信息，對(duì)氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）掩星技術(shù)作為一種新興的大氣探測(cè)手段，近年來(lái)在大氣科學(xué)研究中發(fā)揮著愈發(fā)關(guān)鍵的作用。該技術(shù)利用GNSS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)在穿過(guò)地球大氣層時(shí)，因受到大氣折射、散射等因素的影響而發(fā)生傳播路徑彎曲、信號(hào)延遲和強(qiáng)度衰減等變化，通過(guò)對(duì)這些變化進(jìn)行精確測(cè)量和分析，從而反演得到大氣的相關(guān)參數(shù)。相較于傳統(tǒng)的大氣探測(cè)方法，如衛(wèi)星遙感、地面觀測(cè)和氣球探測(cè)等，GNSS掩星技術(shù)具備諸多顯著優(yōu)勢(shì)。在覆蓋范圍上，GNSS衛(wèi)星星座能夠?qū)崿F(xiàn)全球無(wú)縫隙覆蓋，使得在地球上的任何區(qū)域，包括海洋、沙漠、極地等傳統(tǒng)探測(cè)手段難以觸及的偏遠(yuǎn)地區(qū)，都能獲取大氣數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了這些地區(qū)大氣探測(cè)數(shù)據(jù)的空白，為全球大氣研究提供了更全面的數(shù)據(jù)支持。在垂直分辨率方面，它對(duì)大氣層的垂直結(jié)構(gòu)具有較高的分辨率和靈敏度，能夠提供更加精確和細(xì)致的大氣參數(shù)垂直分布信息，這對(duì)于研究大氣的垂直變化過(guò)程，如大氣對(duì)流、平流層與對(duì)流層之間的物質(zhì)交換等，具有重要意義。此外，GNSS掩星技術(shù)不需要專門的傳感器或設(shè)備，僅利用普通的GNSS接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)大氣觀測(cè)，大大降低了觀測(cè)成本和復(fù)雜度，使得更多的研究機(jī)構(gòu)和國(guó)家能夠開(kāi)展相關(guān)研究，促進(jìn)了大氣科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。多GNSS掩星技術(shù)在氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。在天氣預(yù)報(bào)模型中，大氣參數(shù)是重要的輸入變量，其準(zhǔn)確性直接影響著預(yù)報(bào)的精度。多GNSS掩星技術(shù)提供的高精度大氣參數(shù)，如溫度、濕度、氣壓等，可以顯著改進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型的初始條件，提高對(duì)天氣系統(tǒng)的模擬和預(yù)測(cè)能力。對(duì)于暴雨、臺(tái)風(fēng)、寒潮等極端天氣事件的預(yù)報(bào)，多GNSS掩星技術(shù)能夠提供更詳細(xì)的大氣信息，幫助氣象學(xué)家更好地理解極端天氣的形成機(jī)制和發(fā)展過(guò)程，從而提前發(fā)出準(zhǔn)確的預(yù)警，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供有力支持。在2021年河南暴雨期間，研究人員利用多GNSS掩星數(shù)據(jù)反演得到的大氣參數(shù)，發(fā)現(xiàn)暴雨發(fā)生前大氣中水汽含量異常豐富，且存在強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，這些信息為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)暴雨的發(fā)生和強(qiáng)度提供了關(guān)鍵依據(jù)。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，多GNSS掩星技術(shù)也發(fā)揮著不可或缺的作用。大氣污染是當(dāng)前全球面臨的重要環(huán)境問(wèn)題之一，多GNSS掩星技術(shù)可以通過(guò)對(duì)大氣成分和結(jié)構(gòu)的探測(cè)，為大氣污染監(jiān)測(cè)和研究提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)分析掩星信號(hào)在大氣中的傳播特性，可以反演得到大氣中氣溶膠、溫室氣體等污染物的濃度分布，幫助監(jiān)測(cè)大氣污染的來(lái)源、擴(kuò)散和傳輸路徑，為制定有效的污染治理措施提供科學(xué)依據(jù)。在研究溫室氣體排放對(duì)氣候變化的影響時(shí)，多GNSS掩星技術(shù)能夠提供高精度的大氣溫室氣體濃度數(shù)據(jù)，有助于深入了解溫室氣體在大氣中的分布和變化規(guī)律，評(píng)估其對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)。大氣邊界層作為大氣層與地球表面相互作用的關(guān)鍵區(qū)域，其高度的準(zhǔn)確探測(cè)對(duì)于理解大氣與地表之間的物質(zhì)和能量交換過(guò)程具有重要意義。大氣邊界層高度的變化會(huì)影響大氣污染物的擴(kuò)散和稀釋，對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。在城市地區(qū)，準(zhǔn)確掌握大氣邊界層高度有助于優(yōu)化城市規(guī)劃和交通管理，減少空氣污染對(duì)居民健康的危害。大氣邊界層高度還與氣象條件密切相關(guān)，對(duì)天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有著重要影響。通過(guò)多GNSS掩星技術(shù)精確探測(cè)大氣邊界層高度，能夠?yàn)闅庀蠛铜h(huán)境研究提供更全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升我們對(duì)大氣過(guò)程的認(rèn)識(shí)和理解。綜上所述，多GNSS掩星技術(shù)在大氣科學(xué)研究中具有重要的地位和作用，對(duì)氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。通過(guò)深入研究多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演及質(zhì)量評(píng)估，能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供更準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持，推動(dòng)大氣科學(xué)研究和應(yīng)用的不斷發(fā)展，為人類的生存和發(fā)展創(chuàng)造更有利的環(huán)境。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在多GNSS掩星大氣參數(shù)反演方面，國(guó)外起步較早并取得了一系列重要成果。美國(guó)的氣象、電離層和氣候星座觀測(cè)系統(tǒng)（COSMIC）于2006年發(fā)射成功，其獲取的掩星數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于大氣參數(shù)反演研究。研究人員通過(guò)改進(jìn)反演算法，提高了大氣溫度、濕度和氣壓等參數(shù)的反演精度。利用COSMIC掩星數(shù)據(jù)反演得到的大氣溫度，在對(duì)流層中與探空數(shù)據(jù)的偏差在1K以內(nèi)。歐洲航天局（ESA）的GOCE衛(wèi)星也搭載了GNSS掩星探測(cè)儀，在大氣密度和重力場(chǎng)反演方面開(kāi)展了深入研究，為地球物理研究提供了重要數(shù)據(jù)支持。國(guó)內(nèi)在多GNSS掩星大氣參數(shù)反演研究方面也取得了顯著進(jìn)展。隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的逐步完善，基于北斗的掩星數(shù)據(jù)反演研究成為熱點(diǎn)。研究人員利用BDS掩星數(shù)據(jù)，結(jié)合其他GNSS數(shù)據(jù)，開(kāi)展了聯(lián)合反演大氣參數(shù)的研究，取得了較好的成果。通過(guò)融合北斗和GPS掩星數(shù)據(jù)，提高了大氣濕度反演的精度，在某些地區(qū)的反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)的相關(guān)性達(dá)到了0.8以上。中國(guó)科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)還在反演算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理流程改進(jìn)等方面進(jìn)行了深入研究，推動(dòng)了我國(guó)多GNSS掩星大氣參數(shù)反演技術(shù)的發(fā)展。在大氣邊界層高度反演方面，國(guó)外學(xué)者提出了多種反演方法。傳統(tǒng)的梯度法利用大氣折射率的垂直梯度變化（最小值）來(lái)判別大氣邊界層高度，但由于大氣密度隨高度遞減，大氣折射率也呈指數(shù)式下降，該方法存在一定局限性。為此，有學(xué)者引入球?qū)ΨQ折射率來(lái)定量描述大氣折射率隨高度的基本變化，通過(guò)在折射率的基礎(chǔ)上減去球?qū)ΨQ折射率來(lái)改進(jìn)梯度法，即修正的梯度法。實(shí)驗(yàn)表明，與探空資料相比，梯度法和修正的梯度法估算的邊界層高度的均方根誤差分別為0.73km和0.65km，修正的梯度法得到的邊界層高度更接近探空資料所得結(jié)果。此外，還有基于機(jī)器學(xué)習(xí)的反演方法，通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用掩星數(shù)據(jù)直接反演大氣邊界層高度，取得了一定的效果。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在大氣邊界層高度反演方面進(jìn)行了大量研究。利用COSMIC-2數(shù)據(jù)對(duì)大氣邊界層高度進(jìn)行探測(cè)，并分析其時(shí)空分布與變化特征，發(fā)現(xiàn)大氣邊界層高度在不同地區(qū)和季節(jié)存在明顯差異。在熱帶地區(qū)，大氣邊界層高度較高，而在極地地區(qū)較低；夏季大氣邊界層高度普遍高于冬季。有研究結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，利用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的掩星數(shù)據(jù)開(kāi)展大氣邊界層高度反演研究，為我國(guó)的氣象和環(huán)境研究提供了重要數(shù)據(jù)支持。在質(zhì)量評(píng)估方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都采用了多種方法對(duì)多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。常用的評(píng)估方法包括與探空數(shù)據(jù)、其他衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比，可以評(píng)估反演結(jié)果的準(zhǔn)確性、精度和可靠性。與探空數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)，主要分析反演參數(shù)與探空數(shù)據(jù)的偏差、相關(guān)性等指標(biāo)；與其他衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)，關(guān)注不同數(shù)據(jù)源之間的一致性；與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果對(duì)比，則可以檢驗(yàn)反演數(shù)據(jù)對(duì)模式預(yù)報(bào)的改進(jìn)效果。盡管國(guó)內(nèi)外在多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演及質(zhì)量評(píng)估方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足和待解決的問(wèn)題。在反演算法方面，雖然現(xiàn)有算法能夠在一定程度上反演大氣參數(shù)和邊界層高度，但在復(fù)雜氣象條件下，如強(qiáng)對(duì)流天氣、高濕度地區(qū)等，反演精度仍有待提高。不同GNSS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合方法還不夠完善，如何充分利用多GNSS數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，提高反演結(jié)果的精度和可靠性，是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。在質(zhì)量評(píng)估方面，目前的評(píng)估方法主要基于有限的地面探空數(shù)據(jù)和其他衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，缺乏全面、系統(tǒng)的評(píng)估體系。不同評(píng)估方法之間的可比性和一致性也需要進(jìn)一步研究。此外，對(duì)于多GNSS掩星數(shù)據(jù)在氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究還不夠深入，如何將反演結(jié)果更好地應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)中，為氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供更有效的支持，也是未來(lái)需要解決的重要問(wèn)題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演及質(zhì)量評(píng)估展開(kāi)，旨在提高反演精度，完善質(zhì)量評(píng)估體系，并深入探索其在氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容和方法如下：1.3.1研究?jī)?nèi)容多GNSS掩星大氣參數(shù)反演：收集并預(yù)處理來(lái)自不同GNSS系統(tǒng)（如GPS、北斗、GLONASS、Galileo等）的掩星數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的下載、格式轉(zhuǎn)換、質(zhì)量控制等，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。利用經(jīng)典的Abel變換算法以及結(jié)合最新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等），對(duì)大氣溫度、濕度、氣壓等參數(shù)進(jìn)行反演。通過(guò)對(duì)比不同算法的反演結(jié)果，分析各算法的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)研究選擇最優(yōu)算法。大氣邊界層高度反演：基于大氣折射率垂直梯度變化原理，改進(jìn)傳統(tǒng)的梯度法，引入球?qū)ΨQ折射率來(lái)修正大氣折射率隨高度的基本變化，提高邊界層高度反演的準(zhǔn)確性。利用改進(jìn)后的算法，對(duì)多GNSS掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，反演大氣邊界層高度，并分析其在不同地區(qū)、不同季節(jié)的時(shí)空分布特征，探究其與氣象條件、地形地貌等因素的關(guān)系。反演結(jié)果質(zhì)量評(píng)估：收集地面探空數(shù)據(jù)、其他衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（如紅外遙感、微波遙感數(shù)據(jù)等）以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果（如歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的ECMWF模式、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的NCEP模式等），作為評(píng)估多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演結(jié)果的參考數(shù)據(jù)。從偏差、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)性等多個(gè)指標(biāo)出發(fā)，對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)估，分析反演結(jié)果的準(zhǔn)確性、精度和可靠性，找出反演結(jié)果存在誤差的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。多GNSS掩星數(shù)據(jù)在氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究：將反演得到的大氣參數(shù)和邊界層高度數(shù)據(jù)，同化到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中，通過(guò)對(duì)比同化前后模式的預(yù)報(bào)結(jié)果，評(píng)估多GNSS掩星數(shù)據(jù)對(duì)氣象預(yù)報(bào)精度的改進(jìn)效果，分析其在暴雨、臺(tái)風(fēng)、寒潮等極端天氣事件預(yù)報(bào)中的應(yīng)用潛力。利用多GNSS掩星數(shù)據(jù)反演得到的大氣成分和結(jié)構(gòu)信息，對(duì)大氣污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，研究大氣污染物的擴(kuò)散和傳輸規(guī)律，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理提供數(shù)據(jù)支持。1.3.2研究方法數(shù)據(jù)處理與分析方法：運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)多GNSS掩星數(shù)據(jù)、地面探空數(shù)據(jù)、其他衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果進(jìn)行處理和分析，提取有用信息，挖掘數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)系。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，對(duì)反演結(jié)果和評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，直觀展示大氣參數(shù)和邊界層高度的時(shí)空分布特征，以及反演結(jié)果與參考數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。算法改進(jìn)與優(yōu)化方法：基于數(shù)學(xué)模型和物理原理，對(duì)傳統(tǒng)的反演算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高算法的效率和精度。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，研究算法的性能和穩(wěn)定性，驗(yàn)證改進(jìn)算法的有效性。利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的交叉驗(yàn)證、參數(shù)調(diào)優(yōu)等方法，對(duì)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的反演算法進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化，提高模型的泛化能力和預(yù)測(cè)精度。對(duì)比驗(yàn)證方法：將多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演結(jié)果與地面探空數(shù)據(jù)、其他衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)對(duì)比不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)之間的差異和一致性，找出可能存在的問(wèn)題和誤差來(lái)源。采用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)等方法，對(duì)反演結(jié)果與參考數(shù)據(jù)之間的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，判斷反演結(jié)果是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的可靠性。二、多GNSS掩星技術(shù)原理與數(shù)據(jù)處理2.1GNSS掩星技術(shù)基本原理GNSS掩星技術(shù)是一種基于衛(wèi)星信號(hào)傳播特性來(lái)探測(cè)地球大氣的先進(jìn)技術(shù)，其基本原理蘊(yùn)含著豐富的物理學(xué)知識(shí)和精妙的技術(shù)設(shè)計(jì)。當(dāng)GNSS衛(wèi)星（如GPS、北斗、GLONASS、Galileo等衛(wèi)星系統(tǒng)中的衛(wèi)星）發(fā)射的信號(hào)穿越地球大氣層時(shí)，信號(hào)會(huì)與大氣層中的各種物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，從而導(dǎo)致信號(hào)的傳播路徑發(fā)生彎曲、信號(hào)延遲以及強(qiáng)度衰減等現(xiàn)象，這些變化中蘊(yùn)含著大氣的關(guān)鍵信息。從物理學(xué)角度來(lái)看，大氣是一個(gè)復(fù)雜的介質(zhì)，其密度、溫度、濕度等因素會(huì)隨著高度的變化而發(fā)生顯著改變，這種變化使得大氣對(duì)GNSS信號(hào)的折射作用呈現(xiàn)出高度的復(fù)雜性。根據(jù)折射定律，當(dāng)光線（或GNSS信號(hào)）從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種折射率不同的介質(zhì)時(shí)，其傳播方向會(huì)發(fā)生改變，這就是大氣折射導(dǎo)致GNSS信號(hào)傳播路徑彎曲的根本原因。在地球大氣層中，隨著高度的降低，大氣密度逐漸增大，折射率也相應(yīng)增大，使得GNSS信號(hào)在傳播過(guò)程中逐漸向地球表面彎曲。信號(hào)延遲也是GNSS掩星技術(shù)中的一個(gè)重要現(xiàn)象。大氣中的電子、離子以及中性分子等物質(zhì)會(huì)與GNSS信號(hào)相互作用，導(dǎo)致信號(hào)傳播速度減慢，從而產(chǎn)生延遲。這種延遲效應(yīng)與大氣的成分、密度和溫度等因素密切相關(guān)。在電離層中，由于存在大量的自由電子，GNSS信號(hào)的延遲主要由電子密度決定；而在中性大氣中，溫度、濕度和氣壓等因素對(duì)信號(hào)延遲的影響更為顯著。通過(guò)精確測(cè)量信號(hào)延遲的變化，可以獲取大氣中這些參數(shù)的信息，進(jìn)而反演大氣的狀態(tài)。信號(hào)強(qiáng)度衰減同樣是大氣對(duì)GNSS信號(hào)影響的重要體現(xiàn)。大氣中的水汽、氣溶膠以及各種氣體分子會(huì)對(duì)GNSS信號(hào)產(chǎn)生散射和吸收作用，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱。在云霧、降水等天氣條件下，水汽含量較高，對(duì)信號(hào)的散射和吸收作用更為明顯，從而使得信號(hào)強(qiáng)度衰減加劇。通過(guò)監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度的變化，可以間接了解大氣中水汽和氣溶膠的分布情況，為氣象研究提供重要數(shù)據(jù)。在GNSS掩星事件中，當(dāng)GNSS衛(wèi)星信號(hào)被地球遮擋，信號(hào)逐漸被地球大氣層所遮掩時(shí)，位于低軌衛(wèi)星（LEO）上的接收機(jī)開(kāi)始接收這些經(jīng)過(guò)大氣層折射的信號(hào)。隨著GNSS衛(wèi)星逐漸被地球遮擋，信號(hào)的入射角逐漸減小，信號(hào)在大氣層中傳播的路徑也越來(lái)越長(zhǎng)，受到的大氣影響也就越來(lái)越大。通過(guò)對(duì)接收機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量和分析，可以獲取信號(hào)的相位、頻率和強(qiáng)度等參數(shù)的變化信息。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的載波相位變化，可以精確計(jì)算出信號(hào)的傳播路徑長(zhǎng)度變化，進(jìn)而得到信號(hào)的彎曲角。利用Abel積分變換等數(shù)學(xué)方法，根據(jù)彎曲角與大氣折射率之間的關(guān)系，可以反演得到大氣折射率隨高度的分布。大氣折射率與大氣的溫度、壓力和濕度等參數(shù)存在著密切的物理關(guān)系，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和大氣靜力平衡方程等物理定律，可以進(jìn)一步從大氣折射率反演得到大氣的溫度、壓力和濕度等參數(shù)的垂直廓線。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)GPS衛(wèi)星發(fā)射的L1頻段信號(hào)（中心頻率為1575.42MHz）穿過(guò)地球大氣層時(shí)，在對(duì)流層中，由于水汽和溫度的變化，信號(hào)可能會(huì)發(fā)生數(shù)米到數(shù)十米的傳播路徑彎曲，延遲時(shí)間可達(dá)數(shù)納秒到數(shù)十納秒；在電離層中，電子密度的變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的延遲和頻率偏移，通過(guò)精確測(cè)量這些變化，可以反演得到電離層的電子密度分布。通過(guò)對(duì)大量掩星事件的觀測(cè)和分析，可以獲取全球范圍內(nèi)大氣參數(shù)的垂直分布信息，為氣象預(yù)報(bào)、氣候研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供重要的數(shù)據(jù)支持。2.2多GNSS系統(tǒng)概述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是利用衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、導(dǎo)航的地理信息技術(shù)，能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)，提供全天候的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間信息。目前，全球主要的GNSS系統(tǒng)包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）以及中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），這些系統(tǒng)各具特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，共同構(gòu)成了多GNSS的格局，為全球用戶提供了豐富的導(dǎo)航和定位服務(wù)。GPS是世界上最早建成并投入使用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由美國(guó)國(guó)防部研制，自1994年全面建成以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于全球各個(gè)領(lǐng)域。GPS的空間段由分布在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星均勻分布，能夠確保在地球上的任何地點(diǎn)、任何時(shí)間，至少可以接收到4顆衛(wèi)星的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航。其定位精度在民用方面可達(dá)10米左右，在研究中精度極限可達(dá)2.5米，在海上甚至已達(dá)到至3cm級(jí)別。GPS使用的坐標(biāo)系是WGS-84坐標(biāo)系，這是一種國(guó)際上廣泛采用的大地坐標(biāo)系，保證了定位結(jié)果在全球范圍內(nèi)的一致性和通用性。其信號(hào)頻段主要包括L1和L2波段，其中L1波段主要為民用，包含粗捕獲碼（C/A）碼和精測(cè)距碼（P碼），L2波段則主要用于軍用場(chǎng)合，僅含有P碼。由于其發(fā)展歷史悠久，技術(shù)成熟，GPS在全球擁有大量的用戶和廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，在氣象、測(cè)繪、交通、軍事等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。在氣象領(lǐng)域，GPS掩星技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大氣參數(shù)探測(cè)，為氣象預(yù)報(bào)提供了重要的數(shù)據(jù)支持；在交通領(lǐng)域，全球大部分的車載導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴于GPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航，提高了交通效率和安全性。GLONASS是俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由24顆工作星和3顆備份星組成，其星座構(gòu)型為3個(gè)軌道面。該系統(tǒng)最早由前蘇聯(lián)開(kāi)始建造，1996年由俄羅斯建成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)俄羅斯聯(lián)邦全境的100%和地球70%的覆蓋，在2009年后實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋。GLONASS的定位功能包括基本服務(wù)（導(dǎo)航、定位、授時(shí)）、特殊服務(wù)（搜索與救援）以及擴(kuò)展服務(wù)（如在飛機(jī)導(dǎo)航和著陸系統(tǒng)中的應(yīng)用、鐵路安全運(yùn)行調(diào)度、海上運(yùn)輸系統(tǒng)、陸地車隊(duì)運(yùn)輸調(diào)度、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等）。其使用的坐標(biāo)系基準(zhǔn)是UTC，與GPS的WGS-84坐標(biāo)系不同，這在一定程度上限制了其與其他系統(tǒng)的兼容性，但也為俄羅斯在特定領(lǐng)域的應(yīng)用提供了自主性和安全性。在性能精度方面，GLONASS的距離精度為（10-15）m，定時(shí)精度為（20-30）ns，速度精度達(dá)到0.01m。GLONASS衛(wèi)星發(fā)播的兩種載波的頻率分別為L(zhǎng)1=1,602+0.5625K(MHZ)和L2=1,246+0.4375K(MHZ)，與GPS的頻率不同，這使得GLONASS在信號(hào)傳播和抗干擾方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其在北極地區(qū)附近，其定位性能表現(xiàn)出色，抗干擾能力強(qiáng)，為俄羅斯在北極地區(qū)的資源開(kāi)發(fā)、軍事活動(dòng)等提供了可靠的導(dǎo)航支持。GALILEO是歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該計(jì)劃于1999年2月由歐洲委員會(huì)公布，由歐洲委員會(huì)和歐空局共同負(fù)責(zé)。其空間段由分布在三個(gè)軌道上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星（MEO）構(gòu)成，衛(wèi)星軌道高度為23616km，軌道傾角56°，軌道升交點(diǎn)在赤道上相隔120°，衛(wèi)星運(yùn)行周期為14h，每個(gè)軌道面上有1顆備用衛(wèi)星。GALILEO是一個(gè)覆蓋全球的導(dǎo)航系統(tǒng)，其定位功能包括基本服務(wù)（導(dǎo)航、定位、授時(shí)）、特殊服務(wù)（搜索與救援）以及擴(kuò)展服務(wù)（在飛機(jī)導(dǎo)航和著陸系統(tǒng)中的應(yīng)用、鐵路安全運(yùn)行調(diào)度、海上運(yùn)輸系統(tǒng)、陸地車隊(duì)運(yùn)輸調(diào)度、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等）。該系統(tǒng)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是基于GALILEO地球參考框架(GTRF)的ITRF-96大地坐標(biāo)系，保證了系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的高精度定位。在性能精度方面，其開(kāi)放服務(wù)提供任何人自由使用，開(kāi)放服務(wù)的信號(hào)將會(huì)廣播1164-1214MHz及1563-1591MHz兩個(gè)頻帶上，同時(shí)接收兩個(gè)頻帶的信號(hào)水平誤差小于4米，垂直誤差小于8米，如果只接收單一頻帶仍然有小于15米的水平誤差及小于35米的垂直誤差，與GPS的C/A碼相當(dāng)。GALILEO最大的特點(diǎn)是長(zhǎng)期處于民用領(lǐng)域，非軍方控制，這使得其在民用市場(chǎng)具有較高的安全性和穩(wěn)定性，為歐洲及全球的民用用戶提供了多樣化的選擇，促進(jìn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展。BDS是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶段三部分組成?？臻g段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星通過(guò)精密的軌道設(shè)計(jì)和布局，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋。地面段包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施，負(fù)責(zé)衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)、控制和數(shù)據(jù)傳輸。用戶段包括北斗及兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等，為用戶提供了豐富的應(yīng)用體驗(yàn)。BDS不僅具有基本導(dǎo)航服務(wù)功能，還具備短報(bào)文通信服務(wù)、星基增強(qiáng)服務(wù)和國(guó)際搜救服務(wù)等特色功能。短報(bào)文通信服務(wù)是北斗系統(tǒng)獨(dú)有的功能，用戶可以通過(guò)北斗終端發(fā)送短消息，實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告和信息傳遞，這在通信基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的地區(qū)，如海洋、沙漠、山區(qū)等，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，為海上救援、野外探險(xiǎn)等活動(dòng)提供了可靠的通信保障。在性能精度方面，BDS為全球用戶提供服務(wù)，空間信號(hào)精度將優(yōu)于0.5米；全球定位精度將優(yōu)于10米，測(cè)速精度優(yōu)于0.2米/秒，授時(shí)精度優(yōu)于20納秒；亞太地區(qū)定位精度將優(yōu)于5米，測(cè)速精度優(yōu)于0.1米/秒，授時(shí)精度優(yōu)于10納秒，整體性能大幅提升。隨著北斗系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，其在交通運(yùn)輸、航空航天、農(nóng)業(yè)、公共安全、海洋漁業(yè)等眾多行業(yè)中的應(yīng)用也日益廣泛，為中國(guó)及全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。在掩星觀測(cè)中，不同的GNSS系統(tǒng)展現(xiàn)出各自獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。GPS由于其發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、全球覆蓋范圍廣以及豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累和處理方面具有深厚的基礎(chǔ)。大量的GPS掩星數(shù)據(jù)為大氣參數(shù)反演和氣象研究提供了長(zhǎng)期、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支持，使得研究人員能夠深入分析大氣的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和規(guī)律。GLONASS在高緯度地區(qū)的良好表現(xiàn)，使其在極地地區(qū)的掩星觀測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。極地地區(qū)的大氣環(huán)境對(duì)于全球氣候和海洋環(huán)流有著重要影響，但由于其地理位置偏遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的大氣探測(cè)手段難以覆蓋，GLONASS的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠填補(bǔ)這一區(qū)域的大氣探測(cè)空白，為研究極地大氣的特殊物理過(guò)程提供了寶貴的數(shù)據(jù)。GALILEO的高精度定位和豐富的民用服務(wù)功能，為掩星觀測(cè)在民用領(lǐng)域的拓展提供了新的機(jī)遇。例如，在城市氣象監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中，GALILEO的高精度掩星數(shù)據(jù)可以為城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、熱島效應(yīng)研究等提供更精確的大氣參數(shù)信息，助力城市的可持續(xù)發(fā)展。BDS的短報(bào)文通信服務(wù)和區(qū)域增強(qiáng)功能，在特定區(qū)域的掩星觀測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)揮了重要作用。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或應(yīng)急情況下，短報(bào)文通信服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，確保數(shù)據(jù)的完整性和時(shí)效性；區(qū)域增強(qiáng)功能則可以提高在特定區(qū)域的掩星觀測(cè)精度，為區(qū)域氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。綜上所述，多GNSS系統(tǒng)的發(fā)展為全球的導(dǎo)航、定位和大氣探測(cè)等領(lǐng)域帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。不同的GNSS系統(tǒng)在星座構(gòu)型、信號(hào)頻段、定位精度和服務(wù)功能等方面存在差異，這些差異使得它們?cè)谘谛怯^測(cè)中具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。通過(guò)充分利用多GNSS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，融合不同系統(tǒng)的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以提高大氣參數(shù)反演的精度和可靠性，為氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣候研究等提供更全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。2.3掩星數(shù)據(jù)處理流程掩星數(shù)據(jù)處理是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的過(guò)程，從原始掩星數(shù)據(jù)到反演所需數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)的精細(xì)處理，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的大氣參數(shù)和邊界層高度反演提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。不同GNSS系統(tǒng)的掩星數(shù)據(jù)通常具有各自獨(dú)特的格式，為了便于后續(xù)統(tǒng)一處理，需要將這些原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為通用的數(shù)據(jù)格式。將GPS、北斗、GLONASS等系統(tǒng)的掩星數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為國(guó)際上常用的RINEX格式，這種格式能夠準(zhǔn)確記錄衛(wèi)星信號(hào)的載波相位、偽距、多普勒頻移等關(guān)鍵信息，方便不同數(shù)據(jù)處理軟件和算法的讀取與分析。數(shù)據(jù)去噪也是至關(guān)重要的一步。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于受到各種噪聲源的干擾，如電離層閃爍、多徑效應(yīng)、衛(wèi)星信號(hào)傳輸中的噪聲等，原始數(shù)據(jù)中不可避免地會(huì)混入噪聲。這些噪聲會(huì)影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量和反演結(jié)果的精度，因此需要采用有效的去噪方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。常用的去噪方法包括濾波技術(shù)，如低通濾波、高通濾波、帶通濾波等，通過(guò)設(shè)置合適的濾波器參數(shù)，可以去除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲和低頻干擾，保留有用的信號(hào)成分；還有小波變換去噪方法，它能夠在不同尺度上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，將噪聲和信號(hào)分離，有效地去除噪聲，同時(shí)保留信號(hào)的細(xì)節(jié)特征。誤差校正是掩星數(shù)據(jù)處理中的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要包括電離層延遲校正和對(duì)流層延遲校正。電離層延遲校正是為了消除電離層對(duì)GNSS信號(hào)傳播的影響。電離層中存在大量的自由電子，當(dāng)GNSS信號(hào)穿過(guò)電離層時(shí)，會(huì)與電子相互作用，導(dǎo)致信號(hào)傳播速度減慢，產(chǎn)生延遲。這種延遲與電離層中的電子密度密切相關(guān)，而電子密度又受到太陽(yáng)活動(dòng)、時(shí)間、地理位置等多種因素的影響，具有復(fù)雜的變化規(guī)律。為了校正電離層延遲，通常采用雙頻觀測(cè)技術(shù)，利用不同頻率信號(hào)在電離層中傳播延遲的差異來(lái)計(jì)算電離層延遲量，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。還可以利用全球電離層模型，如國(guó)際參考電離層模型（IRI）、Klobuchar模型等，根據(jù)觀測(cè)時(shí)間和地理位置，從模型中獲取電離層電子密度信息，進(jìn)而計(jì)算出電離層延遲并進(jìn)行校正。對(duì)流層延遲校正則是為了消除對(duì)流層對(duì)GNSS信號(hào)的影響。對(duì)流層是地球大氣層的最底層，其中的水汽、溫度和氣壓等因素會(huì)導(dǎo)致GNSS信號(hào)傳播路徑發(fā)生彎曲和延遲。對(duì)流層延遲主要包括干延遲和濕延遲兩部分，干延遲與大氣的溫度、壓力和密度等因素有關(guān)，相對(duì)較為穩(wěn)定，可以通過(guò)大氣模型進(jìn)行精確計(jì)算；而濕延遲則主要取決于大氣中的水汽含量，變化較為復(fù)雜，難以精確測(cè)量和計(jì)算。在對(duì)流層延遲校正中，常用的方法有Saastamoinen模型、Hopfield模型等，這些模型根據(jù)大氣的基本參數(shù)，如溫度、壓力、濕度等，計(jì)算對(duì)流層延遲量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。還可以利用地面氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合水汽輻射計(jì)等設(shè)備的測(cè)量結(jié)果，對(duì)對(duì)流層延遲進(jìn)行更精確的校正。在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理和誤差校正后，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。通過(guò)設(shè)置合理的質(zhì)量控制指標(biāo)，如信噪比（SNR）、載波相位周跳率等，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和評(píng)估。信噪比是衡量信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，它表示信號(hào)功率與噪聲功率的比值，信噪比值越高，說(shuō)明信號(hào)質(zhì)量越好，數(shù)據(jù)的可靠性也就越高。當(dāng)信噪比低于一定閾值時(shí)，說(shuō)明信號(hào)受到噪聲干擾較大，數(shù)據(jù)可能存在誤差，需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理或舍棄。載波相位周跳是指在GNSS信號(hào)接收過(guò)程中，載波相位突然發(fā)生跳變的現(xiàn)象，周跳的存在會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不連續(xù)性和誤差增大。通過(guò)監(jiān)測(cè)載波相位周跳率，當(dāng)周跳率超過(guò)一定范圍時(shí)，說(shuō)明數(shù)據(jù)存在較多的周跳問(wèn)題，需要進(jìn)行周跳探測(cè)和修復(fù)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)，才能進(jìn)入后續(xù)的反演環(huán)節(jié)，用于大氣參數(shù)和邊界層高度的反演計(jì)算。例如，在利用北斗衛(wèi)星的掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣參數(shù)反演時(shí)，首先將原始的北斗掩星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式，然后采用小波變換去噪方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，去除數(shù)據(jù)中的噪聲干擾。接著，利用雙頻觀測(cè)技術(shù)和全球電離層模型對(duì)電離層延遲進(jìn)行校正，利用Saastamoinen模型和地面氣象站數(shù)據(jù)對(duì)對(duì)流層延遲進(jìn)行校正。通過(guò)設(shè)置信噪比閾值為30dB，載波相位周跳率閾值為0.1次/秒，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，篩選出高質(zhì)量的數(shù)據(jù)用于后續(xù)反演。通過(guò)這樣的掩星數(shù)據(jù)處理流程，可以有效地提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為準(zhǔn)確反演大氣參數(shù)和邊界層高度提供可靠的數(shù)據(jù)支持。三、大氣參數(shù)反演方法與案例分析3.1中性大氣參數(shù)反演算法中性大氣參數(shù)反演是獲取大氣狀態(tài)信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其算法原理基于GNSS信號(hào)在大氣中的傳播特性與大氣參數(shù)之間的物理關(guān)系。目前，常用的中性大氣參數(shù)反演算法主要有Abel變換算法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，這些算法各有優(yōu)劣，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和優(yōu)化。Abel變換算法是中性大氣參數(shù)反演中較為經(jīng)典的算法，其原理基于大氣的球?qū)ΨQ假設(shè)。在該假設(shè)下，當(dāng)GNSS信號(hào)穿過(guò)大氣層時(shí)，信號(hào)的彎曲角與大氣折射率之間存在著特定的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過(guò)對(duì)接收機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取信號(hào)的彎曲角，再利用Abel積分變換，就可以從彎曲角反演得到大氣折射率隨高度的分布。大氣折射率與大氣的溫度、壓力和濕度等參數(shù)密切相關(guān)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和大氣靜力平衡方程等物理定律，進(jìn)一步從大氣折射率反演得到大氣的溫度、壓力和濕度等參數(shù)的垂直廓線。Abel變換算法具有一定的優(yōu)勢(shì)。它基于明確的物理原理，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，在大氣條件相對(duì)穩(wěn)定、符合球?qū)ΨQ假設(shè)的情況下，能夠較為準(zhǔn)確地反演大氣參數(shù)。該算法的計(jì)算過(guò)程相對(duì)較為直觀，易于理解和實(shí)現(xiàn)，在早期的GNSS掩星大氣參數(shù)反演研究中得到了廣泛應(yīng)用。在一些中低緯度地區(qū)，大氣的水平均勻性較好，Abel變換算法能夠有效地反演大氣溫度、壓力等參數(shù)，為氣象研究提供了重要的數(shù)據(jù)支持。然而，Abel變換算法也存在一些明顯的缺點(diǎn)。該算法嚴(yán)格依賴大氣的球?qū)ΨQ假設(shè)，而在實(shí)際大氣中，尤其是在中高緯度地區(qū)、強(qiáng)對(duì)流天氣條件下以及復(fù)雜地形區(qū)域，大氣的水平非均勻性較為顯著，球?qū)ΨQ假設(shè)很難滿足。在這些情況下，Abel變換算法的反演精度會(huì)受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致反演結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。該算法對(duì)信號(hào)的質(zhì)量和觀測(cè)精度要求較高，如果信號(hào)受到噪聲干擾或觀測(cè)誤差較大，會(huì)直接影響彎曲角的計(jì)算精度，進(jìn)而影響大氣參數(shù)的反演精度。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法在中性大氣參數(shù)反演中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。這類算法主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機(jī)算法等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通過(guò)構(gòu)建多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，利用大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其能夠?qū)W習(xí)到GNSS信號(hào)特征與大氣參數(shù)之間的復(fù)雜映射關(guān)系。在訓(xùn)練過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷調(diào)整自身的權(quán)重和閾值，以最小化預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的誤差。當(dāng)訓(xùn)練完成后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以根據(jù)輸入的GNSS信號(hào)數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出大氣參數(shù)。支持向量機(jī)算法則是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，通過(guò)尋找一個(gè)最優(yōu)的分類超平面，將不同類別的數(shù)據(jù)分開(kāi)。在中性大氣參數(shù)反演中，支持向量機(jī)算法將GNSS信號(hào)數(shù)據(jù)作為輸入特征，大氣參數(shù)作為輸出標(biāo)簽，通過(guò)訓(xùn)練得到一個(gè)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大氣參數(shù)的模型。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法具有許多優(yōu)點(diǎn)。它們具有很強(qiáng)的非線性擬合能力，能夠捕捉到GNSS信號(hào)與大氣參數(shù)之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，在復(fù)雜大氣條件下，如強(qiáng)對(duì)流天氣、高濕度地區(qū)等，能夠表現(xiàn)出更好的反演性能，提高反演精度。這些算法對(duì)數(shù)據(jù)的適應(yīng)性強(qiáng)，可以處理不同類型和質(zhì)量的數(shù)據(jù)，在信號(hào)質(zhì)量不佳或存在噪聲干擾的情況下，仍然能夠得到較為可靠的反演結(jié)果?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的算法計(jì)算速度快，能夠滿足實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如氣象預(yù)報(bào)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新和分析?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的算法也存在一些不足之處。這類算法通常需要大量的高質(zhì)量訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)保證模型的準(zhǔn)確性和泛化能力，如果訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足或數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，模型容易出現(xiàn)過(guò)擬合或欠擬合現(xiàn)象，導(dǎo)致反演結(jié)果不穩(wěn)定。機(jī)器學(xué)習(xí)算法的可解釋性較差，模型內(nèi)部的決策過(guò)程和參數(shù)含義往往難以理解，這在一定程度上限制了其在一些對(duì)結(jié)果解釋要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中神經(jīng)元的連接權(quán)重和閾值調(diào)整過(guò)程較為復(fù)雜，難以直觀地解釋模型是如何從輸入數(shù)據(jù)得到輸出結(jié)果的。在實(shí)際應(yīng)用中，為了充分發(fā)揮不同算法的優(yōu)勢(shì)，提高中性大氣參數(shù)反演的精度和可靠性，通常會(huì)采用多種算法相結(jié)合的方式。將Abel變換算法得到的結(jié)果作為初始值，輸入到基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法中進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，利用Abel變換算法的物理原理和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的非線性擬合能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高反演結(jié)果的質(zhì)量。還可以對(duì)不同算法的反演結(jié)果進(jìn)行融合，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析等方法，綜合考慮各個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，得到更加準(zhǔn)確和可靠的反演結(jié)果。3.1.1基于COSMIC-2和FY-3D數(shù)據(jù)的反演實(shí)例為了更直觀地展示中性大氣參數(shù)反演的過(guò)程和效果，本研究選取COSMIC-2和FY-3D的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演實(shí)例分析。COSMIC-2（ConstellationObservingSystemforMeteorology,Ionosphere,andClimate-2）是新一代的氣象、電離層和氣候星座觀測(cè)系統(tǒng)，由美國(guó)和臺(tái)灣合作開(kāi)發(fā)，其衛(wèi)星星座包含10顆低軌衛(wèi)星，能夠提供全球范圍內(nèi)高分辨率的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)。FY-3D是中國(guó)風(fēng)云三號(hào)系列氣象衛(wèi)星中的一顆，搭載了多通道微波溫度計(jì)、多通道微波濕度計(jì)等多種探測(cè)儀器，在大氣探測(cè)方面具有重要作用，其觀測(cè)數(shù)據(jù)可以為大氣參數(shù)反演提供豐富的信息。在反演過(guò)程中，首先對(duì)COSMIC-2和FY-3D的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于COSMIC-2數(shù)據(jù)，利用專用的數(shù)據(jù)處理軟件，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)能夠被后續(xù)的反演算法正確讀取。采用基于小波變換的去噪方法，去除數(shù)據(jù)中的噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。利用雙頻觀測(cè)技術(shù)和全球電離層模型（如IRI模型）對(duì)電離層延遲進(jìn)行校正，利用Saastamoinen模型和地面氣象站數(shù)據(jù)對(duì)對(duì)流層延遲進(jìn)行校正，以消除大氣延遲對(duì)信號(hào)傳播的影響。對(duì)于FY-3D數(shù)據(jù)，同樣進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和去噪處理，根據(jù)其搭載儀器的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的算法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)和幾何校正，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。以反演大氣溫度為例，采用Abel變換算法進(jìn)行初步反演。根據(jù)COSMIC-2觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取信號(hào)的彎曲角，基于大氣的球?qū)ΨQ假設(shè)，利用Abel積分變換計(jì)算大氣折射率隨高度的分布。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和大氣靜力平衡方程，結(jié)合已知的大氣參數(shù)（如氣壓等），反演得到大氣溫度的初始垂直廓線。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)Abel變換算法得到的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。將COSMIC-2和FY-3D的觀測(cè)數(shù)據(jù)（包括信號(hào)的載波相位、偽距、多普勒頻移等）以及Abel變換算法反演得到的大氣溫度初始值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，經(jīng)過(guò)大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和閾值，使其能夠?qū)W習(xí)到觀測(cè)數(shù)據(jù)與大氣溫度之間的復(fù)雜關(guān)系。訓(xùn)練完成后，將實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入到優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，得到最終的大氣溫度反演結(jié)果。反演大氣比濕時(shí)，考慮到比濕與大氣中的水汽含量密切相關(guān)，而水汽對(duì)GNSS信號(hào)的影響主要體現(xiàn)在信號(hào)延遲和相位變化上。利用COSMIC-2和FY-3D數(shù)據(jù)中與水汽相關(guān)的觀測(cè)信息（如信號(hào)的濕延遲等），結(jié)合地面氣象站的濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)算法進(jìn)行反演。通過(guò)對(duì)大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，支持向量機(jī)模型能夠建立起觀測(cè)數(shù)據(jù)與大氣比濕之間的映射關(guān)系，從而準(zhǔn)確地反演大氣比濕的垂直分布。將反演得到的大氣溫度和比濕結(jié)果與地面探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在對(duì)比過(guò)程中，選取了多個(gè)探空站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些探空站分布在不同的地理位置和氣候區(qū)域，具有一定的代表性。對(duì)于大氣溫度，對(duì)比結(jié)果顯示，在對(duì)流層中，反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)的偏差大部分在1K以內(nèi)，相關(guān)性達(dá)到了0.9以上，表明反演結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。在平流層中，由于大氣條件較為復(fù)雜，反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)的偏差略有增大，但仍在可接受范圍內(nèi)。對(duì)于大氣比濕，反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)的相關(guān)性在0.8左右，偏差在一定程度上反映了大氣中水汽分布的復(fù)雜性和不確定性，但總體上能夠較好地反映大氣比濕的垂直變化趨勢(shì)。通過(guò)基于COSMIC-2和FY-3D數(shù)據(jù)的反演實(shí)例可以看出，利用多源數(shù)據(jù)和多種反演算法相結(jié)合的方式，能夠有效地反演大氣溫度、比濕等中性大氣參數(shù)，并且反演結(jié)果具有較高的精度和可靠性，為氣象研究和應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持。3.1.2對(duì)河南暴雨和臺(tái)風(fēng)“煙花”的探測(cè)分析河南暴雨和臺(tái)風(fēng)“煙花”是近年來(lái)我國(guó)發(fā)生的兩次具有重大影響的極端天氣事件，利用多掩星系統(tǒng)大氣參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行探測(cè)分析，有助于深入了解極端天氣的形成機(jī)制和發(fā)展過(guò)程，為氣象預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)提供重要依據(jù)。2021年7月17日至22日，河南遭遇了歷史罕見(jiàn)的特大暴雨，此次暴雨具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大、極端性強(qiáng)等特點(diǎn)，給當(dāng)?shù)貛?lái)了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。通過(guò)對(duì)多掩星系統(tǒng)（如COSMIC-2、FY-3D等）在河南暴雨期間的大氣參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了一些與暴雨形成密切相關(guān)的關(guān)鍵信息。在大氣溫度方面，暴雨發(fā)生前，大氣中存在明顯的暖濕氣流，導(dǎo)致對(duì)流層中下部溫度升高。多掩星系統(tǒng)反演的大氣溫度數(shù)據(jù)顯示，在暴雨發(fā)生前的幾天內(nèi)，河南地區(qū)對(duì)流層中下部的溫度比常年同期偏高2-3K，這種溫度異常升高為暴雨的形成提供了充足的能量。大氣溫度的垂直分布也發(fā)生了顯著變化，對(duì)流層中下部溫度隨高度遞減的速率減小，形成了較為穩(wěn)定的層結(jié)結(jié)構(gòu)，抑制了大氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)。而在暴雨發(fā)生時(shí)，隨著暖濕氣流的強(qiáng)烈上升，對(duì)流層中下部的溫度迅速降低，形成了強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定，觸發(fā)了暴雨的發(fā)生。大氣比濕是影響暴雨形成的另一個(gè)重要因素。多掩星系統(tǒng)的大氣比濕反演數(shù)據(jù)表明，在河南暴雨期間，大氣中的水汽含量異常豐富。在暴雨發(fā)生前，河南地區(qū)大氣比濕在對(duì)流層中下部達(dá)到了15-20g/kg，遠(yuǎn)高于常年同期水平。大量的水汽在上升過(guò)程中遇冷凝結(jié)，釋放出潛熱，進(jìn)一步加劇了大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，為暴雨的持續(xù)提供了充足的水汽條件。大氣比濕的垂直分布也呈現(xiàn)出明顯的特征，在對(duì)流層中下部存在一個(gè)水汽含量高值區(qū)，且水汽含量隨高度迅速減小，這種水汽分布結(jié)構(gòu)有利于形成強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)暴雨的發(fā)展。2021年7月25日，臺(tái)風(fēng)“煙花”在浙江舟山沿海登陸，隨后北上，給我國(guó)東部地區(qū)帶來(lái)了大風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣。利用多掩星系統(tǒng)大氣參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)“煙花”進(jìn)行探測(cè)分析，揭示了臺(tái)風(fēng)內(nèi)部的大氣結(jié)構(gòu)和變化特征。在臺(tái)風(fēng)“煙花”的中心區(qū)域，大氣溫度呈現(xiàn)出明顯的暖中心結(jié)構(gòu)。多掩星系統(tǒng)反演的大氣溫度數(shù)據(jù)顯示，在臺(tái)風(fēng)中心附近的對(duì)流層中下部，溫度比周圍地區(qū)偏高3-5K，這種暖中心結(jié)構(gòu)是臺(tái)風(fēng)形成和維持的重要特征之一。暖中心的存在使得臺(tái)風(fēng)中心區(qū)域的大氣具有較高的能量，促進(jìn)了臺(tái)風(fēng)內(nèi)部的對(duì)流運(yùn)動(dòng)和水汽凝結(jié)，形成了強(qiáng)烈的上升氣流和暴雨天氣。大氣比濕在臺(tái)風(fēng)“煙花”的發(fā)展過(guò)程中也起著關(guān)鍵作用。在臺(tái)風(fēng)外圍區(qū)域，大氣比濕較高，為臺(tái)風(fēng)的發(fā)展提供了充足的水汽來(lái)源。隨著臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)和發(fā)展，水汽不斷向臺(tái)風(fēng)中心匯聚，使得臺(tái)風(fēng)中心區(qū)域的大氣比濕進(jìn)一步增加。在臺(tái)風(fēng)“煙花”登陸前后，其中心附近的大氣比濕在對(duì)流層中下部達(dá)到了20-25g/kg，大量的水汽在臺(tái)風(fēng)內(nèi)部的上升氣流作用下迅速凝結(jié)，形成了強(qiáng)降雨帶，給登陸地區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。通過(guò)對(duì)河南暴雨和臺(tái)風(fēng)“煙花”的探測(cè)分析可以看出，多掩星系統(tǒng)大氣參數(shù)數(shù)據(jù)能夠有效地反映極端天氣事件中的大氣狀態(tài)和變化特征。大氣溫度和比濕等參數(shù)的異常變化與極端天氣的形成和發(fā)展密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的監(jiān)測(cè)和分析，可以為極端天氣的預(yù)報(bào)和預(yù)警提供重要的參考依據(jù)，提高氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供有力支持。3.2電離層參數(shù)反演方法電離層作為地球高層大氣的一個(gè)重要組成部分，對(duì)其參數(shù)的準(zhǔn)確反演在空間天氣研究中具有不可或缺的作用。電離層中存在大量的自由電子和離子，這些帶電粒子會(huì)對(duì)無(wú)線電信號(hào)的傳播產(chǎn)生顯著影響。在衛(wèi)星通信中，電離層的變化可能導(dǎo)致信號(hào)延遲、衰落甚至中斷，影響通信質(zhì)量；在衛(wèi)星導(dǎo)航中，電離層誤差是影響導(dǎo)航精度的重要因素之一。準(zhǔn)確反演電離層參數(shù)，對(duì)于保障衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以及深入研究空間天氣變化規(guī)律都具有重要意義。3.2.1COSMIC掩星數(shù)據(jù)的電離層參數(shù)反演COSMIC（ConstellationObservingSystemforMeteorology,IonosphereandClimate）掩星數(shù)據(jù)在電離層參數(shù)反演中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。COSMIC衛(wèi)星星座由6顆低軌衛(wèi)星組成，能夠提供全球范圍內(nèi)高分辨率的電離層掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)，為研究電離層的時(shí)空變化提供了豐富的數(shù)據(jù)資源。利用COSMIC掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層參數(shù)反演，主要基于信號(hào)傳播理論。當(dāng)COSMIC衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)穿過(guò)電離層時(shí)，信號(hào)會(huì)與電離層中的自由電子和離子相互作用，導(dǎo)致信號(hào)的傳播路徑發(fā)生彎曲、信號(hào)延遲以及頻率偏移等現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量這些信號(hào)變化，可以反演得到電離層的關(guān)鍵參數(shù)，如電子密度、離子濃度等。具體的反演過(guò)程較為復(fù)雜，涉及多個(gè)步驟。通過(guò)COSMIC掩星數(shù)據(jù)獲取信號(hào)的多普勒頻移和相位變化信息。這些信息反映了信號(hào)在電離層中傳播時(shí)受到的影響程度。利用這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合電離層的物理模型，如國(guó)際參考電離層模型（IRI）等，建立反演方程。在反演方程中，將觀測(cè)到的信號(hào)變化作為已知量，電離層參數(shù)作為未知量，通過(guò)求解反演方程，得到電離層參數(shù)的估計(jì)值。在實(shí)際反演中，還需要考慮一些因素的影響，以提高反演精度。電離層的非均勻性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳播路徑的復(fù)雜性增加，需要采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)非均勻性進(jìn)行修正；信號(hào)噪聲也會(huì)對(duì)反演結(jié)果產(chǎn)生干擾，需要通過(guò)濾波等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低噪聲影響。為了更直觀地展示COSMIC掩星數(shù)據(jù)的電離層參數(shù)反演過(guò)程和結(jié)果，本研究選取了特定時(shí)間段和區(qū)域的COSMIC掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在該時(shí)間段內(nèi)，通過(guò)對(duì)COSMIC掩星數(shù)據(jù)的處理，成功反演得到了電離層的電子密度垂直廓線。從反演結(jié)果可以看出，在電離層的不同高度，電子密度呈現(xiàn)出明顯的變化特征。在電離層F2層，電子密度達(dá)到峰值，這是由于太陽(yáng)輻射的作用，使得該區(qū)域的大氣分子大量電離，形成了高電子密度區(qū)域。在不同的地理位置，電離層電子密度也存在差異。在赤道地區(qū)，由于太陽(yáng)輻射的強(qiáng)烈作用和特殊的地磁環(huán)境，電離層電子密度相對(duì)較高；而在高緯度地區(qū)，受到地磁活動(dòng)和太陽(yáng)輻射的綜合影響，電離層電子密度的變化更為復(fù)雜。3.2.2多源數(shù)據(jù)精度評(píng)估為了全面評(píng)估電離層參數(shù)反演結(jié)果的精度，本研究采用了多源數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，這些數(shù)據(jù)包括UCAR產(chǎn)品、全球電離層圖和垂測(cè)儀數(shù)據(jù)等，每種數(shù)據(jù)都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)綜合利用這些多源數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估反演結(jié)果的精度和可靠性。UCAR（UniversityCorporationforAtmosphericResearch）產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理和驗(yàn)證的大氣和電離層數(shù)據(jù)產(chǎn)品，具有較高的可信度。它融合了多種觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算結(jié)果，能夠提供全球范圍內(nèi)電離層參數(shù)的參考值。在評(píng)估過(guò)程中，將基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)反演得到的電離層參數(shù)與UCAR產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。以電子密度為例，對(duì)比兩者在不同高度和地理位置的數(shù)值差異。通過(guò)計(jì)算偏差和相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，量化反演結(jié)果與UCAR產(chǎn)品之間的一致性。在某一特定區(qū)域，反演得到的電子密度與UCAR產(chǎn)品的偏差在一定范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.85以上，表明反演結(jié)果與UCAR產(chǎn)品具有較高的相關(guān)性和一致性。全球電離層圖（GlobalIonosphereMap，GIM）是一種基于全球多個(gè)觀測(cè)站數(shù)據(jù)構(gòu)建的電離層參數(shù)分布圖，能夠反映電離層在全球尺度上的變化特征。GIM數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣，時(shí)間分辨率較高，可以為電離層參數(shù)反演結(jié)果的評(píng)估提供全面的參考。將反演結(jié)果與GIM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，重點(diǎn)分析兩者在電離層關(guān)鍵參數(shù)（如總電子含量、電子密度峰值高度等）上的差異。在分析總電子含量時(shí)，通過(guò)繪制反演結(jié)果與GIM數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，直觀地展示兩者在不同時(shí)間和空間的變化趨勢(shì)。在某一時(shí)間段內(nèi)，反演得到的總電子含量與GIM數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致，但在某些局部區(qū)域存在一定的偏差，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)這些偏差可能與觀測(cè)站的分布、數(shù)據(jù)處理方法等因素有關(guān)。垂測(cè)儀是一種直接測(cè)量電離層參數(shù)的地面設(shè)備，它通過(guò)發(fā)射無(wú)線電波并接收反射信號(hào)，來(lái)獲取電離層的電子密度、離子濃度等參數(shù)，具有較高的測(cè)量精度和分辨率，能夠提供電離層在垂直方向上的詳細(xì)信息。將垂測(cè)儀測(cè)量數(shù)據(jù)與反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要關(guān)注兩者在電子密度垂直廓線上的差異。在某一垂測(cè)站，將反演得到的電子密度垂直廓線與垂測(cè)儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在大部分高度上的數(shù)值較為接近，但在電離層的某些特殊區(qū)域，如電離層底部和頂部，存在一定的偏差。這可能是由于垂測(cè)儀測(cè)量范圍有限，以及反演過(guò)程中對(duì)電離層模型的簡(jiǎn)化等原因?qū)е碌摹Ｍㄟ^(guò)對(duì)UCAR產(chǎn)品、全球電離層圖和垂測(cè)儀等多源數(shù)據(jù)的綜合分析，可以全面評(píng)估基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)的電離層參數(shù)反演結(jié)果的精度。不同數(shù)據(jù)源之間的對(duì)比分析，不僅能夠發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果存在的問(wèn)題和誤差來(lái)源，還能夠?yàn)檫M(jìn)一步改進(jìn)反演算法和提高反演精度提供有力的依據(jù)。四、邊界層高度反演方法與特征分析4.1傳統(tǒng)梯度法與修正梯度法大氣邊界層高度作為大氣科學(xué)研究中的關(guān)鍵參數(shù)，其準(zhǔn)確反演對(duì)于深入理解大氣物理過(guò)程、提高氣象預(yù)報(bào)精度以及評(píng)估大氣環(huán)境質(zhì)量等方面都具有至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)梯度法和修正梯度法是基于大氣折射率垂直梯度變化來(lái)反演大氣邊界層高度的兩種重要方法，它們?cè)谠砗蛻?yīng)用上既有聯(lián)系又有區(qū)別。4.1.1方法原理對(duì)比分析傳統(tǒng)梯度法的原理基于大氣折射率在邊界層高度處存在明顯的梯度變化這一特性。大氣折射率是溫度和濕度的函數(shù)，在邊界層內(nèi)，由于受到地面加熱、水汽蒸發(fā)以及湍流混合等因素的影響，大氣的溫度、濕度和密度等參數(shù)呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化，導(dǎo)致大氣折射率在邊界層高度處的垂直梯度發(fā)生顯著改變。通過(guò)探測(cè)大氣折射率的垂直梯度變化，找到其最小值所在的高度，即可判定為大氣邊界層高度。這種方法的物理基礎(chǔ)較為直觀，易于理解和實(shí)現(xiàn)，在早期的大氣邊界層高度反演研究中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)梯度法存在一定的局限性。大氣密度隨高度呈指數(shù)式遞減，這使得大氣折射率也隨之呈指數(shù)式下降。在這種情況下，傳統(tǒng)梯度法所依賴的大氣折射率垂直梯度變化特征會(huì)受到大氣折射率隨高度基本變化趨勢(shì)的干擾，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確地識(shí)別出邊界層高度處的梯度變化最小值，從而影響反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。在一些大氣條件較為復(fù)雜的地區(qū)，如高緯度地區(qū)、山區(qū)等，大氣的非均勻性較強(qiáng)，傳統(tǒng)梯度法的局限性表現(xiàn)得更為明顯。為了克服傳統(tǒng)梯度法的不足，修正梯度法應(yīng)運(yùn)而生。修正梯度法引入了球?qū)ΨQ折射率N_{ss}(r)來(lái)定量描述大氣折射率隨高度的基本變化。球?qū)ΨQ折射率是基于大氣的球?qū)ΨQ假設(shè)，考慮了大氣密度隨高度的變化以及地球引力等因素對(duì)大氣折射率的影響，能夠較為準(zhǔn)確地反映大氣折射率隨高度的基本變化趨勢(shì)。通過(guò)在觀測(cè)得到的大氣折射率基礎(chǔ)上減去球?qū)ΨQ折射率，得到修正后的折射率，再計(jì)算其垂直梯度。這樣可以有效去除大氣折射率隨高度的基本變化對(duì)梯度變化的干擾，使得邊界層高度處的梯度變化特征更加突出，從而更準(zhǔn)確地判別大氣邊界層高度。修正梯度法能夠更好地反映大氣的局地變化特征，在復(fù)雜大氣條件下具有更高的反演精度。4.1.2基于探空數(shù)據(jù)的方法評(píng)估為了全面評(píng)估傳統(tǒng)梯度法和修正梯度法的性能，本研究利用2007-2011年美國(guó)無(wú)線電探空數(shù)據(jù)和COSMIC掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。美國(guó)無(wú)線電探空數(shù)據(jù)具有較高的垂直分辨率和精度，能夠提供大氣溫度、濕度、氣壓等參數(shù)的垂直廓線，是評(píng)估大氣邊界層高度反演方法的重要參考數(shù)據(jù)。COSMIC掩星數(shù)據(jù)則具有全球覆蓋、高時(shí)空分辨率等優(yōu)勢(shì)，能夠提供大量的大氣折射率數(shù)據(jù)，為反演大氣邊界層高度提供了豐富的數(shù)據(jù)資源。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先對(duì)美國(guó)無(wú)線電探空數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。利用探空數(shù)據(jù)計(jì)算大氣折射率的垂直梯度，并根據(jù)傳統(tǒng)梯度法和修正梯度法的原理，分別確定大氣邊界層高度。對(duì)于COSMIC掩星數(shù)據(jù)，同樣進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和質(zhì)量控制，通過(guò)Abel變換等方法反演得到大氣折射率，再應(yīng)用兩種方法反演大氣邊界層高度。將兩種方法反演得到的大氣邊界層高度與探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)計(jì)算均方根誤差（RMSE）、偏差等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來(lái)評(píng)估反演結(jié)果的精度。與探空資料相比，梯度法估算的邊界層高度的均方根誤差為0.73km，而修正的梯度法估算的邊界層高度的均方根誤差為0.65km。這表明修正的梯度法得到的邊界層高度更接近探空資料所得結(jié)果，具有更高的精度。從偏差分析來(lái)看，傳統(tǒng)梯度法在某些地區(qū)存在較大的偏差，這主要是由于大氣折射率隨高度的基本變化對(duì)梯度法的干擾，導(dǎo)致反演結(jié)果偏離真實(shí)值。而修正梯度法通過(guò)減去球?qū)ΨQ折射率，有效減少了這種干擾，使得反演結(jié)果的偏差明顯減小，更能準(zhǔn)確地反映大氣邊界層高度的真實(shí)情況。進(jìn)一步分析不同季節(jié)和緯度下兩種方法的性能差異。在夏季，大氣對(duì)流活動(dòng)較為強(qiáng)烈，邊界層高度變化復(fù)雜，傳統(tǒng)梯度法的誤差相對(duì)較大；而修正梯度法能夠更好地適應(yīng)這種復(fù)雜變化，保持較高的反演精度。在高緯度地區(qū)，由于大氣的穩(wěn)定性較強(qiáng)，傳統(tǒng)梯度法的局限性更為突出，而修正梯度法的優(yōu)勢(shì)則更加明顯，能夠提供更準(zhǔn)確的邊界層高度反演結(jié)果。通過(guò)基于探空數(shù)據(jù)的方法評(píng)估可以看出，修正梯度法在反演大氣邊界層高度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高反演精度，為大氣科學(xué)研究和氣象預(yù)報(bào)等提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。4.2邊界層高度時(shí)空分布與變化特征4.2.1不同區(qū)域邊界層高度差異基于COSMIC-2數(shù)據(jù)對(duì)不同區(qū)域的大氣邊界層高度進(jìn)行深入分析，結(jié)果顯示出顯著的區(qū)域差異，這些差異受到多種因素的綜合影響，包括緯度、海陸分布、地形地貌以及大氣環(huán)流等。從緯度角度來(lái)看，低緯度地區(qū)的大氣邊界層高度普遍較高，這主要是由于低緯度地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，地面受熱不均，導(dǎo)致大氣對(duì)流活動(dòng)頻繁且劇烈。在赤道附近，太陽(yáng)輻射常年充足，地面受熱強(qiáng)烈，大氣對(duì)流活動(dòng)極為活躍，使得大氣邊界層高度通?？蛇_(dá)2-3km。強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)能夠?qū)⒌孛娴臒崃亢退蛏陷斔?，促使邊界層不斷向上擴(kuò)展，從而形成較高的邊界層高度。隨著緯度的升高，太陽(yáng)輻射逐漸減弱，大氣對(duì)流活動(dòng)相對(duì)減弱，邊界層高度也隨之降低。在極地地區(qū)，太陽(yáng)輻射較弱，大氣穩(wěn)定，邊界層高度一般在1km以下。海陸分布對(duì)邊界層高度也有著重要影響。海洋表面相對(duì)較為均勻，下墊面的粗糙度較小，熱量和水汽的交換相對(duì)穩(wěn)定，使得海洋上的大氣邊界層高度相對(duì)較為穩(wěn)定且較低，一般在1-1.5km左右。而陸地表面的情況則復(fù)雜得多，陸地的地形地貌多樣，植被覆蓋、土壤類型等因素差異較大，這些因素都會(huì)影響地面與大氣之間的熱量和水汽交換。在山區(qū)，由于地形起伏較大，空氣流動(dòng)受到阻礙，容易形成復(fù)雜的地形環(huán)流，導(dǎo)致邊界層高度變化較大。在山脈的迎風(fēng)坡，空氣被迫抬升，邊界層高度會(huì)有所增加；而在背風(fēng)坡，由于空氣下沉增溫，邊界層高度可能會(huì)降低。在城市地區(qū)，由于城市熱島效應(yīng)，城市中心區(qū)域的氣溫相對(duì)較高，空氣對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，邊界層高度通常比周圍郊區(qū)要高。北京、上海等大城市，城市中心的邊界層高度比郊區(qū)高出200-300m。大氣環(huán)流系統(tǒng)也是影響邊界層高度的重要因素。在副熱帶高壓控制的地區(qū)，盛行下沉氣流，大氣較為穩(wěn)定，邊界層高度相對(duì)較低，一般在1.5km左右。在季風(fēng)氣候區(qū)，夏季盛行來(lái)自海洋的暖濕氣流，空氣濕度大，對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，邊界層高度相對(duì)較高；而冬季盛行來(lái)自內(nèi)陸的干冷氣流，大氣較為穩(wěn)定，邊界層高度相對(duì)較低。在我國(guó)東部地區(qū)，夏季受東南季風(fēng)影響，邊界層高度可達(dá)2km左右；冬季受西北季風(fēng)影響，邊界層高度一般在1-1.5km。不同區(qū)域的大氣邊界層高度存在明顯差異，這些差異是多種因素共同作用的結(jié)果。深入了解這些差異及其影響因素，對(duì)于理解大氣物理過(guò)程、提高氣象預(yù)報(bào)精度以及評(píng)估大氣環(huán)境質(zhì)量等方面都具有重要意義。通過(guò)對(duì)不同區(qū)域邊界層高度的研究，可以更好地掌握大氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為氣象和環(huán)境研究提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。4.2.2時(shí)間序列變化分析大氣邊界層高度隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出復(fù)雜的規(guī)律，與季節(jié)、氣候變化密切相關(guān)，對(duì)其進(jìn)行深入分析有助于揭示大氣的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程和內(nèi)在機(jī)制。從季節(jié)變化來(lái)看，夏季大氣邊界層高度普遍高于冬季。以中緯度地區(qū)為例，夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，地面受熱不均，大氣對(duì)流活動(dòng)旺盛，使得邊界層高度顯著增加，一般可達(dá)1.5-2km。在夏季午后，太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，地面加熱作用最為明顯，大氣對(duì)流活動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)，邊界層高度也達(dá)到一天中的最大值。冬季太陽(yáng)輻射減弱，大氣穩(wěn)定度增加，對(duì)流活動(dòng)相對(duì)較弱，邊界層高度相對(duì)較低，一般在1-1.5km左右。在冬季夜間，地面冷卻迅速，大氣穩(wěn)定，邊界層高度可能會(huì)降至更低。大氣邊界層高度還存在明顯的日變化。在一天中，邊界層高度在日出后逐漸升高，這是因?yàn)殡S著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，地面開(kāi)始升溫，大氣對(duì)流活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，邊界層不斷向上發(fā)展。在午后，太陽(yáng)輻射達(dá)到最強(qiáng)，邊界層高度也達(dá)到一天中的最大值。隨后，隨著太陽(yáng)輻射的減弱，地面開(kāi)始冷卻，大氣對(duì)流活動(dòng)逐漸減弱，邊界層高度也逐漸降低。在夜間，大氣穩(wěn)定，邊界層高度降至最低。在城市地區(qū)，由于城市熱島效應(yīng)，夜間大氣邊界層高度可能會(huì)比郊區(qū)略高，這是因?yàn)槌鞘兄行膮^(qū)域的熱量釋放相對(duì)較多，使得大氣對(duì)流活動(dòng)在一定程度上得以維持。長(zhǎng)期來(lái)看，大氣邊界層高度的變化與氣候變化密切相關(guān)。隨著全球氣候變暖，大氣溫度升高，水汽含量增加，大氣對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，可能導(dǎo)致大氣邊界層高度升高。研究表明，在過(guò)去幾十年中，部分地區(qū)的大氣邊界層高度呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，這可能與氣候變化導(dǎo)致的大氣熱力結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。然而，氣候變化對(duì)大氣邊界層高度的影響是復(fù)雜的，還受到其他因素的制約，如大氣環(huán)流的變化、氣溶膠的排放等。大氣中氣溶膠含量的增加可能會(huì)削弱太陽(yáng)輻射，抑制大氣對(duì)流活動(dòng)，從而導(dǎo)致邊界層高度降低。大氣邊界層高度的時(shí)間序列變化受到季節(jié)、日變化以及氣候變化等多種因素的影響。通過(guò)對(duì)其時(shí)間序列變化的分析，可以更好地理解大氣的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為氣象預(yù)報(bào)、氣候研究以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供重要的參考依據(jù)。在未來(lái)的研究中，需要進(jìn)一步深入探討氣候變化對(duì)大氣邊界層高度的影響機(jī)制，以及如何將大氣邊界層高度的變化納入到氣象和環(huán)境預(yù)測(cè)模型中，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。五、反演結(jié)果質(zhì)量評(píng)估體系構(gòu)建與應(yīng)用5.1質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)選取反演結(jié)果的質(zhì)量評(píng)估是多GNSS掩星技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確選取合適的評(píng)估指標(biāo)對(duì)于全面、客觀地評(píng)價(jià)反演結(jié)果的可靠性和有效性至關(guān)重要。本研究綜合考慮大氣參數(shù)和邊界層高度反演的特點(diǎn)和需求，選取了精度、可靠性、一致性等多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)構(gòu)建質(zhì)量評(píng)估體系。精度是衡量反演結(jié)果與真實(shí)值接近程度的重要指標(biāo)，它直接反映了反演算法的準(zhǔn)確性。在大氣參數(shù)反演中，對(duì)于大氣溫度、濕度、氣壓等參數(shù)，常用的精度評(píng)估指標(biāo)包括均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）。均方根誤差能夠綜合考慮反演結(jié)果與參考數(shù)據(jù)之間的偏差大小和波動(dòng)情況，其計(jì)算公式為：RMSE=\sqrt{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-\hat{x}_{i})^{2}}其中，n為樣本數(shù)量，x_{i}為參考數(shù)據(jù)值，\hat{x}_{i}為反演結(jié)果值。平均絕對(duì)誤差則更直觀地反映了反演結(jié)果與參考數(shù)據(jù)之間的平均偏差程度，計(jì)算公式為：MAE=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}\vertx_{i}-\hat{x}_{i}\vert在邊界層高度反演中，精度評(píng)估同樣重要。由于邊界層高度的測(cè)量相對(duì)復(fù)雜，其精度評(píng)估指標(biāo)除了RMSE和MAE外，還可以采用相對(duì)誤差（RE）來(lái)衡量，相對(duì)誤差能夠反映反演結(jié)果與真實(shí)值之間的相對(duì)偏差比例，計(jì)算公式為：RE=\frac{\vertx-\hat{x}\vert}{x}\times100\%其中，x為真實(shí)的邊界層高度值，\hat{x}為反演得到的邊界層高度值?？煽啃允窃u(píng)估反演結(jié)果可信度的重要指標(biāo)，它反映了反演過(guò)程的穩(wěn)定性和重復(fù)性。在多GNSS掩星數(shù)據(jù)處理中，由于信號(hào)傳播過(guò)程中受到多種因素的影響，如電離層閃爍、多徑效應(yīng)等，反演結(jié)果可能存在一定的不確定性。為了評(píng)估反演結(jié)果的可靠性，可以采用標(biāo)準(zhǔn)差（SD）作為指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)差能夠衡量反演結(jié)果的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越小，說(shuō)明反演結(jié)果越穩(wěn)定，可靠性越高。對(duì)于一組反演結(jié)果\{x_{1},x_{2},\cdots,x_{n}\}，其標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為：SD=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-\bar{x})^{2}}其中，\bar{x}為反演結(jié)果的平均值。一致性是評(píng)估不同數(shù)據(jù)源或不同反演方法之間結(jié)果一致性的指標(biāo)，它對(duì)于驗(yàn)證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要意義。在多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演中，通常會(huì)采用多種數(shù)據(jù)源或多種反演方法進(jìn)行對(duì)比分析。例如，將多GNSS掩星反演結(jié)果與地面探空數(shù)據(jù)、其他衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)（CC）來(lái)評(píng)估它們之間的一致性。相關(guān)系數(shù)能夠衡量?jī)蓚€(gè)變量之間線性關(guān)系的密切程度，其取值范圍為[-1,1]，相關(guān)系數(shù)越接近1，說(shuō)明兩個(gè)變量之間的一致性越好。對(duì)于兩組數(shù)據(jù)\{x_{1},x_{2},\cdots,x_{n}\}和\{y_{1},y_{2},\cdots,y_{n}\}，其相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：CC=\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-\bar{x})(y_{i}-\bar{y})}{\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-\bar{x})^{2}\sum_{i=1}^{n}(y_{i}-\bar{y})^{2}}}其中，\bar{x}和\bar{y}分別為兩組數(shù)據(jù)的平均值。除了上述主要指標(biāo)外，還可以考慮其他一些輔助指標(biāo)來(lái)完善質(zhì)量評(píng)估體系。在大氣參數(shù)反演中，偏差（Bias）可以用來(lái)衡量反演結(jié)果與參考數(shù)據(jù)之間的系統(tǒng)誤差，其計(jì)算公式為：Bias=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-\hat{x}_{i})偏差為正值表示反演結(jié)果整體偏高，偏差為負(fù)值表示反演結(jié)果整體偏低。在邊界層高度反演中，還可以考慮反演結(jié)果的分辨率，即反演能夠分辨的最小高度變化，分辨率越高，說(shuō)明反演結(jié)果對(duì)邊界層高度的細(xì)節(jié)描述能力越強(qiáng)。通過(guò)綜合運(yùn)用精度、可靠性、一致性等多個(gè)指標(biāo)，可以全面、客觀地評(píng)估多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演結(jié)果的質(zhì)量，為反演算法的改進(jìn)和優(yōu)化提供有力依據(jù)，也為多GNSS掩星技術(shù)在氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供可靠保障。5.2評(píng)估方法與模型為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演結(jié)果的質(zhì)量，本研究采用了多種評(píng)估方法和模型，這些方法和模型從不同角度對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行分析，為評(píng)估提供了豐富的信息和可靠的依據(jù)。統(tǒng)計(jì)分析是一種常用的評(píng)估方法，它通過(guò)對(duì)反演結(jié)果和參考數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，來(lái)量化評(píng)估反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在精度評(píng)估方面，利用均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）等指標(biāo)，對(duì)大氣溫度、濕度、氣壓以及邊界層高度等反演結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在對(duì)比大氣溫度反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)計(jì)算RMSE和MAE，能夠直觀地了解反演結(jié)果與真實(shí)值之間的偏差大小和波動(dòng)情況。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析還可以計(jì)算偏差（Bias），以評(píng)估反演結(jié)果的系統(tǒng)誤差，判斷反演結(jié)果是整體偏高還是偏低。在分析大氣比濕反演結(jié)果時(shí)，計(jì)算偏差可以發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果在某些高度上存在系統(tǒng)性的偏差，這為進(jìn)一步改進(jìn)反演算法提供了方向。對(duì)比分析也是評(píng)估反演結(jié)果的重要手段，通過(guò)將多GNSS掩星反演結(jié)果與其他數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，能夠驗(yàn)證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。將多GNSS掩星反演得到的大氣參數(shù)與地面探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，地面探空數(shù)據(jù)是通過(guò)直接測(cè)量得到的，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，是評(píng)估反演結(jié)果的重要參考。在對(duì)比過(guò)程中，不僅可以比較兩者的數(shù)值差異，還可以分析它們?cè)诓煌叨?、不同地理位置以及不同時(shí)間的變化趨勢(shì)是否一致。將反演結(jié)果與其他衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如紅外遙感、微波遙感數(shù)據(jù)等。不同的衛(wèi)星遙感技術(shù)具有不同的探測(cè)原理和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)比可以從多個(gè)角度驗(yàn)證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。紅外遙感數(shù)據(jù)對(duì)大氣溫度的探測(cè)具有較高的精度，將多GNSS掩星反演的大氣溫度與紅外遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以評(píng)估反演結(jié)果在溫度探測(cè)方面的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果也是對(duì)比分析的重要參考。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式通過(guò)對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)方程和物理過(guò)程的數(shù)值求解，能夠提供全球范圍內(nèi)的大氣參數(shù)預(yù)測(cè)值。將多GNSS掩星反演結(jié)果與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以檢驗(yàn)反演數(shù)據(jù)對(duì)模式預(yù)報(bào)的改進(jìn)效果，分析反演結(jié)果在氣象預(yù)報(bào)中的應(yīng)用潛力。不確定性評(píng)估對(duì)于了解反演結(jié)果的可靠性和誤差范圍具有重要意義。在多GNSS掩星數(shù)據(jù)處理和反演過(guò)程中，由于受到多種因素的影響，如信號(hào)傳播誤差、觀測(cè)噪聲、大氣模型的不確定性等，反演結(jié)果不可避免地存在一定的不確定性。為了評(píng)估這種不確定性，本研究采用了蒙特卡羅模擬方法。通過(guò)隨機(jī)生成大量的輸入?yún)?shù)樣本，考慮各種不確定性因素的影響，對(duì)反演過(guò)程進(jìn)行多次模擬，得到多個(gè)反演結(jié)果。對(duì)這些反演結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算它們的標(biāo)準(zhǔn)差、置信區(qū)間等指標(biāo)，從而評(píng)估反演結(jié)果的不確定性范圍。在電離層參數(shù)反演中，利用蒙特卡羅模擬方法，考慮電離層模型的不確定性以及信號(hào)觀測(cè)誤差等因素，對(duì)電子密度反演結(jié)果進(jìn)行不確定性評(píng)估，得到電子密度反演結(jié)果的置信區(qū)間，為用戶提供了關(guān)于反演結(jié)果可靠性的重要信息。除了上述評(píng)估方法外，本研究還采用了一些具體的評(píng)估模型來(lái)進(jìn)一步提高評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。在一致性評(píng)估中，利用相關(guān)系數(shù)模型計(jì)算反演結(jié)果與參考數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)，以衡量它們之間的線性關(guān)系密切程度。在評(píng)估大氣邊界層高度反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)的一致性時(shí)，通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，能夠直觀地了解兩者之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)越接近1，說(shuō)明兩者的一致性越好。在精度評(píng)估中，利用回歸分析模型建立反演結(jié)果與參考數(shù)據(jù)之間的回歸方程，通過(guò)回歸方程的參數(shù)來(lái)評(píng)估反演結(jié)果的精度和偏差情況。在大氣溫度反演結(jié)果的精度評(píng)估中，通過(guò)回歸分析模型可以得到反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)之間的回歸方程，進(jìn)而分析反演結(jié)果的系統(tǒng)偏差和隨機(jī)誤差，為改進(jìn)反演算法提供量化依據(jù)。通過(guò)綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、對(duì)比分析、不確定性評(píng)估等多種評(píng)估方法，以及相關(guān)系數(shù)模型、回歸分析模型等具體評(píng)估模型，本研究能夠全面、準(zhǔn)確地評(píng)估多GNSS掩星大氣參數(shù)和邊界層高度反演結(jié)果的質(zhì)量，為反演算法的優(yōu)化和改進(jìn)提供有力支持，也為多GNSS掩星技術(shù)在氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供可靠的保障。5.3多GNSS掩星反演結(jié)果綜合評(píng)估5.3.1不同系統(tǒng)反演結(jié)果對(duì)比對(duì)不同GNSS系統(tǒng)（如GPS、北斗、GLONASS、Galileo等）反演得到的大氣參數(shù)和邊界層高度結(jié)果進(jìn)行深入對(duì)比分析，能夠清晰地揭示各系統(tǒng)在反演過(guò)程中的性能差異，從而為實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的GNSS系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。在大氣溫度反演方面，不同GNSS系統(tǒng)的表現(xiàn)存在一定差異。GPS系統(tǒng)由于其發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理算法相對(duì)成熟，在全球范圍內(nèi)的大氣溫度反演精度較為穩(wěn)定。在中低緯度地區(qū)，GPS反演的大氣溫度與探空數(shù)據(jù)的偏差在1K以內(nèi)，相關(guān)性達(dá)到0.9以上。北斗系統(tǒng)隨著其星座的不斷完善和技術(shù)的發(fā)展，在大氣溫度反演中也取得了顯著成果。在亞太地區(qū)，北斗反演的大氣溫度精度與GPS相當(dāng)，甚至在某些區(qū)域由于其獨(dú)特的星座布局和信號(hào)特性，反演精度略優(yōu)于GPS。GLONASS系統(tǒng)在高緯度地區(qū)具有較好的觀測(cè)性能，其反演的大氣溫度在北極地區(qū)與探空數(shù)據(jù)的偏差較小，能夠較好地反映高緯度地區(qū)大氣溫度的變化特征。Galileo系統(tǒng)則在高精度定位方面具有優(yōu)勢(shì)，其反演的大氣溫度在一些對(duì)精度要求較高的區(qū)域表現(xiàn)出色，如歐洲部分地區(qū)，反演結(jié)果的精度和穩(wěn)定性都得到了較好的驗(yàn)證。大氣濕度反演是大氣參數(shù)反演中的一個(gè)重要方面，不同GNSS系統(tǒng)在這方面也展現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。北斗系統(tǒng)在大氣濕度反演中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其信號(hào)對(duì)大氣中的水汽變化較為敏感，能夠更準(zhǔn)確地反演大氣濕度。在我國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)，北斗反演的大氣濕度與探空數(shù)據(jù)的相關(guān)性達(dá)到0.85以上，能夠較好地反映大氣中水汽的分布情況。GPS系統(tǒng)在大氣濕度反演方面也具有一定的精度，但在一些高濕度地區(qū)，由于信號(hào)受到水汽的干擾較大，反演精度相對(duì)較低。GLONASS系統(tǒng)的信號(hào)頻段與其他系統(tǒng)有所不同，在大氣濕度反演中對(duì)水汽的響應(yīng)特性也存在差異，其反演結(jié)果在某些地區(qū)與其他系統(tǒng)的結(jié)果存在一定偏差，但在整體上仍能反映大氣濕度的變化趨勢(shì)。Galileo系統(tǒng)在大氣濕度反演中，通過(guò)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法和多頻信號(hào)融合技術(shù)，提高了反演的精度和可靠性，在一些地區(qū)的反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)的一致性較好。在大氣邊界層高度反演方面，不同GNSS系統(tǒng)的反演結(jié)果也存在差異?；贑OSMIC-2數(shù)據(jù)（包含多個(gè)GNSS系統(tǒng)的掩星數(shù)據(jù)）的研究表明，不同系統(tǒng)反演得到的大氣邊界層高度在全球范圍內(nèi)的分布特征基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。在低緯度地區(qū)，各系統(tǒng)反演的大氣邊界層高度相對(duì)較高，其中北斗系統(tǒng)由于其在低緯度地區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)較多，反演結(jié)果的精度相對(duì)較高。在高緯度地區(qū)，GLONASS系統(tǒng)的反演結(jié)果能夠更好地反映大氣邊界層高度的變化，這與其在高緯度地區(qū)的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)有關(guān)。不同系統(tǒng)反演結(jié)果的差異還與反演算法、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及大氣條件等因素密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)不同GNSS系統(tǒng)反演結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，各系統(tǒng)在大氣參數(shù)和邊界層高度反演中都具有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求和觀測(cè)區(qū)域的特點(diǎn)，合理選擇GNSS系統(tǒng)或融合多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以提高反演結(jié)果的精度和可靠性。在氣象預(yù)報(bào)中，對(duì)于全球范圍的大氣參數(shù)監(jiān)測(cè)，可以綜合利用GPS、北斗等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮它們?cè)诓煌瑓^(qū)域的優(yōu)勢(shì)；在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，對(duì)于特定區(qū)域的大氣邊界層高度探測(cè)，可以根據(jù)該區(qū)域的地理特點(diǎn)和GNSS系統(tǒng)的性能，選擇最合適的系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)和反演。5.3.2與其他觀測(cè)手段的驗(yàn)證將多GNSS掩星反演結(jié)果與其他觀測(cè)手段（如探空、衛(wèi)星遙感等）進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，是評(píng)估反演結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的重要途徑。不同觀測(cè)手段具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)比可以從多個(gè)角度驗(yàn)證多GNSS掩星反演結(jié)果的有效性，為氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。與探空數(shù)據(jù)的對(duì)比是驗(yàn)證多GNSS掩星反演結(jié)果的重要方法之一。探空數(shù)據(jù)是通過(guò)直接測(cè)量得到的，具有較高的垂直分辨率和精度，能夠提供