顶部电离层是指F2层电子密度最大值所在高度以上的电离层区域。掩星观测能够提供地面到低轨卫星轨道高度处的整个电离层电子密度剖面,对于顶部电离层的研究具有重要作用。标高是构建顶部以上电离层电子密度剖面模型的重要参数。本文使用2007—2020年的气象、电离层和气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate,COSMIC)掩星观测数据,提取有效电子密度剖面数据的顶部标高,分析了其随地方时、季节、经纬度和太阳活动水平的变化特性。结果表明:顶部标高具有明显的日变化和季节变化规律,并且表现出强烈的太阳活动依赖性;顶部标高在纬度上的变化强烈依赖于地方时,同时在东西经向上表现出明显的波状结构,且这种经度波状结构在南北半球具有不同的形态;顶部标高在夏季半球具有显著的东西经向差异,南半球夏季更为明显。
利用2007-2009年Cloud Sat卫星云廓线雷达(nadir-pointing cloud profiling radar,CPR)资料,气象、电离层和气候卫星联合观测系统(Global Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate,COSMIC)掩星资料,分析了不同类型云内COSMIC掩星资料与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)分析场之间的折射率偏差特征。COSMIC与ECMWF和NCEP之间的折射率偏差分别用Nbias^(ECMWF)和Nbias^(NCEP)表示。研究发现,Nbias^(ECMWF)在积云、层积云、高积云和高层云中的最大值分别为1.2%、0.2%、0.5%和0.2%,而Nbias^(NCEP)则分别为1.8%、0.5%、0.5%和0.4%。在层积云的对流层下层Nbias^(NCEP)存在较大的负值,而Nbias^(ECMWF)为正值。折射率的正偏差随着液态水含量增加而增加。从全球分布来看,赤道辐合带云量丰富,Nbias^(NCEP)和Nbias^(ECMWF)也存在明显的正偏差,它在空间上和水汽的正偏差以及温度的负偏差高度相关。
为研究COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星反演湿温廓线的质量,需对数据误差特性进行量化研究。首先采用线性插值的方法,以时间窗3 h、水平距离300 km为匹配准则,对0.2~30 km各高度层温度的平均偏差和标准差进行统计分析,研究随海拔高、季节和纬度带变化的温度平均偏差特性。然后采用2016年的全球探空数据集分析全球区域的COSMIC湿温廓线质量,以及北温带COSMIC湿温廓线质量随季节变化的特点,探究不同纬度带地区COSMIC掩星湿温廓线质量随纬度变化的特点。结果表明,全球范围内温度平均偏差为-0.16 K,掩星数据和探空站资料精度相当;季节变化的统计量F=0.999 6>0.05,该因素对COSMIC湿温廓线质量影响不显著;纬度带变化的统计量F=0.024 4<0.05,该因素对COSMIC湿温廓线质量有显著影响,尤其是热带地区受水汽影响较大,温度平均偏差处于峰值,偏差高于0.25 K,南温带地区次之。
