验证使用光谱分析HRTP GOMOSEnvisat高分辨率的温度变化情况
音频Sofieva, j . Vira f . Dalaudier, a . Hauchecorne GOMOS团队
摘要GOMOS(全球臭氧监测掩星的恒星)仪器环境卫星上装有两个快速光度计操作在蓝色和红色1千赫采样频率的波长。光度计的允许的bi-chromatic闪烁记录的折射角度的决心,这是成正比的光度计信号之间的时间延迟。高分辨率的密度和温度概要文件可以重建(约200米)的垂直分辨率从这些数据高度范围~ 15 35公里。验证的小规模的波动HRTP需要非常接近搭配在时间和空间与高质量的数据相当或更好的垂直分辨率。比较温度曲线波动的空间光谱需要搭配没有那么严格的标准。在本文中,我们比较的垂直波数谱温度波动在HRTP和集中的无线电探空仪的数据。我们发现HRTP垂直波数谱和无线电探空仪温度波动非常相似的垂直掩星明亮的星星。斜掩星或者暗星,HRTP波动往往有较大的光谱级,尽管几个很好的协议。光谱分析证实,实际解决HRTP是150 - 200。
1 HRTP:测量原理和检索
GOMOS船上环境是第一个乐器表演同步闪烁两个波长的测量。它配备了两个快速光度计操作在蓝色(470 - 520 nm)和红色(650 - 700 nm)与1 kHz的采样频率(波长http://envisat.esa.int/instruments/gomos,Bertaux et al . 2004;Kyrola et al . 2004年)。
高分辨率的检索温度和密度利用彩色大气折射。由于空气密度(依赖,因此,
芬兰气象研究所、地球观测、芬兰赫尔辛基电子邮件:(电子邮件保护)
-
- 图1的示意图表示彩色折射,GOMOS折射角度测量的原理
折射率)波长,蓝色的光线弯曲超过红色(图1),因此,由GOMOS观察后。
强度结构(闪烁)峰值,所致大气密度波动,都观察到光度计的延时tB-tR(图2)成比例的差异折射角度Aa = aB-aR。HRTP处理,时间延迟估计的位置光度计的最大互相关函数的信号。
的差异折射角度Aa的折射角度aB转化为参考波长。在那之后,类似于一个用于检索方法无线电掩星。假设当地大气球面对称折射率剖面从折射角度检索配置文件使用阿贝尔变换。折射率与空气密度成正比。相应的压力
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- 图2的信号GOMOS快速光度计(FP1,蓝色,FP2,红色)。时间延迟是清楚地看到光度计数据
通过整合资料推导出流体静力学方程最后,获得了温度曲线的理想气体的状态方程。HRTP处理的细节描述Dalaudier et al。(2006)。
海拔~ 35公里,HRTP是1 - 2 K的估计精度。最好的精度达到垂直(在轨道平面)掩星明亮的星星。~ 15公里以下,HRTP减少由于低信噪比的质量,扩大闪烁的山峰由于彩色平滑和违反假设用于检索(特别是弱者闪烁的假设)。HRTP概要的垂直分辨率是~ 200米。
HRTP配置文件中使用这个验证处理软件的研究,开发范围内的欧洲航天局资助项目“高分辨率估计算法从GOMOS测量温度和密度资料”,旨在优化HRTP检索。GOMOS数据从2002年9月到2005年1月。集中的测深数据的校准/验证数据库环境NILU(挪威空军研究所)和SHADOZ(南半球附加Ozoneson-des)数据库(汤普森et al . 2001年)被用于验证。
2使用光谱分析HRTP验证:动机
HRTP的有益特性是一个很好的垂直分辨率。为了验证HRTP小规模的波动,被认为是由内部产生的重力波(IGW),相关测量应提供高质量的温度在同一海拔范围类似或更好的解决。
让我们讨论数据搭配标准,即。时空的窗口,不改变温度场相似,我们可以预期的温度资料,包括小规模的波动。在同温层,水平和垂直尺度的特征比通常等于最大和最小固有频率的比值的重力波场(N / f通常大于100 N是Brunt-Vaisala频率和f是科里奥利参数)。垂直分辨率以来HRTP ~ 200米,横向分离配置测量应该小于20公里。HRTP是最敏感的小型垂直和大型卧式重力波的波长,即。,一波又一波的低固有频率(Fritts和亚历山大•2003)。因为这样的重力波的特征时间演化的几个小时里,配置概要文件的时差不应超过2 - 3 h。
上面的数据选择派生标准非常严格。在HRTP的高度范围,只有无线电探空仪数据满足垂直分辨率的要求。重要的是要注意,时间分离结果的额外空间分离造成的大气平流的空气质量。例如,提供了一个非常温和风速海拔20米/秒的15 - 30公里,空气包裹在同一地理位置探测的时间间隔30分钟将大气中由36公里。由无线电探空仪测量相对较长时间的温度资料在气球飞行(需要~ 1小时的气球提高10 ~ 30公里)也有类似的效果。如果卫星(几乎瞬时)测量是完全集中的在时间和空间无线电探空仪测量在10公里,然后他们将大气中分离到几十公里的由于位移被风30公里。
几乎是不可能找到满足这些搭配非常严格的标准数据(我们所有的搜索不成功)。据集中的无线电探空仪的分析数据(Sofieva et al . 2008),温差迅速增长而增加分离的距离。Rms温差的资料~ 200 m垂直分辨率是分离~ 0.4 K 40公里,80公里分离~ 0.7 K,是~ 1 - 1.5 K的分离200 - 1000公里。
如果分离测量大气中超过20 - 30公里,温度的小规模的结构概要文件不应该一致。不过,我们可以期待类似的光谱特性温度场的相互位置不远(例如,不到500公里)在一些时间(几个小时)。集中的无线电探空仪的光谱分析资料(Sofieva et al . 2008年)已经证实这一假设:温度波动的光谱相似,即使对概要文件明显分离时间和空间(几个数百公里,几个小时)。剖面波动的rms值发现彼此非常接近(距离越小,波动较小的均方根差)。平流层的无线电探空仪资料分离到300 - 600公里,rms温度波动区间在±40%的大多数情况下(Sofieva et al . 2008年)。
光谱分析方法允许使用数据时空并置在一个更广泛的窗口,因此更多的数据都是合适的。此外,验证HRTP光谱的高的重要性,作为一个可能的HRTP应用研究在平流层内重力波活动。
的垂直分辨率HRTP有望~ 200(比无线电探空仪的配置文件,但比从radio-occultation测量)。这项决议是足够的探测垂直重力波的谱。垂直HRTP光谱的温度波动和比较集中的无线电探空仪配置文件允许实验估计实际HRTP垂直分辨率:它对应于垂直光谱的截止波数。
然而,比较温度波动的光谱在HRTP小心和集中的无线电探空仪配置文件应该执行,因为温度波动的垂直波数谱在地面(HRTP)和GW内在参照系(气球测量)可以不同wind-shifting效应的结果(例如,全译本)1995)。加德纳和加德纳(1993)估计水平风速在垂直波数谱的影响。他们发现,修改在垂直波数谱引起的背景风可以忽略不计,如果:
(我)水平风速比气球提升速度远小于各向异性系数n(加德纳和加德纳(1993),n ^是22日)。这意味着通过温度所需的时间提升不规则竖直维度的特点是短而所需的时间用平流输送气球横向通过不规则特征水平的大小。
(2)通过温度所需的时间提升不规则竖直维度的特点是短而不规则的生命周期。
第二个条件可以被认为是一如既往的满意,当气球提升平均速度的4 - 5 m / s。第一个条件只能在违反了很强的水平风。
HRTP,掩星的倾斜变形的影响可以以类似的方式估计垂直波数。光谱获得的区别使用瞬时垂直和斜概要文件将小,如果倾斜的掩星满足tan < < n(之间的角度是本地垂直和恒星运动的方向)。这个条件满足所有掩星被认为是在目前的工作。
3验证结果3.1数据选择
我们选择温度资料从PTU(压力、温度、湿度)和臭氧测深在高和中纬度NILU数据库中,位于< 300公里距离,< 4 h与相应的GOMOS时差测量。站的位置和探头特性表1中收集。63配置文件被发现满足搭配准则。然而,只有27个测深剖面覆盖HRTP海拔范围的一个重要组成部分,即:,海拔~ 18 - 30公里。大多数选择GOMOS掩蔽在光照条件(即“杂散光”。,而不是在完全黑暗的)和斜(轨道平面)。垂直的掩星明亮的恒星(| | < 5°),最好HRTP预计的准确性,并没有呈现在这个选择。为了有可能估计HRTP质量“最好的”掩星,我们发现12个垂直掩星明亮的恒星的并置与SHADOZ试探。然而,这些掩星的空间分离和SHADOZ试探很大,300 - 600公里,以及时差~ 12 h。信息
站 |
位置 |
探头类型和典型的垂直分辨率 |
Legionowo |
52.40°N, 20.97°E |
50米(PTU) |
Uccle |
50.8°N, 4.35°E |
75 (PTU和臭氧迭代反演) |
Jokioinen |
52.40°N, 20.97°E |
10米(PTU), 50米(臭氧迭代反演) |
Sodankyla |
67.37°N, 26.63°E |
10米(PTU和臭氧迭代反演) |
新奥勒松 |
78.92°N, 11.93°E |
50米(臭氧探空仪) |
Scorebysund |
70.50°N, 22.00°W |
50米(臭氧探空仪) |
马拉姆比奥 |
64.2°S, 56.7°W |
50米(臭氧探空仪) |
杜蒙特维'Urville |
66.67°S, 140.01°E |
90米(臭氧探空仪) |
图3 GOMOS HRTP S018掩星的星反复和集中的无线电探空仪温度剖面Jokioinen 9月25日,2002年。概要文件之间的距离,时差和倾斜的掩星(本地垂直之间的角度和方向的恒星运动阶段屏幕)中指定的图头
图3 GOMOS HRTP S018掩星的星反复和集中的无线电探空仪温度剖面Jokioinen 9月25日,2002年。概要文件之间的距离,时差和倾斜的掩星(本地垂直之间的角度和方向的恒星运动阶段屏幕)中指定的图头
HRTP meas.err。
探头
HRTP
220 225温度,K
HRTP meas.err。
探头
HRTP
220 225温度,K
SHADOZ探空站的位置和探头特性可以发现http://croc.gsfc.nasa.gov/shadoz/and在汤普森et al。(2001)。
并置HRTP和测深配置文件的一个例子是图3所示。两个错误估计显示HRTP:测量误差(阴影区域)和总误差估计,包括测量误差和初始化错误上限(虚线)。ECMWF掩星的位置也显示温度曲线。
3.2光谱比较的结果
计算功率谱密度的概要文件被插入一个共同的等距网格30米高度。检测温度的波动,顺利获得组件使用汉宁过滤与截止3公里。
的功率谱密度的相对波动温度科技/ T使用平均周期图法估计。在我们的分析中,我们关注的是波数低于0.01 cy / m,高频部分的频谱混叠的影响。光谱分析,我们使用概要文件在海拔20 - 30公里范围。
图4显示了几种光谱相对集中的HRTP温度波动和测深剖面在中期和高纬度地区(掩星的不同类型,主要是斜)。“模型”线对应的饱和重力波模型,预测kz ~ 3垂直波数谱的形状V5T / T的相对温度波动:
三分三分10 10 10球垂直波数,cy / m
图4光谱的相对温度波动在测深剖面和HRTP,搭配高和中纬度o
三分三分10 10 10球垂直波数,cy / m
图4光谱的相对温度波动在测深剖面和HRTP,搭配高、中纬度
kz垂直波数,g是重力加速度,«0.1是一个实验常数(史密斯et al . 1987年)。他们介绍仅供参考,因为目前分析不是针对检查的普遍性假设GW垂直的光谱。众所周知,偏离频谱在平流层(1)相当普遍(全译本)1995;Fritts和亚历山大2003)。
温度波动的rms(计算样本标准差)和信息GOMOS掩蔽和探头测量也在图4中指定。
HRTP波动的谱密度图4所示通常比试探波动。水平风速不超过10倍气球上升速度在所有的搭配。因此HRTP和无线电探空仪的不同波数谱的影响不太可能解释为背景风估计加德纳和加德纳(1993)和教派。2本章讨论。我们还没有找到任何明确依赖光谱差异的水平风速的大小。所有掩星选择高和中期纬度是暗星(因此,测量噪声是重要的)或/和斜。在斜掩星,各向同性湍流造成的闪烁干扰光度计信号之间的相关性。因此HRTP的检索精度,这是基于发现光度计信号之间的相关性,减少斜掩星。因此,分歧在这些掩星的光谱特性不是很令人惊讶。垂直的形势急剧变化的掩星明亮的恒星正在形成(图5所示,这些掩蔽SHADOZ测深在热带地区)。垂直波数谱非常类似HRTP和迭代反演,以及波动的均方根。
图6显示了散点图温度波动的rms HRTP和无线电探空仪配置文件,这两个数据集。图6总结了上述观测。垂直的掩星明亮的恒星,rms HRTP波动
探头-HRTP——模型
R03875 / S012 h = 14.5, = 385.8公里,a = 5°。= 0.99 K,非盟„„= 0.95 K
R03875 / S012 h = 14.5, = 385.8公里,a = 5°。= 0.99 K,非盟„„= 0.95 K
R09300 / S010 h = 10.8, = 358.1公里,a = 4°。= 0.83 K,非盟„„= 1.49 K
R09300 / S010 h = 10.8, = 358.1公里,a = 4°。= 0.83 K,非盟„„= 1.49 K
R11891 / S009 h = 15.1, = 432.9公里,a = 6°„= 1.19 K,非盟„= 1.75 K
R11891 / S009 h = 15.1, = 432.9公里,a = 6°„= 1.19 K,非盟„= 1.75 K
探头HRTP
R14310 / S020 h = 2°= 10.6, = 441.6公里探头
HRTP
-
- R08535 / S029 h = 12.9, = 106.9公里,= 3°„= 1.29 K,非盟„„= 1.29 K
R14297 / S012 h = 12.8, = 550.1公里,= 2°„= 0.72 K,一个„„= 1.26 K
R14297 / S012 h = 12.8, = 550.1公里,= 2°„= 0.72 K,一个„„= 1.26 K
三分10 - 10的垂直波数,cy / m
R14180 / S012 h = 11.8, = 616.2公里,a = 6°„= 0.97 K, au__ = 1.33 K探头HRTP
R14180 / S012 h = 11.8, = 616.2公里,a = 6°„= 0.97 K, au__ = 1.33 K探头HRTP
图5光谱的相对温度波动在SHADOZ测深剖面和HRTP
探头HRTP
十年代
探头
HRTP
求高、中纬度斜掩星求高、中纬度,垂直掩星明亮的星星*热带地区,垂直掩星明亮的星星
求高、中纬度斜掩星求高、中纬度,垂直掩星明亮的星星*热带地区,垂直掩星明亮的星星
图6 Rms HRTP温度波动的概要文件和测深剖面。实线:y = x,虚线:y = 1.2 x和y = x (1/1.2);虚线:y = 1.5 x和y = x (1/1.5)
图6 Rms HRTP温度波动的概要文件和测深剖面。实线:y = x,虚线:y = 1.2 x和y = x (1/1.2);虚线:y = 1.5 x和y = x(1/1.5)接近,在集中的无线电探空仪温度资料。数据的散射非常类似于观察配置无线电探空仪数据(Sofieva et al . 2008年)。斜掩星或昏暗的恒星,HRTP波动大于在无线电探空仪温度资料,但是一些好的协议也被观察到。
明确截止对应尺度~ HRTP光谱中观测到150 - 200 m(图5),这证实了实际HRTP垂直分辨率是150 - 200。
4结论和展望
小型结构高分辨率资料的验证是高复杂性的问题,因为配置数据相同的垂直分辨率应该可以几乎在同一时间和地点。在这项工作中,我们建立并描述了高分辨率的光谱分析方法验证资料,需要搭配没有那么严格的标准。
该方法的应用程序中获取的高分辨率温度资料进行验证bi-chromatic恒星闪烁由GOMOS快光度计测量表明,HRTP波动是现实的(在垂直一维光谱)在垂直掩星明亮的星星。斜掩星或者暗星,HRTP波动往往有较大的光谱级,尽管几个很好的协议。光谱分析证实,实际解决HRTP是150 - 200。
掩星的大型类——接近垂直的掩星medium-brightness明星(视星等1 < < 2.5)不是在考虑数据集。我们希望从这样的掩星HRTP概要文件检索的准确性接近,在明亮的恒星,温和的噪声不会影响互关联函数的计算,因此时间延迟重建的准确性。这些掩星的验证是未来工作的主题。
此外,它也可能在全球的使用所有可用的无线电探空仪数据,找到合适的搭配与GOMOS掩星HRTP谱验证。这可能会给更大的统计和更好的报道不同类型的掩星。
过度HRTP波动幅度,在这项研究中发现在昏暗的恒星或斜掩星的情况下,可以减少在检索应用正则化。HRTP概要介绍了研究与先验信息的最小加工用于反演。基于统计反演方法优化(贝叶斯方法)也已开发项目的范围内”算法的估计高分辨率从GOMOS测量温度和密度资料”。检索的验证正则化应用也将是未来工作的主题。
确认这项工作已经完成欧洲航天局资助的项目的范围内“算法估计高分辨率从GOMOS测量温度和密度资料”(合同编号17895/04 / I-LG)。作者感谢ESA和GOMOS团队GOMOS数据。作者非常感谢相关数据的使用环境卡尔/ NILU Val数据库,并感谢无线电探空仪的主要调查人员和SHADOZ迭代反演。的工作视野Sofieva得到了芬兰科学院(博士后项目)。
引用
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