在球对称大气中, 沿着同一根GPS射线传播路径的影响参数是恒定的。但是, 如果大气不是球对称的, 影响参数在同一根射线传播路径上就会发生变化。大气的分布并不总是满足球对称假定，尤其在热带地区，对流层低层经常会出现大气折射率局地强梯度,使得GPS发射的无线电信号在某一个传播路径与其上方或下方的路径相交,这种现象被称为掩星多路径。本文的研究对于认识GPS多路径成因具有重要的科学意义，对于热带地区GPS掩星资料同化具有重要的实用价值。

图1给处了一个模拟掩星多路径的实例。 影响高度在3.5~4km的射线路径在2D掩星平面中分布不均匀(图1a). 我们注意到有四条射线路径(图1a中的青色和蓝色实线和虚线曲线)与多条射线路径相交, 这是描述掩星多路径模拟现象的一个典型例子. 在大约4km影响高度的近地面点附近, 大气折射率有非常大的垂直梯度(图1b), 在近地面点的切线方向上, 尤其是LEO一侧, 也有一个弱的折射率水平梯度带, 模拟得到的影响参数沿射线路径有显著变化(图1c). 

图1: RO2离近地面点±480-km水平距离内的模拟射线路径（黑色曲线）、弯角（红色曲线）、折射率和折射率梯度的空间分布图。(a) 模拟射线路径(黑色曲线), 二维掩星平面相对于北方的方位角(红色曲线)和折射率(N-units, 彩色填充)随几何高度的变化; (b) 模拟射线路径(黑色曲线), 弯角α2D(aL)(红色曲线)和折射率的垂直梯度(N-units km-1, 彩色填充)随影响高度的变化; (c) 大气折射率的水平梯度(N-units (100km)-1, 彩色填充). GPS和LEO卫星位置分别位于x轴的左边和右边方向。 

统计结果显示，影响参数变化随着大气总折射率(图2a)和水汽折射率(图2b)的垂直梯度增加而增加, 与干空气折射率的垂直梯度之间没有相关关系. 晴空个例RO1(绿点)的垂直梯度位于大气总折射率和水汽折射率垂直梯度的平均曲线上方. 实际上, 晴空RO1和有云RO3的干空气折射率的垂直梯度几乎相同, 接近平均值.

图2. 近地面点影响高度在3.4km的模拟射线路径上(a)大气总折射率(N)、(b)水汽折射率(Nwet)和(c)干空气折射率(Ndry)垂直梯度最大值和, 最大值的散点图。

研究发现, 造成掩星多路径现象的主要原因是在距近地面点水平距离300km范围内大气水汽折射率有较强的局部垂直梯度. 掩星多路径现象大多在5km影响高度下发生, 最大发生频率在3.4km影响高度附近(约1.8km几何高度). 不管是有云还是晴空条件, 多路径现象和水汽折射率局部强垂直梯度都有可能存在, 但在层积云环境下最为常见.

根据以上研究, 我们可以说出现水汽折射率局地强垂直梯度是掩星多路径发生的重要指标. 但是, 确定判别掩星多路径发生的大气折射率梯度的准确阈值还需要进一步研究. 接下来的工作, 在三维大气折射率输入场中寻找一些指标, 用来进行质量控制, 不用运行二维射线追踪观测算子, 就可以剔除发生掩星多路径模拟现象. 

文章出版信息： 

中文版: 杨胜朋, 邹晓蕾. 2021. 热带地区GPS掩星观测传播路径上影响参数变化与水汽折射率局部强梯度的关系. 中国科学: 地球科学, 51, doi:10.1360/N072020-0392. 

英文版: Yang S, Zou X. 2021. Relationships of along-the-track local variations of GPS RO impact parameter to strong local vertical gradient of wet refractivity in the tropics. Science China Earth Sciences, https: //doi.org/10.1007/s11430-020-9795-2