IGS超快星历对GPS近实时反演水汽精度的影响研究

将IGS发布的超快星历与最终星历中卫星的坐标及钟差进行对比,初步验证IGS超快星历的精度。在此基础上,以美国国家海洋和大气局ARM实验中GPS连续运行参考站一周的观测数据作为实验对象,利用Bernese软件分别使用IGS最终星历以及超快星历进行GPS反演大气水汽含量的数据解算,将得到的基线精度以及对流层延迟值进行对比,结果表明采用最终星历和超快星历得到的基线精度基本相同,但对流层延迟值相差较大,并且差值较大的时刻一般出现在超快星历的外推时刻,并随着外推时间的增加逐渐增大。为此,本文设计了滑动式动态星历选择方案,通过实验验证,该优化方案能有效的提高近实时对流层延迟解算精度,满足GPS近实时反演大气水汽的精度要求。     

获取GPS斜路径方向水汽含量算法

获取高精度的GPS信号斜路径方向的水汽含量（SWV）数据,是获得测站周围水汽三维空间分布信息（水汽层析）的基础。目前计算SWV的方法有多种,但都不同程度地存在解算实时性差、解算精度不高、转换方程复杂不利于系统维护等缺点。本文计算SWV方法综合Bernese 5.0软件的双差处理流程和非差处理流程,分别获得相关站点的湿延迟梯度值和非差残差值,能近实时、高精度地反演SWV。使用该方法重新处理2007年微波辐射计和GPS对比观测试验数据,均方根误差小于4 mm。证明应用该方法,地基GPS可较精确地反演三维水汽信息。     

准实时地基GPS可降水量的解算方案与可靠性研究

对准实时地基GPS可降水量的解算方案与可靠性的探讨,围绕三个方面展开:准实时GPS对流层延迟解算的最佳方案的确定;GPS可降水量与无线电探空资料的比较;GPS可降水量与水汽辐射计数据的比较。为了实时应用于气象领域,准实时对流层延迟的最佳方案为快速预报星历松弛解。在快速预报星历松弛解GPS可降水量与无线电探空数据的比较中,两者的相关性为0.88,绝对值均值为5.4 mm。GPS可降水量与水汽辐射计资料比较得到两者差值的均方根为1.68 mm。最后得到了最佳的准实时地基GPS可降水量的解算方案和在气象领域可降水量的反演的可行性的结论。     

利用GPS定位资料分析L波段雷达测风性能

新研制的GPS探空仪是在我国高空站网上普遍使用的L波段雷达-数字探空仪系统中增加GPS定位模块,高空风数据不但可以通过GPS定位数据计算获得,同时还可以通过L波段雷达单测风方式进行计算,这样使其自身获得了多方面的动态比对试验。通过对23份对比施放记录分析发现:在一般情况下,经过同等的适当滑动平滑后,从L波段雷达和GPS定位两个独立系统得出的高空风廓线基本一致,说明L波段雷达的测风精度基本可以达到GPS测风水平。但在探空仪上升到高空小风速区且远离测站时,雷达测风精度明显较GPS测风精度低,需要对原始数据进行更大范围的平滑。对照分析表明:目前高空站的L波段雷达观测业务还有较大发展潜力。     

先验模型选择对PS—DInSAR参数解算精度影响分析

研究了永久散射体雷达差分干涉测量（PS-DInSAR）技术观测方程的建立和参数求解方法,分析验证了观测方程建立过程中先验模型的正确选择对提高参数解算精度的重要影响,提出了用GPS辅助确定先验模型以改善参数解算精度的思路.最后,对进一步利用GPS 提高（PS-DInSAR）测量精度进行了探讨,出了一些有益结论.     

GPS水汽反演资料在济南地区的应用

利用济南区域GPS基准站网,建立了济南实时GPS水汽反演系统。GPS观测数据存放存储目录格式与参考站相一致,有利于观测数据的实时获得;采用IGS超快速星历,保证解算的实时性。并对2008年6、7两个月的GPS反演结果和探空解算结果、实际降水量进行了对比分析。结果表明:GPS探测和探空探测所得的可降水量在时间变化上具有良好的相关性,相关系数可达0.88;济南实时GPS水汽反演系统是可用的;降水出现前GPS可降水量有一个持续上升阶段,明显的降水时段对应GPS可降水量高值区,强降水前GPS可降水量达到峰值,GPS可降水量的急剧下降预示降水明显减弱或结束。     

西安地基ＧＰＳ水汽解算系统及初步应用

介绍全球定位系统(GPS)地基遥感水汽的基本原理和方法;水汽解算的三类基本资料条件,即GPS原始观测资料、匹配的气象观测资料、GPS水汽解算参数资料;西安地基GPS水汽解算系统技术基础和架构。系统由资料传输转换前处理、水汽解算核心、后处理产品显示三大模块组成。利用GPS水汽反演资料,分析西安2010年降水天气过程,归纳出峰点前置、喇叭口、锥形、大值区相近等特征,可应用于天气分析与预报业务中。     

西藏地区水汽GPS遥感分析

文章对2000年10月至2001年4月西藏改则、拉萨两站GPS预测数据,利用GAMIT软件进行了解算,通过对两站GPS观测数据的解算,结合相应的地面温度,气压观测数据,给出了长达7个月的时间间隔为30分钟的水汽总量分布。水汽解算结果由GPS解算软件分析达到毫米量级的精度。通过对这两个观点GPS观测资料的分析,指出西藏地区水汽日变化较大,春秋两季比冬季的日变化大;长期的水汽变化具有5～10天左右的周期性,青藏高原水汽自西向东输送。     

CRA40在中国地区GNSS水汽反演中的适用性评估与分析

基于中国气象局发布的CRA40气象再分析资料,计算地基GNSS水汽反演中涉及气压、气温、大气水汽加权平均温度（T_m）、天顶对流层总延迟（ZTD）等关键参数,并分别以地面气象站（气压、气温）、无线电探空测站（T_m）以及地基GNSS测站（ZTD）为参考,对这些参数在中国地区的精度和可靠性开展了系统的评估.计算结果与欧洲中期天气预报中心（ECWMF）最新一代ERA5产品的计算结果进行比较,结果表明：基于CRA40计算的测站处气压和ZTD的平均RMS（均方根）分别为0.91 hPa和13.5 mm,略差于ERA5;计算的测站处气温和T_m平均RMS分别为2.67 K和1.47 K,略优于ERA5.三类参数（气压、气温、ZTD）的日变化总体趋势与实际观测符合较好.     

地基GPS水汽监测技术及气象业务化应用系统研究

〖HT5K〗本研究建立了川渝地区地基GPS(global positioning system,全球定位系统)遥感水汽的本地化计算模型,开发出GPS遥感水汽的计算软件包,开展了局域地基GPS观测网遥感大气水汽的试验及业务应用,反演出30 min间隔的高时间分辨率GPS可降水量序列。评估了反演精度,研究了GPS水汽产品在气象业务应用的可行性。研发了可搭建在MICAPS (meteorological information comprehensive analysis and process system)平台上的地基GPS水汽监测业务化应用系统,实现了局域地基GPS观测网数据的实时传输、数据解算、可降水量反演和GPS水汽产品的可视化,并在气象业务部门试运行,在强降水、暴雪等灾害性天气预报中发挥了独特作用。     

利用GAMIT对江西省GPS可降水量的反演应用

GAMIT是由麻省理工学院(MIT)和斯克里普斯海洋学院(SIO)开发的拥有高精度的GPS专业处理软件。针对GAMIT软件在Linux操作系统上的安装、GPS观测站的参数表文件和配置文件的编辑、天顶对流层总延迟的解算,以及可降水量的反演的方法和流程进行了探讨,总结了GAMIT软件的一些使用经验和注意事项。同时,利用南昌站每日2次的探空资料所计算的大气可降水量对同时刻运用GAMIT反演的南昌站GPS大气可降水量进行了对比分析,发现运用GAMIT反演的GPS大气可降水量具有较高的精度。     

利用地基北斗站反演大气水汽总量的精度检验

采用上海市气象局建立的北斗气象站的2014年观测数据和我国自主研发的精密导航数据处理软件PANDA (position and navigation data analysist) 实现了基于北斗数据的大气水汽总量 (precipitable water vapor,PWV) 反演,并将利用北斗卫星信号解算的大气水汽总量 (W_BD) 结果与目前较为成熟的GPS卫星反演结果 (W_GPS) 和无线电探空反演结果 (W_Radio) 进行对比,研究表明:反演的W_BD与W_GPS的均方根误差均低于3.5 mm,反演的W_BD与W_Radio的均方根误差为3.6 mm,两种对比方式的相关系数均在0.95以上,反演方法以及地理位置的差异对于反演结果有一定影响;反演的W_BD能够很好地反映出大气中水汽的变化特征,对于气象短时临近预报、气候分析有指示作用。     

2001—2010年大连地区暴雪天气与雷达回波特征分析

利用2001—2010年大连市7个市区县观测站冬季降水资料、常规观测资料和大连新一代天气雷达（CINRAD/SC型）回波资料,对发生在此期间8次暴雪过程环流形势分析的基础上,对雷达回波特征进行分析。结果表明：造成大连地区暴雪天气的环流形势,在500 hPa高空上多与东亚大槽建立前自中国华北伸向黄淮地区的高空槽有关,在地面上则与经华北南部和江（黄）淮地区东移或北上气旋（倒槽）与北方南下冷高压在大连附近交绥有关。雷达回波速度场以＂暖式切变＂型最多;该类型的降水强度,随南北气流的增强、风切变的增大和切变层在边界层和对流层低层的抬升与暖平流的匹配而加强;随西南气流在边界层和对流层低层减弱与冷平流的出现而减弱。研究结果可为预报冬季暴雪天气提供参考。     

华北地区地基GPS天顶总延迟观测的质量控制和同化应用研究

地基GPS天顶总延迟由于其解算误差来源少于目前广泛应用的可降水量资料,其同化应用将会为数值预报初值场更好地提供大气信息。面向同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案的研发将会有效推进该资料在中国数值预报中的广泛应用。基于2013-2014年华北地区天顶总延迟观测资料,发展了一套针对数值预报同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案。该方案从测站稳定性和解算精度、离群值、系统偏差及标准差等考察点切入,从不同角度检查和标记出致使观测序列统计特性偏离高斯分布特征的样本。质量控制后序列统计特征量更接近三维变分系统对观测资料的性质假设,表明了所建立质量控制方案的合理性。基于北京市气象局数值预报业务系统BJ-RUC开展了连续11 d的快速更新循环预报试验。评估结果表明：同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果明显优于同化未质控天顶总延迟试验,表明所建立质量控制方案的有效性。同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果优于未同化GPS资料试验,表明天顶总延迟资料的同化应用可以有效提升预报系统的降水预报效果,特别是在无探空资料参加同化的预报时次;同化质控后天顶总延迟资料试验的降水预报效果也优于同化可降水量的试验,表明使用天顶总延迟资料代替可降水量资料在数值预报业务中开展同化应用是可行的。在天顶总延迟观测质量控制方案研发和同化应用得到了一些有意义的结果,有助于推进该观测资料在数值预报科研和业务中的应用,为提升预报性能提供技术支撑。     

Comparison of COSMIC radio occultation refractivity profiles with radiosonde measurements

In recent years, radio occultation (RO) technology making use of global positioning system (GPS) signals has been exploited to obtain profiles of atmospheric parameters in the neutral atmosphere. In this paper, the RO refractivity profiles obtained from the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) mission are statistically compared with the observations of 38 radiosonde stations provided by the Australian Bureau of Meteorology during the period from 15 July 2006 through 15 July 2007. Different collocation criteria are compared at first, and COSMIC RO soundings that occur within 3 hours and 300 km of radiosonde measurements are used for the final statistical comparison. The overall results show that the agreements between the COSMIC refractivity profiles and the radiosonde soundings from the 38 stations are very good at 0--30 km altitude, with mean absolute relative refractivity deviations of less than 0.5%. Latitudinal comparisons indicate that there are negative refractivity deviations in the lower troposphere over the low latitude and middle latitude regions and large standard deviations exist in the lower troposphere of low latitude regions, which can reach up to ~6%. The comparisons of COSMIC RO refractivity profiles and radiosonde observations for 3 polar stations in four different seasons indicate that the accuracy of GPS RO profiles is better in the Austral summer and autumn than in the Austral spring and winter during the year from September 2006 to August 2007.     

利用区域自动站资料分析核桃花期冻害气象条件及成因

利用太行山南部核桃种植区100个区域自动站和6个国家气象站的常规观测资料、NCEP/NCAR再分析数据和临城"绿岭"核桃种植基地核桃发育期观测及冻害资料,对核桃遭遇花期冻害时区域自动站和国家站之间的气温指标相关性及种植区冻害风险气候特征进行研究,结果表明:1区域自动站和国家气象站的气温相关性显著,其中,90%的站点相关系数高于0.9;2同一时刻,区域站气温与海拔高度呈负相关,当核桃花期国家气象站气温分别低于3.6℃、2℃、0.4℃、-0.4℃时,可能受冻的核桃种植区海拔高度分别为1000m以上、600m以上、200m和0m以上。3太行山南部山区核桃花期年平均冻害风险日数为3.4天。4核桃花期冻害和极涡及乌拉尔山高压脊异常偏强有关。     

数值模式预报延迟量与GPS测量的比较研究

利用长江三角洲地区GPS观测网中4个站点的资料，研究了2002年梅雨期静力延迟和湿延迟的时、空变化，以上海宝山站为例用探空资料对GPS资料进行了验证，并将MM5模式24h的预报结果与GPS测量资料进行比较，以检验MM5模式对静力延迟和湿延迟的预报能力，在此基础上提出了订正模式预报静力延迟误差的方法。研究结果表明：GPS是一种与探空观测有可比性的大气静力延迟和湿延迟测量手段。GPS站点测得的静力延迟和湿延迟呈现出不同特征，静力延迟有明显的周期变化，湿延迟的变化与天气过程相关联。模式初始场对静力延迟有很好的描述能力，而对湿延迟却存在低估现象。MM5模式24h滚动预报基本能反映出静力延迟的日变化趋势，而模式在预报静力延迟的逐时次变化方面还存在一定的偏差。模式对湿延迟变化有一定的预报能力，但也存在低估现象。模式对总延迟的预报总体偏低，偏差主要集中在-3cm附近。可以通过订正地面气压的方法减小模式对静力延迟的预报误差。     

不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟（GNSS-ZTD）观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等（2005）理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:（1）Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;（2）天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;（3）对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于Des方法逐站诊断观测误差相比传统方法得到的观测误差更为合理,因此能够提高天顶总延迟资料的同化预报效果,同化天顶总延迟资料能够提高降水及温、湿、风等气象要素的预报水平。      

青藏高原东缘GPS水汽资料对暴雨模拟的影响分析

选取2009年6月30日发生在云南南部和湖南北部的强降水过程,利用WRF模式和建立在青藏高原东缘地区18个地基GPS站点观测的可降水量资料（GPS/PWV）进行同化试验.试验表明：选取全部18个站和云南省8个站GPS/PWV资料进行同化,发现下游地区的强降水区湖南北部降水强度发生较大变化.选取100.E附近的6个站GPS/PWV资料进行同化,发现下游地区的强降水区湖南北部降水强度变化不大.利用全部站点GPS/PWV资料,模式初始场大部分地区湿度增加,对应下游降水中心强度增加,少部分地区湿度减少,对应降水区域南移.GPS/PWV资料同化对模式初始场湿度场和高度场影响较大,而对温度和风场影响较小.     

实时 Ｇ Ｐ Ｓ可降水量资料的变分同化个例研究

用实时GPS可降水量(Precipitable Water, PW)资料GPSPW,针对2007年7月2-3日发生在日本九州南部地区的一次梅雨锋降水过程,设计控制试验和4个同化试验,利用WRF和WRF-Var模式进行三维变分同化研究,并用ETS评分客观评价各方案的预报效果.结果表明:实时GPSPW同化能有效地改进模式初始时刻水汽场以及预报时间内(0～6 h)的PW.背景误差水平尺度调节系数的大小对水汽场的调整范围和PW的改进程度有一定影响.GPSPW的实时性能提高降水预报业务的实时性.