利用GPS技术推算大气水汽含量的原理和方法

本文简要介绍了GPS技术推算大气水汽含量的研究成果及应用前景，解释了利用GPS技术推算大气水汽含量的原理和方法，简要介绍了求解干延迟的三种经验公式，对GPS观测数据推算大气水汽总量Wp时存在的几种误差进行了分析。     

利用BERNESE 5.0解算地基GPS天顶湿延迟

地基GPS技术已被公认为观测大气水汽的最具潜力手段,而天顶湿延迟（ZWD）是地基GPS解算高精度水汽的关键量。瑞士伯尔尼大学天文研究所开发的BERNESE软件在解算天顶湿延迟方面独树一帜。以香港地基GPS连续运行参考站数据为解算实例,详细介绍了BERNESE软件解算ZWD的基本步骤和相关设置,并对有气象观测文件、数据跨天、跨周和定点解算ZWD情况的特殊设置进行了研究,结果表明BERNESE软件完全胜任ZWD解算工作。     

利用地基GPS测量大气水汽廓线的方法

GPS倾斜路径的湿延迟反映了大气中水汽的三维非均匀分布,通过准确确定空间各卫星对地面各接收机的倾斜路径湿延迟,就可以利用断层扫描技术,确定大气层中水汽的三维分布和变化,从而增加目前还相对缺乏的大气水汽探测。文章就这方面介绍了国际上利用地基GPS测量倾斜路径大气湿延迟的两类方法(单点定位方法和双差定位方法)以及应用断层扫描技术利用这些观测进行水汽廓线遥感探测的两类方法(附加约束法和卡尔曼滤波法),并对这些方法的优缺点进行了初步的比较和探讨。     

地基GPS/MET研究回顾与展望

GPS气象学（GPS/MET）是20世纪90年代兴起的一种大气遥感技术。经过近10多年的发展,GPS/MET技术正逐步从科研走向业务应用。介绍了地基GPS/MET遥感大气水汽含量的基本原理,简单回顾了地基GPS/MET的发展历程,并根据其发展现状,对地基GPS/MET应用前景和发展趋势进行了展望。认为,未来地基GPS/MET的发展主要体现在加强中尺度站网建设、发展和完善斜路径基础上的层析技术,以及资料产品在天气预报（尤其是临近预报）、气候监测和评估、中尺度数值模式等方面的应用。     

北京地区单双频地基GPS大气水汽遥测试验与研究

该文对北京地区单双频地基GPS大气水汽监测网布网依据、单频与双频地基GPS测量数据解算技术应用、GAMIT和Bernese地基GPS数据分析处理软件应用、远程遥控GPS数据采集与通讯系统、资料分析与数值同化应用等方面的工作进展进行简要介绍,重点讨论了单双频地基GPS大气水汽资料的解算技术及其应用效果。结果表明:在北京天气敏感区通过单双频地基GPS接收机合理组网布局,可构建并利用高分辨率电离层延迟订正技术将单频接收机的大气水汽监测精度提高到实用水平,为强降水天气预报提供有价值的产品。     

GPS水汽遥感中的大气干延迟局地订正模型研究

在GPS遥感水汽过程中,大气干延迟模型的精度直接影响水汽遥感的精度。根据广东清远站1995～2001年的气象探空资料,计算了GPS水汽测量中的实际大气干延迟。在此资料基础上,利用地面气象要素建立了大气干延迟的年和分月局地订正模型。分析结果表明,年模型的精度优于目前广泛使用的普适模型;月模型与年模型相比,效果不是很明显,建立局地分月订正模型意义不大;在对高度角的敏感程度上,局地模型略大些;当高度角小于75时,大气干延迟弯曲路径与直线路径之差ΔS随天顶角增大而迅速增大。     

GPS探测气象参数的技术进展

回顾了全球定位系统(GPS)探测气象参数(GPS/MET)的技术进展.全球定位系统探测气象参数利用GPS信号穿过大气受到大气折射而产生的延迟来探测大气中的温度、气压、水汽含量或湿度及电离层的电子浓度.就地基GPS/MET来看,GPS对中性大气层水汽的探测研究,主要集中在大气可降水量反演、水汽层析及GPS资料在数值预报模式中的应用等领域; GPS对电离层探测,主要应用于电离层变化的分析和研究,监测和预报电离层的危害方面.天基GPS/MET技术利用了导航卫星GPS星座和LEO小卫星在地球地平线边缘的上下相对运动,获取大气参数的垂直分布.GPS气象小卫星在太空飞行,探测范围大、频率高.两颗天基低轨GPS气象小卫星系统的高空资料收集能力就超过了现行全球高空气象探测能力的总和.天基GPS/MET掩星探测技术的业务实现将是全球高空大气探测技术发展的一次飞跃.GPS/MET的探测精度高、全天候、时间分辩率高、观测稳定、无需校正.可以预期, 这种新型的探测手段将是未来大气探测系统中重要的组成部分,随着GPS探测站网的建设和业务化,它所提供的数据源,将会对气象、环境、水文和空间天气等学科领域的研究产生深刻的影响.     

基于IGS超级跟踪站近实时解算浙江地基GPS大气可降水量

浙江CORS综合应用网正在不断建设中,并已开始服务于气象部门。为给地基GPS(Global Positioning System)气象研究人员提供一个真实的研究环境,在IGS超级跟踪站(全球GPS服务超级跟站,International GPS Service)网络的基础上搭建了浙江地基近实时GPS气象系统,并根据实测数据验证了该系统的有效性。结合浙江省的GPS观测网数据,对浙江地基GPS大气可降水量作了初步研究。该平台可用于研究GPS遥感水汽、层析水汽三维分布、数值天气预报等。     

江西省GPS/MET水汽监测系统设计

GPS/MET水汽监测是20世纪90年代后兴起的一种大气水汽含量遥感方法。在介绍了GPS测量水汽的原理的基础上,对江西省GPS/MET水汽监测站网布局的原则及其结构功能进行了探讨。探测系统主要包括GPS基准站子系统、数据通信子系统、控制中心子系统、数据中心子系统。     

济南地区大气可降水量三种观测反演资料的对比分析

大气可降水量在研究大气辐射和吸收,以及全球的热量输送,尤其是暴雨的预报预测等方面都发挥着重要作用。应用2015年章丘站GPS/MET、微波辐射计和L波段探空3种设备反演的大气可降水量数据,比较了三者之间的偏差特征。结果表明：GPS/MET、微波辐射计和L波段探空3种设备反演的大气可降水量变化趋势一致,但也存在明显的系统偏差,量值从大到小分别是GPS/MET、微波辐射计、L波段探空。三者之间的偏差在春夏秋冬四季的差值都较为稳定;GPS/MET比微波辐射计偏大4.5 mm左右,不会因为季节的改变而明显地增大或减小。但标准差最大是夏季,其次是秋季,冬季最小。由于12：00 UTC水汽含量大于00：00 UTC,造成3种探测手段反演的大气可降水量在12：00 UTC的标准差几乎总是大于00：00 UTC,而相对偏差小于等于00：00 UTC。     

区域GPS网对流层延迟直接推算可降水量研究

针对武汉地区GPS气象网资料进行GPS对流层延迟直接推算可降水量的研究。推导了对流层延迟直接推算可降水量的模型,并对模型结果进行检验。从武汉东湖站GPS对流层延迟与无线电探空可降水量的比较中可知,两者具有很好的相关性,相关系数达到0.931;由该站对流层延迟转换的可降水量与无线电探空可降水量的比较可得,均方根为4.45 mm,相关系数为0.905,对流层延迟转换的可降水量与GPS可降水量的均方根为2.23 mm,相关系数为0.988。说明在没有气象数据的地区,对流层延迟直接推算的可降水量可以作为气象短期预报的参考依据。     

地基GPS在暴雨预报中的应用进展

加密的地基GPS全球定位系统网具备监测中小尺度天气水汽变化的功能.利用对流层延迟与水汽之间的关系,可以建立地基GPS水汽反演方法以获取大气可降水汽总量PWV和斜路径水汽含量SWV,并通过层析算法得到三维水汽分布.PWV的时间变率、PWV水平梯度变率和区域PWV水汽辐合辐散量定量反映了水汽输送以及区域水汽增减,PWV时间序列的初始峰值在暴雨临近预报中有重要的指示意义,地基GPS网的PWV可以作为数值天气预报模式的重要资料.不同指向的SWV可以表征测站周围水汽的非均匀性质,SWV和三维水汽层析可有效用于中小尺度天气的湿度分析和降水的定量预测.结合掩星GPS和其他探测信息,GPS/MET可以在暴雨监测预报中发挥更重要的作用.     

A PRELIMINARY STUDY ON THE QUALITY CONTROL METHOD FOR GUANGDONG GPS/PWV DATA AND ITS EFFECTS ON PRECIPITATION FORECASTS IN ITS ANNUALLY FIRST RAINING SEASON

We first analyzed GPS precipitable water vapor (GPS/PWV) available from a ground-based GPS observation network in Guangdong from 1 August 2009 to 27 August 2012 and then developed a method of quality control before GPS/PWV data is assimilated into the GRAPES 3DVAR system. This method can reject the outliers effectively. After establishing the criterion for quality control, we did three numerical experiments to investigate the impact on the precipitation forecast with and without the quality-controlled GPS/PWV data before they are assimilated into the system. In the numerical experiments, two precipitation cases (on 6 to 7 May, 2010 and 27 to 28 April, 2012 respectively) that occurred in the annually first raining season of Guangdong were selected. The results indicated that after quality control, only the GPS/PWV data that deviates little from the NCEP/PWV data can be assimilated into the system, has reasonable adjustment of the initial water vapor above Guangdong, and eventually improves the intensity and location of 24-h precipitation forecast significantly.     

地基GPS/PWV在降水过程中的突变与缓变性特征

用江苏省2009-2011年57个地基GPS/MET监测网获取的逐时大气可降水量(PWV)和同期降水及JMA(Japan Meteorological Agency)再分析资料,探讨了PWV的日际和逐时变化与不同时间尺度和强度的降水间的关系。结果表明:PWV日际变化与降水日变化具有显著相似的形态特征和演变趋势,两者存在较为一致的同步性,总体呈单峰分布,强降水集中期对应着PWV最大时段;PWV在入梅和梅汛期内强降水过程中存在明显突变现象,并提炼了以GPS/PWV突变事件为依据的入梅和梅雨期暴雨预报指标;在不同强度的降水过程中,PWV值域局限在一个特定量值区间,其中20 mm/h以下各级强度降水对应PWV区别明显,GPS/PWV值对应的特定量值随降水强度增大而增大,但20 mm/h以上的各级强降水对应PWV特定量值区别较小;在短时强降水的预报中,除充分的水汽条件外,其强度将取决于天气系统对周边水汽的辐合能力和将入流水汽抬升而成云致雨的动力条件;降水发生前存在水汽的连续、缓变蓄积过程,蓄积过程至少可推前12 h。     

四川盆地一次强降水过程水汽特征

利用WRF模式、地基GPS资料以及常规气象观测资料,结合模式输出资料的高空间分辨率(10km)和GPS大气可降水量(GPS-PWV)资料的高时间分辨率(30min)的优点,对2008年7月20—22日四川盆地一次暴雨过程的水汽变化特征及各物理量与大气可降水量的关系进行综合分析。结果表明:此次降雨过程是由高原涡和西南涡共同作用引起,WRF模式能够较好地模拟出降雨落区和强度。GPS-PWV反映的大气可降水量增减趋势与WRF模拟的较为一致。水汽密度垂直分布反映了大气可降水量分布,水汽密度随高度增加而递减,降雨初期,水汽密度随高度减小迅速,降雨强盛时期,水汽密度随高度减小的速度减慢。水汽辐合使得水汽密度和大气可降水量增大,风的散度项与水汽通量散度的变化一致,而水汽平流项对水汽辐合贡献较小,水汽的辐合主要由风场辐合造成。     

地基GPS遥感大气水汽总量中的"静力延迟"和"湿延迟"

介绍了静力延迟和湿延迟概念的由来,推导了由对流层延迟计算水汽总量的一般公式;与李延兴等提出的新模型进行了对比,对其相应的观点提出讨论意见.认为国际上通用的AN模型比较严密地求解了对流层大气水汽总量,不存在与"真值"相比偏小的问题.     

GPS遥感大气可降水量在大连地区3次降水过程中的应用

利用大连市气象局地基GPS/MET观测网大气可降水量（PWV）数据,分析2011年大连瓦房店、庄河和长海地区降水天气过程PWV的变化特征及其与降水量和降水强度的关系,在此基础上通过分析物理量场和天气系统,探讨大尺度水汽输送、辐合与PWV变化的关系及GPS在暴雨天气中的应用。结果表明：PWV的增长方式受当地天气系统的支配和制约,对一次明显的降水过程,从开始至结束PWV的变化与降水量有明显的相关性。当有水汽由南向北输送时,PWV在降水开始前逐渐增长,当地面及高空有大范围的水汽辐合且高空比湿值大于10 g·kg^-1时,PWV显著增长（降水开始前4-5 h）,主要降水时段与PWV峰值相对应,同时PWV的增幅大小与降水强度有明显的关系。     

GPS遥感大气可降水量在降水天气过程分析中的应用

应用GPS探测的大气可降水量(PWV)对2010年大连地区降水过程中水汽变化特征进行了分析。结果表明：GPS/PWV资料能反映大气中水汽的时间和空间变化,其变化特征与降水有较好的对应关系;不同性质的降水过程PWV变化特征明显不同,稳定性降水过程中PWV变化较为平缓,呈明显的单峰结构,对流性降水过程水汽变化程度剧烈,呈震荡趋势,而混合型降水具有两种性质降水的共同特征;降水过程中GPS/PWV阈值表明,GPS/PWV资料在降水天气预报方面有一定的应用价值。     

北斗和GPS反演大气可降水量的对比分析

北斗地基增强系统是我国北斗卫星导航系统重要的地面基础设施,它可以获取高精度、高时间分辨率的水汽产品,满足数值预报、空间天气监测和预警业务的需求。本文利用2017年北斗地基增强系统中北斗单模、GPS单模和GPS+BD双模的数据资料,对同址的北斗气象站、GPS气象站和探空站反演大气可降水量进行对比分析,结果表明:(1)现行北斗地基增强系统所提供的数据,可以有效地用来反演大气柱总水汽含量,所得结果合理,平均偏差都小于1 mm,在变化上与GPS系统和探空系统基本一致,对数值预报有一定的指示作用;(2)与GPS系统相比,GPS单模/PWV和GPS+BD双模/PWV的均方差小于2 mm,相关系数均在0. 97以上,表明两者在反演PWV的精度上与GPS系统相当,而北斗单模/PWV的均方差为3～6 mm,相对方差达到了15%～20%,其精度与GPS系统还有一定的差距;(3)与探空相比,北斗单模在个别时次变化趋势上存在不一致的情况,其均方差为2. 14～6. 12 mm,相对方差为15. 32%～20. 84%,其误差可能是由于探测系统误差等因素造成的,而GPS+BD双模和GPS单模会更加稳定。