地基GPS技术探测大气水汽含量的误差分析

随着GPS气象学研究的深入和发展，GPS遥感技术在气象学中的应用日益广泛。其中GPS遥感大气水汽含量的两类技术即地基GPS气象遥感技术和空基GPS气象遥感技术也已日益成熟。本文着重对地基GPS气象遥感技术探测大气水汽含量的基本原理和方法进行了详细阐述，在此基础上对其产生误差的主要因素从三方面即计算天顶静力学延迟的误差；GPS数据对总中性延迟的影响；从天顶湿延迟转换为综合水汽含量时的误差进行了分析。     

利用天顶对流层延迟数据直接推算水汽含量的研究

比较和分析了北京、拉萨和武汉等跟踪站2002年7月的天顶对流层延迟和大气综合水汽的变化趋势,提出了无需进行其他转换利用天顶对流层延迟直接推算水汽含量的新方法,并对实测数据的计算结果进行了验证,证明了该方法的可行性。     

区域延迟模型在CORS站反演水汽中的应用

系统地论述了利用CORS系统观测数据反演大气水汽含量的基本原理和方法,分析其反演大气水汽含量过程。基于探空资料建立了广西区域干延迟的延迟模型和加权平均温度模型,利用广西地区CORS站及国内IGS站的观测数据进行解算得出天顶方向对流层延迟量。经过比较区域模型与经验模型得出区域模型具有可用性,且反演出的大气水汽含量与探空水汽含量精度相当,从而验证了区域模型具有可靠性。     

暴雨期间GNSS遥感气象要素的时序变化

针对暴雨短临预报准确率不高的问题,该文结合香港地区的暴雨实例,分析暴雨发生期间天气尺度特征和GNSS气象要素的时序变化特点及其各要素之间的相关性。研究结果表明:强烈的西南气流带来丰富水汽,高空强烈的辐散抽吸引起低层气压降低和对流运动的发展,配合中层低槽过境和低层冷空气南下,为暴雨发生提供条件;天顶对流层延迟变化的主要贡献来自大气水汽含量,可以用天顶对流层延迟替代大气水汽含量分析大气中的水汽累计及变化情况;暴雨发生前,气温较高,大气水汽含量和相对湿度时序增长快速,增长强度及其维持高水平状态的时长与后续雨量有较好的对应关系;大气水汽含量和相对湿度时序的上升分别反映了降水之前的充足水汽供应和水汽正在转向于饱和状态。     

GPS反演大气综合水汽含量的影响因素分析

目前地基GPS遥感大气综合水汽含量的可行性已经被众多实验所验证,为进一步改善地基GPS遥感大气综合水汽含量的精度,本文对2004年6月哈尔滨GPS跟踪站的观测数据进行了解算,并结合探空资料计算的水汽结果对各项误差进行了分析。结果表明:广播星历不能用于高精度GPS水汽遥感;5cm的测站坐标误差将引起3mm的水汽误差,截止高度角的不同以及通用模型均会对水汽结果造成不同程度的影响。     

地基GPS水汽反演中区域大气加权平均温度模型

利用地基GPS反演可降水量,需要准确求得水汽转换参数。为了提高区域GPS大气水汽反演的精度,分析了大气加权平均温度的时空特性及其与地面温度之间的函数关系;利用江苏地区2003—2011年的气象探空数据建立了适用于江苏地区的局地大气加权平均温度计算模型。比较江苏模型、Bevis模型和李建国模型求得的大气加权平均温度值,江苏模型的精度较Bevis模型和李建国模型分别提高33.14%和9.28%。由江苏模型得到的可降水量内符合精度约为11.12 mm,较GAMIT软件结果精度提高约7.91%。     

非均匀分层对GNSS水汽三维层析的影响

针对目前地基全球卫星导航系统(GNSS)层析大气水汽精度不高的问题,本文提出对网格划分垂直方向非均匀分层的方法,提高了区域层析结果精度．基于多系统GNSS观测数据,对河南地区东经111.5°～115.5°,北纬33.6°～35.6°区域上空水汽分布进行层析探测,研究垂直分层方法对层析结果的影响,垂直方向采用均匀和非均匀两种分层方式,得到的水汽密度结果与探空反演水汽密度值都非常接近,对比来看,非均匀分层层析在相关系数、均方根误差和平均偏差等数据分析方面表现出了较好的数据精度,采用非均匀分层方法可以得到更优的大气水汽反演结果.      

GPS水汽反演在成都地区的应用

本文利用成都及周边GPS连续观测站的观测数据及IGS精密星历数据,反演了成都地区2005年7、8、9三个月的大气可降水量,并与探空结果、实际降水量进行对比分析,证实了GPS水汽反演在成都地区的可行性.研究表明,GPS水汽反演结果与探空结果有良好的相关性,但目前还无法将其用于中、短期的降雨预报.     

大气水汽的红外遥感

本文讨论了利用差分吸收法来遥感大气中的水汽。水汽透过率用辐射计测量，水汽含量由我们自行编制的红外辐射大气透过率计算程序计算。在此同时还观测了气象参数，以确定光路上的水汽含量。结果表明，水汽长度的计算值和测量值非常吻合，回归曲线的相关系数达０．９７，均方根偏差为０．０１５ｇ／ｃｍ２。文中最后讨论误差来源和改善精度的途径，并指出对其它气体分子的吸收和气溶胶的消光进行修正的必要性。     

地基GPS水汽数据在暴雨监测中的应用研究

利用我国武汉IGS跟踪站的观测数据及地面降雨资料对武汉地区的一次短时的强降雨过程进行了监视分析,结果表明：在降雨发生前,大气中的水汽含量会出现持续增加的过程,并且在强降雨发生前2～3h大气水汽含量会急剧上升;当降雨发生后水汽含量逐渐降低,大气水汽含量的增减与降水的发生与停止呈现出一致性。     

在高海拔地区Saastamoinen与Hopfield模型推算水汽含量差异的研究

详细分析了在高海拔地区利用Saastamoinen和Hopfield两种模型推算水汽含量时产生差异的原因，并通过对高程不同的测站上实测数据的分析和研究，给出了Hopfield模型的修正项。     

由Saastamoinen和Hopfield模型推算水汽含量的比较与分析

详细介绍利用ＧＰＡ数据推算大气水汽含量的过程。根据Ｓａａｓｔａｍｏｉｎｅｎ和Ｈｏｐｆｉｅｌｄ两种模型利用实测数据对大气水汽含量进行了推算,并对其结果进行了比较和分析,得到了一些有益的结论。     

Validation of MODIS integrated water vapor product against reference GPS data at the Iberian Peninsula

In this work, the water vapor product from MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) instrument, on-board Aqua and Terra satellites, is compared against GPS water vapor data from 21 stations in the Iberian Peninsula as reference. GPS water vapor data is obtained from ground-based receiver stations which measure the delay caused by water vapor in the GPS microwave signals. The study period extends from 2007 until 2012. Regression analysis in every GPS station show that MODIS overestimates low integrated water vapor (IWV) data and tends to underestimate high IWV data. R² shows a fair agreement, between 0.38 and 0.71. Inter-quartile range (IQR) in every station is around 30–45%. The dependence on several parameters was also analyzed. IWV dependence showed that low IWV are highly overestimated by MODIS, with high IQR (low precision), sharply decreasing as IWV increases. Regarding dependence on solar zenith angle (SZA), performance of MODIS IWV data decreases between 50° and 90°, while night-time MODIS data (infrared) are quite stable. The seasonal cycles of IWV and SZA cause a seasonal dependence on MODIS performance. In summer and winter, MODIS IWV tends to overestimate the reference IWV value, while in spring and autumn the tendency is to underestimate. Low IWV from coastal stations is highly overestimated (∼60%) and quite imprecise (IQR around 60%). On the contrary, high IWV data show very little dependence along seasons. Cloud-fraction (CF) dependence was also studied, showing that clouds display a negligible impact on IWV over/underestimation. However, IQR increases with CF, except in night-time satellite values, which are quite stable.     

可降水份的误差分析

分析了由无线电探空数据计算可降水份中逼近误差和观测误差的影响 ,利用香港的无线电探空资料计算出逼近误差和观测误差的影响分别为 0 .5mm和 1 .2mm ,两者的综合影响为 1 .3mm。     

GPS气象的可靠性检核研究

本文通过对GPS湿延迟和水汽辐射计、GPS可降水量与无线电探空资料的比较,进行了GPS气象可靠性检核研究。得出如下结论:GPS可降水量序列与无线电探空的相关性可达0.94;差值均值为-0.24mm;均方根4.0mm。文中对用精密星历及快速预报星历计算所得的GPS湿延迟和水汽辐射计数据进行了比较,在发展趋势上水汽辐射计观测数据与快速预报/精密星历解算出的对流层湿延迟相近,且经过精密星历与快速预报星历反演所得出的的对流层延迟与水汽辐射计数据的差值的均方根分别为1.51cm、1.52cm。     

北斗区域系统解算对流层天顶延迟比对分析

在分析了当前GNSS主要的误差源,比较对流层延迟改正模型的基础上,应用Saastamoinen模型对BDS和GPS原始观测数据解算对流层天顶延迟,并对全球6个站点一个月的解算值进行比对分析,结果发现：北斗区域系统解算的ZTD相比于GPS结果,76%位于2cm之内,只有个别站点个别天的解算结果出现较大偏差,在中国周边站点解算结果优于其他地区站点。表明：北斗区域系统已经具备在中国周边同GPS相当的ZTD解算精度,为下一步北斗全球系统的建设奠定了坚实的基础。     

基于IGS超级跟踪站的近实时GPS气象研究及应用

目前国内许多城市开始将CORS综合应用网服务于气象部门,为给地基GPS气象研究人员提供一个真实的研究环境,本文基于IGS超级跟踪站网络搭建了一个近实时GPS气象系统,并结合实测数据验证了该系统的有效性。基于该平台可以系统地研究GPS遥感水汽、层析水汽三维分布、数值天气预报同化GPS水汽以及利用电离层分布进行空间天气预报等理论。     

Retrieval of the Change of Precipitable Water Vapor by GPS Technique

The feasibility of GPS precipitable water vapor (PWV) is discussed based on the comparison of Radiosonde and GPS PWV where the correlation coefficient is 0.94 and the RMS is 4.0 mm. PWV change in the C...