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。     

地基GPS用于阿勒泰积雪深度反演研究

积雪作为主要的淡水资源,准确地监测积雪覆盖与雪深具有十分重要的意义。随着全球卫星导航系统的不断建设和新技术新应用的不断发展,地基GPS遥感积雪参数技术越来越受国内外学者的重视。本文基于阿勒泰市气象局的GPS地表环境监测站观测数据,采用GPS-MR技术开展了积雪深度反演研究。首先给出了GPS-MR技术用于积雪深度反演的基本原理,其次利用阿勒泰GPS监测站2017年1—3月的数据进行了积雪深度反演分析,最后针对不同GPS卫星高度角区间影响进行精度分析。研究结果表明地基GPS可用于阿勒泰气象站积雪深度反演,与实测雪深较差优于3 cm,且较优卫星高度角区间为5°～20°。地基GPS用于积雪深度反演具有全天候、高精度、高时间分辨率、高自动化、低成本等优点,可充分发挥现有地基GNSS气象监测站在积雪探测领域潜在的应用价值,以期地基GNSS监测站成为积雪遥感探测手段的有效补充。     

利用地基GPS反演积雪深度

利用全球导航卫星系统反射信号研究测站周边地表环境参数是近年来遥感领域的研究热点之一。利用测量型全球导航卫星信号接收机数据,实时获取其周边的积雪深度,是对现有降雪监测方法的有效补充。该文基于GPS信噪比与信号振幅的变化特征,研究了使用GPS信噪比观测值进行雪深探测的算法,并首次使用国家气象观测站的业务观测数据对地基GPS反演雪深算法进行了验证。对比试验使用近两个月的人工积雪深度测量值与GPS信号反演的积雪深度值进行了逐日比较,二者的吻合度较好,标准偏差为2.04cm,相关系数为0.94。该对比试验表明,利用常规测量型地基GPS接收机观测数据进行雪深探测是可行的。应用地基GPS反演雪深技术,气象部门基于现有的地基GPS水汽监测网可进一步开展积雪环境监测研究。     

大连地区地基GPS水汽自动处理系统设计

简要概述基于GAMIT开发的大连地区地基GPS水汽自动处理系统的总体结构,设计思路,以及具体实现过程;还对系统反演的水汽资料进行精度检验以及误差分析,并介绍了系统反演水汽的质量控制方法,运行中常见故障的处理方法和日常业务中应用情况.初步应用结果表明:系统可用于解算地基GPS观测数据,获取高时空分辨率的水汽资料,用于天气分析和预报.系统具有解算精度高、运行稳定、自动化程度高等特点,具有很好的推广价值和业务使用价值.     

利用地基GPS数据分析北京“7〖DK〗·21”暴雨水汽特征

基于北京“7〖DK〗·21”暴雨期间北京地基GPS网全天时全天候观测数据,利用水汽反演软件得到大气可降水量（PWV：Precipitable Water Vapor）时空变化序列,通过与探空对比,显示出地基GPS技术探测对流层大气水汽具明显的高时空分辨率优势;与FY2D卫星探测的云图变化序列对比,充分反映了利用GPS观测数据反演的PWV的可靠性与一致性;与实际降雨量对比,两者高度相关性显示了地基GPS技术对暴雨监测和预警的积极意义。数据分析结果表明：在暴雨来临之前的24~36 h的PWV值持续在较高（>40 mm）的位置,已有出现暴雨征兆。在暴雨之前的几个小时PWV持续性爆发性发展（每小时PWV增加10~20 mm）,已充分具备了产生暴雨的必要条件。因此,有效地利用GPSMET技术对天气预报的准度和精度将有很大改善。     

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。     

GPS在高空气象探测中的应用

1 GPS概述全球定位卫星系统简称GPS,由GPS卫星星座、地面站和用户接收机组成.共有21颗工作星和3颗备用星,卫星轨道倾角55度,卫星离地面约2万米.地面站包括主控站、监测站和注入站.用户接收机分大地测量型,导航型和授时型.无论是大地测量,还是导航或授时都涉及时间基准.GPS有精度很高的时基系统,这是GPS的核心.每个GPS卫星上都带有精度很高的原子钟,30万年误差不超过1秒.GPS采用了扩频通信技术,利用直接序列扩频可测无线电信号传播的时间延迟的特性,测量GPS卫星到用户接收机的伪距,建立GPS卫星到用户接收机的球面三角方程式.由于空中至少有四颗GPS卫     

地基GPS水汽遥测系统远程通讯与控制系统及其初步应用

地基GPS遥感大气水汽技术是20世纪90年代发展起来的一种全新的大气观测手段，建立科学合理的GPS数据实时采集通讯网，实时下载观测数据，可为地基GPS资料应用开发成果的业务化推广提供必要的技术支撑，是地基GPS大气水汽遥感系统可否推广应用的一项关键指标。介绍了采用Modem、依托公共电话网(PSTN)建立起来的远程数据通讯和控制系统。使用该系统可通过电话拨号的方式，对GPS水汽探测网内指定的GPS接收机的参数进行设置，还可以下载该接收机内存储的数据文件。该通讯系统的应用，增强了整个GPS遥感大气水汽探测网的可维护性，为最终实现GPS水汽探测网的业务化运行奠定了一定的理论和实践基础。针对该系统存在的数据下载速度慢，依赖人工操作等缺陷，提出了解决问题的思路。     

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。     

云南地基GPS水汽解算方案及精度检验

在分析GAMIT水汽解算方案特点的基础上,利用云南6站地基GPS水汽探测资料,进行了不同解算方案计算结果的分析,并与GPS探空资料的PWV值进行比较,结果显示:不同解算方案对云南地基GPS水汽反演结果有显著的影响;在进行本地化后,GAMIT软件包对云南GPS水汽反演的精度有显著提高;不同季节的云南地基GPS反演水汽值与高精度探空水汽值的数值和变化趋势极为一致,二者的均方根差小于2 mm,说明该解算方案的地基GPS水汽反演结果可用.     

Preliminary Results of 4-D Water Vapor Tomography in the Troposphere Using GPS

Slant-path water vapor amounts (SWV) from a station to all the GPS (Global Positioning System) satellites in view can be estimated by using a ground-based GPS receiver. In this paper, a tomographic method was utilized to retrieve the local horizontal and vertical structure of water vapor over a local GPS receiver network using SWV amounts as observables in the tomography. The method of obtaining SWV using ground-based GPS is described first, and then the theory of tomography using GPS is presented. A water vapor tomography experiment was made using a small GPS network in the Beijing region. The tomographic results were analyzed in two ways: (1) a pure GPS method, i.e., only using GPS observables as input to the tomography; (2) combining GPS observables with vertical constraints or a priori information, which come from average radiosonde measurements over three days. It is shown that the vertical structure of water vapor is well resolved with a priori information. Comparisons of profiles between radiosondes and GPS show that the RMS error of the tomography is about 1–2mm. It is demonstrated that the tomography can monitor the evolution of tropospheric water vapor in space and time. The vertical resolution of the tomography is tested with layer thicknesses of 600 m, 800 m and 1000 m. Comparisons with radiosondes show that the result from a resolution of 800m is slightly better than results from the other two resolutions in the experiment. Water vapor amounts recreated from the tomography field agree well with precipitable water vapor (PWV) calculated using GPS delays. Hourly tomographic results are also shown using the resolution of 800 m. Water vapor characteristics under the background of heavy rainfall development are analyzed using these tomographic results. The water vapor spatio-temporal structures derived from the GPS network show a great potential in the investigation of weather disasters.     

边界层微型火箭气象探空系统研制与应用

首次介绍了国内自主研制的边界层微型火箭气象探空系统,系统包括火箭发射装置、探空仪、降落伞、地基接收设备和数据接收处理软件,其温度、湿度和气压测量采用数字式传感器,风速和风向由北斗/GPS全球定位信息获得。火箭升空至顶点后,将探空仪和降落伞从仪器舱弹出,在下降过程中测量大气的温度、湿度、气压和风速、风向等参数,通过无线发射机传送至地面接收机,由处理软件实现数据存储和参数分析。不同地区、不同气象条件下多次外场比较试验和实际应用结果表明,该系统性能稳定,探测技术指标和功能满足使用单位的设备研制要求,可应用于气象保障、大气探测、环境监测及海洋气象要素廓线的观测。     

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。     

地基GPS遥感大气水汽含量及在气象上的应用

简单介绍了地基GPS遥感大气水汽含量的原理以及GPS反演水汽信息的种类，比较了两种GPS数据解算水汽策略，分析了在解算过程中影响GPS水汽精度的因子。最后简述了GPS水汽在气象上应用的进展，并提出了以后需努力的方向。     

An assessment of estimates of integrated water vapor from ground-based GPS data

Summary A network of ground-based Global Positioning System (GPS) receivers is used to continuously obtain information on variations in the integrated water vapor (IWV) in the atmosphere. We use GPS data from 1996–1998 to compare the IWV estimates with radiosonde data. The spatial correlation of estimation errors is important when the GPS results are to be used in assimilation models. We study and model this effect by comparing the horizontal correlations of the IWV time series derived from the radiosonde network and the GPS data analysis. Under ideal conditions this method separates the IWV features from the underlying correlation function for the estimation errors in the GPS data. A sparse radiosonde network limits the quality of the obtained results. We foresee continued studies including more data and simulations of the errors associated with the GPS technique. Received November 21, 2000 Revised April 2, 2001     

bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估

利用区域地基GPS网反演的高时空密度的大气垂直方向水汽总量，也称为可降水量（PWV），可大大弥补常规探空探测水汽资料的不足。为了全面评估区域GPS网PWV资料同化对业务数值天气预报改进程度的目的，在个例研究分析的基础上，进行了连续38天的GPS/PWV资料三维同化（3D-Var）改进数值业务预报的试验。研究方法是根据长江三角洲地区GPS气象网在2002年梅雨和盛夏季节观测的刖资料，通过三维变分同化建立中尺度数值预报模式MM5的初始场，逐日作出长江三角洲地区24小时的降水量预报。以6小时累积雨量为对象，与未同化GPS／刖资料的MM5的相应预报比较，通过多种评分方法，评估了GPS／PWV资料改进MM5降水预报的效果。结果表明GPS／PWV资料同化后的MM5降水预报能力在大部分时间和大部分地区都有所提高，主要是伪击率有较明显的下降，对小范围降水预报的改进更为明显。预报明显改进的区域恰好位于GPS站填补常规探空站间距较大的地区。     

华西秋雨天气过程中GPS遥感水汽总量演变特征

利用成都地区地基GPS观测网2007年9-11月的观测数据, 结合自动气象站资料计算出30 min间隔GPS遥感的大气水汽总量(GPS-PWV)。将成都地区秋季降雨分为阵性降雨和连续性降雨(秋绵雨), 结合其他气象要素资料, 分析了GPS-PWV变化与成都秋雨之间的关系。结果表明:高值的水汽总量是产生降水的必要条件; 不同的降水过程, GPS-PWV的变化幅度、极值水平和持续时间存在明显差异。水汽的增长、上升运动的增强和温度的减少是造成阵性降水的主要原因; 而秋绵雨过程中, 水汽的增长和地面露点温度差与降水过程有较好的对应关系。     

中国区域大气加权平均温度的时空变化及模型

大气加权平均温度T_m是地基GPS水汽遥感的关键参数,决定了水汽反演的精度。利用2008—2011年全国123个探空站点资料,分析了T_m与其影响要素纬度、海拔、地面气温、水汽压及大气压之间的关系,结果表明:T_m与纬度和海拔随季节变化呈周期性负相关,与地面温度和水汽压的自然对数呈正相关,与大气压呈负相关;T_m的空间变化具有纬度地带性和明显的气候分布特征,其变异程度在空间分布上有显著差别,不同地理位置的T_m受季节性影响程度不一,T_m也具有明显的年际周期性变化,年内T_m的每日变化符合二次函数分布规律。按照全国、气候分区和季节分区方法,分别建立了T_m单因子和多因子回归模型,并利用2012年1—5月数据对所建模型进行验证,T_m的估算误差能满足GPS水汽遥感2%的精度,模型普遍适用于我国地基GPS水汽遥感中T_m的估算。