GPS可降水汽含量在强降雨过程中的特征分析

针对水汽在大气中易于变化,高时空分辨率水汽资料的欠缺,造成强降雨短时临近的预报水平不高的问题,探讨分析了GPS水汽反演的精度。利用香港CORS数据,通过GAMIT软件解算获得各测站1 h大气可降水量时间序列,将其与探空数据获得的液态水含量（PWV）和实际降水量进行比较分析。结果表明,GPS／PWV与Radio／PWV在整体变化趋势上具有很好的一致性,其相关系数大于0.9;GPS／PWV与Radio／PWV精度相当,两者平均偏差小于1 mm,均方根误差小于3 mm;GPS反演的大气可降水量与实际降水量具有较好的对应关系,能够精确地监测到水汽变化的过程,可以用于水汽的监测和预报研究。      

基于MGEX站多系统GNSS反演大气可降水量精度评估

2020年6月北斗卫星导航系统(BDS)完成全面组网,为分析其解算水汽信息的精度,选用15个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站2021年10月至11月的观测数据进行水汽反演. 利用GAMIT软件分别解算BDS、GPS、Galileo和GLONASS的观测数据,将得到的对流层天顶延迟(ZTD)与国际GNSS服务(IGS)发布的结果进行对比,并将解算的大气可降水量(PWV)分别与探空数据、ERA5数据计算得到的PWV对比. 实验结果表明:截止高度角设置为5°时,4个卫星系统估计的ZTD均方根 (RMS)均小于13 mm,GPS-PWV、BDS-PWV、Galileo-PWV、GLONASS-PWV与无线电探空可降水量(RS-PWV)相比,RMS平均值分别为2.25 mm、2.46 mm、2.52 mm和2.84 mm,RMS均小于3 mm;与ERA5-PWV相比,RMS平均值分别为1.63 mm、1.86 mm、1.76 mm和1.99 mm,RMS均小于2 mm. GPS探测水汽的精度最高,BDS探测水汽的精度低于GPS和Galileo,高于GLONASS,均满足气象学应用需求.      

青岛地区CORS反演水汽中大气加权平均温度模型的建立

作为区域连续运行参考系统(CORS)反演大气可降水量的关键参数——大气加权平均温度,时空特性明显。为了提高区域CORS反演大气可降水量的精度和可靠性,利用青岛探空站2009-2011年3年的探空数据,分析得到地表温度Ts与加权平均温度Tm的相关系数R为0.877 6,为强线性相关;采用回归分析建立了青岛地区加权平均温度模型;利用该模型计算青岛地区2012年加权平均温度,与由探空数据计算的加权平均温度的平均偏差、标准差和均方根误差分别为0.307 K、3.359 K和3.384 K;将该模型应用在青岛CORS反演大气可降水量的计算中,与临近探空站计算的大气可降水汽相比,平均偏差、标准差和均方根误差分别为0.70 mm、3.48 mm和3.53 mm.研究表明,应用区域探空数据建立加权平均温度模型具有可行性,并可以在一定程度上提高区域CORS反演大气可降水量的精度和可靠性。      

利用北斗CORS反演大气可降水量的精度分析

为探究BDS反演大气可降水量(PWV)的精度,该文采用辽宁省连续运行参考站的BDS/GPS观测数据,选择辽宁省中部地区4个代表站,通过GAMIT软件进行单系统解算,并以ECMWF再分析资料为参考的真值进行了分析比对.研究表明,BDS解算的PWV平均误差、均方根误差在4 mm以内,比GPS反演结果精度稍低;而PWV因其与实际降水有较好的相关性,可作为短期临近天气预报的参考:当PWV开始累积超过6h时,降水的可能性较大,大规模的降雨一般伴随着迅速的水汽聚集与释放.     

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%。     

大气加权平均温度建模及其在GPS／PWV中的应用

大气加权平均温度的准确获取对高精度的GPS水汽反演至关重要。文中基于线性回归理论,在分析加权平均温度与地面温度间相关性的基础上,采用一元线性拟合的方法,建立大气加权平均温度经验模型。最后,采用香港地区2006-2015年无线电探空资料对经验模型进行验证。实验结果表明,文中模型计算加权平均温度的整体均方根误差为2.356 K,较Bevis模型精度提高了41.94％,且季节变化对加权平均温度计算的影响并不明显;对于GPS水汽反演,采用本文经验模型反演水汽的均方根误差为1.807 mm,平均偏差为1.362 mm,能够满足GPS可降水量反演的精度,且优于Bevis模型。      

融合物理机理与随机森林算法的FY-4A AGRI数据晴空大气可降水量遥感反演

作为中国发射的风云四号系列首颗卫星,FY-4A搭载了先进的静止轨道辐射成像仪AGRI。本文利用AGRI传感器的中红外到热红外波段观测数据、ERA5水汽再分析产品以及全球无线电探空数据集IGRA等数据进行晴空大气可降水量反演研究。在海洋表面,分别利用回归分析法与随机森林算法反演大气可降水量,反演结果与ERA5水汽产品相比,均方根误差为0.493 cm和0.247 cm。在陆地表面,利用随机森林模型反演大气可降水量,反演结果与ERA5水汽产品相比,均方根误差为0.155 cm;与IGRA水汽产品相比,均方根误差为0.215 cm。结果表明本文使用的随机森林算法可以有效地提升热红外遥感数据反演大气可降水量的精度。     

FY-3C VIRR大气可降水产品生成和检验

风云三号C星(FY-3C)可见光红外扫描辐射计(VIRR)两个红外分裂窗通道数据生成的晴空大气可降水(TPW)产品已投入业务使用。本文介绍了该产品的生成方法,并从产品精度和稳定性两个方面评价产品质量。与MODIS Terra TPW的月平均数据对比,FY-3C VIRR TPW能正确反应大气可降水的全球分布。与2015年3月—4月的全球探空数据对比,FY-3C VIRR TPW均方根误差为5.36 mm,相对误差在水汽值大于30 mm时在20%以内,并且夜间产品精度优于白天。相比于MODIS红外TPW产品与探空数据的误差,FY-3C TPW精度略好。计算2015年1月至2016年7月FY-3C VIRR TPW产品相对探空数据的月均方根误差,19个月均方根误差的标准差是0.54 mm,小于同期MODIS Terra TPW均方根误差的标准差,说明FY-3C VIRR TPW产品在检验时期内更稳定。FY-3C VIRR TPW产品精度较高且质量稳定,具备广泛应用能力。     

基于北斗PWV的暴雨时空变化特征分析

利用49个山东省连续运行参考站(SDCORS) 2020年的北斗观测数据,使用GAMIT软件进行了大气水汽反演,得到了全年逐小时的大气可降水量(PWV)序列. 将反演得到的PWV与探空气象站观测的PWV对比,平均偏差为2.4 mm,均方根误差(RMSE)为3.4 mm,相关系数达到0.98,结果表明反演结果的精度符合气象研究需求. 分别从单连续运行参考站(CORS)和全省范围对PWV在暴雨过程中的变化进行了分析,发现PWV在暴雨产生前5~12 h开始上升,至暴雨产生时刻,PWV最大值普遍达到60 mm以上,平均变化率达到1~3 mm/h,越临近暴雨产生,PWV变化幅度越大,降水结束后,PWV会迅速下降. PWV的变化与暴雨的产生具有高度相关性,PWV在暴雨产生前后的剧烈变化,可用于暴雨预警研究,对于生产生活活动具有重要现实指导意义.      

基于无线电探空的武汉大气加权平均温度模型研究

以武汉地区为例,本文推导无线电探空推导的大气加权平均温度模型并对其可靠性进行检验。采用武汉无线电探空数据推算武汉地区的大气加权平均温度计算模型,以此模型计算GPS可降水量,通过与无线电探空结果比较来检验该模型的精确度。在WHDH站GPS可降水量与无线电探空的比较中,两者差值的均方根为3.0mm,两者的相关性达到了0.952。利用中国地壳运动监测网络2002年武汉站GPS数据和武汉地区大气加权平均温度模型推算的可降水量与无线电探空比较,GPS可降水量与无线电探空可降水量在数值上和发展趋势上比较接近,说明了无线电探空的大气加权平均温度模型的可靠性。     

基于超快速星历反演大气可降水量的精度分析

水汽是预报某些灾害性天气的重要依据,因此及时获得高分辨率的水汽产品对精准预报天气具有至关重要的意义．针对最终精密星历更新速度较慢、时延较长,无法满足实时反演大气可降水量的要求,提出一种利用超快速星历代替最终精密星历反演大气可降水量的方法:基于地基GNSS反演大气可降水量的原理,利用GAMIT软件,根据国际GNSS服务(IGS)网站提供的不同精度的星历产品获得大气可降水量,并与气象探空站所获得的大气可降水量对比分析．研究结果表明,利用超快速星历所获得的大气可将水量与最终精密星历一致,二者平均差值优于0.1 mm,且与探空站测得的大气可降水量值非常一致,其精度可以满足天气预报的需求．      

基于BDS精密星历产品的水汽探测性能分析

研究北斗卫星导航系统（BDS）反演大气可降水量的性能有利于推动BDS在数值天气预报、气象学研究等方面的应用. 基于武汉大学发布的BDS最终精密星历产品(WUM)、快速精密星历产品(WHR)和超快速精密星历产品(WHU),利用MGEX站和单基站连续运行参考站（CORS）提供的全球卫星导航系统（GNSS）多模观测数据,在验证三种BDS精密星历产品解算对流层天顶延迟的精度达到要求后,将基于三种BDS精密星历产品解算的大气可降水量分别与GPS水汽探测结果、ERA-5再分析资料和探空站数据进行对比,分析基于三种精密星历产品的BDS水汽探测性能. 实验结果表明:基于BDS最终精密星历产品的大气水汽探测精度高于快速星历产品和超快速星历产品,三种BDS星历产品反演大气可降水量的相对精度和可靠性与GPS相当,满足中小尺度数值天气预报和气象学研究等要求.      

成都地区地基GPS观测网遥感大气可降水量的初步试验

利用首个成都地区地基GPS观测网2004年7～9月30s间隔的测量数据，通过Bernese GPS SoftwareV4．2解算出30min间隔的天顶总延迟量，结合自动气象站获得的气象资料计算出30min间隔的GPS遥感的大气可降水量。与根据气象探空站探测资料算出的可降水量进行统计对比，确定出本次GPS遥感可降水量试验的精度为3．09mm，两种可降水量时间序列呈现高度的一致性。同时验证了计算对流层加权平均温度的Bevis经验公式在成都地区的适用性。     

基于GPS的MODIS近红外可降水量季节性模型建立

在考虑可降水量季节性变化的基础上,提出利用GPS数据建立MODIS近红外可降水量季节性模型。首先对比分析2014年北京房山(BJFS)站的GPS可降水量和相应时间的MODIS近红外可降水量数据,发现两者之间的变化趋势基本一致,存在显著线性相关性;然后以GPS可降水量为标准值,利用回归分析建立GPS和MODIS可降水量之间的季节和全年校正模型。经检验,GPS可降水量与四个季节模型校正的MODIS近红外可降水量的均方根误差均小于3mm,最大误差不超过6mm,季节校正模型的精度都要高于全年校正模型。     

无气象要素的GPS对流层延迟推算可降水量的研究

本文针对武汉地区GPS气象网资料,进行了GPS对流层延迟直接推算可降水量的研究。在武汉东湖站GPS对流层延迟与无线电探空可降水量的比较中,两者具有很好的相关性,相关系数达到了0.93;推导了对流层延迟直接推算可降水量的模型,对模型结果进行了检验,在武汉东湖站的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中,均方根为7.8mm,相关性为0.91,这说明了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。     

GPS/PWV在台风"玛莉亚"袭闽期间的变化特征研究

可降水量（PWV）表征大气中的水汽含量，本文利用福建省卫星导航定位基准服务系统（FJCORS）的GPS观测资料反演得到可降水量（GPS/PWV），通过与实测的高精度探空PWV资料进行对比发现，其相关系数达到0.98，与探空结果具有较好的一致性；平均偏差在1.10 mm以内，表明GPS/PWV资料具有较高的精度。在此基础上分析2018年第8号台风“玛莉亚”登陆福建前后的GPS/PWV变化特征及其与实际降水量的关系，结果表明，GPS/PWV资料能够很好地反映台风期间水汽的时空动态传输过程，并与降水之间具有良好的对应关系。