Bevis公式在不同高度面的适用性以及基于近地大气温度的全球加权平均温度模型

加权平均温度(T_m)是全球卫星导航系统(GNSS)反演可降水量(PWV)过程中的关键参量。利用Bevis公式和地表温度可以方便地得到地表附近的高精度T_m估计值。然而,不少研究指出,Bevis公式在高海拔地区存在较大误差。本文对Bevis公式在不同高度面的适用性进行研究后发现,Bevis公式在海拔较低时精度较高,随着海拔升高,精度逐渐降低。为了解决Bevis公式在高海拔地区适用性较低的问题,本文对近地空间范围内(本文指0～10 km的高程范围)的T_m与大气温度的关系展开了研究,发现两者在全球范围内都拥有很高的相关性,由此本文构建了基于近地大气温度的全球加权平均温度模型。对模型的检验结果表明,该模型在近地空间范围内的任意高度面上都可以提供高精度的T_m估计值。     

中国低纬度地区水汽转换系数分析研究

大气水汽转换系数K是利用对流层天顶湿延迟反演大气可降水量的关键参数,而大气水汽转换系数K的精度又要取决于加权平均温度Tm的精度。据此,利用中国低纬度地区8个探空站的相关数据,在Bevis公式的基础上加入了测站纬度和测站高程的影响因素,建立了一种与测站地面温度、测站纬度和测站高程有关的新的加权平均温度Tm模型,相比于Bevis模型,其在中国低纬度地区的精度提高了约29.7%,更适用于中国低纬度地区加权平均温度Tm的计算。     

新疆地区GPT2w模型计算加权平均温度适用性分析

利用GPT2w模型计算加权平均温度T_m值,以新疆地区9个探空站2013-2015年实测气象数据积分计算的T_m值为参考,通过时空序列分析1°×1°和5°×5°两种格网分辨率下G1-T_m和G5-T_m的精度分布情况,进而检验利用GPT2w模型在新疆地区进行地基GNSS大气水汽反演的适用性。结果表明:①G1-T_m和G5-T_m均存在-3～-4 K的年均偏差;②G5-T_m存在精度异常突出区域,影响整个新疆地区T_m值的计算精度,而G1-T_m具有较好的稳定性;③G1-T_m模型的年均Bias、MAE和RMS分别为-3.17 K、4.12 K和5.17 K,总体上优于G5-T_m模型,因此运用G1-T_m进行地基GNSS大气水汽反演具有较好的精度保障。     

中国区域加权平均温度的建模研究

主要研究了中国区域加权平均温度(T_m)与地表温度(T_s)的函数关系模型。为提高中国区域T_m的计算精度,收集了中国区域内2013-2015年76个测站的无线电探空数据,采用传统线性回归建模方法建立T_m与地表温度(Ts)的线性回归模型A;然后,顾及T_m的年周期变化,提出了一种改进回归模型B。利用2016年69个测站的探空数据对模型A和模型B进行检验,模型A与模型B的年均方根误差分别为±3.147K和±3.025K,而常用的Bevis模型年均方根误差为±3.385K。模型A与模型B的精度较之常用的Bevis模型分别提高了7%和11%。本研究成果可以提高GNSS技术探测大气可降水量的精度,对GNSS气象学的发展和完善具有积极意义。     

小波去噪的广西加权平均温度插值研究

针对广西地区探空站稀少,难以获得精确的T_m问题,GGOS atmosphere提供了利用ECMWF的相关资料计算而得到的时间分辨率为6h(UTC 00:00:00,06:00:00,12:00:00,18:00:00)、空间分辨率为2.5°×2°的全球T_m格网数据可以在没有气象数据的情况下获得较高时空分辨率的T_m,该文利用GGOS atmosphere T_m格网数据对广西地区4个探空站插值T_m,并用无线电探空数据计算的T_m检验其精度;对误差进行分析后,选取最优小波基与尺度对其残差去噪,利用去噪后得到的曲线建立T_m的改正模型。实验结果表明,插值T_m经基于小波去噪的模型改正后,其RMSE为1.29K;Bevis模型的RMSE为10.71K;GPT2_1W模型的RMSE为3.56K;改正模型精度优于传统模型,可以达到地基GPS反演GNSS-PWV的精度要求。     

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。      

利用CORS站研究多因子分季节可降水量转换模型

针对GNSS气象学中可降水量转换过程较为复杂的问题,利用2017年江苏CORS站及其并址探空数据,分析大气可降水量(PWV)与天顶对流层延迟(ZTD)、温度和气压之间的相关性,采用线性回归拟合法建立多因子分季节PWV模型,并用2017-2018年数据验证模型精度.结果表明PWV与ZTD有很强的线性相关性,相关系数为0.980 3,PWV与温度和气压有较强的相关性,相关系数分别为0.611 2和-0.613 6;全年PWV模型中,单、双、多因子模型的RMS分别为2.88、1.70和0.49 mm,精度依次提高;多因子PWV模型中,分季节PWV模型较全年PWV模型的RMS分别提高0.23、0.20、0.18和0.37 mm,精度明显优于全年模型.因此,多因子分季节PWV模型预测精度优于1 mm,满足GNSS监测水汽的气象应用精度要求.     

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。      

利用傅里叶函数构建全球气压气温改进模型

针对全球气压气温(GPT2w)模型各气象参数存在明显周期性误差的问题,该文以2015—2017年长三角地区的7个探空站资料作为参考,分析GPT2w模型各气象参数残差的季节性周期变化,并利用多阶傅里叶函数建立一种新的GPT2w改进模型。分析结果表明：与探空数据相比,GPT2w模型气压、温度、水汽压和加权平均温度的RMS均值分别为8.87 hPa、8.80 K、8.80 hPa和7.30 K;GPT2w改进模型气压、温度、水汽压和加权平均温度的RMS均值分别为3.65 hPa、2.76 K、2.47 hPa和2.48 K,相较于GPT2w模型总体精度有大幅改进,且与GPT3模型相比,其精度亦有明显改进。总体而言,利用傅里叶函数的GPT2w改进模型可在长三角地区获取精度优于GPT3模型的气象参数。     

常用对流层延迟修正模型的适用性分析及精化

针对不同对流层延迟模型的改正精度不同的问题,该文利用中国地区4个测站2015年的气象数据和天顶总延迟(ZTD)数据,研究了3种对流层延迟模型(萨斯塔莫宁(Saastamoinen)、SAAS和勃兰克(Black))在不同典型区域和不同季节的精度;在考虑Hopfield模型的纬度和周年周期特性的基础上,给出了一个新的HLD(Hopfield-Latitude-Day)模型。结果表明,3种经典模型中,Black模型的精度最高,SAAS模型次之,Hopfield模型最差。特别是在高海拔地区,以上特征更加明显。3种模型的数值精度均具有明显的季节性特征,冬季改正效果优于夏季。在低海拔地区,HLD模型的精度得到了明显提高,与同等条件下的3种经典模型相比,其精度分别提升了42.2%、40.2%和31.3%。     

区域大气加权平均温度模型确定及其应用

大气加权平均温度Tm是决定GPS水汽反演精度的关键参数,不同地区的Tm具有区域性差异.本文基于河南省Nanyang探空站2015—2018年的气象数据,建立了适用于河南亚热带季风气候地区的单因子和多因子的大气加权平均温度Tm模型,同时按照四季划分构建了季节模型,并对比经验模型分析其精度.结果表明,新建立的加权平均温度模...     

香港地区大气加权平均温度建模与研究

在地基GPS水汽反演过程中,针对因大气加权平均温度的精度而影响大气可降水量计算结果精度的问题,文中采用回归分析方法对香港地区2006-2016年的探空数据进行研究,构建适用于香港地区的单因子以及多因子两种大气加权平均温度计算模型.并使用两种模型分别预测2017年加权平均温度,与多种经验公式结果以及真值进行对比,单因子和多因子模型与真值的偏差在-5～5K范围内分别占比80.72%和85.26%,明显优于其他经验公式;且按季节分别建模对大气加权平均温度计算结果的精度并没有明显提高,但按昼夜分别建模能够使计算结果的精度得到明显的提高.因此为了能够使水汽反演计算时的精度得到提升,应当使用当地多年的探空气象资料构建适用于当地的加权平均温度计算模型,对于提高GPS反演大气水汽总量的精度具有重要意义.     

江苏区域格网加权平均温度线性模型研究

针对建立区域加权平均温度线性模型的问题,该文提出了将ERA5再分析数据和无线探空数据结合的方法,利用线性回归方法建立单因子和多因子模型,实现对江苏及周边地区的加权平均温度建模。对于有探空站点分布的ERA5格网区域,利用探空数据对ERA5建立的线性Tm模型进行修正,对于无探空站分布的ERA5格网区域使用江苏及周边区域整体修正系数对Tm进行修正。根据2018年数据进行验证,结果表明,本文所建立的单因子模型精度与之相当甚至略优,建立双因子模型的精度提高最大可达10.52%,证明了利用ERA5再分析资料和无线电探空建立江苏区域Tm模型的适用性。     

GPS气象学中垂直干分量延时的精确确定

确定大气中可降水分的含量是ＧＰＳ气象学的目的之一。可降水分含量对应于ＧＰＳ信号中湿分量延时。现有高精度ＧＰＳ软件包只能提供天顶方向的对流层延时,但是,对流层延时由干分量和湿分量延时组成。因此,精确确定干分量延时,是分离湿分量延时的关键,也是ＧＰＳ气象学中必不可少的工作。现有３种经验模型计算垂直干分量延时,即萨氏（Ｓａａｓｔａｍｏｉｎｅｎ）模型,霍氏（Ｈｏｐｆｉｅｌｄ）模型和布兰克（Ｂｌａｃｋ）模型     

面向开采扰动的离子型稀土矿区地表温度降尺度方法

离子型稀土的开采活动会导致矿区地表极其剧烈的生态扰动,并且会造成当地的生态环境问题,而矿区地表热环境分异变化能较好地反映矿区的生态扰动特点,是一种辨识地表生态扰动的重要参数.离子型稀土矿区存在矿点分散且单个矿点面积较小的特征,因此获取实用性强且空间分辨率更高的地表温度数据对稀土矿区生态环境的监测具有重要价值.构建了一种...     

一种多因子加权平均温度模型的构建方法

针对在地基GNSS水汽反演的过程中,天顶湿延迟转换为大气可降水量时如何建立精确的大气加权平均温度(Tm)模型的问题,该文在建立Tm模型前全面考虑了对Tm有显著影响的变量并选择最优回归子集。但分析发现,最优回归子集中各变量之间存在较强的相关性,这将会导致变量之间存在多重共线性,从而影响模型的稳定性和可靠性。选择2013—2015年相关气象数据作为变量并应用岭回归的方法削弱变量之间的多重共线性,建立稳定的多因子Tm回归模型。并利用该模型分别预测2016年1—12月、2019年1—7月的Tm,均方根误差分别为2.3 K和2.0 K,预测精度较高,这将为高精度的水汽反演奠定较好的数据基础。     

应用数值模型提高GPS可降水量反演精度的研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网的资料,以上海宝山探空观测为例,进行了应用数值模式提高GPS可降水量反演精度的试验。研究结果表明:大气平均温度的估计误差直接影响大气可降水量的反演精度,用MM5中尺度数值预报模式预报估计的大气平均温度可减小大气平均温度的估计误差,从而提高大气可降水量的反演精度。     

Modeling tropospheric wet delays with national GNSS reference network in China for BeiDou precise point positioning

During past decades, precise point positioning (PPP) has been proven to be a well-known positioning technique for centimeter or decimeter level accuracy. However, it needs long convergence time to get high-accuracy positioning, which limits the prospects of PPP, especially in real-time applications. It is expected that the PPP convergence time can be reduced by introducing high-quality external information, such as ionospheric or tropospheric corrections. In this study, several methods for tropospheric wet delays modeling over wide areas are investigated. A new, improved model is developed, applicable in real-time applications in China. Based on the GPT2w model, a modified parameter of zenith wet delay exponential decay wrt. height is introduced in the modeling of the real-time tropospheric delay. The accuracy of this tropospheric model and GPT2w model in different seasons is evaluated with cross-validation, the root mean square of the zenith troposphere delay (ZTD) is 1.2 and 3.6 cm on average, respectively. On the other hand, this new model proves to be better than the tropospheric modeling based on water-vapor scale height; it can accurately express tropospheric delays up to 10 km altitude, which potentially has benefits in many real-time applications. With the high-accuracy ZTD model, the augmented PPP convergence performance for BeiDou navigation satellite system (BDS) and GPS is evaluated. It shows that the contribution of the high-quality ZTD model on PPP convergence performance has relation with the constellation geometry. As BDS constellation geometry is poorer than GPS, the improvement for BDS PPP is more significant than that for GPS PPP. Compared with standard real-time PPP, the convergence time is reduced by 2–7 and 20–50% for the augmented BDS PPP, while GPS PPP only improves about 6 and 18% (on average), in horizontal and vertical directions, respectively. When GPS and BDS are combined, the geometry is greatly improved, which is good enough to get a reliable PPP solution, the augmentation PPP improves insignificantly comparing with standard PPP.