华北地区地基GPS天顶总延迟观测的质量控制和同化应用研究

地基GPS天顶总延迟由于其解算误差来源少于目前广泛应用的可降水量资料,其同化应用将会为数值预报初值场更好地提供大气信息。面向同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案的研发将会有效推进该资料在中国数值预报中的广泛应用。基于2013-2014年华北地区天顶总延迟观测资料,发展了一套针对数值预报同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案。该方案从测站稳定性和解算精度、离群值、系统偏差及标准差等考察点切入,从不同角度检查和标记出致使观测序列统计特性偏离高斯分布特征的样本。质量控制后序列统计特征量更接近三维变分系统对观测资料的性质假设,表明了所建立质量控制方案的合理性。基于北京市气象局数值预报业务系统BJ-RUC开展了连续11 d的快速更新循环预报试验。评估结果表明：同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果明显优于同化未质控天顶总延迟试验,表明所建立质量控制方案的有效性。同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果优于未同化GPS资料试验,表明天顶总延迟资料的同化应用可以有效提升预报系统的降水预报效果,特别是在无探空资料参加同化的预报时次;同化质控后天顶总延迟资料试验的降水预报效果也优于同化可降水量的试验,表明使用天顶总延迟资料代替可降水量资料在数值预报业务中开展同化应用是可行的。在天顶总延迟观测质量控制方案研发和同化应用得到了一些有意义的结果,有助于推进该观测资料在数值预报科研和业务中的应用,为提升预报性能提供技术支撑。     

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.     

地基GPS反演大气可降水量方法的改进

利用地基GPS反演大气可降水量（PW,precipitable water）的方法中,GPS PW的准确度依赖于天顶静力延迟（ZHD,zenith hydrostatic delay）的计算模型和转换系数П。分析Saastamoinen模型、Hopfield模型、Black模型计算的ZHD误差发现,其计算的ZHD与探空ZHD相比具有模型偏差,这些模型偏差换算成对GPS PW的影响约为4～10 mm。通过回归建模,对Saastamoinen模型、Hopfield模型和Black模型中的系数进行修正后,可明显减小这些模型偏差,且不影响这些模型的精度。转换系数П是大气加权平均温度（Tm,atmospheric weighted mean temperature）的函数,Tm与地面温度（Ts）高度相关,根据这一特性,利用9个探空站数据通过回归建模得到的Tm本地化模型可很好地拟合Tm,其模型均方差为2.8 K,对应的相对误差为1.0%。对地基GPS反演PW的方法进行改进后,求得的GPS PW的系统偏差明显减小,其中,采用改进的Hopfield模型和Tm本地化模型求得的GPS PW,与探空廓线计算的PW相比,其偏差为-1.6 mm,而与微波辐射计廓线计算的PW相比,其偏差为-1.2 mm。     

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。     

地基GPS反演大气水汽总量的初步试验

1998年5~6月的“海峡两岸及邻近地区暴雨试验”(HUAMEX) 期间, 同时进行了小规模的地基GPS长时间连续估测大气水汽总量的外场试验。试验中应用探空和地面降水资料与GPS反演结果进行了比较分析。地基GPS反演的大气水汽总量与探空得到的大气水汽总量, 两者随时间演变的趋势一致, 两者估算的水汽总量平均偏低6.5 mm, 两者偏差的均方差为4.3 mm。GPS反演的大气水汽总量随时间明显的呈周期性变化, 平均周期为7.2天。从GPS反演的大气水汽总量随时间演变图上可以清楚地看出水汽的积累与释放过程, 并与地面降水存在一定的对应关系, 地面降水大多发生在GPS反演的水汽总量处于相对高值且变化率较大的时候。     

地基GPS技术在广东区域水汽分布研究中的应用

利用广东省连续运行卫星定位服务系统（GDCORS）观测资料,采用地基GPS／MET技术线路,用Bemese软件平台求解各参考站上的对流层天顶总延迟和湿延迟。通过推导湿延迟与大气可降水汽含量之间的转换关系得到GPS各测站大气水汽含量。试验结果表明,GPS／MET技术可获得覆盖广东省范围的高时空分辨率的大气水汽总含量分布图。     

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.     

地面GPS探测大气可降水量的初步结果

地面全球定位系统（GPS）探测大气可降水量时空分布的可行性和可靠性研究，对地面GPS用于提高预报降水和恶劣天气的准确性和气候变化的研究具有重要作用。收集了覆盖于全国的23个站和我国周边的6个国际GPS服务（IGS）基准站为期6 d的GPS观测资料，组成了一个GPS气象学的区域性地面实验网，进行了我国首次GPS气象学试验。归算用的软件是在美国麻省理工学院GPS分析软件GAMIT基础上发展起来的上海天文台GPS精密定轨定位软件SHAGAP。为了提高对流层天顶延迟的监测精度和分辨率，我们采用了分段的参数估计和随机过程相结合的估算方法来处理对流层延迟，由此获得了分辨率分别为2 h和30 min，精度好于1 cm的天顶延迟量。通过天顶干延迟和天顶湿延迟的分离和天顶湿延迟到可降水量的转换，得到了精度为1～2 mm的可降水量的计算结果。将这些结果与实测探空仪资料计算的结果相比较，两者基本符合。试验的结果初步验证了地面GPS观测为气象服务的可行性和可靠性。同时指出了今后地面GPS在气象上应用的现实性。     

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。     

GPS/MET水汽反演中T_m模型的本地化研究

利用江西省南昌和赣州两探空站12年(1999—2010年)每日2次(08时和20时)的探空资料,运用最小二乘法建立了江西地区的加权平均温度Tm模型(江西本地化Tm模型)。基于探空资料计算得到的Tm值,对比分析了江西本地化Tm模型、武汉本地化Tm模型和GAMIT默认Tm模型的模拟结果,发现江西本地化Tm模型的模拟效果最好,武汉本地化Tm模型相对较差。利用GAMIT软件,分别采用江西本地化Tm模型、武汉本地化Tm模型和GAMIT默认Tm模型,对2010年1月至2010年12月南昌、赣州等地的GPS大气可降水量进行了解算,并与探空计算的大气可降水量作了对比分析,结果发现采用江西本地化Tm模型后解算得到的GPS大气可降水量精度最高,而采用GAMIT默认Tm模型的精度相对较差。     

云南地基GPS观测大气可降水量变化特征

利用2007年云南地基GPS站点观测资料,分析GPS反演的大气可降水量(PWV)变化特征,并用探空、实际降水量资料和GPS反演结果进行比较。结果表明:GPS/PWV能反映云南降水的季节变化特征,海拔较低的测站普遍比同期海拔较高的测站测得的GPS/PWV值高;GPS/PWV值与探空得到的大气水汽总量随时间演变趋势基本一致,其相关系数均达0.89;GPS/PWV变化周期和实际降水发生的周期基本相同,降水大多为GPS/PWV值连续增加达到峰值(或从峰值开始下降)后开始;GPS/PWV上升幅度较大或位于高位可作为连续性强降水过程出现的预报指标,但使用GPS/PWV峰值作预报指标时,还应考虑季节因素。     

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。     

华北地区地基GPS水汽反演中加权平均温度模型研究

运用几种不同的加权平均温度的算法,计算了华北地区张家口、北京和邢台的加权平均温度。结果表明,对于华北地区而言,常规的计算模型普遍存在一定的系统误差。在对加权平均温度与地面各气象要素的关系分析基础上,分别建立了华北地区基于地面气象要素的单因子和多因子回归方程,较好地满足了GPS遥感水汽总量实时性和高精度的要求。     

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。     

应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量

利用2000年6月1日～8月11日北京地区地基全球定位系统(Globe Positioning System)网遥感大气总水汽量试验的观测资料,分析了北京地区夏季大气总水汽量的时空变化,研究了大气总水汽量与日平均温度、地面水汽压和降水的关系.研究结果表明:大气总水汽量存在明显的时空变化,对于地理位置基本相近的台站,海拔高度的影响比较明显,一般情况下高山站的水汽总量低于平原站;在晴天,地面水汽压与大气总水汽量有较好的相关性,而在云雨日,由于高低层大气湿度的变化常常不同步,用地面水汽压估算的大气总水汽量具有较大的偏差;大气总水汽量短时间内的快速增加往往对应有降水过程出现,但总水汽量的大小与降水量之间并没有明显的相关,在降水预报中应综合考虑总水汽量的前期平均水平、短时的增幅和峰值大小等条件的影响.     

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。