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。     

我国GPS反演大气可降水量的时空变化

基于地基GPS探测水汽的原理,利用2016年陆态网的站点数据,对北京十三陵、福建武夷山、内蒙古乌拉特后旗、黑龙江绥阳、新疆若羌和云南东川6个站点GPS反演大气可降水量(GPS/PWV)的时间变化以及在典型月(1、4、7、10月)的空间分布变化进行了分析。结果表明:GPS/PWV具有显著的季节分布规律,周期性较强,3—5月为GPS/PWV的快速上升阶段;6—8月达到最大,最大值约80 mm;9—11月为GPS/PWV快速下降阶段;12月—次年1月为全年的最低阶段,基本在30 mm以下。6个站点GPS/PWV的逐小时变化也具有一定的周期性,最大值出现在20时,最小值出现在06—08时。在典型月,水汽含量的空间分布主要集中在华中、华南、华东地区,其余地区变化幅度较小,并且随着纬度的增加而下降,随着经度的增加而上升。     

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。     

浙江GPS/MET反演大气可降水量产品的误差分析

基于2010—2013年浙江省3个探空站和GPS/MET资料反演的大气可降水量分析得出,大气可降水量与地面水汽压之间存在很好的相关性,可以利用回归方程和地面水汽资料来推算大气可降水量,但存在一定的误差。"GPS法"相对"地面法"与"探空法"结果的相关性更高,标准差更小,也更能反映实际情况。浙江省GPS/MET资料反演出的GPS-PWV产品误差接近正常水平,可以应用于降水的监测、预报以及数值模式中。     

华北三站地基GPS反演的大气可降水量及其特征

利用2005年4月-2006年10月石家庄、秦皇岛和张家口三个地基GPS站的观测资料和地面气象资料,根据GPS反演可降水量的原理以及可降水量与地面水汽压的线性对应关系,对不同站点、不同时次的大气可降水量进行了解算和补算,并对河北省GPS可降水量的时空分布特征进行了分析.结果表明:可降水量在时间上先升后降,7、8月达到最大值;在空间上由北向南递增;可降水量的日变化特征不十分显著,仅表现为小幅度波动.     

GPS反演的大气可降水量变化特征及其与降水的关系研究

利用GPS技术反演得到2009年盐城5站的大气可降水量(PWV)序列,分析了PWV随时间的变化特征及其与实际降水的关系.结果表明:PWV夏季占全年总量43.15％,春、秋季分别为19.21％和26.43％,冬季为11.21％;日变化过程中,最小值出现在07-08时,16-18时达到最大,夏季日变化幅近12 mm,春、秋季为7 mm左右,冬季不足5 mm;应用Morlet小波分析,得到全年PWV呈现15 d、30 d、60 d、准半年等多尺度周期变化,且时域分布不均;夏季降水大多发生在PWV峰值出现后1～2h内,春、秋季降水主要发生在峰值出现后的2～3h内,冬季则为峰值出现3h之后;当春到冬各季的PWV的2h增量分别达到5、6、5、4 mm时,出现降水的概率为60％～70％.     

海口地区GPS反演大气可降水量中加权平均温度模型构建及其应用

地基GPS反演大气可降水量(precipitable water,PW)中,加权平均温度(T_m)是一个非常重要的参数。为提高海南岛PW反演的精度和可靠性,基于海口站2008—2010年探空数据计算的T_m,分析T_m时间变化特征及其与地面气象要素的关系,在此基础上利用2008—2012年数据建立T_m单因子、多因子回归模型和加入年积日的回归模型,并利用2013—2014年数据对模型进行检验。进一步基于2012年5—10月数据对基于T_m单因子和多因子模型的GPS反演PW进行检验。结果表明：本地化单因子、两因子T_m模型均方根误差分别为2.000和1.978 K,与Bevis公式、常数法相比,本地模型误差较小,与探空资料计算的T_m有良好的一致性。与Bevis模型相比,基于本地单因子和多因子T_m模型的GPS反演PW与探空资料计算的PW相关性更高,偏差更小;与多因子线性模型相比,基于加入年积日的T_m模型的G...     

NCEP R1可降水量与西南地区地基GPS反演结果的比较

NCEP/NCAR再分析资料是国内外广泛应用的再分析资料数据集,提供有自1948年以来的全球可降水量数据,为研究全球和区域水汽分布提供了时空分布均匀的资料。地基GPS反演可降水量是近些年新兴的水汽监测手段。自2007年开始,我国西南地区(四川省、重庆市、云南省、贵州省)的GPS气象观测站网提供该区域全天24h的可降水量资料。本文在分析NCEP再分析资料可降水量与地基GPS反演可降水量算法和生成方式等根本性差异的基础上,对西南地区的NCEP再分析资料与地基GPS反演可降水量数据加以对比研究,发现两套资料能够一致地揭示我国西南地区的可降水量分布形势和季节变化特征,均能很好地反映区域水汽特征和变化。同时还发现NCEP再分析资料可降水量数据与地基GPS反演结果具有明显的线性相关特征与一致性。此外,也发现NCEP再分析资料可降水量数据与地基GPS反演可降水量结果存在一定的定量差异。      

地面气象要素对GPS反演大气可降水量结果的影响

简要介绍了利用GPS技术计算大气可降水量的原理及方法,以西宁GPS水汽站为例介绍了利用GAMIT软件对大气可降水量的反演流程,利用西宁站观测数据计算了有地面气象数据参与解算和无地面气象数据参与解算的大气可降水量结果,并对两种反演结果进行了对比分析,得出两种计算结果相近、具有很好的相关性,相关系数为0.921,两种反演结果在数值上最大相差5mm、平均相差1.54mm,在总体趋势上两者一致。分析了GPS技术计算大气可降水量的误差,其中地面气象要素对计算结果有重要作用,但影响不大,在不需要精度太高的计算结果及没有条件获得地面气象数据时,可以直接用GAMIT对大气可降水量进行解算,这为探测大气可降水量提供了一种可行的方法。     

地基GPS遥测大气可降水量应用精度和范围

利用2005年6～8河北省石家庄、张家口两个地基GPS站反演得到的大气可降水量资料,对探空资料计算的大气可降水量和GPS反演的大气可降水量进行比较,并通过2007年7月17～19日河北中南部一次强降水过程的个例分析,发现GPS资料反演的大气可降水量略高于探空站资料的计算结果,但两种资料的可降水量计算结果变化趋势一致,GPS反演的大气可降水量具有较高的使用价值,但单站GPS反演的大气可降水量有效半径距离具有一定限度.     

基于地基GPS资料的天山山区夏季大气可降水量特征

基于新疆天山山区2012—2015年夏季的GPS/PWV资料、探空资料和逐日降水资料,运用多种统计方法,分析天山山区夏季大气可降水量(PWV)的时空变化特征,并初步探讨其原因。从夏季平均值分布来看,天山山区各站PWV分布存在明显差异,与海拔高度呈显著负相关关系;且低海拔站点PWV比高海拔站点表现出更大的发散性和可变性,有雨日PWV的极值、中位数等整体高于无雨日。天山山区夏季PWV表现出显著的月变化和日变化。大部分站点7月PWV最大,6月次之,8月最少;一日之中在10时左右出现日最大值,个别站点表现出不同的变化特征,且有雨日和无雨日也存在一定差异。天山山区各站夏季降水量与其PWV关联性不明显,降水量和水分循环指数均与海拔高度呈显著正相关关系。这可能是因为夏季山区高海拔站点更易产生局地对流性降水,从而增加水分循环次数所致。     

地基GPS遥感观测北京地区水汽变化特征

利用2004—2007年SA34（北京大学）站的GPS观测数据,运用GAMIT软件解算反演了间隔30min的连续变化大气水汽总量（PW）。与北京南郊观测场得到的探空结果作比较,均方根误差（RMSE）在2~3mm之间。通过对大气水汽作月平均,得到每月的大气水汽总量口变化曲线,并初步分析了夏季水汽日变化与地面比湿、降水、地面气温以及地面风矢量的关系。结果表明:北京地区夏季7月大气水汽总量最小值出现在08:00（北京时）左右,8月大气水汽总量最小值出现在08:00到12:00左右（各年表现出一定的差异）,夏季大气水汽总量的最大值出现在01:00到03:00;7月和8月的日变化在夜间变化趋势有所不同;大气水汽总量最大值出现时刻与地面小时降水有一定相关性,且大气水汽总量的日变化明显受风矢量日变化的影响。通过对大气水汽总量的时间序列进行小波分析,得到1年大部分时间里,水汽变化存在大约12d的周期。采用前期的大气水汽总量平均值和短时大气水汽总量增量两个条件进行降水的判断,认为夏季降水的出现时刻与差值的高值区有比较好的对应。     

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。     

2002年台风Ramasun影响华东沿海期间可降水量的GPS观测和分析

介绍了2002年建成的长江三角洲地区GPS(全球定位系统)网对台风Ramasun影响华东沿海地区时可降水量的探测,指出GPS探测的可降水量(PWV)与加密探空资料所计算的可降水量具有高度的一致性.通过对多站GPS资料时间序列的分析,揭示了在台风影响过程中PWV 的三个阶段的变化特征: 在台风降水产生前PWV 都有一个急升的过程,PWV的急升时间长短、升幅、量值大小反映了水汽累积情况,它与台风过程降水总量、每小时降水量大小有较好的对应关系;PWV 急升达到峰值后进入高值波动阶段,一般在达到峰值后7～10小时开始出现明显的降水, 在这一阶段中PWV 时间序列的波动和空间分布特征与台风降水的短时变化和螺旋雨带演变有较好的对应关系;PWV 的急降则反映台风降水即将结束.     

青藏高原探空大气水汽偏差及订正方法研究

水汽是大气的主要成分和降水的主要物质来源.青藏高原大气水汽分布对区域天气和气候有很大影响,为了探讨探空观测的大气水汽总量（R）资料的可靠性,本文以地基GPS遥感的大气水汽总量（G）为参照标准,对拉萨（1999~2010年）和那曲（2003年）的R进行对比分析和偏差（R-G）订正.结果表明:近10多年拉萨站R比G明显偏小,偏小程度随使用不同的探空仪而异.GZZ-2型机械探空仪和GTS-1型电子探空仪多年平均的PW偏差分别为-8.8%和-3.9%,随机误差分别为17.6%和13.6%.近10多年PW偏差变化呈减少趋势,这与探空仪性能改进有关.分析发现,青藏高原PW偏差具有明显季节变化和日变化特征,夏季比冬季明显,1200 UTC比0000 UTC明显.拉萨站GZZ-2型和GTS-1型探空仪在1200 UTC多年平均的PW偏差分别为-15.8%和-7.3%,在0000 UTC分别为-1.6%和-0.4%.那曲站GZZ-2型探空仪在1200 UTC和0000 UTC的PW偏差分别为-12.4%和-0.3%.分析还表明,太阳辐射加热与气温的日变化和季节变化是造成高原PW偏差日变化和季节变化的重要原因.据此,提出了高原PW偏差的订正方法,并以拉萨和那曲站为例进行PW偏差订正,订正后的PW系统偏差显著减少,随机误差也相应得到了改善.     

我国可降水量同地面水汽压关系的经验表达式

本文根据1992～1993年全国20个台站地面及高空气象要素资料，拟合出各个站所在地区整层大气可降水量和有效水汽含量同地面水汽压之间的经验关系式。计算结果表明，可降水量和相应的地面水汽压之间，存在着良好的数值对应关系。仅利用地面水汽压计算出的整层大气可降水量和有效水汽含量，同实际情况符合得很好，平均相对误差普遍小于15％。因此，这些经验关系式具有良好的实际应用价值。     

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。