地基GPS数据结合MODIS数据的大气水汽反演研究

大气中的水汽不仅是影响地球天气变化的重要因素,更是多项气象研究中的重要参数,正确确定大气中水汽的含量,对研究降水与气候、灾害性天气预报、全球气候变化等具有十分重要的作用。本文详细地介绍了基于地基GPS以及基于MODIS数据的大气水汽含量反演方法,并利用天津测区的GPS数据与MODIS数据反演的大气水汽含量进行对比分析,得到了两种方法都具有反演大气水汽含量的结论。     

利用微波辐射计AMSR-E的京津冀地区大气水汽反演

目的 发展了微波遥感水汽反演算法,对于裸露地表,通过极化差比值形式消除地表信息对大气水汽反演的干扰;针对非裸露地表,首先反演了地表发射率并对不同波段地表发射率之间的关系进行分析,进而建立了非裸露地表上空大气水汽的反演算法。本文算法的反演结果与GPS探测结果的对比显示均方根误差为7.4mm,与MODIS大气水汽产品空间分布特征的对比也显示了两者较高的区域一致性。最后对京津冀平原地区和山地地区的水汽进行了时间序列的分析。     

日食对中国大气边界层热力状态的影响分析

地球的能量主要来源于太阳,太阳的辐射变化对地球大气边界层有着潜在的影响。日食过程中太阳被遮挡减少了到达地球的热辐射能量,大气热力状态被改变,为研究大气层热力状态的变化提供了一个好的机会。2020年6月21日,在中国境内出现了一次日环食,除日环食带以外中国其他地区都可见到日偏食。为了研究日食对边界层大气热力状态的影响,本文分析了西安、遵义、南宁和宜宾4个不同地区的微波辐射计实时连续观测的大气温湿度廓线数据,研究日食期间不同日面遮挡程度对不同边界层高度上大气热力状态的变化及其受天气条件的影响。这4个站点月球对太阳的遮挡比例都不相同,其中宜宾处在日环食带上遮挡最多。实验结果表明,日食期间大气边界层温湿度受到日食的影响较为明显。从日食开始到最大时刻由于到达地球的太阳辐射能减少,边界层大气温度也开始降低,在日食从最大时刻到结束期间,从太阳到达地球的辐射能量逐渐增大,边界层温度开始上升,日食过程中相对湿度变化与温度相反。4个站点温度变化最大约4℃,相对湿度变化超过10%,水汽密度没有明显变化,各个高度层温湿度变化明显滞后日食过程约15—20 min。日食过程中,月球对日面遮挡越多,日食对边界层大气...     

遥感反演和站点观测的地气温度分布特征差异

地表温度和近地表大气温度是地球系统、大气系统以及地—气相互作用物理过程的重要参量。在陆地—大气的相互作用过程中,水汽含量、NDVI指数、下垫面变化等因素会对地—气热量传输造成一定的影响。本文首先利用地表温度产品（MYD11A1）以及气温站点数据（GSOD）获得全国尺度下地表温度年最大值、近地面气温年最大值。在此基础上,使用趋势分析法分析2003年—2018年地、气温度年最大值时空分布特征及变化趋势,以及地—气温差气候倾向率变化趋势。最后,结合大气总水汽含量产品（MYD05）、NDVI指数（MYD13A3）、二氧化碳平均浓度增长率分析导致地表温度年最大值与近地面气温年最大值趋势发生变化的原因。研究结果表明：（1）在全国尺度下,2003年—2018年地表温度年最大值呈现北高南低的空间分布特征。近地面气温年最大值的空间分布与地表温度年最大值相反。大气总水汽含量年最大值在热带、亚热带季风气候区内总体较高。水汽含量既影响近地面气温的大小,同时也受到近地面气温的影响,因此,水汽含量年最大值与近地面气温年最大值表现出一定的空间分布一致性特征。（2）在2003年—2018年期间,地表温度年最大值的气候倾向率在空间上表现出北高南低的分布特征。近地面气温年最大值的气候倾向率在空间上也表现为北高南低,与地表温度年最大值的气候倾向率变化基本一致。但地表温度年最大值的变化幅度要大于近地面气温年最大值,并且在个别区域表现不一致。主要分布在天山地区、三江平原以及秦岭南侧地区,地—气年最大值变化趋势相反即地—气差减小。（3）大气总水汽含量年最大值的增加可造成近地面气温年最大值的增加,而植被覆盖度的上升可造成地表温度年最大值下降。但在天山地区大气总水汽含量与地—气差的响应不明显,但天山地区的近地面气温年最大值与CO₂平均浓度增长率的关系较为明显。（4）遥感数据反演的地表温度年最大值和站点观测的近地面气温年最大值空间分布表现出差异,但时间变化趋势基本一致。     

基于北斗/GNSS的中国-中南半岛地区大气水汽气候特征及同降水的相关分析

本文采用统一的处理模型和处理策略对中国-中南半岛地区地基北斗/GNSS测站2006—2016年历史观测数据进行高精度重处理和水汽反演,获得近10年的大气可降水含量（PWV）产品。基于北斗/GNSS PWV产品,研究了该地区大气水汽平均含量、年周期振幅和半年周期振幅等气候特征,发现这些特征主要受到了测站纬度、高程以及季风的影响。通过分析PWV同并址气象站降水观测的关联特性,揭示了该地区大气水汽含量同降水相关性随测站纬度减小而降低的特点（在云南相关系数可达0.8,在靠近赤道的泰国南部相关系数约为0.2）。此外,PWV和降水的距平值相关分析表明,相比于历史同期,大气水汽含量较高的月份在一定程度上对应着降水异常偏高,两者相关系数为0.2~0.4。     

天津地区大气水汽含量时空分布变化

大气中的水汽是大气中重要的组成部分,水汽含量在人类日常生活中扮演重要的角色,大气水汽含量探测工作对于水汽循环、水汽输送、人工降水以及水资源评估等气象研究具有重要意义。本文对高质量的欧洲中期数值预报中心(ECMWF)再分析资料的进展进行了介绍,并且利用该资料对天津地区水汽含量的时空变化进行了分析,研究发现水汽含量的变化具有明显的季节性,受季风的影响显著。在空间分布上,天津上空水汽含量呈现从东部沿海往西部内陆地区逐步均匀减少的趋势,并且其上空的水汽含量呈现逐年增加的趋势,水汽含量的增加可能和温室效应有关。     

利用MODIS影像反演大气水汽含量的方法研究

目前,利用MOD IS近红外波段反演大气水汽含量主要采用两通道比值加权法和三通道比值加权法,为了对比研究这两种的方法,本文结合四川地区MOD IS影像,采用两通道比值法和三通道比值法分别获得17、18、19近红外通道大气水汽值,然后对两通道比值法和三通道比值法计算的三个近红外通道大气水汽值取加权平均,分别得到该地区加权平均大气水汽含量。对子区域(成都地区)MOD IS的两种加权平均大气水汽含量与同时同地SONDE大气水汽含量进行对比分析,实验结果表明:用MOD IS近红外波段反演大气水汽含量拟采用三通道比值加权法。     

郑州地区大气加权平均温度模型确定

地基GPS气象学中,大气加权平均温度Tm作为一个重要参数,影响着GPS信号湿延迟在垂直方向上转化为大气水汽的精度。文中首先介绍了几种常用的大气加权平均温度计算方法;然后利用郑州无线电探空资料,通过线性回归方法得出郑州地区大气加权平均温度的计算模型;最后将所得模型应用到郑州地区GPS可降水量计算中。通过与无线电探空实测结果对比分析,验证了该模型的可用性。     

垂直不均匀分层的地基GPS层析水汽研究

依据四川省内GPS数据研究垂直分层方法对层析结果的影响及大气水汽随着高程变化的特点,提出一种垂直不均匀分层方法。与垂直均匀分层进行对比实验,不均匀分层的层析结果与探空水汽结果更吻合。由于水汽主要集中在对流层中低层,对流层低层的垂直分辨率相对较高,采用垂直不均匀分层方法得到的大气水汽的变化特征更加细致。考虑到水汽分布的不均匀特点,认为垂直不均匀分层更符合大气水汽的实际分布。四川地区的水汽层析实验研究结果表明文中提出的垂直不均匀分层方法可行且有效。     

地基GNSS大气水汽探测遥感研究进展和展望

大气水汽是表征极端天气事件和气候变化的重要参数,准确监测与分析水汽含量对于精准预测各类灾害性天气事件与研究气候变化具有显著意义。作为新兴的大气水汽探测方法,GNSS大气水汽探测技术得到了广泛的关注与应用研究,随着多频多模GNSS系统的发展,全球服务能力的逐步完备和地面基础设施的不断加强,地基GNSS大气水汽探测遥感技术水平得到显著提升,为基于空间大数据揭示气候变化、极端天气过程提供了强有力的数据支撑和发展契机。本文首先系统阐述了GNSS大气水汽探测遥感技术及其应用的发展过程;然后介绍了近年来包括对流层延迟、大气可降水量等多类型GNSS大气参数高精度反演的研究进展,特别是对GNSS大气反演在极端天气短临预报及气候变化现象解释两个方向的研究工作进行了科学探析;最后,阐明了GNSS大气水汽探测遥感技术面临的主要挑战及未来研究展望。     

青藏高原地区MERRA-2水汽产品精度检验分析

MERRA-2是当前最新发布的大气再分析资料,其提供的格网水汽产品具有较高的时空分辨率,但尚无文献对MERRA-2水汽产品在青藏高原地区的适用性予以评价.因此,亟需开展青藏高原地区MERRA-2水汽产品的适用性分析.根据MERRA-2格网水汽数据和格网点位势数据,建立了青藏高原地区的水汽垂直剖面函数,并利用水汽垂直剖面...     

TRMM/VIRS热红外通道陆地大气可降水汽总量分裂窗反演

大气水汽对全球以及区域气候变化有重要的影响,精确获取水汽数据是非常重要的研究方向。TRMM(热带降雨观测计划)卫星上搭载的VIRS传感器(可见光/红外扫描仪)在降雨观测中应用广泛,但是目前很少有研究将其用于水汽反演。本文尝试使用VIRS的两个红外分裂窗通道(10.8μm和12μm),通过建立改进的方差协方差比值分裂窗方法进行水汽反演。首先对TRMM/VIRS数据和方差协方差比值法进行了介绍,接着针对VIRS数据特点,利用MODTRAN辐射传输模式和探空大气廓线数据模拟回归了大气透过率和水汽的定量关系,最后利用VIRS遥感数据开展了水汽反演试验。由于红外波段分裂窗水汽反演算法只适合于晴空条件下,因此在云雨识别的时候,为了保证时空一致性,采用TRMM提供的基于微波成像仪TMI的云中液态水信息来对晴空与否进行判断。水汽反演结果首先与地基GPS大气水汽观测值进行了比较,均方根误差为5.76 mm;其次和MODIS卫星水汽反演结果进行了面状对比,二者显示出了高度的区域一致性。验证结果表明,TRMM/VIRS的水汽反演结果精度较高,具有进行业务化推广的潜力,丰富了水汽数据的来源,同时也对利用风云系列卫星传感器数据进行热红外通道的水汽反演具有借鉴意义。     

MODIS水汽反演用于InSAR大气校正的理论研究

大气效应尤其是大气水汽的影响是InSAR干涉测量中主要的误差源和限制因素之一,因此高精度的InSAR应用迫切需要及时掌握大气水汽含量及其时空变化。本文深入分析了利用MODIS的水汽反演结果进行InSAR干涉测量大气校正的可行性,对MODIS近红外水汽反演结果与地基GPS水汽探测结果进行了比较和分析。同时根据GPS解算结果,利用实例讨论了基于地面气象参数的水汽延迟模拟的效果。     

敦煌地区大气水汽和气溶胶对获取地表温度的影响

大气中的水汽和气溶胶含量是影响热红外波段数据的主要因素。针对敦煌地区,本文首先利用ＬＯＷＴＲＡＮ－７辐射传输模型对１９９２年９月２５日敦煌市西戈壁的一幅Ｌａｎｄｓａｔ－５ＴＭ６波段的热红外图像数据进行了大气订正,获取了地表辐射温度。进而利用ＬＯＷＴＲＡＮ－７通过模拟计算研究了该地区大气水汽和气溶胶含量的变化对ＴＭ６波段地面温度获取结果的影响,给出了对于热红外图像进行大气订正的主要判据。另外,文中还对热红外波段地面比辐射率的影响也进行了简单分析     

利用GPS技术遥感哈尔滨地区大气可降水量的分析

利用2004年6月哈尔滨GPS跟踪站的观测资料和气象资料,对哈尔滨地区的大气综合水汽含量进行反演,根据反演结果得出GPS反演的水汽含量与实际降水以及地面气象元素的对应关系。并对利用GPS技术遥感大气综合水汽含量时应注意的事项提出建议。     

GNSS空间环境学研究进展和展望

对流层和电离层是地球近地空间环境中两个重要的组成部分,是靠近地球表面且与人类生活联系最密切的大气圈层。全球导航卫星系统技术的快速发展,为GNSS空间环境学的研究提供了良好的契机。本文介绍了现有GNSS空间环境学中在对流层和电离层方面的研究现状和进展。在GNSS对流层研究方面,主要集中于GNSS对流层关键参数建模和水汽反演两部分;在GNSS电离层研究方面,主要包括GNSS二维/三维电离层建模和区域/全球电离层监测。     

约束条件对匈牙利水汽层析的影响分析

水汽的监测,是GNSS应用中一个重要的方向。本文旨在分析不同的约束条件,对匈牙利地区水汽层析的影响。本文根据匈牙利地区的GNSS数据,分别采用4种不同的约束形式,对水汽的三维分布进行了重建实验。实验结果表明,4种约束形式中,水平约束的平均相对误差最小,约为1.9%,并且回归方程的拟合度也最好。因此,得出结论,匈牙利地区水平约束在水汽层析重建中的效果最好,可广泛应用于当地的水汽三维监测。     

TERRA/MODIS热红外通道陆地晴空大气可降水分裂窗反演

大气水汽在遥感反演地表温度中起到关键作用,精确的大气水含量对于提升反演精度有着重要意义,而热红外方法是夜晚获得区域大气水汽含量的唯一方法。本研究采用热红外方法中的改良分裂窗算法,首先,使用TIGR大气廓线与MODIS波谱响应函数通过MODTRAN辐射传输模式进行模拟,将大气廓线的水汽含量与大气透过率进行回归;然后,根据MODIS数据产品特点,使用2015年夏季MODIS数据观测角小于20°的范围进行反演;最后,将白天反演水汽分别与全球GPS地基大气水汽观测网络和MODIS近红外水汽产品进行比较,均方根误差分别为5.5 g/cm2和6.4 g/cm2,显示了高度的区域一致性。由于MODIS观测角度较大,本研究未对其他角度进行反演,若对其余角度的MODIS数据进行反演,可根据余弦角度变化,针对不同角度范围进行模拟与回归。     

考虑高程信息的MERIS水汽插值及其在ASAR干涉图大气改正中的应用

提出了一种考虑高程信息的MERIS水汽插值方法。应用实例验证了该方法可以明显地削弱大气对干涉图的影响,并成功地探测出了美国洛杉矶地区的地表形变信号。研究结果表明,考虑高程信息的MERIS水汽插值法的改正精度优于常规的MERIS水汽插值改正法,改善程度平均达4.25%,有利于改正地形起伏大的地区的大气影响。     

区域延迟模型在CORS站反演水汽中的应用

系统地论述了利用CORS系统观测数据反演大气水汽含量的基本原理和方法,分析其反演大气水汽含量过程。基于探空资料建立了广西区域干延迟的延迟模型和加权平均温度模型,利用广西地区CORS站及国内IGS站的观测数据进行解算得出天顶方向对流层延迟量。经过比较区域模型与经验模型得出区域模型具有可用性,且反演出的大气水汽含量与探空水汽含量精度相当,从而验证了区域模型具有可靠性。