GNSS水汽层析的自适应非均匀指数分层方法

GNSS水汽层析技术在中小尺度灾害性天气的监测和预警中发挥着重要作用。常见的GNSS水汽层析技术在垂直分层时采用均匀分层,不符合大气水汽在垂直方向上的实际分布情况。本文以大气水汽密度为依据,提出一种自适应非均匀指数分层方法。该方法大大降低了各层之间的水汽密度差异,提高了水汽层析模型分层精度,且能够实现对任意给定层析区域的自适应分层建模。利用2019年8月香港CORS实测数据和探空数据对该方法进行试验与分析,与传统均匀分层相比,自适应非均匀指数分层的均方根误差和平均绝对误差分别降低了0.401 g/m³和0.223 g/m³,在低海拔处和恶劣天气下层析结果的精度和质量显著提高。     

GNSS对流层水汽监测研究进展与展望EI北大核心CSCD

对流层是近地空间环境中与人类活动联系最为密切的大气层,而水汽是低层大气圈中最重要的组成部分之一。尽管水汽在对流层中所占比例较小,但在一系列天气和多种气候变化中都扮演着重要角色。随着全球导航卫星系统(GNSS)的快速发展,GNSS对流层水汽监测成为重要的研究和应用方向。本文系统介绍了GNSS多维水汽监测及其在相关方面应用的研究现状和进展。GNSS水汽监测研究方面,当前主要集中在二维大气可降水量监测和三维湿折射率/水汽密度廓线反演两部分;GNSS水汽应用研究方面,当前主要包括定位、短临降雨及旱涝监测、数值同化预报等。     

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.      

顾及边界信号及垂直约束的GNSS水汽层析方法

利用GNSS三维水汽层析技术获取大气水汽分布信息,具有全天候、高时空分辨率、高精度和经济实用的优势.但目前只考虑层顶信号的层析模型,存在观测数据利用率低、网格空格率大的问题,此外采用的垂直约束方程与实际水汽分布符合程度也较低.本文基于探空信息拟合的函数建立垂直约束,设计并实现了一种顾及边界信号的层析方法,利用香港CORS网数据和无线电探空产品进行精度验证,详细分析了边界信号对层析结果的改善程度,同时分析了垂直约束方程对层析结果的影响.研究结果表明:边界信号的加入使得观测量提高了51.9％,网格空格率大幅降低,解算结果的平均均方根误差降低了12.1％;相对于基于垂直方向上水汽分布呈指数递减特性建立的传统约束方程,本文采用的垂直约束解算结果的平均均方根误差降低了5.7％.     

基于北斗三号的大气水汽探测性能初步分析

对我国刚布署完成的北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的大气水汽探测性能作初步分析可更好地发挥BDS-3的气象探测潜能.采用全球不同位置的台站进行几种手段的对比,探测结果具有代表性和说服力.研究结果表明:将BDS-3/PWV(大气可降水量)与GPS/PWV对比,平均偏差(BIAS)优于1.0 mm,均方根误差(RMSE)...     

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。      

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。     

基于水汽密度比例因子的三维水汽层析算法

针对传统水汽密度层析方法的缺点,设计并实现了一种基于水汽密度比例因子的三维水汽层析算法,提高了观测数据的利用率。利用香港CORS网的实测GPS和气象数据,并结合研究区域内45004探空站的探空数据,验证了该算法用于实测数据的可行性及精度,并分析了不同天气对层析新算法的影响。试验结果表明:该算法在观测数据的利用率上远大于传统层析方法,以探空数据为参考基准,RMS、水汽廓线相关系数和误差分布均优于传统方法。此外,降水天气对层析结果影响要比无降水天气的影响大。     

GNSS/MODIS信号紧耦合水汽层析算法

GNSS水汽层析技术凭借高精度、高时空分辨率及全天候监测等优点,已成为探测大气水汽最具潜力的技术之一.目前,融合多源大气遥感数据逐步成为弥补传统层析模型GNSS信号几何缺陷的研究热点.本文利用Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(moderate resolution maging spectrorad ometer,...     

上海GPS网层析水汽三维分布改善数值预报湿度场

全球导航卫星系统（GNSS）水汽层析反演技术是目前获取对流层水汽三维分布的重要方法。考虑到代数重构算法在迭代反演中具有节省计算机内存且计算稳定度高的优点,对代数重构算法在GNSS水汽层析中的应用进行了研究。研究结果表明,受水汽在对流层中的分布情况的影响,传统的加法代数重构算法在实际的层析解算中,会出现较大的重构误差,而乘法代数重构算法和调整了松弛参数向量的加法代数重构算法则大大提高了层析解算的精度;代数重构算法较附加约束条件的层析解算方法更易受到观测值误差的影响,但采用乘法代数重构算法可以获得优于加法代数重构算法的结果。     

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。     

利用ECMWF改善射线利用率的三维水汽层析算法

针对传统水汽层析技术只能利用完整穿过研究区域射线重构三维水汽的缺陷,提出了一种利用欧洲中尺度天气预报中心格网产品改善三维水汽反演射线利用率的方法。该方法通过引入比例因子,计算出侧面穿出射线在层析区域内的水汽含量,并参与观测方程的建立。利用香港卫星定位参考站网的实测全球定位系统和气象数据,结合该区域的无线电探空站45004和ECMWF格网点数据,对该方法的可行性及精度进行验证。试验结果表明：相对于传统方法,该方法的射线利用率和网格覆盖率分别提高了55.16%和16.46%;分别以探空数据和ECMWF格网数据为参考基准,发现提出的方法其均方根误差、平均绝对偏差和相对误差等均优于传统方法。     

顾及边界入射信号的多模水汽层析方法

利用GNSS三维水汽层析技术全天候地获取高时空采样率的水汽垂直分布信息,已成为GNSS气象学中一大研究热点。当前,基于单一导航系统的传统层析方法存在观测数据利用率低、观测分布不均等不足。本文设计和实现了一种顾及边界入射信号的多模水汽层析方法,采用香港CORS网观测数据和无线电探空产品进行精度验证,并详细分析边界入射信号和多模层顶信号的引入对层析水汽结果的改善程度。结果表明:相较于传统GPS层析方法,本文采用的融合两类多模层顶信号和边界入射信号的新水汽层析方法,兼备边界入射信号和多模层顶信号的优点,可得到更高精度和更可靠的三维水汽信息。     

GNSS天顶对流层延迟的短时天气预报分析

针对天顶对流层延迟(ZTD)与大气可降水量(PWV)相关性特征及变化规律,该文提出基于无气象元素ZTD短时天气监测及预报的方法.该文以北京市2013-2015年BJFS站 日均数据为例,采用GZTD和Saastamoinen+GPT2模型拟合,得到传统的无气象元素的PWV模型.并利用2016年BJFS站ZTD和气象数据,计算出PWV1(含气象元素)和PWV2(无气象元素)数据,通过定量数据分析得出:PWV1与PWV2、ZTD相关系数分别达到0.633 2,0.967 6;PWV2与ZTD相关性为0.649 8.从短期数据,BJFS站6-9月的ZTD与PWV1相关性系数为0.969 6.这证明了 ZTD能够真实反映PWV1的真实变化趋势,同时也说明ZTD应用于短时天气预报的可行性.最后针对北京地区2016年的降雨、降雪和雾霾等极端天气事件,采用ZTD方法对其进行了分析研究,并取得了较好的效果.     

地基GPS反演水汽影响因素分析

地基GPS(Global Position System)技术日益成熟,气象观测应用此技术逐渐增多,但对此影响因素的分析不是太多。本文首先阐述了地基GPS遥感水汽原理,然后结合雾灵山GPS气象观测试验数据,利用GAMIT软件解算此期间数据的对流层延迟量,主要分析了影响地基GPS遥感水汽的几项因素,得出测站精度与ZTD精度变化趋势图、星历精度与ZTD(Troposphere Zenith Delay)精度变化趋势图和不同参考站对ZTD的影响。其结果对GPS遥感大气水汽有一定的参考价值。     

非均匀分层对GNSS水汽三维层析的影响

针对目前地基全球卫星导航系统(GNSS)层析大气水汽精度不高的问题,本文提出对网格划分垂直方向非均匀分层的方法,提高了区域层析结果精度.基于多系统GNSS观测数据,对河南地区东经111.5°～115.5°,北纬33.6°～35.6°区域上空水汽分布进行层析探测,研究垂直分层方法对层析结果的影响,垂直方向采用均匀和非均匀两种分层方式,得到的水汽密度结果与探空反演水汽密度值都非常接近,对比来看,非均匀分层层析在相关系数、均方根误差和平均偏差等数据分析方面表现出了较好的数据精度,采用非均匀分层方法可以得到更优的大气水汽反演结果.     

基于北斗卫星的水汽探测性能分析

本文利用北斗试验网的数据,结合探空观测,对北斗系统与GPS系统,北斗、GPS与探空系统之间进行详细的比较分析,对北斗水汽探测性能及精度给出初步分析结果。北斗系统与GPS系统及探空系统大气可降水量的探测结果较一致,很好地反映了大气可降水量的变化情况;北斗系统解算出的大气可降水量大于GPS系统,两个系统间存在2~3.3 mm的系统误差,水汽含量较低时,一致性更好;北斗系统与探空的系统误差和标准偏差较大,定位定轨模型有待优化,系统稳定性有待提高。     

北京房山雾霾与GNSS水汽相关性分析

伴随着我国社会经济的高速发展,近年各地来雾霾事件频发,严重的影响了人民的日常生活。本文分析了北京房山2014到2017年空气质量影响因子(PM2.5、PM10和AQI)与大气可降水量的相关性,在此基础上本文对GNSS技术探测雾霾发生的可行性进行了研究。本文基于对北京房山站的分析结果,表明PM2.5、PM10含量、AQI与大气中可降水量PWV具有较强的正相关性,且大气中PM2.5、PM10含量、AQI与可降水量PWV都表现出明显的季节性特征,以上结论表明GNSS技术可用于雾霾的预测。     

利用GNSS PWV的AOD自适应预测方法

气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)是气溶胶总含量的基本参数,对研究大气空气质量变化具有重要作用.为了探究不同类型A OD对空气质量的影响,本文提出两种基于GNSS PWV的AOD自适应预测方法.提出的方法考虑了相邻历元间AOD的时间自相关性,且模型系数能够自适应更新.一种方法是直接基于GNSS PWV对550 nm的AOD进行建模,简称TAF(total AOD forecast)模型.另一种AOD建模方法顾及了5种不同类型AOD对PWV的敏感性,简称FTAF(five type-based AOD forecast,FTAF)模型.该模型首先建立PWV与5种类型AOD的函数关系.其次,依据550 nm AOD与5种类型AOD之间的关系,确定不同类型AOD在550 nm AOD中所占的权重.最后,利用PWV预测5种类型的AOD,并通过加权平均获取最终的550 nm AOD.选取京津冀地区16个GNSS测站数据对提出模型的精度进行验证,结果发现提出的两种550 nm AOD预测模型均具有较高的精度,且FTAF模型优于TAF模型.本文提出的AOD预测模型能有效地将GNSS反演的对流层参数应用于大气环境遥感监测,为大气环境质量研究提供了一种新思路.