基于GNSS的空间环境参数反演平台及精度评估

基于全球和区域全球导航卫星系统（GNSS）参考站网进行对流层和电离层参数反演实现空间环境变化监测具有成本低、精度高、实时性好等优点,得到了广泛应用.本文基于南京信息工程大学的北斗/GNSS空间环境监测平台Xsensing,以国际GNSS服务组织提供的对流层产品为参考,评估了不同气象条件下对流层参数反演精度,在此基础上采用固定非差模糊度的精密单点定位技术（PPP）实现高精度电离层参数反演.实验结果表明,基于全球参考站的对流层估计误差偏差为0.05 mm,对应的标准差为5.6 mm,在平稳和剧烈的气象条件下均能反映水汽变化趋势特征.基于短基线进行电离层延迟反演精度评估,结果表明浮点解PPP反演电离层延迟误差的平均偏差为-0.09 TECU,精度为0.38 TECU,采用非差模糊度固定技术对电离层延迟提取精度提高达84.2％;静态模拟动态解算模式下电离层估计精度与静态相当.上述结果表明该平台可实现高精度空间环境参数反演,下一步将融合机载、船载等多种平台观测实现中小尺度空间变化监测.     

基于PPP和双差网解法的GNSS水汽反演效果分析

基于2021年5—7月GPS卫星资料,采用精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)和双差网解两种算法进行了大气可降水量（Precipitable Water Vapor,PWV）反演,利用同址探空水汽资料,对比分析了PPP算法与双差网解法计算的PWV反演精度。结果表明,PPP算法和双差网解法反演出的PWV随时间变化的趋势基本一致。两种算法反演出的PWV结果合理,与探空PWV相比,采用PPP和双差网解两种算法反演的PWV相对偏差均小于2.4 mm、绝对偏差在4 mm以下,均方差约4 mm,与探空PWV相关系数均在0.87以上,均能较好地反映大气中水汽含量的变化情况,两种算法均具备较强的水汽反演能力,双差网解法反演的PWV在相关性、精度上略优于PPP算法。PPP算法可实现单站水汽高时间分辨率反演,对于获取台站高时效、高精度的大气水汽探测产品具备优势。     

云南地基GPS水汽解算方案及精度检验

在分析GAMIT水汽解算方案特点的基础上,利用云南6站地基GPS水汽探测资料,进行了不同解算方案计算结果的分析,并与GPS探空资料的PWV值进行比较,结果显示:不同解算方案对云南地基GPS水汽反演结果有显著的影响;在进行本地化后,GAMIT软件包对云南GPS水汽反演的精度有显著提高;不同季节的云南地基GPS反演水汽值与高精度探空水汽值的数值和变化趋势极为一致,二者的均方根差小于2 mm,说明该解算方案的地基GPS水汽反演结果可用.     

利用ERA5资料进行桂林地区GNSS水汽反演精度分析

由于桂林地区地基GNSS站并未配置气象传感器，致使大量GNSS观测数据无法在大气水汽（PWV）监测中发挥作用.针对这一情况，本文将欧洲中期天气预报中心（ECMWF）最新发布的ERA5再分析资料中测站处的气压和温度气象数据加入到GNSS水汽反演中，并将反演结果与利用地面气象站反演的GNSS水汽做对比，以此评估ERA5在桂林地区反演GNSS水汽的精度和适用性.结果表明：1）以桂林地区2017年10个地面气象站的实测气压和温度数据为参考值，ERA5地表气压和温度的年均偏差分别为-0.35 hPa和0.86 K，年均均方根误差（RMSE）分别为0.65 hPa和1.66 K，该精度可用于GNSS水汽反演；2）以2017年6—7月GNSS利用地面气象站反演的PWV为参考值，ERA5反演的GNSS PWV的偏差和RMSE分别为0.17 mm和0.35 mm，且两者具较好的相关性和一致性.由此表明，ERA5地表温压产品可应用于桂林地区GNSS水汽反演，这些研究结果可为桂林地区的GNSS水汽反演及数据源的选用提供重要的参考依据.     

利用水汽总量资料诊断入梅时间的方法

梅雨期是江淮流域从春季到夏季一个重要的过渡时期。传统诊断入梅的方法主要根据雨日和温度及副热带高压位置等来确定。由于雨日的不连续, 天气形势的多变, 常会引起诊断入梅日期的分歧。利用长江三角洲地区地基GPS网所反演的连续的大气水汽总量 (GPS/PWV) 资料详细分析了长江三角洲地区2002—2005年入梅情况, 发现GPS/PWV资料可以反映出入梅前后大气中水汽发生显著季节性跳跃的特征, 总结出利用大气中水汽变化特征来诊断入梅时间的方法 (PWV方法)。采用1980—2000年的历史探空资料计算的大气水汽总量 (PWV) 资料, 对该方法进行了检验:21年中有13年的入梅日期与历史上传统方法诊断的入梅日期相吻合; 对两种方法诊断的入梅日期相差较大的3年的入梅情况进行的分析表明, PWV方法诊断出的入梅日比原定入梅日更合理。该方法在2006年入梅诊断的应用也得到验证。     

地基GPS在暴雨预报中的应用进展

加密的地基GPS全球定位系统网具备监测中小尺度天气水汽变化的功能.利用对流层延迟与水汽之间的关系,可以建立地基GPS水汽反演方法以获取大气可降水汽总量PWV和斜路径水汽含量SWV,并通过层析算法得到三维水汽分布.PWV的时间变率、PWV水平梯度变率和区域PWV水汽辐合辐散量定量反映了水汽输送以及区域水汽增减,PWV时间序列的初始峰值在暴雨临近预报中有重要的指示意义,地基GPS网的PWV可以作为数值天气预报模式的重要资料.不同指向的SWV可以表征测站周围水汽的非均匀性质,SWV和三维水汽层析可有效用于中小尺度天气的湿度分析和降水的定量预测.结合掩星GPS和其他探测信息,GPS/MET可以在暴雨监测预报中发挥更重要的作用.     

概略坐标对GPS PWV解算的影响

利用GAMIT 10.6和2016年第101天至第160天南昌站的GPS观测资料,开展了13组概略坐标变化对GPS PWV解算的影响研究试验(南昌站概略坐标设置以10 m等间距从0~120 m逐渐向西偏移真实坐标)。其结果发现:当概略坐标与实际坐标偏离在60 m以内时,概略坐标的变化对GPSPWV的解算影响不大(长基线的相对误差和均方根残差NRMS分别维持在5.7×10~(-9)和0.24附近);但当概略坐标与真实坐标偏离超过60 m后,概略坐标的变化对GPS PWV的解算有着显著的影响,其中基线相对误差和GPS PWV与探空PWV的标准偏差随概略坐标偏离的增加而快速增大,NRMS和GPS PWV与探空PWV的相关系数也有明显的增加和减小,GPSPWV的成功解算日数则随概略坐标偏离的增加而快速减小(当偏离≥120 m时南昌无GPS PWV生成);概略坐标变化对基线相对误差、GPS PWV精度以及GPS PWV能否被成功解算的影响仅限于本站,某站概略坐标的偏离不会对其他站GPS PWV解算造成明显的影响。     

三江源区大气可降水量时空特征及其与降水关系

利用1979—2016年欧洲中期天气预报中心(ECMWF) ERA-Interim (1°×1°)再分析资料中的经、纬向水汽通量和大气可降水量(precipitation water vapor,PWV)数据,采用相关性分析、趋势分析法、累积距平、IDW等方法,分析三江源地区PWV与水汽通量的时空分布特征、降水转化率(precipitati-on conversion efficiency,PCE)变化规律。结果表明:过去的38 a,经、纬向多年平均水汽通量分别为50. 2、196. 7 kg·m-1·s^(-1),纬向水汽通量气候倾向率比经向大。南边界为纬向主要水汽输入边界,东边界为经向主要水汽输出边界,纬向水汽输送大于经向输送。多年平均PWV为1998. 3 mm,近38 aPWV呈现微弱增加趋势,1979—1997年,PWV呈下降趋势,1998年后PWV呈增加趋势,同期降水也在增加,说明该时段三江源地区气候转湿。PWV与水汽通量的年际变化趋势和转折年相一致。三江源区多年平均PCE为24. 57%,1989年PCE最高,达32. 76%,各季节平均PCE空间分布与年平均PCE分布一致,均表现出南部、东南部高,西部、东北部低的变化特征,各季节PCE大小差异明显,春季多年平均PCE为15. 92%,夏季25. 67%,秋季21. 01%,冬季仅7. 03%。     

基于GAMIT的GPS数据处理系统设计与气象应用

介绍了基于GAMIT的导航卫星气象学GPSMET(Global Positioning System METeorology)数据处理的设计内容和实现方法,并且通过解算实时数据验证了该系统设计的合理性和功能的可用性。该系统设计主要包括数据接收与处理、数据处理的核心模块、系统监控和产品应用等模块。系统通过接收原始的观测数据,经过数据处理后,反演出可降水量PWV(Precipitable Water Vapor)值,同时系统还可以提供单站水汽变化曲线产品、多站水汽产品和全省水汽分布图,可以给预报员直接应用于天气预报分析。     

大气可降水量估算模型研究

利用SuomiNet网GPS大气可降水量数据和地面气象数据研究建立大气可降水量估算模型.利用研究区域GPS PWV和地面气象数据,研究了大气可降水量与地面水汽压间的相关性,并建立二者间的线性、二次多项式和幂函数回归模型,对比分析各模型的估算精度以确定最优估算模型,并检验了不同大气水汽含量下最优模型的估算精度.得出以下结论:1)GPS大气可降水量与地面水汽压变化趋势基本一致,存在着良好的相关关系(相关系数达到0.892).2)基于地面水汽压的线性、二次多项式和幂函数模型估算大气可降水量均达到一定的估算精度(相对误差均小于19％),其中幂函数估算模型的R2最高,估算误差最小.3)基于地面水汽压的PWV估算模型具有地域性特征,基于研究区域数据所建立的模型更适合于研究区域,其PWV估算精度高于Cole模型、张学文模型和李超模型.4)所建估算模型在不同的大气水汽含量条件下估算精度不同,大汽水汽含量越高,估算结果的相对误差越小.     

基于GNSS的MODIS大气可降水量校正模型

MODIS大气可降水量（PWV）空间分辨率高但易受云雨等环境因素影响,精度不高.GNSS PWV 空间分辨率较低但具有全天候、不受天气影响、精度高的优点.研究表明两者存在显著的线性相关性,结合两者的优点,基于GNSS PWV校正MODIS PWV可获取大面积高精度的PWV.针对传统的线性回归校正模型没有考虑云、气溶胶等的影响使两种数据线性相关性变差的问题,本文在传统的线性校正模型上增加了使用年积日的非线性周期项的方法来构建校正模型.利用2017—2019年香港地区GNSS对流层延迟与MODIS近红外数据,使用频谱分析线性残差项,结果表明残差具有显著的年周期.对比传统模型,本文模型的平均绝对误差、平均相对误差、均方根误差和拟合度都有明显的改善,表明本文模型可行有效且精度较高.     

GNSS/PWV与风云四号A星GIIRS水汽廓线融合应用研究

中国新一代地球静止气象卫星风云四号A星（FY-4A）搭载的干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS）以红外高光谱干涉分光方式探测三维大气温湿结构,取得了在静止轨道上探测大气的突破性进展。地基全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）是一种连续监测大气可降水量（Precipitable Water Vapor,PWV）的有效手段,基于2018年6—8月中国地基GNSS站监测的PWV和FY-4A/GIIRS水汽廓线的业务产品以及常规无线电探空资料,开展GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线快速融合应用,以提高卫星资料反演大气水汽廓线的精度。结果表明:与常规无线电探空相比,FY-4A/GIIRS水汽廓线产品在大气低层均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为4.5 g/kg,700 hPa为2.4 g/kg,500 hPa以上因水汽含量较低RSME小于1.5 g/kg。GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线融合后,FY-4A/GIIRS水汽廓线误差整层RMSE减小20%,从近地层到600 hPa RMSE平均减小20%—25%,尤其是850—700 hPa改善最明显,极大改善了卫星水汽反演资料的可用性。对一次多系统影响的暴雨天气过程应用分析表明,GNSS/PWV和FY-4A/GIIRS融合产品可获得高时、空密度的大气水汽廓线,对强降水的临近预报有非常重要的支撑作用。      

区域GPS气象网站点合理布设的几点依据

区域GPS气象网反演的可降水量资料（GPS／PWV）对提高灾害性天气的监测和预报能力，改进数值天气预报精度已显示出广阔的应用前景，我国许多省市相继计划建设区域的GPS气象网。在区域GPS气象网中如何科学合理地布设GPS站就成了大家关注的问题。结合长江三角洲地区GPS气象网的情况，从长江三角洲地区的水汽通道，PWV分布的气候统计、GPS反演PWV资料的有效半径和在数值天气预报中资料同化的最大影响半径等4个方面，讨论了区域GPS网站点的分布和间距的几点依据：重点沿区域的水汽通道和强对流天气主要路径上布站，经向（南北向）的站点密度应大于纬向密度，站点的最大间距小于60km才能使反演的PwV的有效代表性和对数值预报的影响覆盖整个区域。 距     

bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估

利用区域地基GPS网反演的高时空密度的大气垂直方向水汽总量，也称为可降水量（PWV），可大大弥补常规探空探测水汽资料的不足。为了全面评估区域GPS网PWV资料同化对业务数值天气预报改进程度的目的，在个例研究分析的基础上，进行了连续38天的GPS/PWV资料三维同化（3D-Var）改进数值业务预报的试验。研究方法是根据长江三角洲地区GPS气象网在2002年梅雨和盛夏季节观测的刖资料，通过三维变分同化建立中尺度数值预报模式MM5的初始场，逐日作出长江三角洲地区24小时的降水量预报。以6小时累积雨量为对象，与未同化GPS／刖资料的MM5的相应预报比较，通过多种评分方法，评估了GPS／PWV资料改进MM5降水预报的效果。结果表明GPS／PWV资料同化后的MM5降水预报能力在大部分时间和大部分地区都有所提高，主要是伪击率有较明显的下降，对小范围降水预报的改进更为明显。预报明显改进的区域恰好位于GPS站填补常规探空站间距较大的地区。     

Precipitable water vapor estimation in India from GPS-derived zenith delays using radiosonde data

One of the most recent applications of global positioning system (GPS) is the estimation of precipitable water vapor (PWV). It requires proper modeling to extract PWV from zenith wet delay (ZWD). The existing global models take no account of latitudinal and seasonal variation of meteorological parameters in the atmosphere. In fact, they ignore the atmospheric conditions at a specific location. Therefore, site-specific PWV models have been developed for five stations spread over the Indian subcontinent, using 3-year (2006–2008) radiosonde data from each of these stations. Furthermore, a similar regional PWV model is also developed for the Indian region. The purpose of the developed site-specific as well as regional model was to convert ZWDs into PWV without using surface meteorological parameters. It has been found that the developed regional and site-specific PWV models show about mm-level accuracy in estimating PWV using derived ZWD from radiosonde as input. The developed site-specific, regional models were also used to extract PWV from GPS-derived ZWD at Bangalore and New Delhi. The accuracy of the developed site-specific and regional model is of the same level. The PWV accuracy obtained with the developed regional model is about 6.28, 6.6 mm in comparison to radiosonde PWV at Bangalore and New Delhi, respectively.     

利用FY-3A近红外资料反演水汽总量

该文介绍了利用搭载在FY-3A卫星上的中分辨率光谱成像仪 (MERSI) 的近红外 (NIR) 通道反演大气水汽总量 (PWV) 的方法。根据预先建立的查找表,大气水汽总量可以通过水汽通道与窗区通道的卫星测值相比反演得到。对MERSI近红外水汽通道灵敏度进行估算,结果表明:处于吸收带两翼的905 nm和980 nm通道对不同水汽量的敏感性表现比较接近,对较大水汽含量最为敏感;当水汽较弱时,强吸收的940 nm通道非常敏感。基于这3个通道对水汽含量敏感性的不同表现,采用3个通道水汽总量的加权平均值作为PWV产品的最终反演值。文中设计了水汽总量业务算法反演流程,并基于FY-3A/MERSI最新观测资料进行晴空大气水汽总量的业务处理生成试验,顺利生成MERSI单轨道水汽总量产品及日拼图中国区域产品和全球产品,同时生成多天合成产品,产品反映出MERSI具有较好的近红外水汽探测能力。将卫星反演结果与探空数据进行初步比对检验,显示卫星反演值有20%~30%系统性偏低,需要进一步改进反演查找表。     

地基GPS遥感西藏改则站大气可降水量变化特征及其与夏季降水的关系

利用中日JICA项目2010-2011年期间的地基GPS探测逐时大气可降水量（PWV）资料,分析了西藏西部改则站PWV的季节变化和日变化特征及其与夏季降水的关系。结果表明：（1）该站PWV存在明显的季节变化特征,其高（低）值出现在6-9（12-3）月,呈现出明显的单峰型变化特征,同时表现出春季持续上升和秋季快速下降的特点。（2）谐波分析表明,改则站各季PWV日变化均以日循环为主,只是夏季也表现出一定的半日循环特征。（3）改则站PWV存在明显的日变化特征,低值一般出现在当地时间的凌晨至次日上午,各季谷值普遍出现在当地时间10：00前后;高值通常出现在当地的午后至午夜,但各季最大值出现时间不固定;（4）改则站降水通常都发生在PWV高值期,降水发生前后PWV有明显的逐渐积累与迅速下降的变化特征,PWV达到峰值的时间提前于降水。PWV对累积降水频次的影响要比累积降水量更显著。     

Moisture analysis of a squall line case based on precipitable water vapor data from a ground-based GPS network in the Yangtze River Delta

A squall line swept eastward across the area of the Yangtze River Delta and produced gusty winds and heavy rain from the afternoon to the evening of 24 August 2002. In this papers the roles of moisture in the genesis and development of the squall line were studied. Based on the precipitable water vapor （PWV） data from a ground-based GPS network over the Yangtze River Delta in China, plus data from a Pennsylvania State University/National Atmospheric Center （PSU/NCAR） mesoscale model （MM5） simulation, initialized by three-dimensional variational （3D-VAR） assimilation of the PWV data, some interesting features are revealed. During the 12 hours prior to the squall line arriving in the Shanghai area, a significant increase in PWV indicates a favorable moist environment for a squall line to develop. The vertical profile of the moisture illustrates that it mainly increased in the middle levels of the troposphere, and not at the surface. Temporal variation in PWV is a better precursor for squall line development than other surface meteorological parameters. The characteristics of the horizontal distribution of PWV not only indicated a favorable moist environment, but also evolved a cyclonic wind field for a squall line genesis and development. The ＂＋2 mm＂ contours of the three-hourly PWV variation can be used successfully to predict the location of the squall line two hours later.