GPS遥感区域大气水汽总量研究回顾与展望

20世纪90年代以来，GPS气象学迅速发展成为一个前沿性、多学科交叉的研究领域，利用GPS技术探测大气水汽含量的研究取得了很大进展，有望在未来大气探测、天气预报和气候变化的研究和业务工作中发挥重要作用。文章论述了利用GPS遥感大气水汽总量的气象学意义，比较了该技术相对于其它探测方法的特点和优势，简介了GPS遥感大气水汽总量的类型以及地基GPS气象学的基本原理，对国内外近10年来在应用地基GPS技术遥感大气水汽总量方面取得的主要成果、应用现状及未来发展趋势做了综合性评述。最后，分析了该技术目前存在的主要问题。     

基于地基GPS遥感的大连地区大气水汽总量变化特征

基于大连地区地基GPS综合观测网遥感反演了大气水汽总量（PWV）,分析了大连地区PWV空间变化、逐月变化和日变化特征以及PWV变化与降水的关系,并利用大连本站2005-2011年的探空资料拟合了大连地区地面温度和大气加权平均温度的关系。结果表明：大连本站的PWV与探空积分的水汽含量相关系数达到0.988,均方根误差为2.5 mm。大连地区PWV南北分布比较均匀;PWV最大的月份为7-8月,最大月平均值约40 mm,PWV最小的月份为1月,最小月平均值小于4 mm;大连地区PWV春季和冬季日变化幅度约0.5 mm,夏季和秋季日变化幅度约1.3 mm。夏季和秋季的PWV日变化呈单峰型,春季和冬季的PWV日变化呈多峰型; 在降水发生前8 h 大气水汽总量有明显增加过程,对降水的发生有指示作用。     

北京地区单双频地基GPS大气水汽遥测试验与研究

该文对北京地区单双频地基GPS大气水汽监测网布网依据、单频与双频地基GPS测量数据解算技术应用、GAMIT和Bernese地基GPS数据分析处理软件应用、远程遥控GPS数据采集与通讯系统、资料分析与数值同化应用等方面的工作进展进行简要介绍,重点讨论了单双频地基GPS大气水汽资料的解算技术及其应用效果。结果表明:在北京天气敏感区通过单双频地基GPS接收机合理组网布局,可构建并利用高分辨率电离层延迟订正技术将单频接收机的大气水汽监测精度提高到实用水平,为强降水天气预报提供有价值的产品。     

GPS应用与大气三维结构监测技术研究

本项目主要就如何利用全球卫星定位系统(GPS)精确监测大气层水汽总量、如何将不同方法结合监测高原水汽总量、大气水汽资料的应用和稳定同位素分析技术在水汽源诊断等方面开展了研究,取得以下主要研究成果:     

GPS水汽遥感中的大气干延迟局地订正模型研究

在GPS遥感水汽过程中,大气干延迟模型的精度直接影响水汽遥感的精度。根据广东清远站1995～2001年的气象探空资料,计算了GPS水汽测量中的实际大气干延迟。在此资料基础上,利用地面气象要素建立了大气干延迟的年和分月局地订正模型。分析结果表明,年模型的精度优于目前广泛使用的普适模型;月模型与年模型相比,效果不是很明显,建立局地分月订正模型意义不大;在对高度角的敏感程度上,局地模型略大些;当高度角小于75时,大气干延迟弯曲路径与直线路径之差ΔS随天顶角增大而迅速增大。     

一次西南涡持续暴雨的GPS大气水汽总量特征

利用成都地区地基GPS遥感的大气水汽总量资料 (GPS-PWV)、NCEP再分析资料、自动站降水量资料和探空站比湿资料,对2010年7月15—18日发生在四川盆地东北部的一次持续性暴雨的水汽变化特征进行综合分析,重点探究这次大暴雨的影响系统 (西南涡) 发生、发展前后GPS-PWV的演变特征及其与降水的关系。结果表明:降水发生时,GPS-PWV通常在短时间内有急剧的上升,并在西南涡形成前达到最大值;西南涡完全形成时,GPS-PWV急升结束;西南涡东移,GPS-PWV继续下降到最低,降水趋于结束。与水汽通量散度相比较,水汽散度垂直通量能更好地描述暴雨过程中的强上升、辐合辐散运动以及水汽输送情况,它与GPS-PWV变化趋势基本一致。因此,GPS-PWV的急升与陡降对大暴雨的形成与减弱有一定指示意义。     

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.     

GPS资料在天气分析中的应用

１９９８年５月５日至６月２６日华南暴雨试验期间，在汕头和阳江分别安装了地面ＧＰＳ接收机，用ＧＰＳ信号反演气柱水汽总量。ＧＰＳ反演结果与常规无线电探空计算结果是一致的。使用ＧＰＳ资料可以提高了解水汽分布的时空分辨率，对监测与雷暴发展有关的中尺度对流系统的生消是有价值的。     

GPS探测与FY-2反演大气可降水量对比分析

为深入了解FY-2卫星大气可降水量(PW)的反演质量,文章选取2012和2015年地基GPS水汽观测数据,与FY-2的PW反演产品进行了对比分析。结果表明:(1)北京、武汉和海口三站GPS/PW(PW_(GPS))与FY-2/PW(PW_(FY-2))在夏季存在显著正相关,三站的相关系数都达到0.67以上,夏季PW的均方根误差值、月平均偏差绝对值均小于冬季。北京与武汉站PW平均偏差和均方根误差在四季均具有明显日变化特征;(2)当PW_(GPS)20 mm时,北京、武汉、海口和拉萨站FY-2/PW与GPS/PW比较一致,PW偏差均值的绝对值和均方根误差较小,当PW_(GPS)20 mm时,PW偏差均值绝对值和均方根误差随PW_(GPS)值减小而迅速变大。FY-2的PW产品在夏季可以为大部分区域提供高时空分辨率、高精度的大气可降水量,在大气湿度非常低、冬季和夜间条件,反演结果精度有待提高。     

大气探测高技术及应用研究进展

大气探测技术是支撑大气科学,特别是大气物理和大气环境学科发展的重要基础,其主要任务是发展新的探测和试验手段、原理和方法,为认识大气运动以及大气中各种物理、化学、生物过程的基本规律及其与周围环境的相互作用提供技术手段和方法。除了充分利用国内外已有的成熟技术和产品对大气科学发展提供支持外,大气探测还存在一系列科学与技术问题需要研究和开发,这也是大气探测科学与高技术的前沿。本文从强对流和降水探测技术、雷电探测技术、云特性探测技术、臭氧和气溶胶等大气成分探测技术、地基GPS观测反演大气和海洋参数、大气与环境综合探测平台六个方面综述近五年来中国科学院大气物理研究所在地面大气探测高技术研发、实验观测及相关研究领域所取得的一些主要进展,并对未来发展进行展望。     

大气电场资料在黑龙江雷电监测预警中的应用

文章利用大气电场仪资料,结合常规气象资料、黑龙江省闪电定位系统监测资料和雷达资料分析了哈尔滨市2014年5月18日的一次雷暴天气过程。结果表明:这次由午后强对流活动引发的雷暴过程分布不均,具有局地性、突发性。负地闪所占比例较高,平均雷电流强度为中等,其中首次地闪的雷电流强度最大;大气电场能够较好地反映带电云的产生、聚集、消亡过程;此次雷暴过程中大气电场仪曲线在雷暴发生前15min剧烈快变抖动,对雷电监测预警具有明显的指示作用。大气电场仪资料结合雷达资料和闪电定位仪资料能够提高雷电预报的准确率。     

城市内涝监测技术的应用研究

根据城市内涝监测预警的需求,提出在城市河流的关键点,将高精度压力水位器与区域自动气象站组成内涝监测系统,并从系统架构、测量原理、参数设置、误差补偿等方面阐述设计方法.系统每分钟采集一组数据,水位测量精度达到0.1％.通过与国家标准水文站对比分析,该站水位与天文潮位涨落趋势一致,相位落后1h,观测误差平均为0.06 m.通过分析,得到结论,当茅洲河流域日平均面雨量大于40 mm,测站水位达到1.5m,并维持4h以上时,极易发生城市内涝.将水位监测与面雨量实况结合,对提高城市内涝预警预报能力有较大的帮助.     

应用地基GPS技术遥感大气柱水汽量的试验研究

从理论上分析了AN (Aske and Nordius) 大气柱总水汽量 (W) 计算模型的偏差, 探空试验结果证实了理论分析的结论.作者经过推导, 建立了新的W计算模型, 与探空方法获得的W值具有很好的一致性. 1998年进行了一次“GPS暴雨观测试验”.试验结果发现:可降雨量的高值时段与降雨过程高度相关; 大的降雨过程, 在降雨前, 可降雨量一般都有一段递增过程, 在降雨结束过程中, 可降雨量一般都有一个递减过程, 在突发暴雨事件发生前往往发生可降雨量突然大幅度递增现象; 在大暴雨事件发生前, 存在一个长时间的十分明显的孕育阶段.     

我国综合气象观测运行监控系统的设计与实践

综合气象观测系统是我国气象预报服务的基础,保障综合气象观测系统的稳定可靠运行是我国气象探测事业发展的关键.文章阐述了我国综合气象观测运行监控系统(ASOM)的结构、系统建设所采用的技术路线和解决的关键技术问题,介绍了系统功能和特点,并结合我国气象探测设备监控与保障业务实际,探讨了系统未来的改进方向.     

子波变换在大气科学中的应用研究

子波变换是在80年代初才开始发展起来的崭新的数学分析方法。它适宜于分析研究信号的局部性质。子波变换在地震资料分析、图像处理、声音信号分析、分形、抽样、湍流以及大气和海洋科学的诸多研究领域中得到了广泛的应用，与传统数学方法相比显示出巨大的优越性。本文在简要介绍子波变换的定义和一些基本概念的基础上，结合实例给出子波变换在大气科学中的应用研究。最后，讨论了使用子波变换时应注意的问题并展望了它的应用潜力。     

滑动时间窗技术在地基GPS数据实时解算中的应用

滑动时间窗技术使用移动的时间窗定义参与解算的GPS(全球卫星定位系统)数据的起止时间,使得最新的观测数据得以加入实时的数据解算,获得最接近实况的观测结果。使用固定宽度的时间窗,可在保证模糊度解算精度的同时,占用最少的计算机资源。以2008年中国境内6个IGS(国际全球卫星定位服务局)测站全年数据为例,采用滑动时间窗技术,用不同的时间窗宽度计算各测站的逐时对流层参数,以CODE网站上公布的上述测站的逐日天顶总延迟(Zenith Total Delay,ZTD)作为标准值,分别统计其标准差,分析不同宽度的时间窗对ZTD解算精度的影响。结果表明,业务化的"地基GPS实时水汽反演系统"应用滑动时间窗技术,将时间窗宽度设定在8h左右,可以在获得高精度对流层参数的同时,满足业务的实时性需要。     

国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读:D0510大气数据与信息技术

2021年,国家自然科学基金委员会进行了大气科学学科资助布局改革,形成了分属于“分支学科”“支撑技术”和“发展领域”三大板块的共15个二级申请代码的全新资助体系。作为“支撑技术”板块中的重要成员,“D0510大气数据与信息技术”申请代码旨在鼓励先进技术与方法的创新以及大气学科基础理论与技术的交叉融合。本文从改革背景、逻辑框架、内涵构成等方面对新编“D0510大气数据与信息技术”申请代码的四大类研究方向及关键词进行了专门解读,阐明了D0510主要侧重于提高包容性与覆盖面的设计思路,强调了D0510对“卡脖子”关键技术和潜在“颠覆性”技术的引领作用。本文对往年D0510各方向关键词的基金申请和文献使用情况进行了统计分析,以帮助相关科研人员及时把握D0510申请代码的发展趋势,充分理解研究方向与关键词的内涵和逻辑关系,避免研究方向和关键词的选取过于集中或者与其它板块申请代码间产生混淆等问题,从而为更准确地选择相应的研究方向与关键词提供参考。     

三维可视化技术在雷达三维组网产品显示中的运用

采用三维可视化技术,将三维面重建算法和体重建算法引入气象雷达回波图像的分析中,同时与中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室开发的新一代3D组网拼图产品相结合,对2007年9号台风"圣帕"进行了三维显示。结果表明:对于单部雷达体扫产品,三维组网拼图产品能全面地掌握更大范围内雷达回波的演变过程;相对于单一的二维平面的分析显示,三维可视化技术在构建回波的空间分布状况,尤其是回波的空间结构上有更大的优势,三维可视化技术结合雷达三维组网拼图产品为雷达回波的分析提供了一种更为全面的方式。