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。     

附加虚拟信号精化水汽层析模型的方法

在全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）水汽层析中,受卫星星座和接收机几何分布的影响,穿过层析区域的射线条数有限。针对该问题,设计并实现了一种附加虚拟倾斜路径信号精化水汽层析模型的方法,该方法能够增加穿过研究区域的射线条数和射线穿过的网格数,使层析结果更加逼近真值。利用香港卫星定位参考站网2015年5月共31 d的GPS网实测数据和气象数据进行实验,并结合无线电探空数据验证该方法的可行性及精度。结果表明,该方法能够提高层析结果的精度,与传统层析方法相比,该方法在均方根（root mean square,RMS）、水汽密度廓线和误差分布上均优于传统方法。     

水汽层析代数重构算法

讨论了代数重构算法在水汽层析应用中的各种问题,包括约束条件的构造、层析初值的选择、松弛因子的计算、终止条件的确定等,给出了计算最优松弛因子的黄金分割搜索法和确定终止条件的NCP规则,对比分析了Kaczmarz、Randkaczmarz、Symkaczmarz、SART、Landweber、Cimmino、CAV、DROP等8种常见的代数重构算法,并以香港SatRef的观测数据进行了试验。试验结果表明,以上8种代数重构技术都能够满足水汽层析的要求;迭代终止条件比松弛因子更为重要;采用文中计算最优松弛因子的黄金分割搜索法和NCP迭代终止条件,CAV算法结果最优,其次为Cimmino算法。     

基于JSCORS层析连云港沿海水汽的三维特征分析

基于连云港沿海灌云、赣榆、燕尾港3个站点的JSCORS数据信息,选用GAMIT软件解算水汽斜路径湿延迟数据,通过Matlab软件解算斜路径方向上的水汽含量,运用层析技术,分析连云港沿海区域水汽的三维特征,取得良好的分析效果。     

附加辅助层析区域提高射线利用率的水汽反演方法

在已有的全球导航卫星系统水汽反演技术中,能够利用的观测值是完整穿过整个层析区域的卫星射线。由于卫星、接收机几何位置分布以及层析区域选择的特定性,许多卫星射线是从层析区域侧面穿出,这些射线通常当作无效信息被剔除,降低了层析结果的精度。针对该缺点,提出并实现了一种附加辅助层析区域提高射线利用率的水汽反演方法,使从研究区域侧面穿出的信号信息也可以被利用。基于美国得克萨斯州（Texas）地区的连续运行参考站（Continuously Operation Reference Stations,CORS）网的实测数据,结合层析区域内的无线电探空仪数据进行实验,结果表明,该方法能够提高水汽反演结果的精度,其均方根误差的改善率为14.6%。     

一次暴雨过程中GPS三维层析水汽场的变化特征

在已有的全球导航卫星系统水汽反演技术中,能够利用的观测值是完整穿过整个层析区域的卫星射线。由于卫星、接收机几何位置分布以及层析区域选择的特定性,许多卫星射线是从层析区域侧面穿出,这些射线通常当作无效信息被剔除,降低了层析结果的精度。针对该缺点,提出并实现了一种附加辅助层析区域提高射线利用率的水汽反演方法,使从研究区域侧面穿出的信号信息也可以被利用。基于美国得克萨斯州（Texas）地区的连续运行参考站（Continuously Operation Reference Stations,CORS）网的实测数据,结合层析区域内的无线电探空仪数据进行实验,结果表明,该方法能够提高水汽反演结果的精度,其均方根误差的改善率为14.6%。     

基于水汽垂直指数分布特征的PWV快速层析方法

GNSS水汽层析技术可以反演对流层水汽三维时空变化情况,但该技术比较复杂、运算量大,需要消耗一定的时间.故本文提出了一种利用地基GNSS反演的大气可降水量(precipitable water vapor, PWV)结合水汽在垂直方向上的指数分布特性来计算大气水汽三维分布的快速层析方法.该方法利用香港地区2022年8月的GNSS数据开展试验,与传统GNSS水汽层析方法进行对比.试验结果表明：两种方法的层析解算结果与探空数据均具有良好的一致性.虽然快速层析方法的解算结果在底层区域缺少一些水汽变化的细节信息,精度略逊于传统层析方法,但是在中、高层时精度会有所提升,层析解算结果良好.而且本文提出的快速层析方法无需构建和解算复杂的层析方程组,可以在大量GNSS测站参与水汽层析时减少计算复杂度,提升运算能力,同时可以更快地得到任意高度层的水汽密度,是一种简便、高效的层析方法.     

加权距离排序的水汽层析算法

针对代数重构算法中投影顺序对迭代收敛速度及精度的影响,该文提出了基于加权距离排序的算法。该算法可以优化新选择的投影与先前所用的投影序列之间的角距离,同时能够使得投影分布均匀,从而减小相邻投影之间的相关性;同时对层析方程组按照精度高低进行分组,保证了最终解更接近于实际观测数据;并在所有的实验中使用了非负约束,使得结果符合水汽密度的非负特征。基于香港卫星定位参考站网数据的实验结果表明:加权距离排序算法能够提高代数重构算法的收敛速度与精度。     

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。     

地基GPS网层析水汽三维分布数值积分新方法

针对传统层析方法的缺点,本文结合数值积分参数化方法,设计并实现了一种顾及地球曲率的水平与垂直方向分开插值的地基GPS网层析湿折射率三维分布方法,明显简化了垂直插值的运算,减少了层析实际观测方程中零系数参数的比例。利用美国Dallas地区CORS网实测GPS数据与气象数据,结合位于该区域的FWD探空站探空数据提供的湿折射率垂直轮廓线,验证分析了该方法用于实测数据的可行性及其精度。结果表明：相对于传统层析方法,新方法能够明显提高层析湿折射率垂直轮廓线的精度,与探空结果相比,新方法的RMS、误差分布均优于传统方法,而且垂直内插方法的精度也略高于复杂的三次样条垂直内插方法。     

地基GPS水汽层析的投影面算法

水汽层析技术在研究气候变化、极端天气预警、辅助数值天气预报等方面发挥着重要作用。常规的水汽层析技术在计算层析方程系数时,需要进行大量的求交运算。对此,本文提出了一种投影面算法,提高了运算速度和反演的精度。本文采用的试验数据是香港卫星定位参考站网(SatRef)提供的GPS信号数据,与传统算法相比,投影面算法的计算速度更快、计算量更小,不受层析区域大小影响,水汽层析的结果与探空数据具有良好的一致性。     

约束条件对GPS水汽层析解算的影响分析

附加约束条件的层析解算是解决GPS水汽层析观测方程不适定性的主要方法之一。本文对水汽层析中用到的各种约束条件进行了详细阐述,并利用模拟的两个GPS网分析了约束条件对层析解算的影响。结果表明,当水汽在水平方向变化较为平缓时,水平约束方程的权阵对层析结果具有较大的影响。另外,当GPS网测站间的相对高差较小时,仅利用GPS技术很难实现对水汽的准确监测,且层析结果的可靠性在很大程度上依赖于先验信息的精度。但是,对于测站间相对高差较大的GPS网来说,层析结果对先验信息的依赖性明显减弱,即使不采用其它观测手段获取的先验信息,也能得到可靠的层析解。     

利用选权拟合法进行GPS水汽层析解算

附加约束条件的层析解算方法是克服GPS水汽层析观测方程不适定性的主要方法,为了避免该方法中水平约束方程权阵的选取不当对水汽层析结果产生的不良影响,将选权拟合法应用到对流层水汽参数反演中。首先利用水汽参数在空间的分布规律构建参数权矩阵,并利用L曲线法确定正则化参数,然后利用模拟实验对该方法在水汽层析解算中的应用进行了验证。结果表明,该方法可以有效地克服观测方程的不适定性,反演得到符合客观实际的结果。     

湿延迟与可降水量转换系数的全球经验模型

利用2005~2011年的全球大地测量观测系统(global geodetic observing system,GGOS)Atmosphere提供的2.5°×2°(经度×纬度)的天顶湿延迟(zenith wet delay,ZWD)格网数据和欧洲中尺度天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的2.5°×2°可降水量(precipitable water vapor,PWV)格网数据,在全球范围内计算得到各格网点的地基GPS水汽反演关键参数Π^-1的时间序列,分析了其时空分布特征,建立了一种转换系数Π的全球经验模型。该模型无需站点气象数据,仅与站点经纬度、年积日和海拔相关。利用未参与建模的2012年的GGOS Atmosphere和ECMWF格网数据、2012年661个无线电探空站的探空资料对模型进行精度检验。结果显示,采用格网数据检验,其偏差的平均值(Bias)为-0.179 mm,均方根误差(root mean square error,RMS)的平均值为1.806 mm;采用无线电探空资料进行检验,其Bias为0.465 mm, RMS为0.789 mm。结果都表现出了较小的系统性偏差与较高的精度,说明所建立的湿延迟与可降水量转换系数模型在全球范围内具有较高的精度与稳定性。     

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。     

区域GPS网对夏季降雨过程中大气可降水量的探测

利用GPS网的观测资料,通过GAMIT软件求得5个测站对流层天顶总延迟,进而求出各测站对流层湿延迟;利用湿延迟与大气可降水量之间的转换关系得到各测站的大气可降水量。将所得GPS-PWV值与同时段探空资料所得的大气可降水量以及地表实际降水量进行对比分析,结果表明:GPS-PWV值与探空资料所得的PWV值比较相符;在降水前后,GPS-PWV有比较明显的变化,降水一般出现在GPS-PWV值迅速增加的4-6h内;实际降水量峰值与GPS-PWV增量大小也有较强的相关性。     

可降水份的误差分析

分析了由无线电探空数据计算可降水份中逼近误差和观测误差的影响,利用香港的无线电探空资料计算出逼近误差和观测误差的影响分别为 0.5mm和 1.2mm,两者的综合影响为 1.3mm。     

长三角地区多模GNSS斜路径观测分布及水汽仿真层析

目前长三角地区GNSS网已应用于该地区上空水汽的日常监测和水汽层析的研究。由于该GNSS网站间距较大、分布不均匀,斜路径观测值不能完全满足高精度水汽三维层析的需要,因此,本文对该地区进行了多模GNSS(GPS、Galileo、GLONASS、BDS)的观测仿真和水汽层析试验。结果表明,多模GNSS观测值角度变化范围大,在空间分布更均匀,相同观测条件下,多模GNSS观测值明显降低了空间格网的空格率,特别是改善了大气中上层格网的观测值覆盖情况。多模GNSS观测值弥补了单系统观测分布不均的状况,为空间格网提供了更为丰富的大气观测信息。通过仿真层析试验可以看出多模GNSS能够明显改善层析效果,尤其能够提高地面5km以上的层析精度。     

基于GPS和MODIS数据的大气可降水量反演算法研究

基于高精度的PWVGPS与MODIS近红外三通道比值透射率间的关系建立MODIS大气可降水量新反演算法以提高反演精度。利用美国Kansas州和Oklahoma州2009年4月～9月间17期的MODIS数据和对应的SuomiNet网PWVGPS数据进行研究,发现Kaufman和Gao Bo-Cai算法反演的PWVMODIS系统性地偏低于PWVGPS,存在较大的反演误差。以高精度的PWVGPS为标准水汽值,研究PWVGPS与MODIS近红外第19波段的三通道比值透射率间的关系,建立了MODIS大气可降水量新反演算法,并利用研究区数据进行试验验证,结果表明新算法可大幅提高PWVMODIS的反演精度。