CMONOC约束下的MODIS水汽分区域函数模型校正

融合全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）与中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS）可获得高精度、高空间分辨率的水汽分布信息。开展基于中国大陆构造环境监测网络（crustal movement observation network of China,CMONOC）观测资料的中国大陆地区MODIS水汽校正研究。首先,根据地理环境、海拔、气候类型等因素将中国大陆分为16个区域,开展区域MODIS水汽和GNSS水汽的相关性分析;其次,分区域、分季节选择不同的函数模型构建基于GNSS的MODIS水汽校正模型;然后,采取区域模型、单站点模型与实测GNSS水汽开展模型的可靠性检验;最后,通过分区域MODIS水汽校正和图像叠加,获得校正后的中国大陆地区MODIS水汽分布。研究表明,区域MODIS水汽校正模型精度与单站点模型相当,可取代单站点模型用于MODIS水汽校正。基于CMONOC的分区域函数模型可有效提高MODIS水汽精度,为短期天气预报和合成孔径雷达...     

京津冀地区GNSS对流层延迟空间插值研究

对流层延迟差异影响合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)形变测量精度;水汽的变化影响天气变化.对流层延迟与水汽具有较好的对应,因此有必要开展全球导航卫星系统(GNSS)对流层延迟的插值研究.以京津冀地区为例,针对GNSS对流层延迟,开展对流层延迟的空间插值研究.首先开展了GNSS对流层延迟与水汽的比较分析,两者存在显著正相关特性,相关性超过91.7%,论证了对流层延迟取代水汽的可行性.然后利用反距离权重法对京津冀地区2016年9月至2017年8月的12组GNSS测站对流层延迟进行空间插值,通过提取插值点对流层延迟与GNSS站点对流层延迟比较验证空间插值精度.全年数据平均偏差最大为1.12cm,均方根误差最大为0.89cm;未发生降水过程平均偏差最大为1.25cm,均方根误差最大为0.82cm;发生降水过程平均偏差最大为1.08cm,均方根误差最大为1.38cm.京津冀平原区域的GNSS对流层延迟空间插值结果精度满足气象等应用要求,可为气象预报和InSAR大气校正提供参考.     

CMONOC观测约束下的中国大陆地区MODIS PWV校正

基于CMONOC提供的GNSS观测和气象资料,开展中国大陆地区不同气候类型的MODIS PWV校正研究。首先依据不同气候类型,开展GNSS PWV与MODIS PWV的相关性分析;然后基于GNSS PWV构建不同气候类型的MODIS PWV校正模型;最后根据MODIS PWV、模型校正的MODIS PWV分别与GNSS PWV比较,开展模型改进效果检验。研究表明:不同气候类型的MODIS PWV校正模型,均能有效改善MODIS PWV精度,提高MODIS PWV在短期天气预报和InSAR大气校正的应用。     

GNSS约束的MERSI/FY-3A PWV校准方法EI北大核心CSCD

精确的水汽信息对于短临天气预警和长期气候监测具有重要意义。本文针对搭载在我国第2代极轨卫星风云三号A星(FY-3A)上中分辨率光谱成像仪(medium-resolution spectral imager,MERSI)获取水汽精度较低的现状,提出一种GNSS约束的MERSI/FY-3A PWV校准方法。首先,对MERSI/FY-3A的PWV段产品进行处理得到水汽日产品,并利用GNSS和无线电探空(radiosonde,RS)数据对其进行评估;然后,根据PWV的季节分布特性,构建GNSS约束的MERSI/FY-3A PWV季节自适应校准模型;最后,分别利用GNSS、RS和再分析资料对校准后的MERSI/FY-3A水汽进行对比,验证提出方法的有效性。研究表明:本文提出的PWV校准方法,能够有效改善MERSI/FY-3A水汽日产品和旬产品的精度,改善率分别为58.63%和68.72%。该方法可为遥感水汽快速校准研究提供重要的理论依据。     

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函数将格网点水汽值插值计算到临近探空站点或全球卫星导航系统(GNSS)站点上,再利用双线性插值法进行水平方向上的水汽插值计算,进行精度分析. 研究表明:高原地区测站间日均偏差(bias)多数分布在2 mm以内,月均偏差均小于1 mm,MERRA-2水汽产品在高原中部和北部精度较高,南部精度较低.      

GNSS辅助风云三号卫星MERSI近红外通道的大气可降水量反演方法

大气水汽是对流层中的重要参数之一,已被广泛应用于短临天气预警和长期气候监测等领域。我国风云三号(FY-3)系列卫星搭载的中分辨率光谱成像仪可用于大气水汽监测,但反演大气可降水量(PWV)时存在大气透过率参数低估、水汽与大气透过率回归系数经验选取的缺陷,无法满足在短临降雨监测、数值同化等高精度PWV应用方面的需求。针对该问题,本文提出一种GNSS辅助FY-3卫星的高精度PWV反演方法。本文方法引入高精度实测GNSS PWV作为大气透过率计算模型的回归拟合参数,辅助FY-3 L1级数据精确估计PWV和大气透过率的模型回归系数;同时,该方法顾及季节和高程因素对FY-3-L1 PWV反演的影响,分季节反演PWV并引入数字高程模型修正由于部分大气透过率参数低估导致的FY-3 L1 PWV相对不准确的现象。选取中国区域2013—2014年FY-3A卫星的L1数据和中国地壳运动观测网络的260个GNSS测站数据进行试验。结果表明,本文提出的GNSS辅助FY-3系列卫星PWV反演方法优于传统方法(FY-3A-L2 PWV),其整体精度改善率为74.5%,可得到更加可靠、稳健性更强的PWV格网产品,对于...     

利用CORS站研究多因子分季节可降水量转换模型

针对GNSS气象学中可降水量转换过程较为复杂的问题,利用2017年江苏CORS站及其并址探空数据,分析大气可降水量(PWV)与天顶对流层延迟(ZTD)、温度和气压之间的相关性,采用线性回归拟合法建立多因子分季节PWV模型,并用2017-2018年数据验证模型精度.结果表明PWV与ZTD有很强的线性相关性,相关系数为0.980 3,PWV与温度和气压有较强的相关性,相关系数分别为0.611 2和-0.613 6;全年PWV模型中,单、双、多因子模型的RMS分别为2.88、1.70和0.49 mm,精度依次提高;多因子PWV模型中,分季节PWV模型较全年PWV模型的RMS分别提高0.23、0.20、0.18和0.37 mm,精度明显优于全年模型.因此,多因子分季节PWV模型预测精度优于1 mm,满足GNSS监测水汽的气象应用精度要求.     

附加高水平分辨率PWV约束的GNSS水汽层析算法

全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)水汽层析技术凭借高精度、低成本、全天候等优点成为获取高时空分辨率水汽三维分布的重要手段之一。引入遥感卫星提供的高分辨率水汽信息,首次提出附加高水平分辨率大气可降水量(precipitable water vapor, PWV)约束的GNSS水汽层析算法,对现有水汽层析算法的约束条件进行补充和改进。首先对高分辨率PWV观测值进行校正,然后基于二次加密划分的层析体素块构造PWV约束方程,通过将PWV约束方程融合到GNSS层析模型来改善模型的约束条件,进而优化层析结果质量。利用徐州地区2017-08的GNSS观测数据和风云三号A星(Fengyun-3A, FY-3A)遥感水汽数据对该算法的可行性及精度进行验证,分别以高精度的探空水汽廓线和ERA5三维水汽密度场为参考值对层析结果进行评估。实验结果表明,所提算法反演的水汽廓线和三维水汽分布均优于传统层析算法,各类精度指标都有了显著改善,其中平均均方根误差由2.73 g/m~3减小为1.78 g/m~3,反演精度提高了34.80%,进一步表明所提算法可有效改善层析结果质量,有助于获取高精度和高可靠性的三维大气水汽分布。     

一种对流层延迟的ZTD与PM2.5浓度相关性研究

基于水汽与GNSS ZTD之间的高相关性,该文利用2015年12月至2016年5月中国大陆环境监测网络(CMONOC)的GNSS数据,借助小波变换方法开展GNSS ZTD与GNSS站点所在城市的PM2.5浓度观测的相关性研究。采用小波变换方法对ZTD与PM2.5进行相同的分解与重构,并对分解重构后的ZTD与PM2.5进行相关性分析。实验表明:基于小波变换方法分解重构的GNSS ZTD与PM2.5浓度的相关性明显高于GNSS ZTD与PM2.5浓度实测值的相关性,在中国华北、华中、西北及东北地区GNSS ZTD与PM2.5浓度的相关性呈显著正相关特性,中国西南以及沿海地区,由于降水及其他因素的干扰,GNSS ZTD与PM2.5浓度的相关性不显著。     

基于小波变换的CMONOC的ZTD与PM2.5浓度的相关性研究

基于水汽与GNSS ZTD之间的高相关性,该文利用2015年12月至2016年5月中国大陆环境监测网络(CMONOC)的GNSS数据,借助小波变换方法开展GNSS ZTD与GNSS站点所在城市的PM2.5浓度观测的相关性研究。采用小波变换方法对ZTD与PM2.5进行相同的分解与重构,并对分解重构后的ZTD与PM2.5进行相关性分析。实验表明:基于小波变换方法分解重构的GNSS ZTD与PM2.5浓度的相关性明显高于GNSS ZTD与PM2.5浓度实测值的相关性,在中国华北、华中、西北及东北地区GNSS ZTD与PM2.5浓度的相关性呈显著正相关特性,中国西南以及沿海地区,由于降水及其他因素的干扰,GNSS ZTD与PM2.5浓度的相关性不显著。     

黄土高原地区PWV影响因素分析及精度评定

大气水汽是对流层的重要组成部分之一,研究影响水汽的因素及精度具有重要意义。主要研究黄土高原地区大气可降水量（precipitable water vapor, PWV）的影响因素,并对其实际精度进行评估。首先,对ERA5（the fifth-generation atmospheric reanalysis data of ECMWF）的气压、气温数据和全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）获取的天顶对流层延迟（zenith troposphere delay, ZTD）进行评定;然后,依据ERA5的气压、气温数据和GNSS的ZTD数据计算1 h分辨率的PWV,并利用误差传播理论推导PWV的理论误差; 最后, 与PWV实际计算误差进行对比,分析黄土高原地区PWV的精度。结果表明,基于GAMIT/GLOBK软件获得的GNSS ZTD与PANDA软件解算的GNSS ZTD差值的均方根（root mean square, RMS）和Bias分别为4.05 mm和-0.46 mm;ERA5气压和气温的平均RMS和Bias分别为3.36 hPa/1.97 K和-0.01 ?hPa/0.04 K;黄土高原地区PWV的理论误差为1.51 mm,实际误差为1.94 mm。计算得到的PWV精度较高,对水汽分布以及气候监测的研究具有重要意义。     

融合GNSS PWV、风速与大气污染观测的河北省春季PM2.5浓度模型研究

PM2.5浓度时空演化特征分析有助于大气污染的现状和发展认知,但PM2.5浓度监测积累时间较短,且受到排放强度和气象因素的影响,因此可融合全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）天顶可降水量（precipitable water vapor,PWV）、风速和大气污染物构建PM2.5浓度模型。以河北省为例,首先分别开展PM2.5浓度与大气污染物、GNSS PWV及风速的相关性分析;然后将大气污染物、GNSSPWV和风速作为输入,PM2.5浓度作为输出,利用逆传播（back propagation,BP）神经网络分别构建城市PM2.5浓度模型和区域PM2.5浓度模型;最后进行PM2.5浓度模型可靠性检验。将模型预测值与PM2.5浓度实测值比较发现,预测PM2.5浓度等级准确率高,相对误差较低。该模型可用于区域PM2.5浓度时空演化特征分析。     

区域大气加权平均温度模型构建与适用性分析

加权平均温度作为GNSS水汽反演的重要参数,直接影响大气可降水量的反演精度,而建立区域化加权平均温度模型有助于提高水汽反演精度。利用香港探空站2012-2015年数据资料,在分析加权平均温度与地面气象要素关系的基础上,运用最小二乘原理探究最优回归方程系数,回归建立了区域加权平均温度的单因素模型和多因素模型。结果表明:多因素模型精度高于单因素模型,但并不显著,Bevis经验公式应用于香港区域时不满足精度要求;对模型精度和适用性进行了分析比较,表明文中建立的模型精度较高,能更好满足水汽遥感高精度的要求。      

基于MGEX站多系统GNSS反演大气可降水量精度评估

2020年6月北斗卫星导航系统(BDS)完成全面组网,为分析其解算水汽信息的精度,选用15个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站2021年10月至11月的观测数据进行水汽反演. 利用GAMIT软件分别解算BDS、GPS、Galileo和GLONASS的观测数据,将得到的对流层天顶延迟(ZTD)与国际GNSS服务(IGS)发布的结果进行对比,并将解算的大气可降水量(PWV)分别与探空数据、ERA5数据计算得到的PWV对比. 实验结果表明:截止高度角设置为5°时,4个卫星系统估计的ZTD均方根 (RMS)均小于13 mm,GPS-PWV、BDS-PWV、Galileo-PWV、GLONASS-PWV与无线电探空可降水量(RS-PWV)相比,RMS平均值分别为2.25 mm、2.46 mm、2.52 mm和2.84 mm,RMS均小于3 mm;与ERA5-PWV相比,RMS平均值分别为1.63 mm、1.86 mm、1.76 mm和1.99 mm,RMS均小于2 mm. GPS探测水汽的精度最高,BDS探测水汽的精度低于GPS和Galileo,高于GLONASS,均满足气象学应用需求.      

利用中国区域MERRA-2资料计算ZTD和ZWD的精度分析

对流层延迟是影响高精度定位与导航的主要误差之一,也是全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）水汽探测的关键参数。美国航空航天局发布了最新一代的大气再分析资料（MERRA-2资料）,其可用于计算高时空分辨率的对流层延迟产品,但是目前尚无文献对利用MERRA-2资料计算天顶对流层延迟（zenith tropospheric delay,ZTD）和天顶湿延迟（zenith wet delay,ZWD）的精度进行分析。因此,联合2015年中国陆态网214个GNSS站ZTD产品和分布于中国区域的87个探空站资料,对利用MERRA-2资料在中国区域计算ZTD/ZWD的精度进行评估。结果表明：（1）以陆态网ZTD为参考值,利用MERRA-2资料积分计算ZTD的年均偏差和均方根误差（root mean square error,RMSE）分别为0.32 cm和1.21 cm,且偏差和RMSE均表现出一定的季节变化,总体上呈现为夏季精度低、冬季精度高;在空间分布上,偏差随纬度和高程的变化趋势并不明显,但RMSE随纬度和高程的增加总体上呈现递减的趋...     

船载GNSS探测海洋水汽信息的影响因子分析

利用船载全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）方式探测海洋水汽含量,可丰富海洋水汽观测量和观测密度。利用印度洋航次试验实测数据,基于精密单点定位技术对海洋上空可降水份探测的精度问题进行了研究,主要分析了GNSS高程与可降水份之间存在的耦合关系,标定了动态GNSS的高程精度,分析了不同算法对可降水份估值的影响。结果显示:①固定解与浮点解、多系统与单系统对可降水份估算的影响不大,而不同软件、不同卫星星历和钟差产品对可降水份估算的影响较大,量级为2~4 mm;②高程与可降水份之间存在耦合关系,经初步估算,高程的均方根误差每增加24mm,则可降水份估值的均方根误差相应增加约1mm;③惯性测量单元垂荡值与精密单点定位高程结果之间的相关系数高达99%,二者的互差优于30mm,满足动态GNSS海洋水汽估计对高程精度的要求。