利用GPS的倾斜路径观测暴雨过程中的水汽空间分布

介绍了地基全球定位系统 (GPS) 沿倾斜路径方向观测水汽总量 (SWV) 的原理和方法; 不同时间和不同地点的GPS SWV与微波辐射计反演的SWV符合较好, 误差在3 mm左右, 表明GPS可以较高的精度探测SWV.计算了区域GPS观测网在一次暴雨过程中不同空间方位上的水汽观测结果, 为消除不同路径对SWV的影响, 把SWV转化为天顶方向的值VSWV; 分析了同一GPS站点对不同卫星方向VSWV的变化情况, 以及不同GPS站点对同一个卫星方向VSWV的关系.结果表明, 区域GPS观测网中倾斜路径观测可较好地探测不同方位上水汽的分布和变化; SWV相对于天顶方向的大气水汽总量PW而言, 能更好地代表真实大气水汽分布; 在探空或卫星观测等传统观测手段无法探测的情况下, GPS SWV数据可提供中小尺度暴雨结构中水汽分布和变化状况等有用信息.     

获取GPS斜路径方向水汽含量算法

获取高精度的GPS信号斜路径方向的水汽含量（SWV）数据,是获得测站周围水汽三维空间分布信息（水汽层析）的基础。目前计算SWV的方法有多种,但都不同程度地存在解算实时性差、解算精度不高、转换方程复杂不利于系统维护等缺点。本文计算SWV方法综合Bernese 5.0软件的双差处理流程和非差处理流程,分别获得相关站点的湿延迟梯度值和非差残差值,能近实时、高精度地反演SWV。使用该方法重新处理2007年微波辐射计和GPS对比观测试验数据,均方根误差小于4 mm。证明应用该方法,地基GPS可较精确地反演三维水汽信息。     

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.     

地基GPS水汽资料在北京“7·10”暴雨过程研究中的应用

利用2004年7月9-11日北京房山地基GPS探测网逐30分钟柱积分水汽总量(PW,Precipitable Water Vapor)资料,通过分析和数值模拟研究了北京2004年7月10日暴雨天气过程。观测分析表明:地基GPS测站上空水汽总量值的时间变化趋势对暴雨的发生、发展以及过程降水量的分析和预报有一定指示意义。利用NCEP全球预报系统GSF分析场资料作为背景场,采用12/4km双向两层嵌套WRF模式及其三维变分系统,通过同化7月9日1200 UTC地基GPS水汽总量等观测资料进行了36小时数值对比试验。数值研究表明:地基GPS水汽总量数据资料的初值同化明显增强模式初始场湿度,明显提高模式对该暴雨过程降水时段、落区和强度的预报水平。     

地基GPS和微波辐射计倾斜路径水汽对比观测试验方案设计

为开展地基GPS接收机和微波辐射计斜路径水汽总量的对比观测试验,设计实现一套控制微波辐射计全自动追踪可视范围内某颗GPS卫星,以获取微波辐射计与该GPS卫星之间斜路径水汽总量的外场试验方案.根据观测设备的特点,在软件控制层面上,该试验方案集成GPS接收机和微波辐射计的I/O数据和控制文件,实现各种天气条件下的自动连续观测,获取的观测数据样本具有代表性.该试验方案的实施全程由计算机控制,既可避免可能的人为操作失误,又能节约人员劳务开支.初步的观测结果表明,试验方案能够满足倾斜路径水汽总量对比试验对微波辐射计定位精度的要求.     

2020—2021年沈阳地区4次短时强降水过程的大气可降水量变化对比分析

选取2020—2021年夏季沈阳地区出现的4次短时强降水过程,利用欧洲中心(ECMWF,European Center for Medium-Range Weather Forecasts)ERA5再分析资料、地基GPS(Global Position System)大气可降水量资料和常规观测资料,分析不同天气系统影响下,沈阳地区短时强降水过程中GPS水汽与水汽通量的变化特征。结果表明：短时强降水过程前,水汽累积时间的长短与相应的天气系统关系密切。副热带高压系统外围导致的强降水过程,大气可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)可以一直维持在较高水平,水汽增长速度可达1.1 mm·h^-1。此外,强降水出现时段与PWV峰值阶段相对应,但二者峰值并不完全重合;短时强降水出现时,沈阳站的大气可降水量超过38 mm;强降水结束后,PWV明显减弱。     

海南GPS网探测对流层水汽廓线的试验研究

介绍了2005年11月在海南地区进行的一次地基GPS小网观测试验。试验目的是研究利用组网的GPS倾斜路径观测进行对流层水汽层析反演, 给出站点上空水汽的垂直廓线结构信息。概述了试验中GPS原始数据处理方法以及层析反演的方法。将GPS层析得到的水汽垂直廓线与海口站探空观测的水汽廓线进行了对比, 结果表明:二者一致性较好, 均方根误差在0.5g·m-3左右, 层析结果较好地反映出试验期间水汽减少、大气变干的过程。另外, 采用3种不同的先验信息方案测试分析了GPS层析的结果, 表明GPS观测量对水汽先验信息有明显的调整作用。并对GPS水汽层析中可能存在的问题进行了讨论。试验证明高时间分辨率的GPS观测有能力层析出GPS测站上空水汽的廓线信息。     

基于气象要素内插的GPS水汽反演方法研究与精度分析

准确获取测站气压和温度对GPS水汽反演至关重要。由于我国地域辽阔、经济和社会发展的差异较大,我国GPS气象站网有部分站点未布设气象传感器,无法准确获取测站的气压和温度,其对测站上方水汽造成了较大影响。本文提出一种增加高度订正的反距离加权法,并利用全国113个GNSS气象站(包括25个实验站点,88个插值站点)的连续3个月的气象数据对该方法进行验证。结果表明,内插得到的气压和温度的均方差为1.53 hPa和1.18 K,平均偏差为0.94 hPa和0.82 K。精度随着内插站点与实验站点之间高差的增大,偏差随之增大。最后将内插得到的气压和温度应用于GPS水汽解算,并与GPT-2模型的精度对比。内插气象数据得到的PWV(Precipitale Water Vapor)的均方差和平均偏差为0.59 mm和0.38 mm,精度明显优于GPT-2模型。     

基于雨雪天气背景的微波辐射计斜路径与天顶观测的反演结果对比分析

为检验斜路径观测反演方法对雨雪天气背景下微波辐射计反演结果的改进,以2014年2月17—18日发生在武汉的一次雨雪过程为例,利用武汉观象台MP-3000A型微波辐射计天顶方向和斜路径观测反演的温度、相对湿度、水汽密度、液态水含量等廓线产品,分别与武汉观象台L波段探空资料,以及GPS-MET和Thies Clima激光雨滴谱仪的观测资料进行了对比检验。结果表明:(1)微波辐射计以斜路径方向观测,可以较好地消除K、V波段亮温信号饱和现象,亮温随降水强度的变化出现起伏波动的特征;(2)微波辐射计斜路径方向的反演产品与探空观测的相关性较好;(3)与GPS-MET观测的大气整层可降水量(PWV)比较,斜路径观测反演的PWV虽然整体偏大,但走势一致,而天顶方向的反演产品在有降水出现时,跃增明显;(4)与雨滴谱比较,斜路径方向观测时,地面降水强度的峰值与云中液态水丰沛区有着很好的对应关系。     

利用地基GPS数据分析北京“7〖DK〗·21”暴雨水汽特征

基于北京“7〖DK〗·21”暴雨期间北京地基GPS网全天时全天候观测数据,利用水汽反演软件得到大气可降水量（PWV：Precipitable Water Vapor）时空变化序列,通过与探空对比,显示出地基GPS技术探测对流层大气水汽具明显的高时空分辨率优势;与FY2D卫星探测的云图变化序列对比,充分反映了利用GPS观测数据反演的PWV的可靠性与一致性;与实际降雨量对比,两者高度相关性显示了地基GPS技术对暴雨监测和预警的积极意义。数据分析结果表明：在暴雨来临之前的24~36 h的PWV值持续在较高（>40 mm）的位置,已有出现暴雨征兆。在暴雨之前的几个小时PWV持续性爆发性发展（每小时PWV增加10~20 mm）,已充分具备了产生暴雨的必要条件。因此,有效地利用GPSMET技术对天气预报的准度和精度将有很大改善。