【摘要】：水汽在大氣中含量極少,但它和降水的形成、氣候的變化有著密切的關系,作為全球氣候變化監(jiān)測的對象,它在大氣垂直穩(wěn)定度、地球氣候系統(tǒng)平衡等也起著關鍵的作用。GNSS氣象學作為一門新興的交叉學科,不僅提高了獲取大氣水汽含量的時空分辨率和精度,同時大大降低了觀測成本,具有非常好的應用前景。研究利用地基GNSS反演大氣水汽含量的基本原理、方法,有利于推動和加強該技術在氣候監(jiān)測、天氣預報等方面的應用。本文分析了地基GNSS反演大氣水汽含量較傳統(tǒng)技術的優(yōu)勢,然后基于GNSS遙感水汽的原理和計算方法,描述了地基GNSS實時反演大氣水汽含量的業(yè)務流程,并對影響地基GPS反演大氣水汽含量的因素進行了分析。針對區(qū)域網(wǎng)的特點,建立了區(qū)域大氣加權平均溫度模型,并給出了適合區(qū)域小網(wǎng)的解算方法和策略,分別利用精密單點定位方法和雙差最小二乘法反演水汽含量,并用探空值和實際降水量驗證了結(jié)果。基于TRACK模塊驗證了雙差kalman濾波方法用于地基GPS實時反演大氣水汽含量的可行性。利用BDS/GPS雙模數(shù)據(jù),基于北斗系統(tǒng)計算天頂對流層延遲并證明了北斗系統(tǒng)用于水汽監(jiān)測的可行性。主要工作包括以下幾個方面:(1)首先介紹了常規(guī)探測大氣水汽的方法以及地基GNSS技術的優(yōu)勢,GNSS氣象學的分類及其在國內(nèi)外的發(fā)展應用情況,簡要闡述了本文的主要研究內(nèi)容。介紹了常用的對流層延遲模型和對流層參數(shù)估計方法,闡述了地基GNSS探測大氣可降水量的原理,結(jié)合國際高精度數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT,描述了地基GNSS實時反演大氣水汽含量的業(yè)務流程。通過論述探空方法計算水汽的原理,給出了本文檢核地基GNSS反演PWV精度的方法,為下一步分析GNSS反演大氣可降水量的誤差奠定了基礎。(2)分析了影響地基GPS反演大氣可降水量的因素,利用探空技術檢驗了GNSS-PWV精度。結(jié)合鄭州、武漢等地的探空值以及實際降水量,分別討論了遠距離參考站數(shù)量、坐標約束、數(shù)據(jù)處理方式、地面氣象要素、衛(wèi)星高度截止角、衛(wèi)星星歷、對流層參數(shù)個數(shù)、投影函數(shù)和梯度對地基GPS反演大氣可降水量的影響,總結(jié)了地基GPS精確計算大氣可降水量的經(jīng)驗。(3)針對鄭州區(qū)域特點,提出了適合鄭州地區(qū)的加權平均溫度模型。利用鄭州無線電探空資料,分別通過單因素(地面溫度Ts)線性回歸和多因素(Ts、地面水汽壓e、地面氣壓Ps)線性回歸兩種方式,得出鄭州地區(qū)兩種大氣加權平均溫度計算模型,比較區(qū)域模型與經(jīng)典的Bevis-Tm模型的擬合均方根誤差,發(fā)現(xiàn)區(qū)域模型的誤差更小,再將所得模型應用到鄭州地區(qū)GPS可降水量計算中,與無線電探空實測結(jié)果對比分析,兩者均方根誤差約為2.2mm,并給出了鄭州地區(qū)的PWV二維分布。分析了雙差最小二乘方法與PPP方法解算ZTD的差異,結(jié)果表明偏差小于1cm。(4)對TRACK模塊進行了介紹,提出了利用TRACK實時估計大氣水汽含量的數(shù)據(jù)處理方案。利用雙差動態(tài)kalman濾波的方法,基于TRACK模塊,實現(xiàn)了區(qū)域網(wǎng)監(jiān)測站ZTD的實時獲取,通過與GAMIT靜態(tài)ZTD結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)兩者相差小于1cm,將TRAKC反演的PWV和探空值比較,驗證了利用雙差動態(tài)kalman濾波方法實時獲取精確PWV的可行性,其大氣可降水量精度在2mm左右。此外,通過分析中國雨季分布情況和目前數(shù)值天氣預報的水平,闡述了GNSS氣象學在天氣預報的重要性,最后結(jié)合武漢一次暴雨實例,分析了PWV在暴雨前后的變化特征,驗證了地基GNSS氣象學應用于惡劣天氣預報的可行性。(5)利用BDS/GPS雙模數(shù)據(jù)進行精密定軌,解算了全球18個測站的ZTD,比較了GPS和BDS不同系統(tǒng)解算測站天頂對流層延遲的精度差異,RMS小于1cm,并用CODE中心提供的ZTD參考值驗證了該方法解算ZTD的精度,BIAS小于1cm,RMS優(yōu)于2cm,最后比較了精密定位方法和精密定軌方法解算ZTD的精度,為下一步利用BDS進行實時可降水量反演奠定了基礎。
【圖文】：

圖 1.1 探空氣球（2）水汽輻射計(WVR，Water Vapor Radiometer)水汽輻射計，又稱為微波輻射計，如圖 1.2，它利用兩個頻率，22.235GHz和 31.4GHz，來分別測量天空的亮溫，然后轉(zhuǎn)換為大氣不透明系數(shù)，再利用不透明系統(tǒng)與水汽之間函數(shù)關系來得到大氣水汽含量。水汽輻射計通常 5~8 分鐘觀測一次，相比無線電探空技術具有更高的時間分辨率，但地基微波輻射計在有濃云或是雨雪天氣時，觀測到的數(shù)據(jù)存在較大誤差，而且價格昂貴。

圖 1.1 探空氣球輻射計(WVR，Water Vapor Radiometer)計，又稱為微波輻射計，如圖 1.2，它利用兩個頻率，22.235GHz和空的亮溫，然后轉(zhuǎn)換為大氣不透明系數(shù)，再利用不透明系統(tǒng)與水氣水汽含量。計通常 5~8 分鐘觀測一次，相比無線電探空技術具有更高的時間計在有濃云或是雨雪天氣時，觀測到的數(shù)據(jù)存在較大誤差，而且
【學位授予單位】：解放軍信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN967.1

【參考文獻】

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本文編號：2517900