GPS三维水汽层析的算法研究与实现

发布时间：2017-03-25 00:05

  本文关键词：GPS三维水汽层析的算法研究与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水汽是大气中活跃而富有变化的成分,在大气能量传输和天气系统的演变中起着非常重要的作用。研究大气水汽的空间分布及其随时间的变化,对于天气监测、水循环研究等具有重要的意义。传统的大气水汽观测手段受时空分辨率的限制,对初始水汽场的描述远远不够,而采用GPS三维水汽层析技术能够快速获取区域上空高时空分辨率的三维水汽空间分布,对校正和改善中尺度数值预报模式的初始湿度场极为重要。基于精密单点定位技术,采用地基GPS水汽遥感技术反演出GPS斜路径湿延迟(SWD);然后,附加水平约束和垂直约束条件,建立联合观测方程,采用最小二乘方法和迭代重构算法进行水汽层析解算,重构研究区域上空的三维水汽空间分布。本文主要是基于迭代重构算法,进行了GPS三维水汽层析的算法实现,编制了相应的程序模块;在此基础上,利用试验数据,对代数重构算法(ART)和联合迭代重构算法(SIRT)用于水汽层析解算的结果进行了比较和分析,重点对迭代初值的选择、松弛因子的选取等进行了讨论。本文借助编制的GPS三维水汽层析程序,进行了香港地区和渤海局域海域上空的三维水汽层析试验,获取了其三维水汽空间分布,试验结果表明:(1)在香港地区上空GPS三维水汽层析试验中,使用代数重构算法(ART)与联合迭代重构算法(SIRT)的层析结果与无线电探空资料的偏差的均方根差均优于10mm/km,取得了比较理想的结果。两种算法精度相当,但是SIRT算法解算时间更短,因此在GPS三维水汽层析的快速解算中,SIRT算法要优于ART算法。(2)使用SIRT算法进行GPS三维水汽层析试验,初值选用MM5资料和无线电探空资料得到的大气湿折射率的精度更高,但是在数据比较缺少的情况下,初值使用模型估计也有较好的精度保证。(3)以均方根差RMS作为迭代质量优劣的标准对最优松弛因子进行搜索,对不同时间不同区域,最佳松弛因子并不是固定值,对最佳松弛因子的搜索还需要进一步的研究。
【关键词】：精密单点定位 水汽层析 湿折射率 迭代重构算法
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P228.4;P412
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究背景及选题的依据10-11
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 论文研究的意义11
• 1.2 国内外研究现状及趋势11-16
• 1.2.1 国外GPS气象学发展和研究现状11-13
• 1.2.2 国内GPS气象学发展和研究现状13-15
• 1.2.3 GPS气象学的发展趋势15-16
• 1.3 本文研究内容16
• 1.4 本章小结16-17
• 第二章 地基GPS水汽遥感的理论基础17-32
• 2.1 引言17-18
• 2.2 大气折射基础18-19
• 2.3 对流层延迟模型和参数估计方法19-27
• 2.3.1 天顶对流层延迟模型20-21
• 2.3.2 映射函数21-24
• 2.3.3 梯度模型24-25
• 2.3.4 对流层延迟参数估计方法25-26
• 2.3.5 单参数方法26
• 2.3.6 多参数方法26-27
• 2.4 地基GPS天顶对流层湿延迟（ZWD）估计27-28
• 2.5 地基GPS大气可降水量（PWV）信息反演28-30
• 2.6 地基GPS斜路径水汽含量（SWV）信息反演30-31
• 2.7 本章小结31-32
• 第三章 GPS三维水汽层析方法研究32-42
• 3.1 前言32
• 3.2 GPS三维水汽层析算法32-38
• 3.2.1 水汽层析的基本原理32-34
• 3.2.2 水汽层析的观测方程34-35
• 3.2.3 水汽层析方程的不适定性35-36
• 3.2.4 水汽层析的约束条件36-38
• 3.3 基于迭代重构算法的水汽层析参数估计38-40
• 3.3.1 迭代重构算法38-40
• 3.3.2 建立联合观测方程40
• 3.4 基于最小二乘算法的水汽层析参数估计40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 GPS三维水汽层析算法实现与结果分析42-65
• 4.1 引言42
• 4.2 GPS三维水汽层析程序设计42-44
• 4.3 香港地基GPS三维水汽层析试验44-54
• 4.3.1 香港卫星定位参考站网44-46
• 4.3.2 网格划分46
• 4.3.3 解算策略46-47
• 4.3.4 香港GPS三维水汽层析试验结果和精度分析47-54
• 4.4 渤海GPS三维水汽层析试验54-64
• 4.4.1 HY-2 辐射计柱状水汽信息提取55-57
• 4.4.2 MM5中尺度数值预报模式信息提取57-58
• 4.4.3 研究区域及网格划分58
• 4.4.4 解算策略58-59
• 4.4.5 渤海GPS三维水汽层析结果与精度分析59-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第五章 结论与展望65-67
• 5.1 本文完成的主要工作65
• 5.2 本文的主要结论65-66
• 5.3 研究展望66-67
• 参考文献67-72
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果72-73
• 一、硕士期间参与导师的科研项目72
• 二、硕士期间发表的学术论文72-73
• 致谢73

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