中国地区实时高精度对流层垂直剖面模型构建研究
发布时间：2021-08-07 23:31
水汽作为天气变化的主要驱动力,是灾害天气形成和演变的重要因子,也是大气中最为活跃的组成部分。在GNSS气象学中,对流层延迟与水汽的变化息息相关,通过对流层垂直剖面延迟信息的精细变化分析,能够在一定程度上反映出水汽的变化状况,进而可以为灾害天气预警提供一种重要的参考依据。传统对流层垂直剖面模型常采用单一的线性函数,难以满足区域性水汽垂直信息的精细化表达。中国区域因其南北跨度大、地形地貌复杂、多种气候环境并存等特点,致使水汽信息在垂直方向上的变化尤为紊乱,传统模型在该区域的适用性较低,为此亟需建立一种适用于中国地区的高精度对流层垂直剖面模型。基于以上问题,首先,本文在建模数据源的选取上,采用了目前时空分辨率较高的MERRA-2产品数据;其次,在垂直方向建模方法上,分别基于高斯函数和指数函数进行对流层垂直剖面模型的构建;继而,对这两种函数模型中的各自系数进行时间序列分析,加入了相应的年周期与半年周期变化;最终,构建了一种顾及时空变化特性的中国地区实时高精度对流层垂直剖面模型。主要步骤及结论如下:1、基于MERRA-2产品数据,分别构建了通过高斯函数和指数函数表达的中国地区对流层垂直剖面函数模...
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国地区三个样本点处ZHDgauss模型和ZHDexp模型残差对比图
桂林理工大学硕士学位论文波动范围也较于ZWDexp模型更为稳定；在中南地区的目标点上，ZWDgauss模型相较于ZWDexp模型的BIAS、RMSE、MAE分别降低约35.7%、35.6%、24.8%，同时残差波动范围亦小于ZWDexp模型；在东北地区的目标点上，ZWDgauss模型的BIAS较ZWDexp模型略大0.001mm，RMSE与MAE分别较ZWDexp模型降低87.7%和65.3%，且残差波动更为稳定。纵向对比表3.2可知，ZWDexp模型在东北地区精度依次高于西北地区和中南地区，其中中南地区的残差浮动最大。而ZWDgauss模型虽其适用性依旧明显优于ZWDexp模型，但其在中南地区目标点的改进程度不如ZHDgauss模型显著，可能是该地区ZWD的变化程度较为剧烈，故而模型的适用性有所降低。图3.2中国地区三个样本点处ZWDgauss模型和ZWDexp模型残差对比图表3.2中国地区三个样本点处ZWDgauss模型和ZWDexp模型精度分析表（单位，×104）点位所在区域BIASRMSEMAEMAXMIN高斯函数指数函数高斯函数指数函数高斯函数指数函数高斯函数指数函数高斯函数指数函数西北0.021.180.157.551.023.906190.281.37中南0.721.124.627.174.315.7315450.072.04东北0.060.050.43.260.521.503.326.750.0020.01综上所述，在ZWD垂直剖面模型建模的过程中，首先对三个目标点两种模型的残差对比可知，ZWDgauss模型计算的模型值相对于ZWDexp模型计算值在BIAS、RMSE和MAE整体上分别减少44.7%、73.8%和54.6%。同时，ZWDgauss模型的残差波动范围的24
桂林理工大学硕士学位论文也明显优于ZWDexp模型。再而，ZWDgauss模型相对于ZWDexp模型在西北地区目标点的改进程度更大，其余依次分别是东北地区目标点和中南地区的目标点。故而可知，在三个样本点处ZWDgauss模型相较于ZWDexp模型具有更好的适应性以及稳定性，且在西北地区的应用优势尤为明显。ZWDgauss模型可以为该部分地区在区域性Tm和PWV等研究方面提供一种高精度的参考数据源。3.2.3ZTD垂直剖面模型的剖面残差对比分析针对ZTD垂直剖面模型的构建，本文提取MERRA-2资料中的ZTD分层数据以及对应各层的位势高信息，求解出高斯函数模型对应的a0、a、b系数，以及指数函数模型对应的a、b系数。绘制ZTDgauss模型和ZTDexp模型的残差对比图如图3.3所示，具体精度信息见表3.3所示：图3.3中国地区三个样本点处ZTDgauss模型和ZTDexp模型残差对比图图3.3（a）、（b）、（c）中横坐标为三个目标点对应的ZTD数值（单位，m），纵坐标为分层高度（单位，km）。由图可知，ZTD的垂直剖面变化类似于ZHD，且在10km以下随着高程降低，斜率比ZHD略大，相同高差内ZTD值的提升速度更快，可能是由于10km以下区间内的ZWD数值叠加，使得ZTD随着高程的减少，增长速度要略高于ZHD。图3.3中（d）、（e）、（f），纵坐标为高程数据（单位，km），横坐标为模型残差数据（单位，cm）。由图分析可得，在西北地区目标点处，在高程区间为30-60km时，ZTDgauss模型和ZTDexp模型的计算残差呈现出类螺旋结构，两者适用性相当；在地表高度至30km的高程区间内，ZTDgauss模型整体的精度以及稳定性均优于25
【参考文献】：
期刊论文
[1]顾及垂直递减率函数的中国区域大气加权平均温度模型[J]. 黄良珂,彭华,刘立龙,李琛,康传利,谢劭峰. 测绘学报. 2020(04)
[2]全球高精度对流层延迟建模及其在地基GNSS技术中的应用研究[J]. 胡羽丰. 测绘学报. 2020(04)
[3]一种无气象参数区域对流层延迟模型[J]. 杜伟吉,夏晓明. 建材与装饰. 2020(08)
[4]夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常.Ⅰ：水汽质量异常主导型[J]. 唐南军,任荣彩,吴国雄,虞越越. 大气科学. 2020(02)
[5]基于探空数据的对流层延迟模型精度评估[J]. 马下平,李秦政,陈鹏. 大地测量与地球动力学. 2020(02)
[6]基于垂直剖面函数的天顶对流层延迟插值算法[J]. 徐康,邓兴升. 大地测量与地球动力学. 2020(01)
[7]一种新的利用单基站GNSS反演大气剖面的技术[J]. 鄂盛龙,罗颖婷,吴昊,夏朋飞,许海林,谭理庆. 大地测量与地球动力学. 2019(12)
[8]激光掩星探测大气水汽混合比的数值模拟[J]. 洪光烈,李虎,王一楠,李家唐,陈少杰. 光学学报. 2020(04)
[9]两次超强厄尔尼诺事件海温异常与次年中国东部夏季降水特征对比[J]. 罗婷,李丽平,王远清. 大气科学学报. 2019(05)
[10]对流层映射函数对精密单点定位精度的影响[J]. 魏懂,李浩军. 导航定位学报. 2019(03)
博士论文
[1]地基GNSS水汽层析关键技术研究[D]. 丁楠.中国矿业大学 2018
[2]GNSS对流层湿延迟及其加权平均温度研究[D]. 丁茂华.东南大学 2018
硕士论文
[1]地基GNSS对流层天顶延迟改正模型与方法研究[D]. 黄良珂.桂林理工大学 2014
本文编号：3328748
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国地区三个样本点处ZHDgauss模型和ZHDexp模型残差对比图
桂林理工大学硕士学位论文波动范围也较于ZWDexp模型更为稳定；在中南地区的目标点上，ZWDgauss模型相较于ZWDexp模型的BIAS、RMSE、MAE分别降低约35.7%、35.6%、24.8%，同时残差波动范围亦小于ZWDexp模型；在东北地区的目标点上，ZWDgauss模型的BIAS较ZWDexp模型略大0.001mm，RMSE与MAE分别较ZWDexp模型降低87.7%和65.3%，且残差波动更为稳定。纵向对比表3.2可知，ZWDexp模型在东北地区精度依次高于西北地区和中南地区，其中中南地区的残差浮动最大。而ZWDgauss模型虽其适用性依旧明显优于ZWDexp模型，但其在中南地区目标点的改进程度不如ZHDgauss模型显著，可能是该地区ZWD的变化程度较为剧烈，故而模型的适用性有所降低。图3.2中国地区三个样本点处ZWDgauss模型和ZWDexp模型残差对比图表3.2中国地区三个样本点处ZWDgauss模型和ZWDexp模型精度分析表（单位，×104）点位所在区域BIASRMSEMAEMAXMIN高斯函数指数函数高斯函数指数函数高斯函数指数函数高斯函数指数函数高斯函数指数函数西北0.021.180.157.551.023.906190.281.37中南0.721.124.627.174.315.7315450.072.04东北0.060.050.43.260.521.503.326.750.0020.01综上所述，在ZWD垂直剖面模型建模的过程中，首先对三个目标点两种模型的残差对比可知，ZWDgauss模型计算的模型值相对于ZWDexp模型计算值在BIAS、RMSE和MAE整体上分别减少44.7%、73.8%和54.6%。同时，ZWDgauss模型的残差波动范围的24
桂林理工大学硕士学位论文也明显优于ZWDexp模型。再而，ZWDgauss模型相对于ZWDexp模型在西北地区目标点的改进程度更大，其余依次分别是东北地区目标点和中南地区的目标点。故而可知，在三个样本点处ZWDgauss模型相较于ZWDexp模型具有更好的适应性以及稳定性，且在西北地区的应用优势尤为明显。ZWDgauss模型可以为该部分地区在区域性Tm和PWV等研究方面提供一种高精度的参考数据源。3.2.3ZTD垂直剖面模型的剖面残差对比分析针对ZTD垂直剖面模型的构建，本文提取MERRA-2资料中的ZTD分层数据以及对应各层的位势高信息，求解出高斯函数模型对应的a0、a、b系数，以及指数函数模型对应的a、b系数。绘制ZTDgauss模型和ZTDexp模型的残差对比图如图3.3所示，具体精度信息见表3.3所示：图3.3中国地区三个样本点处ZTDgauss模型和ZTDexp模型残差对比图图3.3（a）、（b）、（c）中横坐标为三个目标点对应的ZTD数值（单位，m），纵坐标为分层高度（单位，km）。由图可知，ZTD的垂直剖面变化类似于ZHD，且在10km以下随着高程降低，斜率比ZHD略大，相同高差内ZTD值的提升速度更快，可能是由于10km以下区间内的ZWD数值叠加，使得ZTD随着高程的减少，增长速度要略高于ZHD。图3.3中（d）、（e）、（f），纵坐标为高程数据（单位，km），横坐标为模型残差数据（单位，cm）。由图分析可得，在西北地区目标点处，在高程区间为30-60km时，ZTDgauss模型和ZTDexp模型的计算残差呈现出类螺旋结构，两者适用性相当；在地表高度至30km的高程区间内，ZTDgauss模型整体的精度以及稳定性均优于25
【参考文献】：
期刊论文
[1]顾及垂直递减率函数的中国区域大气加权平均温度模型[J]. 黄良珂,彭华,刘立龙,李琛,康传利,谢劭峰. 测绘学报. 2020(04)
[2]全球高精度对流层延迟建模及其在地基GNSS技术中的应用研究[J]. 胡羽丰. 测绘学报. 2020(04)
[3]一种无气象参数区域对流层延迟模型[J]. 杜伟吉,夏晓明. 建材与装饰. 2020(08)
[4]夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常.Ⅰ：水汽质量异常主导型[J]. 唐南军,任荣彩,吴国雄,虞越越. 大气科学. 2020(02)
[5]基于探空数据的对流层延迟模型精度评估[J]. 马下平,李秦政,陈鹏. 大地测量与地球动力学. 2020(02)
[6]基于垂直剖面函数的天顶对流层延迟插值算法[J]. 徐康,邓兴升. 大地测量与地球动力学. 2020(01)
[7]一种新的利用单基站GNSS反演大气剖面的技术[J]. 鄂盛龙,罗颖婷,吴昊,夏朋飞,许海林,谭理庆. 大地测量与地球动力学. 2019(12)
[8]激光掩星探测大气水汽混合比的数值模拟[J]. 洪光烈,李虎,王一楠,李家唐,陈少杰. 光学学报. 2020(04)
[9]两次超强厄尔尼诺事件海温异常与次年中国东部夏季降水特征对比[J]. 罗婷,李丽平,王远清. 大气科学学报. 2019(05)
[10]对流层映射函数对精密单点定位精度的影响[J]. 魏懂,李浩军. 导航定位学报. 2019(03)
博士论文
[1]地基GNSS水汽层析关键技术研究[D]. 丁楠.中国矿业大学 2018
[2]GNSS对流层湿延迟及其加权平均温度研究[D]. 丁茂华.东南大学 2018
硕士论文
[1]地基GNSS对流层天顶延迟改正模型与方法研究[D]. 黄良珂.桂林理工大学 2014
本文编号：3328748
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