地基GNSS反演大气水汽含量方法研究

发布时间：2019-07-22 21:18

【摘要】：水汽在大气中含量极少,但它和降水的形成、气候的变化有着密切的关系,作为全球气候变化监测的对象,它在大气垂直稳定度、地球气候系统平衡等也起着关键的作用。GNSS气象学作为一门新兴的交叉学科,不仅提高了获取大气水汽含量的时空分辨率和精度,同时大大降低了观测成本,具有非常好的应用前景。研究利用地基GNSS反演大气水汽含量的基本原理、方法,有利于推动和加强该技术在气候监测、天气预报等方面的应用。本文分析了地基GNSS反演大气水汽含量较传统技术的优势,然后基于GNSS遥感水汽的原理和计算方法,描述了地基GNSS实时反演大气水汽含量的业务流程,并对影响地基GPS反演大气水汽含量的因素进行了分析。针对区域网的特点,建立了区域大气加权平均温度模型,并给出了适合区域小网的解算方法和策略,分别利用精密单点定位方法和双差最小二乘法反演水汽含量,并用探空值和实际降水量验证了结果。基于TRACK模块验证了双差kalman滤波方法用于地基GPS实时反演大气水汽含量的可行性。利用BDS/GPS双模数据,基于北斗系统计算天顶对流层延迟并证明了北斗系统用于水汽监测的可行性。主要工作包括以下几个方面:(1)首先介绍了常规探测大气水汽的方法以及地基GNSS技术的优势,GNSS气象学的分类及其在国内外的发展应用情况,简要阐述了本文的主要研究内容。介绍了常用的对流层延迟模型和对流层参数估计方法,阐述了地基GNSS探测大气可降水量的原理,结合国际高精度数据处理软件GAMIT,描述了地基GNSS实时反演大气水汽含量的业务流程。通过论述探空方法计算水汽的原理,给出了本文检核地基GNSS反演PWV精度的方法,为下一步分析GNSS反演大气可降水量的误差奠定了基础。(2)分析了影响地基GPS反演大气可降水量的因素,利用探空技术检验了GNSS-PWV精度。结合郑州、武汉等地的探空值以及实际降水量,分别讨论了远距离参考站数量、坐标约束、数据处理方式、地面气象要素、卫星高度截止角、卫星星历、对流层参数个数、投影函数和梯度对地基GPS反演大气可降水量的影响,总结了地基GPS精确计算大气可降水量的经验。(3)针对郑州区域特点,提出了适合郑州地区的加权平均温度模型。利用郑州无线电探空资料,分别通过单因素(地面温度Ts)线性回归和多因素(Ts、地面水汽压e、地面气压Ps)线性回归两种方式,得出郑州地区两种大气加权平均温度计算模型,比较区域模型与经典的Bevis-Tm模型的拟合均方根误差,发现区域模型的误差更小,再将所得模型应用到郑州地区GPS可降水量计算中,与无线电探空实测结果对比分析,两者均方根误差约为2.2mm,并给出了郑州地区的PWV二维分布。分析了双差最小二乘方法与PPP方法解算ZTD的差异,结果表明偏差小于1cm。(4)对TRACK模块进行了介绍,提出了利用TRACK实时估计大气水汽含量的数据处理方案。利用双差动态kalman滤波的方法,基于TRACK模块,实现了区域网监测站ZTD的实时获取,通过与GAMIT静态ZTD结果比较,发现两者相差小于1cm,将TRAKC反演的PWV和探空值比较,验证了利用双差动态kalman滤波方法实时获取精确PWV的可行性,其大气可降水量精度在2mm左右。此外,通过分析中国雨季分布情况和目前数值天气预报的水平,阐述了GNSS气象学在天气预报的重要性,最后结合武汉一次暴雨实例,分析了PWV在暴雨前后的变化特征,验证了地基GNSS气象学应用于恶劣天气预报的可行性。(5)利用BDS/GPS双模数据进行精密定轨,解算了全球18个测站的ZTD,比较了GPS和BDS不同系统解算测站天顶对流层延迟的精度差异,RMS小于1cm,并用CODE中心提供的ZTD参考值验证了该方法解算ZTD的精度,BIAS小于1cm,RMS优于2cm,最后比较了精密定位方法和精密定轨方法解算ZTD的精度,为下一步利用BDS进行实时可降水量反演奠定了基础。
【图文】：

图 1.1 探空气球（2）水汽辐射计(WVR，Water Vapor Radiometer)水汽辐射计，又称为微波辐射计，如图 1.2，它利用两个频率，22.235GHz和 31.4GHz，来分别测量天空的亮温，然后转换为大气不透明系数，再利用不透明系统与水汽之间函数关系来得到大气水汽含量。水汽辐射计通常 5~8 分钟观测一次，相比无线电探空技术具有更高的时间分辨率，但地基微波辐射计在有浓云或是雨雪天气时，观测到的数据存在较大误差，而且价格昂贵。

图 1.1 探空气球辐射计(WVR，Water Vapor Radiometer)计，又称为微波辐射计，如图 1.2，它利用两个频率，22.235GHz和空的亮温，然后转换为大气不透明系数，再利用不透明系统与水气水汽含量。计通常 5~8 分钟观测一次，相比无线电探空技术具有更高的时间计在有浓云或是雨雪天气时，观测到的数据存在较大误差，而且
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN967.1

【参考文献】

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本文编号：2517900