地基GNSS探测水汽方法及应用研究

发布时间：2020-07-09 18:10

【摘要】：大气中水汽含量和分布的变化对气候的影响是巨大的,对整个大气的底层运动起到了关键作用。这种独特作用决定了水汽对气候和天气会产生重要的影响。因此,获取高精度、高时空分辨率的大气水汽分布信息对气象探测、数值天气预报有重要意义。利用GNSS技术可以获得准实时、高精度、高分辨率的大气水汽信息,为探测大气水汽提供了一种新的途径,本文围绕大气上空对流层区域展开由二维至三维水汽探测实验,研究如下:1.利用精密单点定位技术,基于C语言开发了水汽反演程序。首先将对流层总延迟与IGS产品进行对比分析,偏差稳定,一致性较好;并利用对流层延迟和大气可降水量转换关系,对反演所获大气可降水量与同期探空数据做精度验证,获取了高精度的大气可降水量时间序列,满足大气上空对流层区域由二维至三维水汽探测实验精度要求,验证了程序的正确性和可行性。2.利用精密单点定位程序实时反演对流层延迟,并基于GNSS对流层与雾霾的水汽共有因素,将对流层延迟用于雾霾监测研究。研究雾霾指标AQI、PM2.5质量浓度与GNSS对流层天顶延迟、气压(PR)、温度(TD)和相对湿度(HR)的相关性,得出PM2.5与对流层天顶湿延迟、测站气压、温度、相对湿度有强相关结论,并对实验数据进行回归分析,建立了多元线性回归模型,对流层天顶湿延迟、测站气压、温度、相对湿度这四个参数可用于PM2.5质量浓度的监测和预报。3.开展了大气可降水量PWV实时探测实验,并用于暴雨天气监测研究。以香港地区两次暴雨天气为实例,分析在暴雨发生期间PWV和PWV增量的时序变化特点。实验结果表明,暴雨发生前后,必定伴随着对流层的剧烈变化和水汽的快速聚积和释放,暴雨发生前的4h甚至更久时间内,大气中的PWV一直处于增加的状态,可降水量普遍提升10mm甚至更高;两次降雨过程,PWV值如果发生突降,或PWV增量出现峰值,则其后4h内极可能出现短时强降水。利用高时间分辨率GNSS大气可降水量资料可监测降水发生时局地水汽迅速变化的整个过程,PWV以及PWV增量可作为降水短期预报的指标之一,可用于预测一定时间内区域的降水量和降水分布情况。4.基于多系统GNSS观测数据,对河南地区东经111.5°~115.5°,北纬33.6°~35.6°区域上空水汽分布进行层析探测,研究垂直分层方法对层析结果的影响,垂直方向采用均匀和非均匀两种分层方式,得到水汽密度结果与探空反演水汽密度值都非常接近,对比来看,非均匀分层层析在相关系数、均方根误差和平均偏差等数据分析方面表现出了较好的数据精度,采用非均匀分层方法可以得到更优的大气水汽反演结果。5.对比单系统(GPS)与多系统GNSS(GPS/GLONASS/BDS)层析实验结果,结果表明多系统组合观测不仅能增加可见卫星数,观测信号总数也大幅度增加,比单GPS系统增加了3倍的观测信息,多系统层析网格通过率平均增加了9%,实验结论认为单系统与多系统层析结果均有较高精度,将观测时间缩短,多系统观测优势将更加明显。
【学位授予单位】：战略支援部队信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN967.1
【图文】：

也是 GNSS/MET 和水汽探测的基础。图 2.1 GNSS 信号传输路径示意图上图 2.1 为 GNSS 信号在地球大气中的传输路径图，GNSS 卫星信号在对流层的延迟量为 L。0s(s)ds ( (s) 1)ds (s )dsL c L n L n Lc （2.1）其中， 为 GNSS 信号对流层延迟；L 为测站至卫星距离；s 为信号实际传输路径；0c 为真空传输速度； c 为信号真实大气传输速度； n (s)为真空速度与大气速度的比值，为空气折射率；s L为信号弯曲产生的路径距离差，该量值很小，仅占总延迟量的 0.1%，可忽略不计。

图 2.3 全球探空气球站分布度评价标准文将对 PPP 解算结果：对流层天顶延迟（ZTD）和可降水量（PWV）进行度验证方式有平均偏差（bias）、均方根误差（RMSE ）和相关系数（cor）[均偏差1( ) /niibias X X n （方根误差1221( ) /ni iirms X X n （关系数122 21 1 1cor ( ) ( ) / ( ) ( )n n ni i i i i i i ii i iX X X X X X X X （

实验选取了中国境内及附近 8 个 IGS 观测站（如图3.1）2016 年 12 月 7 -18 日（年积日 342-353）共 12d 的观测数据，解算策略同上。如图3.2、图 3.3 所示分别为 BJFS、SHAO、LHAZ 和 URUM 站解算结果 ZTD 与 IGS 产品 ZPD对比图。342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 35422802300232023402360238024002420时间/年积日ZTD/mmPPP/ZTD IGS/ZTD342 343 344 345 346 349 350 351 352 353 354232023402360238024002420244024602480时间/年积日ZTD/mmPPP/ZTD IGS/ZTD图 3.2 BJFS、SHAO 站解算结果 ZTD 与真值 ZPD 对比

【参考文献】

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本文编号：2747809