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全球卫星定位气象水汽观测数据处理和分析

发布时间:2016-05-31 05:54

第 1 章 绪论

1.1 项目背景及意义
我国地形条件和气候状况特殊,近几年来经常出现特大暴雨或降雪等各种极端天气,雾霾、干旱等恶劣气候事件增多,洪涝灾害常发,泥石流灾害、滑坡、坍塌等灾害多发,造成重大人员伤亡和财产损失。加强河流水域病险治理、水库除险加固、各种山洪地质灾害防御和治理是我国防灾减灾体系建设的重点决策部署。2012 年 3 月 23 日,国家发改委正式发布《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》(发改农经〔2012〕774 号)(以下简称《总体规划》)力争用 5 年时间(2011~2015 年),建立完善的防灾减灾体系,解决造成极端天气和恶劣气候事件的主要因素,提高防御洪涝以及地质灾害的能力,明显改善灾害多发地区生态环境,降低灾害发生次数和隐患,,建立和完善防灾减灾的长效机制,保障民众的生命财产安全,维护社会的发展大局。气象保障工程作为《总体规划》中非工程建设措施项目任务的重要建设部分,重点在集中力量加强应对引发山洪地质灾害诱因方面的气象条件监测预警。突发性强降水是引起山洪地质灾害的直接诱因,降水过多、过于集中是引发山洪地质灾害的直接因素。水汽是降水的主要物质来源,水汽凝结释放的潜热能是暴雨中小尺度对流系统发展的重要能量来源。截止 2014 年 12 月 31 日全国 GNSS/MET 站点总共 1041 个,其中中国大陆构建环境监测网络(陆态网)站点 240 个(图 1)、中国气象局 GPS 网(CMAGPS 网)站点 801 个。陆态网络的站点在全国分布较均匀,CMAGPS 网络的站点主要分布在华南、华中、华东、华北和东北的吉林省。陆态网络的观测数据由中国地震局统一实时收集、解压和整理,并通过陆态网推送到气象运控中心指定的共享服务器,经检查陆态网的原始观测数据完整,质量良好,满足 GPS/MET 业务需求。CMAGPS 网络的观测数据经打包压缩后通过气象业务数据传输专网实时上传到国家气象信息中心,然后发送到气象探测中心,由气象探测中心统一解压和处理。目前已实现数据传输的业务化,迫切需要建立一个完善的国家级的 GPS 资料业务处理平台,实现全国 GPS 资料上传监控、质量评估、大气水汽总量实时反演以及水汽产品加工处理和分发等功能,为山洪地质灾害预警提供全国范围的大气水汽监测数据,为天气预报和预警提供数据依据。
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1.2 国内外研究现状
20 世纪 80 年代后期开始,大气学专家开始研究利用 GPS 卫星信号穿过地球大气层时的延迟量来反演大气温度、湿度和气压等要素的方法,它具有测量精度高、全天候观测、且不受天气状况影响、测量成本低廉等诸多优点,很快成为一种全新的大气探测技术,形成新的气象学分支,简称 GPS/MET。根据接收机安置位置不同分为空基 GPS 和地基 GPS。地基 GPS 范畴,通过安置在地面的 GPS 接收机测量卫星信号纵向穿过整个大气层的累计延迟量,估算出接收机上空的可降水量[2]。地基 GPS 在大气观测方面的应用研究大致经历了技术研究及实验、GPS/MET 观测站网建立、数据处理应用和新技术发展等 4 个阶段。我国从 20 世纪 90 年代中期开始地基 GPS 气象应用研究,从 2000 年陆续开始建立区域 GPS 气象观测网,2002 年 6 月上海 GPS 气象综合观测服务应用平台建立,成为我国第一个准业务运行的区域 GPS 气象观测网,实时提供 30min 间隔的长江三角洲区域的水汽含量资料,正式开展 GPS 气象业务观测及应用服务。根据山洪项目 2013 年建设任务的要求和县级综改的业务调整需求,需要增加地县级监测站点的建设和加强地县级气象观测数据处理平台的建立,形成稳定的业务水汽产品,为山洪地质灾害监测和预警提供水汽变化信息[9]。
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第 2 章 数据试验设计

在进行大气水汽处理时,台站坐标越精确,对于大气水汽的估计也就越精确。要估计小于 4mm 的误差,对于台站的先验误差要小于 1m。通过精密解算获取台站坐标,应用滤波方法求取最优台站坐标,进而提高大气水汽计算精度。本次试验研究分为两个大的部分,第一部分为人工试验部分,根据各类算法通过独立软件或模块对先验坐标进行更新,检验更新效果。第二部分流程业务化,根据人工试验过程,进行程序设计。GPS 水汽观测数据处理中的坐标更新包含两部分,一部分为先验坐标更新,坐标精度为 m 级;一部分为精密坐标更新,坐标精度为 mm 级。数据实验过程主要包括数据准备、文件准备、数据处理和质量评估四个阶段。

2.1 应用算法
滤波算法是对当前滤波算法研究很多,根据应用需要和数据情况,本次研究主要针对卡尔曼滤波法、中值滤波法、算数均值滤波法和限幅滤波进行研究分析。卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法。它能够从一系列的不连续且包含干扰误差信息的测量观测值中,预测出动态系统状态。对于解决误差来源确定的误差干扰问题,它是最优、最有效率、最有用的的方法。卡尔曼滤波器利用前一个估计值和当前观测值计算来估计状态变量,以线性最小均方误差为预测准则,求出现时刻的概率值。它以“预测—实测—修正”的方式递推修正,根据系统的量测值来消除随机误差干扰,它适合于实时处理和计算机运算。卡尔曼滤波是利用包含干扰信号误差的目标位置的动态值,通过去掉干扰信号的影响,计算出目标位置的最优估计。这个最优估计包括对当前目标位置的估计也就是我们通常所说的滤波,和对于未来位置的估计即也就是预测,以及对过去位置值的优化即插值或平滑的过程。
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2.2 数据说明

全国 GPS/MET 观测数据共有三种来源:中国地震局和中国气象局国家气象信息中心,星历、跟踪站及通用文件数据由互联网下载。观测数据上传有延迟,且各台站的情况不同,因此在接收的时候要求近三天的数据都要下载处理。改进的业务系统投入运行后,ZTD 反演精度得到提高,基于 GAMIT 解算的 ZTD与 IGS 提供基于 GIPSY 解算的 ZTD 的比较,两者非常一致,相关系数均超过 0.99,均方根误差(RMSE)约 5~8mm,相对偏差约 0.2%~0.4%,相对应的 PWV 误差约0.75~1.2mm。基于 GAMIT 解算的 ZTD 具有相当高的精度,两者解算结果存在0.2%~0.4%左右的偏差,属正常范围。

全球卫星定位气象水汽观测数据处理和分析

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第 3 章 试验系统的设计与实现........33
3.1 试验系统总体设计......33
3.1.1 试验系统概述..........34
3.1.2 系统设计原则..........34
3.1.3 系统数据流程..........35
3.1.4 系统存储设计..........36
3.1.5 系统数据库设计......37
3.1.6 关键技术..........39
3.2 系统环境配置......41
3.2.1 开发环境..........41
3.2.2 运行环境..........41
3.3 系统的实现与功能介绍......41
第 4 章 试验系统安装部署........59
4.1 安装环境......59
4.1.1 服务器配置......59
4.1.2 软硬件配置......59
4.2 软件安装配置......60
4.3 系统维护......69
第 5 章 总结与展望....70
5.1 总结......70
5.2 展望......70

第 4 章 试验系统安装部署

根据系统设计和软硬件配置,系统安装部署要求有单独的数据库服务器和共享文件服务器,同时为了保障系统数据安全及方便平台管理维护,除互联网下载和产品发布部分部署到单独的外网服务器外,其余的功能模块都运行在内网的虚拟服务平台上,在虚拟服务平台建立数据库服务器、共享服务器、数据预处理服务器、实时解算服务器、精密解算服务器和产品加工服务器各 1 台。各服务器质检通过 ftp 共享进行数据链接,通过 webservice 进行各功能模块间的消息传递。

4.1 系统维护
1、定期安排系统维护人员进行系统日志查看和运行情况检查,保障系统正常运行。2、定期查看互联网上星历和跟踪站等数据的更新情况,确保数据下载,如果出现延迟,维护系统的执行时间,保证数据的完整性。3、定期检查各观测台账数据上传情况,对于缺测较多或文件格式报错较多的台站上报用户,申请规范化处理。4、定期跟踪核心软件如 GAMIT、TEQC 等的版本更新情况,安排系统升级。5、定期跟踪台站建站和迁站情况,更新台站信息表相关参数信息,排除管理和人为原因造成的数据误差。6、定期统计台站数量,合理分配服务器。7、保证日常通信畅通,能及时接收系统的报警信息,及时处理系统故障,保障系统正常运行。
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总结

经过近一年的项目实施和技术研究,业务系统运行基本趋于稳定,目前主要集中在成果优化阶段,在观测数据维护、加强文件质检、提高控制文件精度等方面。本次研究的先验坐标更新数据控制文件精度提高,主要用于 Gamit 解算的初验坐标,项目初期的台站坐标主要是应用的建站时的坐标数据或观测过程中 O文件提取坐标,坐标精度没有保证,只是初期的标准差无法满足业务要求,经过近半年的运行,通过对原始观测数据进行标准化处理,实现了观测数据归档业务化流程,为 ZTD 解算提供了标准数据基础。通过监测接收机和天线的工作状态以及通过改进原始观测数据质控指标(如数据完整性、有效性、多路径效应以及观测数与周跳数之比),提高对不良观测数据剔除的水平。通过重新梳理全国GNSS 观测站的基本信息,确保了站点经度、纬度、海拔高度、接收机型号、天线型号、接收机序列号、天线序列号等信息的准确性。在基于 GAMIT 解算 ZTD的过程,对于具备连续长期(3 年以上)观测台站采用带站运动速度的站坐标信息,对于观测时间较短的测站采用中位数法定期更新站点坐标信息,有效消除站坐标误差对 ZTD 解算结果的影响。将本地站坐标约束在 X、Y 和 Z 方向上改为0.1、0.1 和 0.2m,使站坐标约束更为合理。目前 ZTD 的估算精度与 IGS 估算的结果相当。与探空结果相比,均方根误差减少为 3~4mm。目前新一代 GNSS/MET 数据解算系统:全球卫星定位气象水汽国家级处理平台(MOIST)已进入业务试运行阶段,能实时生成 ZTD 站点数为 700~800 个,实时生成 PW 的站点数为 300~400 个。涉及网络通信能力、计算条件和管理机制等方面,影响环节较多,资料处理过程复杂,且数据质量控制算法尚需进一步提高。2015 年还需在数据质量控制算法、PW 反演结果评估等方面开展进一步工作,进一步满足天气预报和其他的应用。
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参考文献(略)




本文编号:52227

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