（土地资源管理专业论文）利用地基GPS数据反演大气可降水量的研究.pdf

摘要 地球大气中的水汽在全球气候系统、天气动力系统、大气环境科学、水文学以及空 间大地测量等方面的研究中占有非常重要的地位。然而，目前常规大气观测手段对水汽 观测的不足，严重制约着这些学科在某些研究的深入发展，限制了我们对水汽的时变特 性和空间分布的认识。g p s 技术的出现为探测大气提供了一种全新的手段，它具有实时 连续性、不受天气状况影响、精度高等特点，是传统大气观测手段的有力补充，具有广 阔的发展前景。 本文着重探讨了基于g a m i t 软件处理获得区域性地基g p s 小网，研究实时获取测 站上空绝对p w v 的若干问题，文中利用西安地面沉降与地裂缝监测获取的数据，研究 了实际数据处理方案，包括天顶延迟参数个数设置，网外辅助站最佳数量的确定，大气 梯度估计个数、不同季节、地区变化量的设定，以及实时应用于气象服务时的端部效应 等问题。通过与探空等资料对比得到较好的成果。研究发现：网外辅助站的选择不仅能 提高反演p w v 的精度，也能很大程度上削弱端部效应的影响；水平梯度考虑了大气非 对称性，是提高对流层估计精度的一个新的课题，它不同于天项延迟参数个数对点位垂 直方向的影响，大气梯度的设置对点位各个方向均有影响，而且不同季节，不同地区影 响不同，因此提出了在选择辅助站时考虑气候差异的设想。 同时在对流层折射模型的对比分析中看到，通用模型的适宜区域及气候条件是非常 有限的，气候测站条件特异尤其是高海拔地区在实际使用时应将模型本地化，以期提高 反演精度；在实际应用中发现相关部门对探空资料的利用非常有限，基本利用所读取的 表面数据，因此本文对干湿延迟、大气加权平均温度的提取做了相应的研究，得出西安 六月份的乙经验回归公式。 关键字：地基g p s 气象学j 对流层延迟大气可降水量干分量延迟探空资料 大气加权平均温度 a b s t r a c t w a t e rv a p o ri ne a r t h sa t m o s p h e r ep l a y sac r u c i a lr o l ef o rc l i m a t e ，d y n a m i c so fw e a t h e r s y s t e m ，a t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t ，h y d r o l o g ya n ds p a c eg e o d e s y h o w e v e r , t h es c a r c i t yi n w a t e ro b s e r v a t i o ng r e a t l yr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h e s ed i s c i p l i n e sa n du n d e r s t a n d i n go f w a t e r v a p o r g p st e c h n o l o g yp r o v i d e s an e wm e a n sf o rs e n s i n ga t m o s p h e r ew i t ht h e a d v a n t a g e so fr e a l - t i m e ，c o n t i n u i t y , h i g hp r e c i s i o na n du n a f f e c t e db yw e a t h e re ta l ，w h i c hh a s b e c o m ep o w e r f u ls u p p l e m e n t a t i o nf o rr o u t i n ea t m o s p h e r es e n s i n gs y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e ds o m ep r o b l e m sa b o u tr e a l - t i m er e t r i e v i n ga b s o l u t ep w v w i t hh i g h p r e c i s i o nf r o ml o c a lg p sn e t w o r k ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fa p p r o p r i a t ec o m p u t a t i o ns o f t w a r e a n dm e t h o d ，w e l ld e t e r m i n a t i o na n ds u i t a b l ez e n i t hd e l a yp a r a m e t e r i no r d e rt og u a r a n t e et h e a b s o l u t ev a l u eo fp 彤va p p r o p r i a t er e m o t ea s s i s t a n ts t a t i o n sm o r et h a n5 0 0k ms h o u l db e c o m b i n e d i nt h i st h e s i s ，h o wm a n yr e m o t es t a t i o n si sb e s tc h o i c eh a sb e e ns t u d i e df i r s t a n d t h ee n dp r o b l e mo fr e a la p p l i c a t i o ni nw e a t h e rf o r e c a s ta lea l s od i s c u s s e d s o m eu s e f u l m e t h o d sa r ed e v e l o p e dt oe l i m i n a t et h ee f f e c t so ft r o p o s p h e r i cg r a d i e n tb ya n a l y z i n gt h e c h a n g e so fa t m o s p h e r ei nd i f f e r e n ts e a s o n sa n dd i f f e r e n tr e g i o n s c o m p a r i s o n sb e t w e e n g p s p w va n dr a d i o s o n d eo b s e r v a t i o n ss h o wt h a tg p s p w vr e t r i e v e db ya b o v em e t h o dg e t b e t t e rr e s u l t s a t m o s p h e r i cg r a d i e n t se s t a b l i s h m e n ts y z y g yp o s i t i o ne a c hd i r e c t i o ni s i n f l u e n t i a l ，m o r e o v e rt h ed i f f e r e n ts e a s o n ，t h ed i f f e r e n tr e g i o n a li n f l u e n c ei sd i f f e r e n t ， t h e r e f o r ep r o p o s e dw h e nc h o o s e st h es a t e l l i t es t a t i o nc o n s i d e r st h ec l i m a t ed i f f e r e n c e m e a n w h i l es o m et e s t sa r eh e l dt om a k et h ec o m p a r i s o no ft h es a a s t a m o i n e nm o d e lw i t h t h eh o p f i e l d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg e n e r a lm o d e l ss u i t a b l er e g i o na n dt h ec l i m a t i c c o n d i t i o n sa r ev e r yl i m i t e d ，c l i m a t i cc o n d i t i o n ss p e c i a lp a r t i c u l a r l yh i g he l e v a t i o na r e aw h e n a c t u a lu s es h o u l dt h em o d e ll o c a l i z a t i o n p r a c t i c a l l y ，s o u n d i n gi n f o r m a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o n o fv e r yl i m i t e di n f o r m a t i o ni sl i m i t e dt ot h es u r f a c ed a t a t h i sp a p e rh a v eb u i l tt h el o c a l c o r r e c t i o nm o d e l sf o rd r yd e l a ya n da t m o s p h e r i cw e i g h t e dt e m p e r a t u r eo nt h eb a s i so fa c t u a l u p p e r - a i rd e t e c t i n gd a t a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n c l u s i o ni ss a t i s f i e d k e yw o r d s ：g r o u n d b a s e dg p s ；t r o p o s p h e r i cd e l a y ；m e a n t e m p e r a t u r eo fa t m o s p h e r e ： d r yz e n i t hd e l a y ；p r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o u r ；r a d i o s o n d e u 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 毒f 幺刁尸 砂口驴年箩月多d 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 纠搠f 导师签名：影 7 , o o 孑年岁月弓口日 印8 年r 月夕妙日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 g p s 遥感水汽的研究背景与意义 1 1 1 对流层误差对g p s 定位精度的影响 大气对g p s 信号的折射是影响高精度g p s 平面相对定位及垂直方向精度的重要因 素之一，其中电离层折射的影响可通过模型改正，利用双频接收机进行改正，通过双差 观测值也可得到有效消除，对g p s 相对定位的影响己很小。而对流层折射影响，在天 顶方向可达2 3 m ，在高度角为1 0 。时可达2 5 m 这种影响是必须加以顾及的。对流层改 正一方面改正模型的精度不高，另一方面在双差观测值中不能得到有效消除。因此，近 几年来，研究对流层改正方法成为进一步提高g p s 精度( 尤其是g p s 高程测量精度) 的 主要研究方向之一。 对流层折射影响是由干燥气体和水蒸汽产生的影响共同组成的，众多研究表明，干 燥气体引起的误差，约占整个延迟量的8 0 比较稳定，随时间和空间的变化率约为 2 c 7 ，这一部分影响可通过模型改正( 如s a a s 模型) 得到较好的消除，经改正后误差仅 为l ，水蒸汽引起的误差约占总延迟的2 0 ，这部分占整个延迟量2 0 的湿分量折射 却极不稳定，其天顶方向的折射量随时间和空问的变化率比干分量的要大3 4 倍( 约 6 - - 8 c ) 。湿延迟很复杂，影响因素较多，利用改正模型进行改正的精度只能达到 2 0 - - 1 0 。因此，如何采用更精确有效的方法对湿分量d 。来进行模拟计算，成为提 高g p s 高程测量精度的关键。 1 1 2 大气中水汽的重要性 水汽是水分和热量传递的基质，是极不稳定的一个气象参数，影响着辐射平衡、能 量输送、云的形成和降水。水汽的潜能是大气从赤道向两极输送能量的重要机制，潜能 的释放对大气的垂直稳定度、暴风雨的形成和演变以及地、气系统径向辐射能量平衡有 显著的影响。对水汽及其变化的研究，一直是天气学和气候学研究的重要课题，水汽 在大气物理、大气化学和气候变化等诸多过程中起着关键作用，它不仅是重要的温室气 体，也是影响短期降水预报的关键因子。大气中水汽随时空的变化对气象预报特别是对 水平尺度1 0 0 k m 左右、生命史只有几小时的中小尺度灾害性天气( 暴雨、冰雹、雷雨、 第一章绪论 大风、龙卷风等) 的监测和预报有特别重要的指示意义。人们期待改进对大气中水汽的 监测，以便对降水和灾害性天气作更为准确的预报及更深入地了解气候特征和气候变 化。因此，历来气象学者十分重视对水汽含量及其分布的探测，以便于进一步了解降水 情况。另外，水汽通过降水将大气圈和水圈联系起来，并且同大气中的气溶胶、污染粒 子及其它气体相互作用，直接影响着大气环境的状况，所以水汽对气象、环境、水文等 方面都产生着深刻的影响。 1 1 3与常规观测手段相比g p s 技术探测大气的优越性 l 、传统的探测大气的手段主要包括无线电气象探空仪、水汽辐射计和气象卫星。 无线电探空仪是一种能测定自由大气各高度气象要素如气温、气压、湿度、风向风 速等数据，并将它们用无线电讯号实时发送到地面的遥测仪器。无线电探空仪探测法是 气象日常业务中使用最多的方法，它是气象预报系统的基础。在理想条件下，采用该方 法可以达到很高的精度，温度精度大约0 5 k ，相对湿度的精度小于1 0 1 5 1 1 。该方法的 主要优点是具有较高的垂直分辨率，但是如果相对湿度小于2 0 ，它将不能提供有效的 数据。从时间分辨率上考虑，由于探空仪比较昂贵，在一个台站上通常每1 2 小时升空 一次：从空间分辨率来考虑，台站的数量是有限的，无法覆盖全球，且大部分台站都分 布在北半球，南半球和海洋等区域很少。由于这些方面的限制，探空仪不能充分地解算 出上述气象要素时空变化量，因此也无法满足短期天气预报的需要。 水汽辐射计w v r ( w a t e rv a p o rr a d i o m e t e r ) 是测量由大气水汽所产生的辐射强度 温度的仪器，分为地基上倾式水汽辐射计( g r o u n d - b a s e du p w a r d 1 0 0 k i n gw v r ) 和空基下 倾式水汽辐射计( s p a c e b a s e d ，d o w n w a r d l o o k i n gw v r ) 。利用水汽辐射计测量水汽是探 测大气水汽的最好方法。地基水汽辐射计是测量空间冷背景下的水汽放射线，并把它转 化为给定的视线方向上的综合液态水量。地基水汽辐射计的优点是可以在少量云层覆盖 和小雨的天气下进行测量，并能提供连续的时间序列的测量数据【2 4 1 ，但在云层较厚时其 性能会有所下降，且在雨天不能提供有效的数据。空基w v r 测定的是地球的热背景下 辐射的吸收线，由于热背景的温度非常易变而且很难测定，因此在陆地上从空基的w v r 数据推算综合水汽含量i w v ( i n t e g r a t e dw a t e r v a p o r ) 是非常复杂的。在有云的情况下， 也存在着类似的问题，背景的温度可能会在2 9 0 k 一2 2 0 k 间变化，这种变化是很大的， 虽然理论上可以模拟，但在多数情况下确定这种变化是很困难和费时的，因此空基水汽 辐射计更适用于海洋上空的水汽监测1 2 1 。地基和空基的水汽辐射计可以相互补充，地基 2 长安大学硕+ 学位论文 水汽辐射计有较好的时间覆盖率，但空间覆盖率较差，空基水汽辐射计则正好相反。由 于w v r 费用昂贵且需要经常检校；不同类型的w v r 需要不同的反演公式而且受天气 的限制，使得w v r 的应用有很大的局限性，难以广泛使用。 气象卫星通过气象观测来获取有关气象资料。自从1 9 6 0 年4 月1 日美国发射第一 颗气象卫星t i r o s 1 以来，气象卫星已经成为大气探测的重要手段，产生了显著的社 会和经济效益。气象卫星分为极轨和静止两种气象卫星。极轨气象卫星可获取中期数值 天气预报、气候演变预测和全球生态环境变化，包括大气成分的变化和军事上所需的资 料等。一颗极轨气象卫星每天可对全球进行两次气象观测；静止气象卫星则对灾害性天 气系统，包括台风、暴雨和植被生态动态突变的实时连续观测具有突出能力。一颗静止 气象卫星可对全球近四分之一的地区连续进行气象观测3 0 分钟或在更短时间内获取一 幅全景圆盘图。 美国是最早研制和发射气象卫星的国家，在该领域一直处于世界领先地位。美国的 极轨气象卫星n o a h n 和静止业务环境卫星g o e s 都是世界上最先进的业务气象卫星 系统。继美国、前苏联、欧空局、日本之后，我国也研制和发射了自己的极轨气象卫星 风云一号( f y - 1 ) 和静止气象卫星风云二号( f y - 2 ) ，它们能连续、稳定、可靠地提供大量 预报产品。为天气预报和气象研究提供了有效的服务i 鲫。我国研制的第二代的极轨气象 卫星风云三号( f y - 3 ) 在2 0 0 7 年发射，新一代静止轨道气象卫星风云四号( f y - 4 ) 预计在 2 0 1 0 年以后发射。利用气象卫星探测大气的优点是较好的全球覆盖率和较高的水平分 辨率，对于静止气象卫星而言，还有较高的时间分辨率。缺点是精度和垂直分辨率较低， 且容易受云层和气溶胶粒子的影响。 2 、g p s 气象学的特点： 大气温度、气压、密度和水汽含量等是描述大气状态最重要的参数。无线电探测、 卫星红外线探测和微波探测等手段是获取气温、气压和湿度的传统手段。但是它们仍具 有明显的局限性。无线电探测法的观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不均匀， 在海洋上几乎没有数据。被动式的卫星遥感技术可以获得较好的全球覆盖率和较高的水 平分辨率，但垂直分辨率和时间分辨率很低。g p s 气象学利用g p s 观测数据估计g p s 信号在大气中传播路径的延迟量、弯曲量，并依此来遥感大气层中对流层和平流层中的 气象参数。g p s 探测不受气溶胶、云和降水存在的影响，这恰恰弥补了卫星和地面可见 光、红外、微波遥感在这方面的缺陷。利用g p s 手段来遥感大气具有全球覆盖、费用 低廉、精度高、垂直分辨率高等特点。这些优点使得g p s m e t 技术成为大气遥感最有 3 第一章绪论 效的方法之一。 g p s 气象遥感技术的优点： ( 1 ) 可以有效地利用现有的g p s 网络资源，直接获取可以转化为水汽含量的天顶 对流层延迟数据，从而大大减少经费的投入。 ( 2 ) 具有很高的时间分辨率，利用地面的g p s 网可以以一定的时间间隔连续地测 定每个测站上空的综合水汽含量。 ( 3 ) 全天候观测，不受天气和时间的限制，如云和气溶胶粒子的影响。 ( 4 ) 从g p s 数据推算的是可降水量p w v ( p r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o r ) 的综合值，借 助这些数据可以观测到从传统表面测量中无法观测的大气特性。 其缺点： ( 1 ) 覆盖率较低，无法覆盖海洋和难以设站的地区，需要与其他监测手段结合如 空基g p s 气象遥感技术： ( 2 ) 不能获得水汽的垂直分布，但是现在日益发展和成熟的大气水汽层析技术可 以弥补这一点。 表1 1g p s 遥感气象元素技术同其他手段的优缺点对比 系统优点 缺点 提供大气水汽的垂直分工作量人；昂贵；一天发射2 次取决于风 无线电探空议 布信息场：对空分辨率低 价格昂贵；需要频繁校对；不能全天候工 地基辐射计时间分辨率高 作 用于商业分行提供常规 航行器昂贵；时间空间观测范围有限 观测 复杂；红外遥感适用于无云天气；微波遥 卫星提供大面观测 感不受云的限制，但精度低丁红外遥感 白动快速精确，价格便垂直分辨率低( 现在日益发展起来的水汽 地基g p s 宜，不受天气条件影响层析技术能够弥补这一点) 一组连续的准实时的i w v ( 或p 、w ) 数据，可以被同化到数值天气预报模型中，从 而对水汽分布提供强有力的约束力，并改进对大气初始状态的分析。如果每1 0 分钟测 定一次i w v 或p w v ，则这种时间尺度使得这些数据特别适合于监测严重的暴风雨、大 冰雹、龙卷风等所迅速形成的恶劣天气过程。例如对空中冷锋的监测，在这个过渡带内 的气象要素和天气现象变化是非常剧烈的，利用地面上的水汽辐射计和1 2 小时升空一 次的无线电气象探空仪是很难监测到的。此外，在陆地上由于信号受到干扰，卫星上的 辐射计也很难提供有用的数据。因此，在天气变化剧烈的情况下，这种连续的p w v 数 4 长安人学硕士学位论文 据将具有极大的价值【”。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 研究现状 l 、国外g p s m e t 的发展及监测网的现状 a s k n e 等人( 1 9 8 7 ) 将大气湿延迟和可降水量联系起来，推导出它们之间的关系【4 7 】。 b e v i s 等人( 1 9 9 2 ) 讨论了g p s 气象学的思想，提出了用地面g p s 测量水汽含量的方法： 将g p s 观测的水汽和独立的水汽微波辐射仪( w a t e rv a p o u rr a d i o m e t e r ，w v g ) 值进行 比照，利用w v r 值对g p s 的观测进行订正，称为“举托法”，也称w v r 约束法，并 且证明了地面g p s 接收站上空的水汽积分可由天顶湿延迟求得，其总误差约为5 1 4 7 1 。 1 9 9 3 年由u n a v c o ( u n i v e r s i t yn a v s t a rc o n s o r t i u m ) 和南加州大学联合进行了具有较 大规模g p s s t o r m 试验，以评估大气水汽的地基g p s 测量。1 9 9 4 年，由国家海洋大 气管理局( n o a a ) 和u n a v c o 进行了g p s w l s 9 4 试验，证明了利用g p s 可以连续监测 大气可降水量，其时间分辨率优于1 小时，精度达到毫米量级。d u a n ( 1 9 9 6 ) 等人发 展了对g p s 水汽进行绝对估计的方法，这种方法要求：在估计小的网点的g p s 水汽时， 可以利用大于5 0 0 公里，已知位置精度的g p s 站点同步观测，使整个观测网的尺度大 于5 0 0 公里，这种g p s 测量水汽的方法摆脱了对w v r 的依赖【2 7 。 自g p s s t o r m 试验证明地基g p s 遥感水汽技术的应用价值以来，美国、日本等 国家纷纷建立监测g p s 水汽的试验网。美国由n o a a 和美国大学大气研究中心( u c a r ) 建立并实时运行发布每小时水汽分布和电离层电子总量分布的覆盖美国的监测网。 u c a r 组织的s u o m i n e t 网h t t p ：w w w u n i d a t a u c a r e d u d a t a ，利用全美甚至全世界大学中 大气科研力量建立和维持g p s 水汽监测。日本已在1 9 9 8 年建成覆盖全国、站间距为 1 5 2 0 k m 、由9 4 9 个站组成的观测网【7 1 。该观测网除了进行地震预测研究之外，还包括 气象、气候和电离层研究。 在德国，包括地基g p s m e t 计划的有c h a m p 计划，它的目的是了解岩石圈、水 圈和大气圈的变化和相互作用，研究任务包括重力、地磁场和大气圈电离层的研究。目 前有1 7 0 个地基g p s 基准站点。欧盟由法国、意大利、西班牙和丹麦等国联合发起的 m a g i c 计划，旨在获取并验证g p s 数据，同化并检验g p s m e t 资料对天气模式 ( h m l a m ) $ 气候模式( h m h a m ) 的作用，具有准实时的应用，其主要是利用后处理的 g p s 资料对模式进行验证。 第一章绪论 2 、国内g p s m e t 的研究 9 0 年代初，毛节泰、方宗义等( 1 9 9 3 ) 开始g p s 气象学的研究，利用地基g p s 资料 反演大气水汽含量。1 9 9 7 年，上海天文台收集了覆盖全国2 3 个站和我国周边6 个国际 g p s 服务( i g s ) 基准站为期6 天的g p s 观测资料，组成了一个区域性的地面g p s 气象学 试验网，进行了我国首次g p s 气象学试验，试验结果初步验证了地面g p s 观测为气象 服务的可行性和可靠性【4 9 】。2 0 0 0 年，国家卫星气象中心、北京大学和北京城市气象工 程技术研究中心合作，在京津地区设置1 0 个观测站，进行了我国首次区域性地基g p s 遥感大气水汽总量的试验，试验获得成功。2 0 0 2 年北京大学与国家卫星气象中心联合 在安徽进行了g p s 外场的观测试验，结合相应的地面温度、气压等气象数据反演了时 间间隔为3 0 m i n 连续变化的水汽总量。这一解算结果由算法分析达到了1 2 m m 量级精 度，达到了数值天气预报和气候研究的要求f 4 j 。 九五期间，我国建立了“中国地壳运动观测网络 ( c r u s t a lm o v e m e n t o b s e r v a t i o nn e t w o r ko fc h i n a 缩写为c m o n o c ) ，其中包括2 5 个g p s 连续观 测站。该网络是一个综合性、多用途、开放型、数据资源共享、全国统一的观测网络， 具有连续动态监测功能。 2 0 0 1 年，上海建立了我国首个集g p s 技术应用于城市气象服务、大地测量、地壳 形变和地面沉降和地理信息系统( g i s ) 多种应用的区域性g p s 综合应用网，即上海地区 g p s 综合应用网，并可推广到交通智能化管理、电离层变化监测和城市规划等方面。该 网准实时连续监测上海地区上空可降水量，时间分辨率为3 0 分钟，精度达2 3 毫米。 利用上海g p s 网的观测数据进行水汽含量的层析研究，国内首次获得上海上空水汽三 维分布的层析结果和电离层总电子含量变化的精细图象【4 3 1 。 2 0 0 2 年，香港卫星定位参考站网建成，它由1 2 个连续运行的参考站组成。它可以 为香港地区提供一个可靠的高精度基准以外，还可以为许多领域，如测绘、气象、地震、 导航及科研等提供大量服务。每个参考站设有气象传感器，用来收集精确的大气压力、 温度、湿度资料，以供有关大气层和气象的科学研究。 2 0 0 3 年，深圳建立了深圳市连续运行卫星定位服务系统，它是我国目前第一个建 立于现代计算机网络技术、网络化实时定位服务技术、现代移动通信技术基础之上的大 型城市定位与导航综合服务网络。由5 个基准站和一个监控中心组成。2 0 0 5 年8 月深 圳建成首个水汽观测站。 北京市全球卫星定位综合应用服务系统自2 0 0 3 年开始启动，现己完成1 3 个基准站 6 长安人学硕士学位论文 和一个数据中心的建设，能够在北京市的六环路以内达到实时厘米级的定位精度，为北 京市气象局、市地震局、市园林局、市规划委等多个委办局提供服务，并在自来水、电 信等管道公司得到实际应用。 1 2 2 发展趋势 g p s 技术为气象遥感水汽展示出全新的发展途径： 1 、灾害性天气的监测预报，强烈天气和降雨的短期预报、水汽的全球气候学、水 分循环研究； 在暴雨、洪涝、雷暴、大风等灾害性强对流天气的演变过程中，水汽场的分布、垂 直输送和相变是制约其发展的动力机制之一。高时效、高空间分辨率地获取大气水汽场 是准确分析天气系统的演变，进行监测预报的关键环节之一。曹云昌等对g p s 遥感的 大气可降水量与局地降水之间关系进行了定量分析表明：在降水前后，g p s 遥感的大气 可降水量有很大的变化，多数情况下降水出现在g p s 遥感的大气可降水量迅速增加的 3 - 4h 内，且每小时降水量峰值和g p s 遥感的大气可降水量增量的大小有关。 2 、为中尺度数值预报模式提供初始场，在数值模式中直接同化应用偏转角或折射 率资料；业务数值天气预报、气候研究的再分析； 3 、为人工影响天气作业提供依据 4 、气候监测和分析，对流层的高分辨率的温度廓线；对流层顶研究、平流层对流 层交换、平流层臭氧、高层锋面研究、火山效应、气候变率和气候变化的研究； 全球平均温度和水汽是全球气候变化的两个重要指标。与当前的传统探测方法相 比，g p s m e t 探测系统能够长期稳定地提供相对高精度和高垂直分辨率的温度廓线， 尤其是在对流层顶和平流层下部区域。更重要的是，从g p s m e t 数据计算得到的大气 折射率是大气温度、湿度和气压的函数，因此可以直接把大气折射率作为“全球变化指 示器”。 5 、空间天气监测和预警 6 、干旱检测 7 、高空风观测 8 、电离层电子密度剖面；电离层研究、空间天气，可探测、预报闪电等。 9 、有研究表明g p s p w v 可以作为诊断入梅和入秋等季节转换的新的物理量【4 3 1 。 由于g p s 气象探测技术仍在蓬勃发展之中，开发其探测潜力的研究也仍在继续， 7 第一章绪论 可以预见g p s 探测大气温度、水汽和风等气象要素的精度、探测范围、空间分辨率各 指标将得到进一步改进。g p s 气象探测系统在2 l 世纪大气探测系统中将占有重要位置。 美国、加拿大、澳大利亚都把g p s 作为未来高空探测体制的重要组成部分。美国在高 空探测发展计划中，拟将g p s 投入常规高空观测，加拿大计划用g p s 取代o m e g a 和 l o r a n 导航测风系统。g p s 是我国2 1 世纪高空探测主要发展目标之一，2 0 2 0 年后g p s 将是我国高空探测系统的主力。 1 3 本文的研究内容 g p s 技术在给测量领域带来革命的同时，也给其他学科的发展产生了深远影响。将 g p s 技术应用到大气科学中，不仅降低了探测成本，还提高了获取大气参数的精度以及 时空分辨率。地基g p s 遥感大气水汽更是g p s 技术在大气科学应用中的典型，具有非 常好的应用前景。研究这一应用的基本原理、方法，对于推动这项技术的实际应用具有 重要的实际意义。本文从以下几个方面进行了研究。 1 、对常用的对流层折射模型h o p f i e l d 模型、s a a s t a m o i n e n 模型和b l a c k 模型进行 了分析，这些模型的建立都是在标准大气或者全球台站资料的基础之上，不一定适合某 些特殊的气候条件和地区，例如h o p f i e l d 模型的经验系数是用全球1 8 个台站一年平均 资料得到的，在中国它的误差有时可达1 0 c m 以上，而且存在系统误差【3 引。研究这些模 型的适宜区域具有重要意义。因此本文对几种模型随各种因素的变化情况做了研究对比 讨论了各模型的适宜范围。 2 、研究了对流层延迟常用的估计方法单参数、多参数、随机过程和分段函数随机 过程法。基于多参数方法进行相关实验，得出参数个数的设置方案。在实验过程中发现， 参数个数的设置主要对基线垂直方向产生较大的影响，因此在数据处理过程中，对流层 参数估计个数的设置是重要的一个环节。 3 、将湿延迟向可降水量p w v 的转换过程中转换系数k 的确定关系着最终结果的 精度，而大气加权平均温度l 的确定决定了转换系数k 的精度。目前常用的l 是利用 b e v i s 经验公式，但它不一定适合各个地区，本文利用西安探空站资料在西安地区乙确 定上做了初步的尝试。利用地基g p s 数据遥感天顶方向大气可降水分的过程中，影向 其反演精度的因素有很多，研究它们对最终结果的影响对于提高反演精度具有十分重要 的实际意义。本文详细推导了各项误差的影响，并给出了相应的影响程度量级。 8 长安大学硕0 ：学位论文 4 、d u a n ( 1 9 9 6 ) 指出如果基线长于5 0 0 k m ，可用g p s 观测资料直接得到p 、w 的绝 对估计，但是g p s 组网方案、截止高度角等的选择等都会影响g p s 水汽的精度。本文 利用西安地面沉降与地裂缝监测所取得的g p s 数据组成g p s 网；讨论了g a m i t 数据 处理方案的选择，包括g p s 水汽反演中的星历以及计算方式的选择、网外i g s 站的选 择( 包括几何形状以及辅助站气候条件) 、端部效应的影响、大气梯度参数个数设置、 不同地区不同季节，大气梯度变化量的设置。进行了g p s 水汽反演策略分析，为g p s 数据处理提供参考依据。 5 、目前气象部门对探空数据的应用基本还停留在数据表面，很少有对大气加权平 均温度l ，干湿延迟值等具体量进行计算提取。而这些量是进行g p s 遥感大气水汽时 非常重要的代入计算值、结果检核量，也是将g p s p w v 资料同传统气象资料进行同化 的重要物理量。因此本文对探空资料做了相应的计算以及提取。并将探空、实际雨量资 料与g p s 最终反演结果进行了对比，结合武汉5 月2 3 日特大暴雨灾害g p s 资料分析 了g p s p w v 资料能对特殊天气过程进行准确，详细描述的特点。 9 第一章地摧g p s 遥感 。i m 技术摧m 第二章地基g p s 遥感大气水汽技术基础 2 ，1g p s 气象学的分类及概念 g p s 气象学( g p s m e t ) 这一概念是在上个世纪九十年代初出现的，最初由b e v i s 提出【“。这一概念提出以后，立即引起了国际气象学界、g p s 界的广泛关注。许多学者 依据此做了大量的科学试验，并获得了较好的结果。为了更好的理解这一概念，下面简 要的介绍一下g p s 气象学的基本情况和相关知识。 g p s 气象学是指利用g p s 观测数据估计g p s 信号在人气中传播路径中的延迟量、 弯曲量，井依此束遥感大气层中对流层和平流层中的气象参数。其原理u j 简单描述为： 当g p s 信号穿过地球的大气层从卫星传播到接收机时，由于大气层的密度与真空中的 密度不一致，会使g p s 信号传捕的路径发生弯曲和时问产生延迟。利用这一路径弯曲、 时间延迟与大气密度之问的关系，大气密度与气象参数之f b 】的函数关系，我们即可反演 出大气层巾的气象参数。 g p s 气象学根据观测站的空间分布不同，可以分为两大类： 1 、地基g p s 气象遥感技术( g r o u n d b a s e dg p s m e t ) 地基c p s 气象遥感技术如图2l 所示，即利用地球表面上静止的c p s 接收机接收 c p s 卫星讯号，虬连续的对地球大气参数( 主要是综合水汽或可降水份) 进行测量”。通 过柿设在地面上的g p s 监测网采集到的g p s 信号延迟数据，用定的数据处理方法和特 。二；上= = 葛考= = 啼鲁曼，尊兰兰彗j 昔挚 万万万万万万 图2 1 地基g p s 气象学示意图 定的模型束估计个地区、幽家或全球的地面上的或大。t 垂直断面上的气象要素及其变 化值。其中对流层累积可降水分是一个主要研究的对象。本文辛要讨论利用地基g p s k 虫a 学f 学位镕i 数据估计大气可降水分的原理、方法等。 2 、空基g p s 气缘遥感技术( s p a c e db a s e dg p s m e t ) 空基g p s 气象遥感技术( 图2 2 ) ：即主要利用安置在低轨人造卫星( l e o ) 平台 l 。的g p s 接收机接受g p s 卫星讯号，采用掩星法对气象参数( 主要是夫气综合水汽或可 降水份1 进行测量1 6 i 。当l e o 卫星七的接收机接收到的g p s 信号穿过地球上空对流层时， g p s 信号会友生折射。这种测量大气折射的方法称为掩星法，通过对含有折射信息的数 据进行处理，”t 以计算j h 大气折射量，从而估计出我们所需要的气象元素。 露 o p s m m 幽2 2 空基g p s 不意酗 2 2g p s 的观测模型及其线性组合 y 2 2 1g p s 观测方程 g p s 接收机测得的观测值包括伪距和载波相位观测值两种，对双频接收机用户而 占，观删数据主要包括相位观测值，、上：和码观测值c 、只。 g p sp 星发射的测距码信号( c a 码或p 码) 到达用户接收机无线( 观测站) 的传 播时间称为时川延迟。将时州延迟量与光速相乘，就得到i i 星生观测站的距离，这就 是所谓的码观测量。 g p s 的定位依据是“= = 三边测量法”，岬通过测量未知j _ 到已知点的距离，从而求出 该术知点的位盖。若咀f 和t ，分别表示发射和接收g p sp 星信号的真实时刻，以 ( x ，n ，o ) 和( _ y ，o ) 分别表不卫星和接收机的m 标，则卫星空观测站的几何距离为 p ；0 ，t ) = ( ，一x ，) 2 + ( y ，y ，) 2 + ( y ，一y r ) 2 ( 21 ) 在实际当中很难使卫星钟与片| 户接收机钟保持严格同步， f 加上大气传播误差的影响， 爹鸯 第二章地基g p s 遥感大气水汽技术基础 因此码观测量实际上是一种伪距观测量。相应的测距码伪距观测方程为： 尺；( f ，t ) = p + ( 8 t ，一8 t 5 ) 。c 一瓴+ d 二+ _ p 剜+ 以删 印。+ 卸二+ 以，+ 卸g + g ( 2 2 ) 上式是导航及低精度测量中所用的一种定位方法。式中p 为卫星到接收机的几何距离， c 为真空中的光速，掼，和8 t5 为接收机钟差和卫星钟差，a p 加为电离层延迟，d 乙为对 流层延迟，印埘相对论效应，印。地球自转改正，印，。耐地球固体潮改正，a p o ，卫星天 线相位中心偏差改正，户二接收机天线相位中心偏差改正，a p g 引力延迟改正，占为 其它误差。 载波相位观测方程为 固九= p + c & r c & s n 九一p i 。+ d ：+ p 吲| ( 2 3 ) + a p w + ps o l 谴+ p ：时+ p ：。t 七p g + s 是目前高精度定位测量中普遍采用的方法，本文所采用的即是载波相位观测值。其中， 为载波相位观测值，2 为载波波长，n 为整周模糊度，其他符号同上 2 2 2 观测值的线性组合 观测值的线性组合分为两种形式，一种是差分组合观测值，即不同卫星、不同测站、 不同历元的观测值之间进行线性组合，通常利用差分组合观测值可以消除或削弱某些未 模型化的误差，从而提高g p s 定位精度；另一种是不同频率或不同类型( 码与相位观 测值) 的同步g p s 原始观测量之间的线性组合。下面对这两种线性组合观测值作简要 介绍。 l 、差分组合观测值 单差( s i n g l ed i f f e r e n c e ，简称s d ) 通常是指测站间求差，即不同观测站同步观测相同 卫星所得观测量之差。 通常测站问求单差的观测模型具有以下优点： 可以消除卫星钟误差的影响； 大大消弱了卫星星历误差的影响； 大大消弱了对流层折射和电离层折射的影响。 1 2 长安大学硕士学位论文 双差( d o u b l ed i f f e r e n c e ，简称d d ) ，通常是指不同观测站，同步观测同一组卫星 所得单差之差。所谓双差，是指在站间单差的基础上又进行了一次星间差分。由于模型 结构简单，同时又能保持模糊度的整数特性，因此在实际的相对定位测量中，通常都采 用双差模型。双差模型除了具有单差模型的优点以外，观测方程中还消除了接收机钟差 的影响。 双差方法是本文数据处理所采用的差分方法 三差( t r i p l ed i f f e r e n c e ，简称t d ) ，即于不同历元，同步观测同一组卫星所得双 差之差。由于三差进一步消除了整周模糊度参数，周跳仅表现为粗差的形式，故可以用 来较好地探测和修复周跳【4 6 1 。 2 、不同频率载波相位观测值之间线性组合 根据系统误差的某些特性，对同一接收机、同一卫星的不同频率或不同类型的同步 g p s 原始观测量进行适当的线性组合，可以有效地削弱甚至消除其不良影响。在进行数 据组合时，总是根据如下原则选取合适的线性组合观测值： 具有比死、丸更长的波长，有利于解算整周模糊度；能够消除或削弱某些因素的影 响，如电离层、几何距离等；具有较小的量测噪声。 l 1 载波相位观测值仍和l 2 的载波相位观测值仍线性组合的一般形式： 。= ，z 嬲+ m 经 ( 2 4 ) 线性组合观测值相应频率五。、波长丸，。、整周模糊度圮，。、测量噪声等与l 1 和l 2 中相应值之间的关系为： 正，。= n f , + 峨 ，。= c z 。m ，= ，l l + 所2 ( 矿一丽a c 。糍彳叫n e d s ( 2 5 ) 。= 厄百万面了 l c 组合即无电离层组合，常用于长度大于数十公里的基线的组合类型，