利用参考站网络数据建立精确大气层析模型研究

论文摘要

大气中的水汽是大气的重要组成部分,它对区域气候、海洋、水文、大地测量、资源遥感、航空航天等领域有着重要的作用。目前常规大气探测手段有许多限制,而地基GPS探测大气水汽技术所具有的费用低、精度高、可全天候观测、时间分辨率高的特点,使其成为常规大气观测手段的有力补充。四川盆地地处我国西南内陆地区,西邻青藏高原,天气多变,水汽丰富,是中国大陆上一个远离海洋的强降水中心,也是局地性暴雨的多发地区。获取高精度、高时效、高空间分辨率的水汽信息对于四川地区的气候研究和气象预报是十分重要的。本文利用四川参考站网络数据对地基GPS探测大气水汽技术进行了一系列的研究,论文的主要内容如下：1、通过多组实验,确定了使用GAMIT软件计算四川参考站网络绝对天顶总延迟ZTD (Zenith Total Delay)的策略。2、通过分析三种天顶静力学延迟ZHD(Zenith Hydrostatic Delay)模型的内外符合情况,确定使用Saastamoinen模型用于四川地区水汽反演。3、使用经验回归的方法,建立了四川地区加权平均温度公式——SC公式,此公式的均方差为1.95K。通过将SC公式计算的PWV与多种其他方法计算的PWV比较,说明了SC公式适于四川地区。4、使用已经确定的ZTD的解算方案、Saastamoinen模型、SC公式以及实测气象数据计算了四川参考站网络的PWV,与RS/PWV的平均偏差为1.10mm,满足水汽反演的精度要求。5、对偏离系数公式进行了改进,从数值上说明了GPS/PWV与实际降水的对应关系。6、使用GPT模型估计了站点温度和气压,并将GPT/PWV与实测气象/PWV、RS/PWV进行了比较,说明了GPT模型适合于无实测气象数据且对水汽反演精度要求不高的网络。7、采用双差方法计算了斜路径水汽含量,并具体说明了计算方法。选取JYAN、LESH、ROXI、YBIN站划分了6×4×10个层析网格。利用2008年2月18日三个时段各15分钟的GPS斜路径水汽信息分别建立了观测方程,并采用高斯加权函数进行水平约束,采用前五天平均探空资料作为垂直先验条件,使用直接解算观测方程矩阵的LSQR法求解未知数。层析结果可以反映降水时水汽增加、降水后水汽减少的过程,且层析廓线与探空廓线符合较好,平均偏差0.1686mm/km,偏差标准差0.1844mm/km。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 大气中水汽的重要性
• 1.1.2 GPS探测大气水汽技术与常规大气探测手段的比较
• 1.1.3 地基GPS水汽反演技术的研究概况
• 1.1.4 地基GPS探测大气水汽技术在降水预报上的应用
• 1.1.5 地基GPS层析水汽三维分布的研究概况
• 1.2 本文的主要研究内容及意义
• 1.2.1 本论文的主要研究内容
• 1.2.2 本论文的研究意义
• 第2章 地基GPS探测大气水汽的原理与方法
• 2.1 GPS信号在对流层中的延迟
• 2.2 天顶总延迟及解算软件
• 2.3 天顶湿延迟
• 2.4 GPS可降水量
• 2.4.1 天顶湿延迟与GPS可降水量的关系
• 2.4.2 加权平均温度
• 2.4.3 偏离系数
• 2.5 GPS斜路径水汽含量
• 2.6 地基GPS层析水汽三维分布
• 第3章 基于四川参考站网络的对流层绝对天顶总延迟的计算策略分析
• 3.1 四川参考站网络简介
• 3.2 利用GAMIT计算绝对天顶总延迟的策略分析
• 3.2.1 区域站坐标约束的选择
• 3.2.2 卫星星历的选择
• 3.2.3 截止高度角的选择
• 3.2.4 IGS站点数量的选择
• 3.2.5 观测时间长度的选择
• 3.3 小结
• 第4章 基于四川参考站网络的GPS可降水量的获取及降水预报分析
• 4.1 天顶静力学延迟模型的选择
• 4.1.1 三种模型的内符合情况
• 4.1.2 三种模型的外符合情况
• 4.2 加权平均温度公式的选择
• 4.3 全球气压和温度模型
• 4.4 GPS/PWV的可靠性检验
• 4.4.1 利用探空资料计算可降水量
• 4.5 GPS可降水量的降水预报
• 第5章 地基GPS层析水汽三维分布
• 5.1 斜路径水汽含量的获取
• 5.1.1 双差残差转非差残差
• 5.1.2 映射函数
• 5.1.3 水平梯度
• 5.2 地基GPS水汽层析流程
• 5.2.1 网格的划分
• 5.2.2 建立观测方程
• 5.2.3 穿过网格的路径长度计算
• 5.2.4 水平约束条件
• 5.2.5 垂直先验值
• 5.2.6 解算模型
• 5.3 四川参考站网络的水汽层析结果分析
• 结论与展望
• 主要结论
• 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文及科研成果