利用地基GPS数据反演大气可降水量的研究

论文摘要

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。GPS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GAMIT软件处理获得区域性地基GPS小网,研究实时获取测站上空绝对PWV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PWV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,它不同于天顶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Tm经验回归公式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GPS 遥感水汽的研究背景与意义
• 1.1.1 对流层误差对GPS 定位精度的影响
• 1.1.2 大气中水汽的重要性
• 1.1.3 与常规观测手段相比GPS 技术探测大气的优越性
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 发展趋势
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 地基GPS 遥感大气水汽技术基础
• 2.1 GPS 气象学的分类及概念
• 2.2 GPS 的观测模型及其线性组合
• 2.2.1 GPS 观测方程
• 2.2.2 观测值的线性组合
• 2.3 地基GPS 估计天顶对流层总延迟的主要误差分析
• 2.4 地基GPS 遥感大气水汽含量基本原理
• 2.5 小结
• 第三章 对流层折射模型及投影函数
• 3.1 常用对流层折射模型
• 3.1.1 Hopfield 模型
• 3.1.2 Saastamoinen 模型
• 3.1.3 Black 模型
• 3.1.4 常用对流层延迟模型比较
• 3.2 主要投影函数
• 3.2.1 Hopfield 投影函数
• 3.2.2 Chao 投影函数
• 3.2.3 CFA2.2 投影函数
• 3.2.4 Ifadis 投影函数
• 3.2.5 MTT 投影函数
• 3.2.6 NMF 投影函数
• 3.3 小结
• 第四章 对流层折射估计及大气综合水汽的推算
• 4.1 GPS 数据处理软件的选择
• 4.2 对流层折射估计方法
• 4.2.1 单参数估计法
• 4.2.2 多参数法及参数个数选取的算例分析
• 4.2.3 随机过程法
• 4.2.4 分段函数随机过程法
• 4.3 大气综合水汽的推算
• 4.3.1 大气综合水汽的推算
• 4.3.2 转换系数k 的确定
• 4.3.3 大气加权平均温度T m 的确定
• 4.3.4 西安地区六月份T m 值的初步选定
• 4.4 小结
• 第五章 西安地区大气可降水分估计
• 5.1 地基GPS/PWV 估计精度分析
• 5.1.1 推算天顶静水力学延迟和湿延迟的误差
• 5.1.2 转换系数k 的误差
• 5.1.3 由天顶湿延迟向IWV 转换时的误差
• 5.2 数据处理方案的选择
• 5.2.1 计算方式、测站坐标约束、预报轨道的选择
• 5.2.2 计算各站绝对PWV 时网外辅助站最佳数量的确定
• 5.2.3 实时应用的端部效应问题
• 5.2.4 大气梯度的影响
• 5.3 资料的处理
• 5.3.1 探空气球数据
• 5.3.2 干分量的计算提取
• 5.3.3 用探空数据计算实际水汽含量
• 5.4 GPS/PWV 反演结果同相关资料的对比
• 5.4.1 各点可降水量PWV 之间的比较
• 5.4.2 同探空所得资料相比较
• 5.4.3 与实际雨量站资料的对比及对天气过程的反映
• 5.5 小结
• 结论及建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研情况
• 致谢