中国沿海GPS/GLONASS组合水汽反演关键技术与变化特征研究

摘要

连续、实时、高精度地获取水汽的时空分布及其变化特征，为准确掌握天气系统的演变提供保障。我国沿海地区南北纬跨度大，兼具海陆水汽特征，气候复杂多变，同样也是海洋灾害频繁发生的地区。因此，加强沿海地区水汽信息的监测方法和应用研究，有助于理解我国的气候变化，也是海洋防灾减灾的关键。本文借助中国沿海GNSS观测网数据和其他技术手段的数据资料研究了沿海地区GPS/GLONASS提取天顶对流层延迟的方法，针对GNSS基准站地面气象观测数据缺失的问题，提出了综合GNSS和数值天气模式资料反演天顶可降水汽含量的技术方法；在此基础上，研究了沿海地区可降水汽含量的时空变化特征和影响机理，提出并实现了联合水汽和地面气温的变化率对台风降水进行短临预报的方法。本文的主要研究内容和结论包括：
　　（1）利用沿海GNSS观测网2014年1月的GPS/GLONASS数据和地面气象资料，研究了沿海地区天顶对流层延迟提取的方法。研究表明，10°截止高度角下，采用双差网解GPS/GLONASS组合系统估计的ZTD精度略优于双差网解GPS单系统和精密单点定位GPS/GLONASS组合系统，各方法提取结果不存在明显的系统偏差；卫星截止高度角设置对天顶对流层延迟精度有较大影响，30°截止高度角时，采用双差网解GPS单系统提取的ZTD精度最优，其精度较10°截止高度角明显降低。
　　（2）针对我国沿海地区现有及历史上存在大量GNSS观测站无并址气象观测仪的问题，研究了分别利用ERA-Interim、NCEP FNL和JRA-55三种再分析资料和GPT2模型获取沿海地区任意GNSS测站位置的地面气压和气温方法。通过与均匀分布于沿海地区25个测站2014年的实测气象观测数据相比，ERA-Interim再分析资料内插的地面气象资料精度略优于其他三种资料内插结果；利用ERA-Inteirm再分析资料内插地面气象资料得到的GNSS PWV与由实测资料计算的结果间Bias和RMSE分别为0.03mm和0.31mm，与探空资料的长期结果存在0~1.2mm的系统差，相应的RMSE在1.8~3.2mm之间，满足水汽应用的精度要求。台风等中小尺度极端天气条件下，各内插地面气象资料均不能满足地基GNSS水汽信息反演的精度要求。
　　（3）利用中国沿海GNSS观测网30个观测站2010~2016年共7年的GNSS PWV系统地分析了沿海地区水汽的时空变化特征和影响机理。研究表明，沿海地区水汽分布主要受纬度的影响，还与海陆分布和水汽输送有关。水汽具有明显的季节变化、月变化和日变化特征：受夏季季风影响，月平均PWV最大值所在的月份在不同地区存在差异；日变化随纬度位置、季节、地形和局地气候的变化而改变，地表蒸发和局地热力环流是造成日变化的主要原因。水汽时间序列具有显著的年周期、半年周期、日周期和半日周期：年周期振幅为16.5~22.1mm，从中纬度向高纬度和赤道地区逐渐减小；半年周期振幅为0.4~6.3mm，其大小与纬度不存在明显的相关性；日周期振幅为0.2~1.7mm，半日周期振幅为0.2~0.6mm。
　　（4）利用GNSS反演的可降水汽含量分析了水汽变化与地面气象要素的关系。研究表明，水汽季节变化与大气温度具有较好的相关性，并且其与地面气温的相关性强弱取决于地面温度高低；逐时累积降水频次日变化特征要比逐时累积降水量显著，与夏季PWV日变化具有明显的先后关系；PWV日变化与气温和比湿变化以及地表风演变有关，与地面气压、海面温度变化相关性不明显。
　　（5）利用2010-2014年台风过境期间沿海GNSS观测网的GNSS实测数据和逐时地面气象资料，分析了大气水汽和地面气象要素变化与台风降水间的关系，并提出了利用水汽和地面气温变化对台风降水进行短临预报的方法。研究表明，GNSS PWV和地面温度在台风降水发生前存在短期的变化，对暴雨短临预报具有很强的指示作用。利用天顶可降水汽含量在上升时段内的变化率和地面温度在下降期内的变化率对台风降水进行短临预报，该方法能够准确的预报出85%以上的较强降水事件，错误预报率较低，对台风降水预报具有一定指导意义。

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摘 要

Abstract

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Contents

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地基GNSS气象学的提出和实验验证

1.2.2 地基GNSS遥感天顶可降水汽含量的研究进展

1.2.3地基GNSS水汽遥感的应用进展

1.3 问题的提出

1.4 本文的研究内容

1.5 本章小结

2 大气水汽获取的理论与方法

2.1 地基GNSS水汽遥感基本原理和方法

2.1.1 大气折射理论基础

2.1.2 对流层延迟模型和参数估计方法

2.1.3 大气可降水汽含量反演

2.1.4 地基GNSS反演天顶可降水汽含量技术流程

2.2 无线电探空资料的水汽计算方法

2.3 再分析水汽资料的估计方法

2.3.1 再分析资料介绍

2.3.2 任意位置再分析水汽的获取

2.4 本章小结

3 沿海GPS/GLONASS提取天顶对流层延迟方法研究

3.1 数据来源和方法

3.1.1 GNSS数据

3.1.2 无线电探空资料

3.1.3 GPS/GLONASS数据处理方法

3.2 低截止高度角下的结果分析

3.2.1 天顶对流层延迟对比

3.2.2 大气可降水汽含量对比

3.3 截止高度角对ZTD的影响分析

3.4 本章小结

4 综合GNSS和数值天气模式资料反演天顶水汽技术研究

4.1 数据资料

4.1.1 ERA-Interim再分析资料

4.1.2 NCEP FNL再分析资料

4.1.3 JRA-55再分析资料

4.1.4 GPT2模型数据

4.2 任意位置气象要素对比分析

4.2.1 地面气温数据对比

4.2.2 地面气压数据对比

4.3 不同天顶可降水汽含量结果对比

4.3.1 不同GNSS PWV结果对比

4.3.2 GNSS PWV与无线电探空结果对比

4.4 极端天气下内插地面资料精度分析

4.5 本章小结

5 沿海水汽多尺度变化及其与地面气象要素的关系

5.1 数据资料和方法

5.1.1 数据资料

5.1.2 数据处理方法

5.2 水汽分布特征

5.2.1 水汽年平均分布

5.2.2 水汽季节平均分布

5.2.3 水汽输送对水汽分布的影响

5.3水汽变化特征

5.3.1 水汽季节变化

5.3.2 水汽日变化

5.3.3 降水对夏季水汽日变化的影响

5.4水汽变化与地面气象要素的关系

5.4.1 PWV季节变化与地面温度的关系

5.4.2 PWV日变化与地面气象要素的关系

5.5 本章小结

6 基于GNSS水汽和地面温度资料的台风降水短临预报研究

6.1 数据资料

6.1.1 台风数据收集

6.1.2 PWV精度检验

6.2 PWV和地面气象要素与降水关系分析

6.2.1 PWV与降水关系分析

6.2.2 温度与降水关系分析

6.2.3 气压与降水关系分析

6.2.4 比湿与降水关系分析

6.3 利用PWV和地面气温预报台风降水分析

6.3.1 降水预报方法提出

6.3.2 短临降水预报及验证

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 本文主要工作总结

7.2 后续研究计划与展望

参考文献

致谢

参加科研项目和学习经历

攻读博士期间主要成果