新疆地区ERA5和MERRA-2大气可降水量精度分析

大气再分析资料提供的大气可降水量(PWV)产品在天气变化和气候研究中扮演着极为重要的角色。新疆地区存在地形起伏大、气候复杂和实测高分辨率PWV产品缺乏等特点,大气再分析资料提供的PWV产品可作为有力补充。以新疆地区2018年11个GNSS站数据反演得到的PWV(GNSS-PWV)信息作为参考值,评估ERA5和MERRA-2提供PWV产品在新疆地区的精度,并分析两种再分析资料PWV的偏差(Bias)和均方根差(RMSE)的时空变化特性及其日变化。结果表明:以GNSS-PWV为参考值,ERA5和MERRA-2在新疆地区的PWV年均Bias分别为-0.97和-1.20 mm,年均RMSE分别为1.81和2.11 mm,两种再分析资料PWV均具有较高精度,其中ERA5 PWV精度略高于MERRA-2 PWV;两种再分析资料的PWV精度都有明显的季节性变化,总体表现为夏季精度低,冬季精度高;在PWV日变化分布上,两种再分析资料与GNSS-PWV展现出较高的一致性,能较好地反映新疆地区PWV的日变化特性。

桂林地区暴雨天气电离层VTEC时序预报模型适用性

针对极端天气下VTEC的不规律变化更会增加预测难度的问题,以欧洲定轨中心(CODE)提供的桂林上空2019和2020年电离层VTEC值为样本值,使用滑动四分位距法探测桂林地区暴雨期间的电离层VTEC扰动规律,并建立多种预报模型比较暴雨期间的模型适用性及预报精度。选取5种时间序列预测模型(ARIMA模型和Single、 Holt、 Brown、 Damped指数平滑模型)对桂林市暴雨期间的电离层VTEC进行未来24 h内的短期预报,结果表明:4~9 h以内ARIMA模型预测效果最好,预测值的RMSE和MAE均小于2 TECu, Single和Damped指数平滑模型其次,Holt和Brown指数平滑模型预测效果最差;超过9 h后各模型的预测能力减弱,RMSE和MAE均大于3 TECu,已无法满足精确预测的需求。

融合VMD算法的多星GNSS-MR雪深反演

针对当前反射信号分离纯度不高,难以准确提取反射信号中地表环境参数的问题,构建了一种融合VMD算法的多星GNSS-MR雪深反演模型。利用VMD算法可有效实现信号的分离,提高反射信号的分离纯度,并与传统的二阶多项式拟合法进行对比分析。下载了美国科罗拉多州NWOT测站2017年172天的GPS卫星信噪比数据进行验证,结果表明:融合VMD算法的多星GNSS-MR反演雪深模型精度优于二阶多项式拟合模型,反演值与实测值的RMSE降低了近50%,决定系数R^(2)高达0.98,在一定程度上有效提高了雪深的反演精度和可靠性。

结合经验小波变换与BP神经网络的GNSS-IR土壤湿度反演

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)接收机接收到的多路径信号可用于测量土壤湿度。针对目前全球卫星导航系统多径干涉遥感技术(global navigation satellite system interferometry and reflectometry,GNSS-IR)在土壤湿度反演领域精度较低的问题,实验利用美国板块边界观测(plate boundary observation,PBO)网的P040测站作为研究对象,选取该测站的2颗卫星PRN10和PRN14分别进行信噪比数据分析,将L2波段反射信号的延迟相位作为输入、PBO中H2O的土壤湿度值作为输出,建立基于经验小波变换神经网络(empirical wavelet transform-back propagation,EWT-BP)模型的土壤湿度反演模型,并对提出的土壤湿度反演方法进行精度评定。结果表明,EWT-BP模型反演的土壤湿度与实际土壤湿度之间具有较强相关性,其决定系数(R2)分别为0.820和0.844,相比传统低阶多项式拟合法,R2分别提高了21.66%和28.66%,该结果验证了EWT-BP模型能够有效提升GNSS-IR土壤湿度反演的精确度和可靠性。

顾及日变化和非线性垂直改正的区域大气加权平均温度模型

大气加权平均温度(Tm)是全球导航卫星系统(GNSS)技术反演大气水汽的关键因素,针对已有区域Tm模型未能同时顾及Tm在垂直方向的非线性变化和精细的日变化以及在构建模型时仅使用单一格网点数据等问题,本文以中国地区为研究区域,提出了一种基于滑动窗口的区域Tm建模方法,利用2012—2017年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA5资料建立顾及日变化和非线性垂直改正的区域Tm格网模型(CNTm模型).联合未参与建模的2018年ERA5资料和无线电探空数据,验证CNTm模型的精度和适用性,并与当前广泛使用的GPT3模型和顾及了线性垂直改正的IGPT2w模型进行精度对比.结果表明:以2018年ERA5资料和无线电探空数据为参考值,CNTm模型的均方根误差(RMS)分别为3.31 K和3.21 K,其精度相较于GPT3模型分别提高了约16%和23%,相较于IGPT2w模型分别提高了约7%和11%;顾及了非线性垂直改正的CNTm模型的估计值更接近于Tm在垂直方向上的变化趋势,且CNTm模型能够捕获Tm的日变化.由于CNTm模型在研究区域表现出优异的性能,因此,其在研究区域实时高精度、高分辨率GNSS水汽监测中具有重要的应用.

顾及非线性高程归算的中国西北区域对流层天顶延迟模型

对流层延迟是影响高精度导航定位的关键因素,同时也是进行全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)水汽反演的重要数据。中国西北区域地形起伏较大,目前中国西北地区对流层天顶延迟模型在高程方面顾及不足,无法满足实时高精度定位需求,因此建立高精度中国西北地区对流层延迟模型成为迫切需求。针对当前中国西北地区ZTD(zenith total delay)模型未同时顾及非线性高程归算以及季节变化等问题,利用2015—2017年欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA5资料建立顾及非线性高程归算的中国西北地区对流层天顶延迟模型(MZTD模型)。联合未参与建模的2018年ERA5资料和中国西北陆态网84个GNSS测站数据,验证MZTD模型的精度和适用性,并与目前使用广泛的GPT3模型进行精度对比。结果表明:以2018年ERA5资料和中国西北陆态网测站数据为参考值,MZTD模型的均方根误差(root mean square error RMS)分别为3.14 cm和2.81 cm,相对于GPT3模型精度分别提高了约16.3%和21.7%,同时MZTD减少模型参数,提升了模型计算效率。因此,顾及非线性高程归算的MZTD模型在中国西北区域体现了更好的精度和适用性,可以为中国西北地区进行实时GNSS水汽探测和导航定位提供重要参考。

组合式深度学习的电离层TEC短期预报模型

针对磁暴期间电离层总电子含量TEC异常扰动导致预报精度大幅降低的问题,提出基于强化学习的Q学习算法,对遗传算法优化BP神经网络模型和长短时记忆网络模型进行优化组合,进而建立了一种组合式深度学习的电离层TEC预报模型。分别利用组合模型、两个单一模型对CODE提供的中国地区TEC数据进行3 d预报。结果表明,在不同磁暴等级(强、中、弱、无)下,组合模型预报的平均相对精度分别为95.9%、95.7%、92.6%和95.3%,较两个单一模型平均提高了约6%;其中预报残差小于1 TECu的占比分别达到60%、59%、76%和98%,相比两个单一模型平均提升了约27%。

一种GNSS-MR海平面高度反演模型研究

针对大地测量型GNSS接收机获取的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)观测值存在趋势项分离不佳和信号叠加干涉的问题,融合自适应噪声完备集合鲁棒局部均值分解方法对原始SNR信号进行分解,有效分离SNR观测值中的趋势项并提取相应的潮位信号,以布设在美国华盛顿州星期五海港岸边的SC02测站为例,利用实测数据反演潮位变化并与传统的低阶多项式拟合方法进行对比分析。结果表明,融合CERLMDAN方法的反演结果的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)、相关系数分别为0.56 m和0.97,相比于传统方法的反演精度提升了33.7%。

粮库排涝系统集成化设计与创新

本文介绍了粮库排涝系统集成化设计与创新的思路。在以往排涝系统基础上,通过改变材料、集成度、工况、出流方向等条件,在库区雨水排出设计中提质增效,能更好的为粮库中的粮食安全起到保护作用,大幅提高粮库管理工作效率,也提高了应对多种恶劣天气的变能力。

基于区域CORS网天顶对流层延迟4D建模研究

利用区域CORS网参考站的天顶对流层信息建立了一种不需要气象数据,只与时间和位置有关的天顶对流层延迟新模型。通过广西CORS网实测数据,与反距离加权法和移去恢复法进行了对比分析,结果表明,新模型计算的天顶对流层值平均精度为8.5 mm,尤其在下雨天,新模型计算的天顶对流层延迟精度比其他两种方法有显著提高。将新模型法应用于测站PWV值估计,其平均精度为1.5 mm。

连栽桉树人工林不同代次土壤养分与酶活性的分析

探讨桉树不同连栽代次、不同土层土壤养分与土壤酶活性的变化,为人工林的持续经营和生产实践提供参考依据.对广西东门林场连栽巨尾桉人工林不同栽植世代：一代林（G1）、二代林（G2）、三代林（G3）、四代林（G4）林地及对照林马尾松林（G0）的0～5、5～20、20～60 cm土层土壤养分与酶活性进行分析.结果表明：将马尾松林换种桉树后一代林地,其土壤pH、全氮、全磷、全钾、磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶均不同程度降低了,且0～5 cm表层土下降较明显.随着桉树连栽代次的增加林地土壤土壤全氮、全磷和全钾都呈现先增后减趋势,且在0～5 cm表层土中二、三代林都出现停滞现象;随着桉树连栽代次的增加林地土壤磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶活性也呈现先增后减的趋势,其中脲酶在0～5 cm表层土中二、三代林也出现停滞现象.随着土层的加深,土壤pH、全氮、磷酸酶和脲酶逐渐降低,而土层加深对土壤全磷、全钾和过氧化酶影响不大.

新疆地区Emardson大气水汽转换系数的适用性分析

利用积分法计算新疆地区9个无线电探空站2009～2013年的大气水汽转换系数K,将其作为真值,通过选取相同纬度、不同高程的探空站,分析Emardson模型对高程和时间的适用性;并均匀地选取5个探空站,逐年增加样本数据,解算不同样本的模型参数,建立对应的Emardson模型,预测其余4个探空站2014年的K值,验证Emardson模型在时间上的适用性。研究表明：1）在新疆地区,Emardson模型对高程和时间有较好的适用性;2）在时间分布上,增加样本数能在一定程度上提高Emardson模型的精度。

基于小波-ARIMA电离层短期总电子含量预报

针对电离层总电子含量(TEC)非线性、非平稳的特性,将小波分析(Wavelet Analysis)引入到自回归移动平均模型(ARIMA)中对TEC值进行预报。采用2010—2013年IGS中心提供的不同经纬度活跃期、平静期前10天电离层TEC观测数据,分别使用WARIMA和ARIMA建模预报后5天TEC值。对两种模型预报结果与IGS中心观测数据进行对比并统计预报精度,结果表明引入小波分析的ARIMA模型对TEC值预报精度的提高有良好作用。最后单独采用WARIMA模型预报50天TEC值,通过对50天TEC预报值相对精度的统计,说明WARIMA模型对TEC值中长期的预报具有可行性。

广西地区大气水汽转换系数的K值模型

利用中国低纬度地区20个无线电探空站2008—2012年探空资料,分析大气水汽转换系数K值与地理位置间的关系,建立广西地区不需气象资料的K值模型。比较不同模型的精度、适用性,分析逐年增加样本数对预测精度的影响,探索如何更好地建立广西地区K值模型。结果表明:(1)在广西地区,Emardson模型总体的内、外符合精度与高程模型相当,Emardson模型与积分模型计算K值符合较好,总体内符合均方误差为0.002 1,外符合均方误差为0.001 8;(2)与高程模型相比,无需考虑高程因子的Emardson模型在广西地区适用性更强;(3)通过逐年增加样本数进行建模不能保证提高模型的预测精度,用最近的两年数据建模能够更好地预测第3年的K值。

基于插值气压的GPS反演大气可降水量研究

为解决GPS反演大气可降水量(PWV)所需的气象参数,通过标准大气(SA)模型分析插值得到了GPS站气压与相邻探空站气压、GPS站与探空站之间高差的关系,及基于分段高差的气压插值公式。该公式与标准大气模型精度相当,且在高差小于100 m时,其计算更为简单。利用新的气压插值公式、Saastamoinen干延迟模型与建立的局地加权平均温度模型,将四个IGS站(BJFS、KUNM、LHAZ和TWTF)提供的对流层天顶延迟转化得到大气可降水量(GPS PWV),与探空大气可降水量(RS PWV)进行对比,结果表明在不同高差条件下基于分段高差的气压插值模型计算得到的GPS PWV与RS PWV差值的均方根误差为1～3 mm,说明该气压插值模型可应用于无气象数据的GPS反演PWV。

单频GPS整周模糊度动态快速求解的研究

提出了一种动态快速求解整周模糊度的方法,即先对系数阵进行QR分解,然后通过矩阵变换使模糊度参数和位置参数分离,从而降低矩阵的维数,满足实时动态求解的要求,最后应用LAMBDA方法搜索模糊度。为验证该算法,用单频GPS接收机进行了静态定位和动态定位两种试验。结果表明,静态定位误差小于1cm,动态定位误差小于3cm。由此可见,该方法能够为动态用户快速而精确地实施GPS单频动态定位。

EGNOS天顶对流层延迟模型适应性评价与分析--以新疆地区为例

利用IGS站及实测气象参数的Saastamoinen模型来评估EGNOS天顶对流层延迟模型在新疆的精度,研究表明:(1)在新疆地区,EGNOS模型与IGS站数据符合较好,guao站BIAS为0.9 mm,RMS为1cm;(2)EGNOS模型与实测气象参数的Saastamoinen模型比较分析后发现,两者之间平均BIAS为-7.9mm,RMS为1.62 cm,BIAS随纬度的增加由负值变为正值,EGNOS模型精度在新疆地区随高程变化稳定,在高程较低处也能保证一定的精度,与其他同纬度不同高程的IGS站相比较,EGNOS模型精度在新疆地区优于其他地区;(3)与ECMWF资料计算的ZTD比较,EGNOS模型RMS优于ECMWF近3.6 cm。

基于谱迭代修正法GPS快速定位研究

用LAMBDA方法确定GPS载波相位测量的整周模糊度,需要较高精度的浮点解。但用短时间GPS观测值构建的法方程容易出现病态,以致法方程的解很不稳定。本文使用谱修正迭代法,消除法方程病态,进而用LAMBDA方法确定整周模糊度。实验结果表明,对于1min左右的单频GPS载波相位测量,利用本文方法即可正确地解算出它的整周模糊度,从而实现厘米级定位。

一种GPS快速定位技术研究

用LAMBDA方法确定GPS载波相位测量的整周模糊度,需要较高精度的浮点解。但用短时间GPS观测值构建的法方程容易出现病态,以致法方程的解很不稳定。本文使用谱修正迭代法,消除法方程病态,进而用LAMBDA方法确定整周模糊度。我们的实验结果表明,对于1min左右的单频GPS载波相位测量,利用本文方法即可正确地解算出它的整周模糊度,从而实现厘米级定位。

基于傅里叶级数的中国沿海地区T_m模型精化研究

本文采用中国沿海地区13个探空站2010~2014年实测地表温度Ts与平均温度Tm数据,利用傅里叶级数分析法精化中国沿海地区Tm模型,并将2015年探空站实测Tm数据与精化模型进行对比检验。结果表明,精化模型在Tm探测方面具有更高的计算精度,其计算大气可降水量的误差概率分布趋近于正态分布,具有较强的稳定性。