地基GNSS用于冻土区域地表环境多参数反演研究

季节性冻土具有周期性地表抬升/沉降的物理特性,传统测量方法已不能满足当前高精度、实时的监测需求.地基GNSS是一种低成本、全天时、全天候、能够实现连续监测的新兴地基遥感技术.实验应用美国的板块边界观测台网(plate boundary observational GNSS network,PBO)计划SG27测站2013—2021年观测数据,使用地基GNSS技术解译了阿拉斯加巴罗永久冻土区域典型异常年份降雪、无雪期地表形变、测站形变、土壤湿度、大气水汽变化,并通过PBO实测降雪数据验证异常年雪深反演精度,通过测站形变结果验证反演结果为冻土活动层形变,同时对水汽与土壤湿度进行相关性分析.结果显示:反演雪深与实测雪深绝对系数R2为0.8155,均方根误差(root mean squared error,RMSE)为0.0643,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)为0.0402;通过水汽与土壤湿度变化趋势图发现两者具有较弱滞后性对应关系,但仅表现在趋势而非幅度值上.表明地基GNSS在长时序冻土环境监测中存在巨大的应用潜力.

基于地基GNSS观测数据的贵州高原地区水汽层析精度分析

利用精密单点定位(PPP)技术处理贵州地基GNSS观测数据,获得高精度天顶对流层延迟(ZTD),进而开展水汽反演获得大气可降水量(PWV)产品。基于斜路径可降水量(SWV),使用自适应联合代数重构算法进行三维水汽层析,空间分辨率优于30 km×30 km,时间分辨率为5 min。以无线电探空数据为参考评估ZTD和PWV精度,其RMS分别为3.55 mm和1.03 mm。以ERA5再分析资料为参考评估三维层析精度,无暴雨发生时,三维层析相对误差不超过10%,偏差最大值为1.03 g/m~3。以无线电探空数据为参考评估三维层析精度,层析结果与无线电探空数据的相关系数在0.97以上,具有较好的一致性。贵阳站和威宁站的平均RMS分别优于0.5 g/m~3和1.2 g/m~3。

地基GNSS遥感探测气象应用

全球导航卫星系统(GNSS)给定位、导航和授时服务带来了革命性变化,同时其L波段(1160~1610MHz)微波信号可用于全球覆盖、高时间分辨率的大气、海洋和陆表参数遥感探测。基于信号类型,GNSS遥感可分为折射信号遥感和反射信号遥感两大类;基于探测平台,GNSS遥感可分为地基GNSS遥感、空基GNSS遥感和天基GNSS遥感三大类。随着我国自主建设的北斗卫星导航系统全面建成,GNSS遥感将迎来新的发展机遇和挑战。本文回顾近20年地基GNSS遥感探测在气象领域的应用进展,展望其在气象领域下一步可能的应用。

中国地基GNSS/MET水汽产品质量控制及与再分析产品的对比评估

本文研究并提出中国地基全球导航卫星系统(GNSS)水汽产品的综合质量控制(CQC)算法。CQC算法由质量检查和综合决策两个环节组成。质量检查环节主要对待检观测数据与其参考数据的差异进行分析,包括界限值检查、考察时间一致性的临近点检查和低通滤波检查,考察空间一致性的邻近站检查、距平值检查和峰谷值检查,以及基于背景场的粗大误差检查等7个模块。每个检查标记出超过阈值的观测数据,随后利用综合决策算法对数据的标记情况进行综合评分,最终给出数据的质量控制码。基于质量控制后的数据,评估了中国第一代全球大气再分析产品(CRA)、ERA-Interim和ERA5等五套再分析数据在中国地区的水汽模拟效果。结果表明几套再分析资料模拟的大气可降水量(PWV)在冬季整体略高于观测,夏季则明显低于观测。在空间上,中国南方地区和西部地区模拟的PWV低于观测,这种情况在夏半年更加明显。相对于观测,CRA的平均偏差(O-B)为0.633 mm,均方根误差为3.650 mm。CRA相对于观测的误差略高于ERA5,但略低于ERA-Interim,明显优于JRA55和NCEP2结果。

地基GNSS和天基掩星观测对全球电离层数据同化效果的影响分析

电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值.地基GNSS和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一.通过观测系统仿真试验(observation system simulation experiments,OSSE)对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量(total electron content,TEC)及三维电子密度参量技术得分(skill score,SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响.2)仅仅同化地基GNSS数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升.3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC.4)现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5)随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势.随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用,相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考.

地基GNSS大气水汽探测遥感研究进展和展望

大气水汽是表征极端天气事件和气候变化的重要参数,准确监测与分析水汽含量对于精准预测各类灾害性天气事件与研究气候变化具有显著意义。作为新兴的大气水汽探测方法,GNSS大气水汽探测技术得到了广泛的关注与应用研究,随着多频多模GNSS系统的发展,全球服务能力的逐步完备和地面基础设施的不断加强,地基GNSS大气水汽探测遥感技术水平得到显著提升,为基于空间大数据揭示气候变化、极端天气过程提供了强有力的数据支撑和发展契机。本文首先系统阐述了GNSS大气水汽探测遥感技术及其应用的发展过程;然后介绍了近年来包括对流层延迟、大气可降水量等多类型GNSS大气参数高精度反演的研究进展,特别是对GNSS大气反演在极端天气短临预报及气候变化现象解释两个方向的研究工作进行了科学探析;最后,阐明了GNSS大气水汽探测遥感技术面临的主要挑战及未来研究展望。

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿“入射线”与“出射线”双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明:新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.

地基GNSS水汽反演实验与实践教学探讨

运用GNSS技术反演大气中的水汽含量是一种极有潜力、实用价值很高的大气水汽探测技术,由于其具有高精度、全天候、高时空分辨率、近实时等诸多优点,在气象业务中得到广泛应用。地基GNSS水汽反演作为南京信息工程大学测绘工程专业开设的特色专业课程之一,其实验与实习部分是加强学生实践能力和创新能力培养的重要环节,因此,从实践教学内容、教学方法、实验与实践平台、师资队伍建设等几方面对该课程的实践教学进行了探讨,以期为同类高校培养测绘气象交叉复合型人才提供参考。

气象参数对地基GNSS反演水汽的影响探讨

气象参数作为GNSS反演大气水汽的重要误差源,直接影响GNSS大气遥感中PWV和ZWD的精度。为研究气象参数对GNSS探测大气水汽含量的影响,梳理GNSS探测水汽原理,针对影响PWV精度的GPT、地面观测数据RNX和ECMWF进行PWV计算;采用高精度GPS数据处理软件(GAMIT)进行数据处理,并用水汽辐射计观测的数据对GAMIT反演得到的PWV结果进行对比分析。研究发现,地面气象观测数据与高精度的水汽辐射计观测的数据拟合效果一致,ECMWF资料次之;利用地面气象观测数据可以有效保证GNSS遥感PWV的可靠性。结果表明,不同气象参数的输入带来GNSS遥感大气水汽PWV精度为1.38~1.84 mm,可满足GNSS遥感大气水汽含量的要求。

地基GNSS三维水汽层析方法研究

为利用地基GNSS技术探测大气中的水汽变化获取高精度大气水汽,从两个方面进行了地基GNSS层析三维大气水汽实验研究:①通过回归拟合确立本地大气加权平均温度模型;②采用中心网格边长较短、边界网格边长较长的原理划分网格,建立非一致网格模型。研究结果表明:①本地模型的平均偏差值与均方根差值分别为0.63 K和2.43 K,均小于Bevis模型、陈永奇模型;②采用非一致网格模型获取的斜路径水汽含量的平均偏差较小,优于一致网格模型。研究成果可为利用地基GNSS技术获取准确、实时的水汽时空信息提供技术参考。

探析地基GNSS水汽反演方法及影响因素

目前在气象学上应用较广泛的是地基GNSS水汽反演,它是气象学中的最主要的分支之一,并得到了广泛的应用。本文以中国香港建立的连续观测站为例,进行地基 GNSS 水汽反演介绍,主要阐述了地基GNSS水汽反演的原理方法和影响数据准确性的因素。

基于GNSS观测资料的三维水汽层析研究

基于GPS/GLONASS观测资料,利用卡尔曼滤波算法层析河北省CORS站网上空水汽,分析在中雨、阵雨转多云、多云转晴的天气下,水汽层析值的大小及其随时间的变化。分析结果表明地基GNSS水汽层析算法能够探测到短时间内大气湿度的起伏变化。

一种近实时全球电离层数据同化和预报系统的构建与实现

电离层天气变化正成为目前空间天气预报最重要的内容之一,建立一个可靠的、精确的电离层特征参量现报和预报系统对空间科学研究及军民用无线电信息系统保障均具有重要价值。基于国际GNSS服务组织(International GNSS Service,IGS)的地基GNSS和全球电离层无线电观测站(Global Ionospheric Radio Observatory,GIRO)数字测高仪的实时数据,以国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型为背景模型,采用高斯-马尔可夫-限带卡尔曼滤波同化技术,结合超大规模矩阵稀疏存储与处理方法,在云计算平台上构建完成了近实时全球电离层数据同化和预报系统(near-Real-Time Global Ionospheric Data AssiMilation and forecasting system,RT-GIDAM)。该系统具备了全球电离层TEC和电子密度的近实时(延时约5 min)、较高空间(5°×2.5°)和时间分辨率(15 min)的同化和预报功能,可为空间物理研究及相关无线电系统应用提供数据支撑。

两广地区GNSS/MET水汽反演质量控制算法研究

为了提高GNSS/MET水汽数据解算的精度,选取水汽含量丰沛且四季变化明显的两广地区为研究对象。通过对广东、广西两省四个地基GNSS水汽站点质量控制算法的研究分析,发现造成水汽解算误差的主要原因是观测数据的质量问题以及解算方法中参数、网型的选择等。根据解算误差来源的不同,采取相应措施改进解算方法,使得水汽结果更加精确。研究结果表明：质控后的水汽解算结果比质控前的一致性有所提高,随机误差得到了改善,精度从4~7mm提高至2mm左右。

不同星历产品对GNSS可降水量的影响分析

针对最终精密星历发布延迟时间长、更新速度慢,无法满足实时数值气象预报的需求的问题,提出利用超快速星历和快速星历替代最终精密星历反演全球卫星导航系统(GNSS)大气可降水量(PWV)的方法,并基于香港连续运行参考站(CORS)数据和国际GNSS服务中心(IGS)提供的星历产品,使用中国测绘科学研究院自研的高精度GNSS数据处理软件GPAS进行PWV反演实验。结果表明:3种方案反演的GNSS-PWV与探空数据计算的PWV具有较强的相关性,其中利用精密星历解算PWV精度最高,利用超快速预报星历的精度最低;3种方案的PWV之间的相关性较高,进一步证明了使用超快速预报星历代替最终精密星历进行PWV反演是可行的,能够满足实时气象预报的精度要求。

不同饱和水汽压模型对GNSS反演可降水量的影响分析

地基全球卫星导航系统(GNSS)水汽反演过程中需要大气加权平均温度Tm的参与,而饱和水汽压Es作为Tm计算过程中的一个重要变量影响着Tm,因此Es将会间接地影响大气可降水量(PWV)的反演精度.针对目前地基GNSS水汽反演研究中普遍采用的三种不同的饱和水汽压模型(Magnus-Tetens模型、BUCK模型、Goff-Gratch模型),本文就不同的饱和水汽压模型参与反演是否会引起水汽反演结果的差异进行了研究.以香港为研究区域,利用GAMIT解算了2016年旱雨两季(2、7月)的天顶湿延迟(ZWD),同时利用king’s park探空站的探空数据通过数值积分计算得到旱雨两季(2、7月)的Tm,然后严格参照反演步骤编程模拟计算旱雨两季(2、7月)每天的PWV.最后对比并分析了不同饱和水汽压模型参与计算对Tm和PWV的影响及原因,结果表明:三种饱和水汽压模型参与计算得到的PWV与真值(探空站计算得到的PWV)之间不存在具有统计意义的显著性差异,因此均可被用来提供计算Tm时所用到的饱和水汽压Es,但是通过对比分析发现部分研究人员将BUCK模型中的变量T当作露点温度而非大气温度进行计算会使Tm产生较大的误差,进而对该误差进行了不合理性分析.本文的分析将会对后续地基GNSS水汽反演研究中的处理提供一定的参考.

不同加权平均温度模型对大气可降水量影响分析

加权平均温度(WMT)是地基全球卫星导航系统(GNSS)气象学中解算大气可降水量(PWV)时的一个重要物理量,利用国内四个典型地区2019年的历史气象探空数据计算各剖面的WMT,构建了适合当地的WMT线性统计模型,并对所建模型、工程上常用的几种WMT统计模型及利用其换算得到的PWV进行了对比.根据统计结果可知:对于精度较高的需求,构建适合当地的统计模型是很有必要的,另外,各统计模型中Mao模型和Mendes模型的精度相对较高,在不具备建模条件的情况下可以优先考虑.本统计结果可为其他涉及WMT的工程应用提供参考.

基于Kalman滤波的断层扫描初步层析水汽湿折射率分布

给出了基于GPS信号湿延迟的层析格网模型的建立方法,对Kalman滤波层析水汽算法给出了详细的推导说明,采用给定的算法初步层析了香港区域水汽湿折射率分布。结果显示,基于Kalman滤波的层析算法可以较好地重构水汽的空间分布,较之附加约束条件的层析算法更加容易实现与计算。

电离层多源数据同化方法研究

多源数据同化是实现电离层天气现报和预报的重要途径.选择参数化电离层模型作为背景模型,基于地基全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测以及第二代气象/电离层气候卫星探测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate 2,COSMIC 2)掩星测量,利用经验电离层模型NeQuick计算得到多源观测数据,结合水平和垂直方向分离的高斯型协方差矩阵及卡尔曼滤波方法实现了中国区域电离层多源数据同化反演.同化结果表明,多源数据同化方法能将观测资料有效地同化到背景模式中从而获得较好的同化结果.与背景模式相比,同化后得到的电离层总电子含量及电子密度误差均显著下降.

青藏高原大气可降水量单站观测对比分析

为了探讨青藏高原大气可降水量观测资料的可靠性,对2015年6—9月西藏申扎、改则和那曲3站地基GNSS遥感的大气可降水量、同址探空观测的大气可降水量、风云三号可见光红外扫描辐射计反演的晴空大气可降水量、MODIS大气可降水量和NCEP可降水量进行对比分析。结果表明:探空可降水量和地基GNSS可降水量的偏差较小,均低于2.5 mm。风云三号可降水量明显偏低,与其他观测结果的偏差超过6 mm。全自动探空可降水量离散程度较L波段探空大,均方根误差超过4 mm。