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。

基于多元数据的地基GNSS水汽观测对比分析

在"超大城市垂直综合气象观测技术研究及实验"中,利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA Interim再分析数据集,对2018年北京观象台的地基导航卫星气象观测(GNSS/MET)、探空和微波辐射计观测的水汽总量(PWV)进行了对比分析,结果表明,3种观测和ECMWF模式分析具有较好的相关性,可以较好地监测北京水汽的变化。与ECMWF模式对比,GNSS/MET、探空和微波辐射计的偏差分别为0.54mm、1.94mm、-0.65mm,均方根误差分别为3.55mm、3.60mm、6.08mm;若以探空作为参考,GNSS/MET、ECMWF和微波辐射计的偏差分别为-1.39mm、-1.94mm、-2.58mm,均方根误差为2.85mm、3.59mm、6.79mm。由此可见GNSS/MET、探空和ECMWF模式分析的水汽具有较好的质量。从对比结果看,GNSS/MET在相关性、偏差和均方根误差方面均表现突出,和探空、ECMWF相当,而微波辐射计差别明显,均方根误差最大,但剔除雨日后,资料质量得到提高,表明微波辐射计资料的应用需要注意降水条件,反演算法需在今后进行改进。

地基GNSS水汽反演关键技术研究及其应用

对流层作为地球空间环境中与人类活动最为密切的大气圈层之一,与人类的生产和生活密切相关。水汽是对流层中最重要的组成部分之一,尽管所占比例较小,但在多种气候和一系列天气现象中都扮演着关键角色。利用现代技术手段,掌握对流层中水汽的时空变化,对大气结构的垂直稳定度、暴风雨以及强对流等灾害性天气的形成和演变都具有重要影响。近年来,随着全球气候变暖,各种灾害性天气频发,针对大气水汽的研究也备受关注。

基于GNSS/MET的宁夏大气水汽分布及其与降水关系研究

为科学合理开发宁夏空中水资源,提升人工增雨作业效率和水平,摸清宁夏空中水资源时空变化特征及水汽变化与降水的关系,利用2014年1月—2020年12月宁夏23个全球导航卫星系统大气探测(GNSS/MET)站、地面自动气象站及银川市和平凉市探空站气象资料,采用统计诊断和对比分析方法,检验评估了GNSS/MET资料在宁夏不同地区的适用性,分析了宁夏大气水汽含量的时空变化特征及其与降水的关系,建立了宁夏大气水汽含量人工增雨作业指标,并对不同降水强度下的降水转化率进行了初步分析。结果表明:(1)GNSS/MET资料和探空观测数据反演得出的大气水汽含量间的相关系数为0.80~0.92,两者之间的相关性随天气过程中降水量的增大呈减小趋势,GNSS/MET资料反演的大气水汽含量在宁夏具有较好的代表性和适用性。(2)受东亚夏季风年变化影响,宁夏整层大气水汽含量夏季的最大,秋春季的次之,冬季的最小;8月大气水汽含量最大,12月大气水汽含量最小。受季风边缘区位置年际波动、六盘山和贺兰山地形抬升作用影响,宁夏大气水汽含量月均值呈现出南部和北部地区的波动较大、中部地区的波动较小的显著特征。(3)宁夏1—12月适宜人工增雨作业的大气水汽含量指标分别为4.9~7.0 mm、7.6~10.0 mm、12.7~17.8 mm、16.6~19.1 mm、22.4~25.7 mm、28.0~32.7 mm、36.2~42.0 mm、34.9~44.0 mm、27.5~32.5 mm、19.2~21.0 mm、10.4~14.5 mm、5.0~8.8 mm。(4)受到纬度、六盘山地形及西南季风等影响,六盘山西侧及宁夏最东侧的盐池大气水汽降水转化率较高;与腾格里沙漠、毛乌素沙地等相邻的宁夏中部的西部地区和北部的东部地区可能受到沙尘等影响,大气水汽降水转化率低。

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。

贵州省GNSS/MET水汽报文自动化处理系统的设计与实现

为解决旧版GNSS/MET水汽报文处理系统因程序崩溃导致报文发送不及时等诸多问题,该文基于Zabbix-高可用性集群,通过程序开发设计了水汽报文自动化处理系统。该系统包括中心站系统和报文监控与告警系统,有效提高了报文传输及时率,节约了计算资源,实现了资料监控到自动化运维的全流程保障。

海南省GNSS/MET水汽观测数据质量分析

基于海南省5个GNSS/MET水汽含量观测站的观测数据文件、导航定位文件和温度、湿度、气压三种气象要素资料,采用概率密度函数(PDF)、直方图和箱线图分析等方法,研究了2020年全年10个变量数据的质量特征.结果表明:(1)五指山站所跟踪到的导航卫星数量比其他站点跟踪到的导航卫星数量要少,但五指山站所跟踪的卫星数量异常值较其他站偏多;(2)西沙站的L1、L2载波多普勒频率直方图都存在双峰形状,质量不如其他站;(3)西沙站在L1、L2载波相位方面的数据都与其他站的数据相差较大,而且,西沙站的L2载波相位直方图存在明显双峰形状;(4)西沙站的L2载波信噪比变量值直方图存在明显的双峰形状,并且其箱线图的箱体较其他站的箱线图箱体大,数据波动较大;(5)西沙站的L1载波C/A码伪距和L2载波P码伪距直方图均存在明显双峰形状,并且其箱线图中位数也与其他观测站的中位数相差较大;(6)全省各个观测站点的解算水汽含量大都在50 mm左右.

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。

地基GPS/MET水汽探测设备的日常维护

地基GPS/MET水汽探测设备的投入使用,大大提高了大气探测自动化的技术水平,是气象业务、科研、服务实现现代化的重要基础。文章根据GPS/MET水汽探测设备的工作原理,就GPS/MET水汽探测设备日常维护进行总结,为业务人员快速排除设备故障,保证仪器正常工作提供参考。

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。

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。

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.

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.

新疆地区GPT2w模型计算加权平均温度适用性分析

利用GPT2w模型计算加权平均温度Tm值,以新疆地区9个探空站2013-2015年实测气象数据积分计算的Tm值为参考,通过时空序列分析1°×1°和5°×5°两种格网分辨率下G1-Tm和G5-Tm的精度分布情况,进而检验利用GPT2w模型在新疆地区进行地基GNSS大气水汽反演的适用性。结果表明:①G1-Tm和G5-Tm均存在-3^-4 K的年均偏差;②G5-Tm存在精度异常突出区域,影响整个新疆地区Tm值的计算精度,而G1-Tm具有较好的稳定性;③G1-Tm模型的年均Bias、MAE和RMS分别为-3.17 K、4.12 K和5.17 K,总体上优于G5-Tm模型,因此运用G1-Tm进行地基GNSS大气水汽反演具有较好的精度保障。

GNSS/MET站的发展应用与故障类型分析

GPS气象学是近年来迅速发展的一项新型技术,它具有常规探测所没有的探测精度高、时间分辨率高、经济高效等特点,对提高天气预报(特别是灾害性天气预报)准确性、研究全球大气水汽和电离层电子浓度分布等有着十分重要的意义,因此,越来越多地被应用到气候监测分析、空间天气监测预警、人工影响天气、中尺度数值预报等领域。为进一步了解和学习GPS气象学,下面简要介绍GNSS/MET的基本原理及其在气象业务中的应用。

北斗/GNSS实时层析空间环境监测关键技术与应用

电离层和对流层是地球近地空间环境的主要组成部分,是影响全球卫星导航系统(GNSS)定位的两个重要误差源,利用地面基准站网(CORS)能够反演区域电离层和对流层模型.针对普遍存在的反演精度低、时效性差、不兼容多模卫星数据等难题,南宁市突破电离层/对流层三维层析、对流层水汽反演、北斗多模数据融合等关键技术,研发了国内外首个GNSS三维实时空间环境监测系统.