GNSS气象学研究综述及展望

叙述了地基GNSS气象学和掩星探测的基本原理,分析了其研究现状和前景,对PWV以及SWV的求解方法进行了概述,并对水汽层析的方法作了讨论。对掩星事件反演的方法、面临的主要问题和解决方法作了介绍。

“GNSS气象学”课程实践教学探讨

随着测绘学科与气象学科不断交叉与渗透,测绘相关理论、技术与方法在气象业务中的应用越来越深入,尤其全球导航卫星系统(GNSS)在气象行业中的广泛应用,急需大量的从事GNSS气象应用方面的高级工程技术人才。结合南京信息工程大学测绘工程专业开设的"GNSS气象学"课程,从实践教学内容、教学手段、考核方式、实践条件、师资队伍等几方面对该课程的实践教学进行了探讨,为高校培养测绘气象复合型人才提供参考。

GNSS气象学中关键参数的建模

地基GNSS气象学是GNSS技术的一种新应用,其基本原理是利用GNSS信号穿过对流层时产生的湿分量延迟反演可降水量,而湿分量延迟和可降水量之间的转换参数是一个关于大气加权平均温度的函数,因此准确的求取大气加权平均温度是GNSS气象学中的关键。以徐州地区为例,利用探空数据建立加权平均温度模型,并与其他几种模型进行比较,结果表明本地化模型精度更高,更适合本地的水汽反演。

基于中尺度气象模式(MM5)计算GNSS对流层水汽延时

基于中尺度气象模式MM5得到的三维气象场数据,建立了渤海湾地区的湿折射率场。采用切比雪夫多项式和微积分等数学方法计算了GNSS卫星信号传播方向上的水汽延时。通过与Bernese软件处理的GNSS结果比较分析来看,二者天顶总延时相差最大不超过2cm,在1cm附近波动。得到的湿延偏差在7mm左右,最大相差10mm.MM5模式积分计算的水汽延时结果可信,具有较理想的精度。

北斗卫星导航系统在气象行业的应用

北斗卫星导航系统在气象行业应用广泛,北斗三号正式对外提供服务更是为GNSS气象学发展带来了新契机。随着北斗系统的建设,GNSS在气象行业的应用逐步国产自主化,业务安全性和行业智能化水平得到显著提升,在行业内已经向北斗体制转变。本文介绍了北斗系统在高空气象探测、水汽电离层气象探测、反射信号遥感探测和气象信息传输等领域的应用。随着北斗GNSS的不断完善和发展,以及更加先进的接收机研发与更新,北斗系统在气象行业的创新应用将继续为构建实时无缝隙的全球三维立体气象要素场作出贡献。

舰船海上气象信息探测现状研究

海面的气象条件对舰船出航执行军事行动与非战争军事行动至关重要,然而舰船海上探测手段受制于常规方法和仪器设备的局限性而存在诸多现实问题。论文通过研究舰船海上气象信息探测现状,分析总结出目前舰船气象业务主要有探测高度低、极度依赖陆基保障平台、实时性差和存在安全保密隐患等问题,极大地影响了舰船中远海执行任务能力。最后基于新兴的GNSS气象学提出应用北斗卫星导航系统在舰船上反演海上气象信息,对舰船未来海上探空手段作展望研究。

厦门市台风事件CORS站网数据水汽反演及分析

针对厦门市3次台风事件,利用厦门市连续运行参考站(CORS)的GNSS观测数据,使用PANDA软件进行解算,反演出大气可降水量(PWV),将获取的ERA5再分析数据与反演出的PWV数据进行对比分析,在此基础上分析厦门市受台风影响期间GNSS-PWV变化特征与实际降雨量的关系.结果表明:PWV与ERA5数据具有较好的一致性;GNSS反演PWV具有较高的精度;GNSS-PWV能够较好地反映台风期间水汽的时空动态变化过程,其与降水量之间呈现出明显的相关性.

利用北斗/GNSS观测数据分析“21·7”河南极端暴雨过程

2021年7月,受台风“烟花”和“查帕卡”影响,河南省发生罕见的极端暴雨事件,造成了重大人员伤亡和巨额经济损失.极端暴雨的产生过程极为复杂,大气可降水含量(PWV)是产生降雨的主要因素之一.分析暴雨的发生过程与PWV之间的关系,对于暴雨发生的短时临近预报具有重要意义.本文利用河南省220个连续运行的北斗/GNSS站观测数据,采用精密单点定位(PPP)和克里金插值方法,获取了本次极端暴雨发生期间河南省高时空分辨率的PWV空间格网数据;同时结合省内116个气象站降雨量数据,分别从时间和空间上分析了PWV变化与极端降雨之间的关系.结果表明,通过PPP获取的北斗/GNSS站PWV与国际权威的全球气象再分析资料ERA5反演的测站结果互差均方根(RMS)为3.2 mm;进一步通过克里金插值获取的PWV空间格网数据与探空仪实测结果的互差RMS为4.6 mm,与ERA5反演的格网数据互差RMS为4.4 mm,表明本文的PWV数据精度符合气象学研究要求.通过分析北斗/GNSS站与并址气象站的PWV和小时降雨量的时间序列,发现暴雨期间并址站上空的PWV达到高数值水平,并且在极端降雨发生前1~3小时PWV多表现出陡增现象.通过分析PWV与小时降雨量的空间分布关系,发现本次极端暴雨中高数值PWV地区,其降雨强度也普遍较高,与实际受灾情况相符.

GNSS大气加权平均温度经验模型精化方法的建立和分析

加权平均温度T_(m)作为对流层湿延迟转换为大气可降水量的关键参数,在GNSS气象学研究中发挥着重要作用。T_(m)经验模型的构建,可以通过将测站位置和时间信息作为输入参数快速获取T_(m)估值,但其精度往往受限,尤其在某些局部区域。本文提出了一种T_(m)经验模型精化方法,引入了地表气温数据,通过最小二乘快速获取精化系数,达到T_(m)的误差补偿作用。基于我国及邻近区域180个探空测站2011—2015年的数据,本文构建了基于GPT3的精化模型,并对其进行分析。数值结果表明,与Bevis模型、区域线性模型和GPT3模型相比,本文提出的精化模型估计T_(m)的精度分别提高了16.2%、13.5%和21.1%。另外,基于GPT3的精化模型估计T_(m)表现出最优的时空分布结果,显著提高了高纬度地区T_(m)估计精度,有效解决了GPT3模型只能表现T_(m)季节性变化的缺陷。本文方法计算公式简便,可以快速推广至任意T_(m)经验模型,具有较高的使用价值。

对流层映射函数对GNSS反演可降水量的影响分析

对流层映射函数是将对流层天顶延迟转化为信号传播路径上总延迟的重要模型,选择合适的映射函数对反演大气可降水量(PWV)精度的提高具有十分重要的意义.本文研究了对流层映射函数对反演PWV精度的影响,选取VMF1、GMF、NMF 3种映射函数,利用GAMIT解算比较3种映射函数在不同季节、不同高度角对网基线解算以及反演PWV的精度影响.结果表明,在进行PWV反演时,选择10°高度角作为解算截止高度角的GMF函数模型反演精度最佳,为进一步提高GNSS水汽反演的实时精度提供了参考.

区域大气加权平均温度模型的构建及其精度分析

大气加权平均温度(Tm)可通过模型计算得到,针对一些常用的Tm模型在中国区域研究中存在精度较低的问题,提出一种顾及地表温度(Ts)和Tm年周期、半年周期、日周期的Tm模型——BGTm模型。利用2017—2019年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5再分析数据建立适用于中国区域的区域Tm模型,使用2020年ERA5数据和探空数据对模型精度进行评估。实验结果表明,与GPT3、UNB3和Bevis模型相比,BGTm模型在研究区域内具有更好的适用性。BGTm模型可为中国区域提供精确的Tm值,为该区域水汽反演提供水汽信息的参考。

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.

顾及边界入射信号的多模水汽层析方法

利用GNSS三维水汽层析技术全天候地获取高时空采样率的水汽垂直分布信息,已成为GNSS气象学中一大研究热点。当前,基于单一导航系统的传统层析方法存在观测数据利用率低、观测分布不均等不足。本文设计和实现了一种顾及边界入射信号的多模水汽层析方法,采用香港CORS网观测数据和无线电探空产品进行精度验证,并详细分析边界入射信号和多模层顶信号的引入对层析水汽结果的改善程度。结果表明:相较于传统GPS层析方法,本文采用的融合两类多模层顶信号和边界入射信号的新水汽层析方法,兼备边界入射信号和多模层顶信号的优点,可得到更高精度和更可靠的三维水汽信息。

中国分区大气加权平均温度模型的建立与应用研究

基于中国气象数据网提供的30年平均地表气温与90个探空站点2015年间数据,采用含障碍的扩散插值法进行插值,按3.4 K温度间隔将插值后结果分成8级13区。通过实验分析发现探空数据层数和层顶高度对大气加权平均温度计算精度间存在近似指数函数关系,仅考虑单一因素时,层顶大于9 km或观测层数大于13层后,大气加权平均温度计算值与真值RMS约为1 K;其次,考虑实际样本层顶和层数分布情况,采用层高大于9 km、层数大于8的无错探空数据,分别建立了全国统一的以及分区域的大气加权平均温度回归模型,有效地削弱全国模型在不同地区适用性不一致的影响,拟合残差RMS平均降低了17.8%;最后,应用该分区模型反演了某区域的可降雨量序列,与同期的探空数据计算得到的可降雨量数据进行了比较与分析。

中国区域性大气加权平均温度线性模型精度评估

以欧洲中期天气预报中心的再分析资料ERA5为参考数据,评估由探空数据建立的中国区域88个单站大气加权平均温度(T_(m))与地表气温(T_(s))线性关系模型的精度.各站T_(m)-T_(s)线性模型计算的T_(m)(计算值)与ERA5气压层数据积分所得的T_(m)(参考值)间偏差均方根值(RMSE)为1.8~5.5 K.不同站模型计算值与参考值间存在-1.22~4.54 K的系统性偏差,且绝大多数测站(82个站)系统性偏差为正值,即模型计算值总体上大于参考值.补偿各站系统性偏差后,模型计算值与参考值间RMSE降为1.5~3.5 K.与使用中国区域统一模型相比,使用单站模型平均能提高0.6 K的T_(m)计算精度,尤其在中国西部、西北和内蒙区域,精度提高可达1~3.9 K.对所有测站模型计算值和参考值间偏差时序进行分析,发现超过半数测站的偏差存在明显季节性变化.

利用GPS/BDS/GLONASS/Galileo组合PPP反演大气可降水量

为进一步改善精密单点定位(PPP)探测大气可降水量(PWV)的性能,本文提出采用GPS/BDS/GLONASS/Galileo组合PPP进行PWV反演的方法,并利用国内3个MGEX(multi-GNSS experiment)观测站的实测数据,对GPS/BDS/GLONASS/Galileo组合PPP在大气水汽探测方面的性能进行了评估。试验结果表明:相较于GPS PPP、GPS/BDS组合PPP和GPS/GLONASS组合PPP,GPS/BDS/GLONASS/Galileo组合PPP估计天顶对流层延迟(ZTD)的初始化时间分别缩短了33%、26%、20%,且能获得更高精度的ZTD估值和PWV信息,在大气水汽探测方面的性能更优。

长三角地区分季节多因子本地化T_m模型研究

针对GNSS气象学中大气加权平均温度(Tm)受时空影响的问题,利用长三角地区7个探空站2015~2017年数据,分析Tm与地面温度(Ts)、水汽压(es)和气压(Ps)的线性关系,并基于最小二乘法进行多元线性拟合,建立长三角地区本地化Tm模型。实验结果表明:1)本地化单因子模型效果优于Bevis模型,且双因子和多因子模型与单因子模型效果相当;2)分季节多因子模型优于全局模型,对秋冬季改善效果最为显著;3)分季节多因子Tm模型计算GNSS大气可降水量(PWV)的效果优于Bevis模型。分季节多因子本地化Tm模型更适用于长三角地区,可获得更准确的Tm和PWV。

基于BDS/GPS观测量的大气可降水量反演精度分析

针对BDS数据参与水汽反演解算的可行性和精度有待进一步验证的问题,提出了实时条件下利用BDS/GPS混合观测量进行天顶对流层延迟和大气可降水量估计的数据处理方法。利用亚太地区的BDS/GPS观测站数据进行了水汽反演实验,并利用IGS对流层产品和探空数据资料作为对比真值验证了反演结果的精度。实验结果表明:北斗卫星导航系统估计ZTD/PWV基本满足数值天气预报等应用的精度要求,与单系统相比多系统组合可提高稳定性。

一种用于估计中国及毗邻区域加权平均温度的神经网络方法

为了提高全球温压湿模型(GPT2w)在估计中国及毗邻区域加权平均温度中的适用性,采用了基于神经网络的模型误差补偿技术,以分布在中国及毗邻区域的100个探空站2006—2015年的374800条大气垂直廓线资料为数据源,建立了适用于该地区加权平均温度估计的增强模型.利用分布在该地区的其余92个探空站2016—2018年的数据测试模型性能.结果表明,该模型的精度比GPT2w模型提高了约14.9%,比基于实测气象参数的Bevis模型提高了约7.6%.该模型的性能无论是在各个高度区间,还是在不同季节都比GPT2w模型有明显改进,并且在探空站分布十分稀少的我国西北部地区,加权平均温度的估计精度也得到显著的改善.该模型在开展全国范围内的地基GNSS实时水汽反演中具有巨大的应用潜力.

利用BDS数据反演大气可降水量及其精度分析

随着GAMIT软件版本的不断更新,对BDS数据基线解算已成为可能。本文提出了一种基于GAMIT软件的BDS大气可降水量反演方法,并对利用探空数据计算得到的大气可降水量与GPS数据反演结果进行精度验证。结果表明,通过BDS反演得到的大气可降水量与探空数据计算结果之间的平均相对误差、均方根误差均小于2 mm,相关系数大于0.98;与GPS反演结果之间的平均相对误差、均方根误差均小于3 mm,相关系数大于0.96。BDS反演结果精度较高,基本能够满足气象需要。