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《中国科学院研究生院(上海天文台)》 2004年
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地基GPS网对水汽三维分布的监测及其在气象学中的应用

宋淑丽  
【摘要】:地球大气中的水汽在全球气候系统、天气动力系统、大气环境科学、水文学以及空间大地测量等方面占有非常重要的地位。常规大气观测手段的时空分辨率限制了我们对水汽的时变特性和空间分布的认识,使得我们对全球水汽场和水汽能量循环缺乏详尽的了解,水汽三维分布信息的欠缺影响了数值天气预报模式初始湿度场的精度和数值天气预报的准确度。GPS技术为探测大气提供了一种新的手段,它具有实时连续性、不受天气状况影响、精度高等特点,是传统大气观测手段的有力补充。 本论文从实际应用的角度,全面研讨了区域性地基GPS气象网准实时监测大气可降水量(PWV)、层析水汽三维分布,以及应用于气象服务的理论和方法。对实际应用中的一系列问题提出了解决办法。利用上海地区GPS综合应用网的实测资料,为上海地区的气象服务提供了高精度、高时空分辨率、全天候、近实时、几乎连续的PWV变化序列,已在长江三角洲的天气预报和研究中(如,2002、2003年入梅过程的诊断、降水过程的监测和预报,暴雨过程的分析等)发挥了较为明显的作用。针对地基GPS气象应用的瓶颈问题,本论文着重研究了地基GPS观测层析水汽三维分布的技术,解决了实际应用中的难点,利用上海GPS网的实测资料,开展了上海地区上空水汽三维分布的层析研究和监测。层析结果表明,GPS信号斜路径水汽的层析监测可有效地提高数值预报MM5对上海地区上空水汽三维分布的层析精度,有利于提高天气预报的准确度。 本论文的主要研究内容是: 1. 探讨了利用区域性地基GPS小网实时获取测站上空绝对PWV的若干问题,借助于上海GPS综合应用网获取的数据,研究了利用区域GPS网实时计算高精度绝对PWV的数据处理方案。包括数据处理软件和计算方式的选择,站坐标的确定和约束、轨道的使用方法、网外辅助站最佳数量的确定,海潮对实时计算PWV的影响、以及实时应用于气象服务时的端部效应等问题。研究发现对于实时连续计算PWV,由于受卫星钟差的限制,需要用GAMIT等采用双差技术的数据处理软件。利用预报轨道计算的PWV可以达到精密轨道的精度。为了降低由于测站间距较小引起的PWV的相关性,我们采用了加网外辅助站的方法,本论文首次分析了网外辅助站最佳数量的确定,研究表明2~3个网外大于500km的测站可以满足要求。计算的PWV与加密观测的探空资料进行了比较,精度达到mm级。 2. 对所获得的高精度、高分辨率的、几乎连续的GPS/PWV序列与MM5中尺度 WP=6 数值预报的结果进行了比对,结果表明:GPS/PWV序列可以作为检验MM5预报质量的工具之一。把GPS/PWV以客观分析和三维变分的形式应用到数值天气预报模式初始场中,两种试验结果都表明,GPS/PWV资料的加入提高了数值模式的预报能力,特别是对于特大降水的预报,GPS/PWV有明显的优越性。 3. 分析了上海GPS网监测的连续PWV序列,首次给出了2002和2003年长江三角洲地区从西南到东北的详细入梅过程和特点,以及梅雨季节各个阶段PWV分布与雨带摆动的对应关系,表明PWV的时空变化与梅雨锋的移动非常一致,GPS/PWV描述雨带的移动具有很好的代表性。分析了2002年6~9月份加密观测的每小时雨量大于8mm的 138次降雨过程和对应的GPS/PWV峰值,进行了GPS/PWV对实际降雨的可预报性研究,结果表明,大部分降雨过程都对应着PWV的急升和陡降现象,实际降雨比GPS/PWV峰值的推后时间大部分都在0~2小时内,占约82%的比例,反映了GPS/PWV具有很好的短期预报特性,表明利用地基GPS网来进行短期雷暴雨和台风等灾害性天气的实时预报具有非常大的潜力和可行性。 4. 利用地基GPS技术层析水汽三维分布的前提是获取精确的GPS信号斜路径方向的水汽含量。为此,本论文提出了一种利用无电离层影响的GPS 非差观测组合直接计算斜路径方向水汽含量的方法。该方法每30秒种计算一次斜路径方向的水汽含量。计算结果与水汽辐射计(WVR)的观测值比较表明,利用该方法计算斜路径方向的水汽含量可以达到毫米级的精度。把5分钟内的斜路径水汽投影到天顶方向取平均,与以5分钟间隔估计的可降水量(PWV)进行比较,结果表明二者之间的差别小于2mm。GPS信号斜路径方向上的水汽含量,可以用于层析水汽的三维分布,优化数值天气预报的初始场,也可以改正GPS大地测量和雷达影像的误差。 5. 利用上海GPS网观测的信号斜路径方向的水汽观测值,采用层析技术,在国内首次探测了上海地区的水汽三维分布。为解决层析观测方程秩亏的难点,提出利用数值模式的预报湿度场作为背景场,采用高斯加权函数进行水平约束,考虑了边界条件;针对无法给出各类方程的准确先验权的问题,在层析水汽三维分布的问题中首次采用了验后方差分量估计方法,进行验后定权;由于水汽的时变性限制了层析的时段,计算时观测值的数量相对较少,为了充分利用有效信息,降低观测噪声对层析结果的影响,我们提出了采用抗差估计的方法,同时进行了参数估计抗差和方差分量抗差,以便得到准确的验后方差、验后权和参数估值。层析结果与探空提供的水汽剖面进行了比较,GPS水汽层析技术在对天气预报最重要的1~7km高度范围对数值预报湿度场有明显改善, WP=7 与探空提供的剖面符合的比较好。得到的水汽三维分布,可以用于改善数值天气预报初始湿度场的精度,提高天气预报的准确度,特
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