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基于地基GNSS的大气水汽反演方法研究

吴旭祥  
【摘要】:水汽在作为中一种重要的温室气体的同时,也是大气中能在自然状态下发生三相变化的成分,其在相变及水文循环的过程中伴随着能量的输送,显著影响了大气的能量平衡,对底层大气的运动起到非常重要的促进作用。由于水汽的活跃度较高,时空变化较为迅速,常规的大气水汽探测方法受限于较低的观测时空分辨率和较高的观测成本,无法对大气中的水汽变化做出及时有效、灵敏的反应。因此,大气水汽探测作为气象研究和实际应用中的一个关键性手段,对定量遥感的精度、效率等方面提出了更高的要求。近年来全球导航卫星系统进入快速发展的阶段,利用GNSS技术进行气象探测与常规的气象探测技术相比具有高时空分辨率、高精度、观测成本低廉等优势,是气象学观测技术的重要革新,显著改善了中小尺度数值天气观测和预报能力,有效弥补了目前常规大气水汽探测技术的局限性,使GNSS气象学发展为一个具有较高应用潜力的多领域融合学科。本文通过梳理和归纳国内外的水汽反演理论与方法,综合可利用的多种气象观测数据资料,基于GNSS双差相位观测技术进行北斗卫星导航系统的水汽探测技术的理论验证、水汽解算实验和水汽的探测性能分析,主要研究以下几个部分:(1)根据地基GNSS反演大气可降水量的基本理论与方法,综合武汉大学发布的三种精密星历产品,开展BDS的水汽反演实验,并结合GPS水汽探测结果、ERA-5再分析资料产品及无线电探空资料等对北斗卫星导航系统的水汽探测性能进行分析验证。结果表明,BDS的水汽探测相对精度与GPS相比,RMS为2 mm左右,相关系数大于0.98。BDS的水汽探测精度与ERA-5及无线电探空资料相比,RMS分别为3.44 mm和4.39 mm,相关系数均大于0.95。(2)根据BDS独有的“MEO+IGSO+GEO”星座轨道组成,本文深入分析了北斗GEO卫星对水汽探测精度的影响。结果表明,北斗GEO卫星相较于IGSO和MEO卫星存在米级的定轨误差,其轨道误差对水汽探测精度的影响必须要加以考虑。在采取“MEO+IGSO”的解算策略后,水汽探测结果中的异常值数量有明显减少,RMS较“MEO+IGSO+GEO”策略相比减小了31.2%,RMSE较“MEO+IGSO+GEO”策略减小37.8%。在实际应用当中,可以采取对GEO卫星的观测量进行降权或剔除、多星座系统融合观测的方法减少精度较低的卫星轨道对水汽探测的影响,提高整体的水汽探测精度。(3)根据地基GNSS反演大气可降水量的基本理论,研究北斗三号(BDS-3)与北斗二号(BDS-2)在水汽探测精度的差异,利用分布于全球的12个MGEX测站的观测数据并综合GPS水汽探测结果对北斗卫星导航系统的水汽探测性能进行实验分析。结果表明,BDS-2的水汽探测结果与GPS相比,RMS在2.94 mm左右,相关系数大于0.96。BDS-3的水汽探测结果与BDS-2相比,RMS为1.93 mm,相关系数大于98%,较BDS-2系统的RMS和系统相关性分别提高34.3%和2.0%。在将BDS-2与BDS-3进行联合解算后得到的PWV与GPS/PWV相比,Std为1.60 mm,RMS为1.61 mm。Std和RMS较BDS-3单系统分别提高16.2%和16.5%,使北斗系统的水汽探测精度达到与GPS一致的水平,极大地提高了我国北斗卫星导航系统的水汽探测应用能力。


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