收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

地基GNSS探测2D/3D大气水汽分布技术研究

江鹏  
【摘要】:水汽是地球大气的重要组成部分,在众多气候与天气现象中扮演着关键的角色。虽然水汽在大气中所占的比例很小,约为0.1%-3%,然而却是随空间与时间变化最为强烈的大气成分之一,这也使高精度探测水汽分布信息变得困难。传统的水汽探测手段往往存在空间或时间分辨率不足、精度有限或者适用范围较小等局限性,而随着当代数值天气预报技术的不断发展,高精度高时空分辨率水汽分布信息的缺乏已经日益成为提高数值天气预报特别是定量降水预报精度的主要制约因素。 相比传统的大气水汽探测技术,地基GNSS探测水汽分布技术具有实时性、全天候、无需标定、高精度等优势,且单站布设成本较低,一旦布设完毕即可投入连续运行,方便实现大范围高密度的水汽监测。利用地基GNSS观测网络的观测数据,不仅能够反演整层大气水汽含量的二维空间分布,而且通过断层扫描技术也可以进一步重构水汽的垂直廓线,进而获取水汽的三维分布信息,因此成为目前最具潜力的水汽探测手段之一。当前,地基GNSS的观测资料无论是其资料积累的时间长度,还是其空间的观测密度都已经达到了较高的水平,充分利用这些观测资料将极大的发挥地基GNSS观测网络在气象及其它领域的应用能力。 本文针对地基GNSS反演整层大气水汽含量过程中存在的一些问题,对在中国区域利用数值天气预报资料提供地面气象要素的方法进行了深入研究与分析;利用较长时间的实测数据对地基GNSS反演可降水量的精度进行了研究:分析了目前地基GNSS层析水汽三维分布中存在的若干问题,提出了一种简便的同时顾及水汽不均匀分布和地球曲率的层析建模方法:对层析过程中若干个主要精度影响因子进行了深入了仿真研究和分析;研究了一种新的融合地面水汽观测的层析方法,提高中低层层析精度;开发了一套可用于近实时地基GNSS层析水汽的软件系统,并模拟了一次为期一年的近实时层析过程。本文的主要研究内容和结论包括: 1、针对我国现有及历史上存在大量无并站地面气象观测仪的GNSS基准站的事实,研究了利用数值天气模式分析资料获取我国任意位置GNSS测站地面气压、地面气温以及加权平均温度的方法,利用大量长期的数据评价了该方法在反演天顶可降水量的精度与适用情况。通过与616个地面实测站的观测值为期一年的比较研究,表明获取的地面气压在超过77.7%的测站上均方根误差小于1hPa,造成的可降水量误差小于0.5mm,在超过98.5%的测站上小于2.8hPa,导致可降水量的误差小于1mm,即使在极端天气条件下也能很好的反映地面气压的真实变化;获取的超过95.9%的测站地面气温与实际观测值均方根误差小于5K,造成的可降水量相对误差小于1.8%;通过与分布在全国不同地区的22个无线电探空站观测资料以及10个无探空资料的陆态网观测资料的比较,显示出在绝大多数情况下内插得到的加权平均温度对反演水汽的影响都小于1%,极端天气下的个例分析也显示该方法的精度依然较高。但是无论是获取何种气象元素,在地面起伏较大的地区,受模式资料分辨率的限制,如果测站与资料格网点海拔高间存在较大的负高差的话,地面气压与地面气温都会出现明显的系统性偏差,加权平均温度的精度也会下降,最终导致反演的可降水量误差增大。与实测的无线电探空PWV以及NCEP PWV的比较表明该方法反演的GPS PWV的平均偏差绝对值小于2mm,均方根误差小于3mm。 2、以2012年北京“7.21”暴雨为研究特例,比较了中国陆态网实测数据反演的全国大部分地区大气整层水汽含量和再分析资料的水汽结果,表明大范围地基GNSS观测网络能够较好的实时监测大范围水汽的分布与运动趋势,客观反映了整层水汽的活动情况;通过单站GPS PWV与降水量的比较分析,发现在本次降雨前3-4小时,所有测站都出现可降水量持续上升以及地面气温持续下降的现象,说明了GPS PWV的实时监测对于降水的发生与发展有一定的指示意义。 3、对现有数值积分参数化层析方法的内插算法进行了改进,使其更加符合实际的大气分布规律,实现起来也更加简便;仿真研究了地球曲率对层析所用斜路径观测值的影响,结果显示其影响随着高度角的降低而迅速增加,在此基础上本文提出了一种顾及地球曲率的简便层析建模方法,仿真结果显示顾及地球曲率能够减少层析观测方程组中零系数参数的个数,提高实际观测方程组的方程强度:提出了在实时层析观测模型中引入地面实测水汽密度观测值的方法,该方法能够有效提高层析对于底层水汽廓线的反演能力。 4、仿真研究了层析模型中若干个重要的精度影响因子,结果显示测站的垂直分布情况对于层析精度的影响最为明显,另外,对于最高测站以下的层析分层,其层析精度相对较高,但是对于最低层层析精度则较低;层析总体精度与卫星星座的分布有关,多系统GNSS的应用有利于提高层析精度:在观测值等权的前提下,低高度角观测值的引入在不明显减低卫星星座GDOP值的情况下,能够明显提高层析的整体精度,特别是对中低层的提高程度最大;在划分层析网格垂直分布时,需要在层析结果的垂直分辨率与每层的层析精度间寻求平衡,不均匀的网格划分有助于提高层析的精度水平。 5、利用香港定位参考网的一年的实测数据,模拟了近实时层析过程;分析了该地区长期地面气象观测数据以及探空数据以获取较为准确的三维水汽场随机模型,并作为Kalman滤波动态噪声模型建立的依据;搭建了一套以GAMIT、 TEQC软件为基础,采用标准c++语言编写的层析大气水汽三维分布的程序;以无线电探空结果为参考标准,统计显示本文提出的指数加权参数化方法相对其它方法具有一定的精度优势;通过在层析系统中融合地面水汽观测数据,最低层的层析精度水平得到了明显的提高,全年分层统计结果的BIAS与RMSE值都减小了一半以上,4km以下分层的均方根偏差减小了17.74%,但是改善效果随着高度的上升逐渐减弱,在5km以上高度出现了轻微逆转,但是总体上仍然大大提高了层析的精度;融合地面水汽观测值对于提高单条廓线的反演成功率也有明显提高作用,以探空廓线为真实廓线,统计表明多数层析廓线均方根误差以及相关性都有显著提高,层析的成功率从47.93%提高到了61.46%;层析对于多种类型的水汽垂直廓线均有反演能力,对于低于1km的逆增层也能较好的反映,但是对于更高高度的逆增层则失去了其辨别性,这些逆增层在层析结果中往往完全扩散至相邻高度层,这一点与国际上其它研究结果是一致的。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 闫娜;;江苏省GNSS连续运行参考站网项目通过验收[J];测绘通报;2007年02期
2 ;获境外专业机构青睐,合众思壮高精GNSS产品迈入世界前列[J];北京测绘;2007年02期
3 ;中国GNSS技术打破欧美垄断高精度测量产品角逐国际市场[J];江西测绘;2007年02期
4 ;合众思壮获海外定单标志中国GNSS踏上自主创新成果产业化之路[J];现代测绘;2007年04期
5 ;十年中海达 中国GNSS产业化十年——中海达10周年庆典活动拉开序幕[J];测绘技术装备;2009年03期
6 杨永平;段德磊;;多功能手持GNSS在电力行业的应用[J];电力与电工;2009年03期
7 薄万举;黄立人;李军;程增杰;宋兆山;许明元;李文静;李文一;;GNSS野外检定场[J];测绘科学;2009年S1期
8 季宇虹;王让会;;全球导航定位系统GNSS的技术与应用[J];全球定位系统;2010年05期
9 董春来;周立;史建青;;GNSS多功能实验室的构建与实践[J];实验室研究与探索;2011年02期
10 Zhan Wei;Zhu Shuang;Yang Bo;Wu Yanqiang;Liu Zhiguang;Meng Xiangang;;Effects of the differences between the ITRF2000 and ITRF2005 models in GNSS data processing[J];Geodesy and Geodynamics;2013年04期
11 李俊毅;孙倩;李军正;;GNSS导航信号仿真中运动轨迹设计[J];海洋测绘;2013年06期
12 孔巧丽;韩李涛;阳凡林;郭金运;;新时期技术推动下的GNSS实验室[J];实验室研究与探索;2014年01期
13 符养;周兆明;;GNSS-R海洋遥感方法研究[J];武汉大学学报(信息科学版);2006年02期
14 曹冲;;全球导航卫星系统(GNSS)竞争格局和发展趋势研究[J];全球定位系统;2006年03期
15 张训械;邵连军;王鑫;孙强;胡雄5;;GNSS-R地基实验[J];全球定位系统;2006年05期
16 曹冲;;GNSS软件无线电接收机及典型案例[J];全球定位系统;2007年01期
17 俞瑜;;获境外专业机构青睐,合众思壮高精度GNSS产品迈入世界前列[J];测绘通报;2007年06期
18 刘经南;邵连军;张训械;;GNSS-R研究进展及其关键技术[J];武汉大学学报(信息科学版);2007年11期
19 焦明连;;GNSS气象探测技术及其应用[J];测绘科学;2008年S3期
20 焦明连;;GNSS气象探测技术及其应用[J];测绘科学;2008年S1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张慧君;李孝辉;;GNSS系统时间偏差及其监测与预报[A];2009全国时间频率学术会议论文集[C];2009年
2 ;Supporting capability analysis of present spectrum management resources to GNSS IDM in China[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S01北斗/GNSS导航应用[C];2012年
3 朱旭;;全球导航卫星系统(GNSS)在空中交通管理中的应用进展[A];中国通信学会第六届学术年会论文集(上)[C];2009年
4 董绍武;;GNSS时间系统及其互操作[A];2009全国虚拟仪器大会论文集(二)[C];2009年
5 孙晓波;李冶天;;多模GNSS高精度授时在电力系统中的应用分析[A];经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会(第四卷)[C];2010年
6 胡晓;高伟;李本玉;;GNSS卫星导航系统关键技术的研究与思考[A];《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C];2008年
7 高井祥;闫文林;王坚;;矿山变形灾害GNSS现代化监测技术研究[A];《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C];2008年
8 马利华;韩延本;;全球卫星导航系统(GNSS)概述[A];中国地球物理学会第二十三届年会论文集[C];2007年
9 ;A study of ionospheric scintillation effects on Differential GNSS[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S08卫星导航模型与方法[C];2012年
10 甄卫民;韩超;杜黎明;陈丽;;我国GNSS开放服务中的干扰检测与减缓计划[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S01北斗/GNSS导航应用[C];2012年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 江鹏;地基GNSS探测2D/3D大气水汽分布技术研究[D];武汉大学;2014年
2 徐韶光;利用GNSS获取动态可降水量的理论与方法研究[D];西南交通大学;2014年
3 李磊;基于GNSS的电离层总电子含量的预测与应用研究[D];大连海事大学;2015年
4 陈良;机载GNSS/SINS组合精密导航关键技术研究[D];国防科学技术大学;2013年
5 白伟华;GNSS-R海洋遥感技术研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2008年
6 刘卫;GNSS兼容与互操作总体技术研究[D];上海交通大学;2011年
7 王立端;星载GNSS/INS超紧组合技术研究[D];上海交通大学;2010年
8 陈坡;GNSS/INS深组合导航理论与方法研究[D];解放军信息工程大学;2013年
9 刘莉;GNSS信号射频兼容分析及设计技术研究[D];上海交通大学;2012年
10 秘金钟;GNSS完备性监测方法、技术与应用[D];武汉大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘成;GNSS-R应用于测量表层土壤湿度及软件设计[D];中国地质大学(北京);2015年
2 高荣祥;基于GNSS信号的无源雷达目标探测研究[D];中国地质大学(北京);2015年
3 陈闻亚;基于Internet的GNSS高精度位置服务平台研究与实现[D];西南交通大学;2015年
4 杨晨云鹂;GNSS在地震矩反演中的应用研究[D];西南交通大学;2015年
5 张喆;基于GNSS的电离层建模研究及应用[D];长安大学;2015年
6 程娜;GNSS广播电离层精度监测评估方法研究[D];长安大学;2015年
7 吴丹;GNSS观测数据预处理及质量评估[D];长安大学;2015年
8 王笑蕾;GNSS水汽时间序列周期性分析及气象文件自生成研究[D];长安大学;2015年
9 李时俊;一种基于模拟GNSS信号的室内定位方法研究[D];长安大学;2015年
10 廖晓波;基于混叠信号可分离机理的GNSS抗干扰技术研究[D];电子科技大学;2015年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 王娜;我GNSS技术打破国外垄断[N];科技日报;2007年
2 陶渝;重庆建成国土资源GNSS网络信息系统[N];中国测绘报;2011年
3 记者 谢必如 特约记者 白文起 通讯员 陶渝;重庆建成国土资源GNSS网络系统[N];中国国土资源报;2011年
4 王岩;包头用GNSS管理市政布局[N];中国建设报;2010年
5 甘勃;“天眼”迈进GNSS时代[N];大众科技报;2007年
6 王立彬;中国全球卫星导航系统,夺下千万美元大单[N];新华每日电讯;2007年
7 通讯员 彭祥荣;“陆态网”民勤GNSS基准站投入试运行[N];中国气象报;2010年
8 记者 裴蕾;测绘气象共建GNSS基准站[N];四川日报;2010年
9 王雅丽;实施国际化战略[N];中国测绘报;2010年
10 记者 张敏霞 通讯员 王存林;陆态网沱沱河GNSS基准站建成并试运行[N];格尔木日报;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978