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地基GNSS水汽反演关键技术研究及其应用

赵庆志  
【摘要】:水汽是低层大气圈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。水汽的变化受温度、地形、季节等诸多因素的影响,随时间变化快,在水平和垂直方向上变化剧烈,使得对其变化进行高精度地监测非常困难。水汽在变化过程中不断地吸收和释放能量,对大气结构的垂直稳定度、暴风雨以及强对流等天气的形成和演变具有重要影响。短时间内水汽相位的急剧变化会导致大气空间结构紊乱,引发破坏性天气的发生,如暴雨、台风和洪涝等。近年来随着全球气候变暖,各种灾害天气频发,针对大气水汽的研究也备受关注。然而,目前对于如何获取高精度高时空分辨率的水汽分布信息仍是制约数值天气预报尤其是定量降雨预报精度的关键难题。较传统的水汽探测手段,地基GNSS水汽探测具有连续运行、全天候、高精度、高时空分辨率等优点,且测站布设成本低,投入使用快,可实现大范围高密度的实时水汽监测。基于地基GNSS水汽反演技术不仅可以得到对流层中大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)的二维空间分布,也可以通过层析成像技术(Tomography Technique)重构大气水汽在垂直方向上的三维廓线信息,已逐渐成为获取对流层中大气水汽最具有潜力的手段之一。基于地基GNSS获取的观测资料具有重要的实际应用和研究价值。实时获取的GNSS观测资料可用于大气水汽含量及空间分布的实时监测、强对流等灾害性短临天气的预警;积累的大量、时间跨度较长的地基GNSS资料,可用于大尺度中长期的气候变化分析和预警。本文针对地基GNSS水汽反演过程中存在的一些关键问题进行研究。在二维水汽探测方面,从天顶湿延迟(Zenith Wet Delay,ZWD)和PWV的转换公式出发,建立了全球非气象参数转换因子模型-GII模型,用于PWV的估计。在三维水汽反演方面,针对层析区域网格划分、层析高度选取和层析模型中各类观测值权比确定等问题进行研究,重点对如何利用在层析区域侧面穿出射线进行大量研究,最终发展并形成了一整套完备的三维水汽层析理论与方法。在反演水汽的应用方面,利用估计的高精度水汽产品,建立了基于ZTD/PWV对强对流等灾害性天气进行短临降雨预报的方法。本文的主要工作和贡献如下:1.基于GGOS Atmosphere产品,分析ZWD和PWV之间转换因子的影响因素,建立了全球非气象参数转换因子模型-GII模型。利用同源数据对该模型精度进行检验,发现其内外符合精度均在10-3数量级;以香港的卫星定位参考站网(Satellite Positioning Reference Station Network,SatRef)和浙江连续运行参考站(Continuously Operating Reference Station,CORS)网中不同时间跨度的HKSC和ANJI测站为例,分别对利用实测气象参数和模型计算的PWV进行比较,发现基于模型计算PWV的误差约为3mm。此外,给出了统一不同数据分析中心数据高程的方法。2.在三维水汽反演中,通过分析地基GNSS实测信号穿过层析区域的分布情况,提出了一种非均匀对称水平网格划分的思想,并依据区域内水汽的实际垂直廓线信息,确定层析的高度。实验证明,该方法提高了有射线穿过的网格数(约9%),改善了水汽反演结果的精度(约18%)。3.为了提高参与水汽层析的射线条数,提出了基于投影函数虚拟倾斜路径卫星信号精化层析模型的方法。实验证明,该方法提高了有射线穿过的网格数(约3%),改善了观测方程的结构(约11%)。4.首次给出了组成层析模型的各类方程中同类型观测量权比确定方法,并引入宏观经济计量分析中协整检验的思想确定不同类观测信息权比。分别将无线电探空数据和ECMWF数据作为标准,对不同天气条件下的层析结果进行检验,发现该方法均能得到合理的水汽反演结果。5.针对多数研究无法利用在层析区域侧面穿出射线的问题进行大量研究,逐步完善并发展了提高三维水汽层析射线利用率的理论和方法。主要包括三个层面:①提出了附加辅助层析区域提高射线利用率的方法,将辅助区域反演的水汽估值作为迭代运算的初值参与水汽反演,初步体现在侧面穿出射线的利用价值;②提出了基于水汽单位指数的三维水汽层析算法,通过引入水汽单位指数,利用在区域侧面穿出射线计算三维网格内的水汽密度初值,并将其作为先验约束附加到传统层析模型中;③提出了一种最大限度改善射线利用率的方法,该方法可以利用一定高度截止角的所有卫星射线信息,有效地提高了 GNSS卫星信号的利用率,目前该方法理论上最为完善和成熟。6.在水汽产品应用方面:①分析PWV与对应降雨量之间的关系,提出了一种基于PWV短临降雨预报方法,并将该方法应用到2015年7月过境浙江省的一次台风“灿鸿”1509中,取得较为满意的预报效果;②分析ZTD、PWV、ZHD和降雨量之间的关系,发现大部分ZTD的变化是由湿延迟或水汽含量变化导致的,据此提出了利用ZTD代替PWV进行短临降雨预报的方法,并对一次“冷锋”过境期间ZTD与降雨量的关系进行研究。③最后,利用层析技术对暴雨天气过程中水汽的三维变化进行追踪和分析。


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