论文总字数：26828字

目 录

1 引言 3

1.1 研究背景及意义 3

1.2 国内外研究现状 4

1.3 本文研究目的与主要内容 6

2 数据说明 6

2.1 GPS观测数据 6

2.2 探空数据 7

3 研究方法与技术流程 8

3.1 GPS水汽反演原理 8

3.2 三种干延迟模型 9

3.2.1 Saastamoinen模型 9

3.2.2 Hopfield模型 10

3.2.3 Black模型 10

3.3 数据处理与方法 10

3.3.1 数据的预处理流程 10

3.3.2 水汽的反演 12

4 结果分析 12

4.1 平原地区的水汽反演结果分析 12

4.2 高原地区的水汽反演结果分析 16

4.3 山地地区的水汽反演结果分析 18

5 精度分析 19

5.1 精度指标 19

5.2 不同地形下干延迟模型的计算水汽精度比较 20

5.2.1 平原地区计算水汽的精度比较 21

5.2.2 高原地区计算水汽的精度比较 22

5.2.3 山地地区计算水汽的精度比较 22

6 结论与展望 23

6.1 主要工作与结论 23

6.2 问题与展望 24

参考文献 24

致谢 26

不同地形下三种干延迟模型计算水汽的精度比较

熊珊珊

，China

Abstract: In weather and climate change, water vapor has always played an important role. As the transport of water vapor is affected by the terrain, there are also significant differences in the amount of precipitation in different terrain areas. According to the variety of topography and geomorphology in China, based on the basic principles and methods of GPS meteorology, the total delay (ZTD) data provided by six IGS stations located on the three plains, plateaus, and mountains in China are selected. Saastamoinen model, Hopfield model and Black model are used to calculate the atmospheric water vapor content at each site and compared with radiosonde data to analyze the accuracy of three kinds of dry delay models for water vapor calculation under different terrains. The results show that the zenith dry delay component and the inversion water vapor content calculated by different models under different terrains are different. For the plain area, the precision of the water vapor content calculated by the Hopfield model is slightly better than that of the Saastamoinen model and the Black model; for the plateau area, the altitude elevation has a greater effect on the model, the Saastamoinen model is better for simulating the water vapor effect, and finally for the mountainous area. In other words, the accuracy of the inversion of water vapor in the model is more dependent on the measured temperature on the ground, and the Black model is more accurate for calculating water vapor. Therefore, when using the dry delay model to calculate the water vapor, it is very important to choose the appropriate model.

Key words: Different terrain; tropospheric dry delay model; water vapor inversion; accuracy analysis

1 引言

水汽虽然在大气成分中含量极少，但却属于大气中变化最剧烈的一种成分，它不仅是水分和热量交换的基质，水汽也与大气中的其他成分相互作用，不仅影响辐射平衡和能量传递，还影响降水和云的形成，对大气环境影响很大^[1]。科学高效的监测大气中的水汽含量，对准确了解该地区的水汽变化分布和天气预报具有重要意义^[2][3]。随着近些年GPS气象学反演水汽技术的快速发展，这类技术成为打破传统水汽探测方式局限性的有效手段，提供的水汽信息具有更高的分辨率，更高的精度和更加实时等优势^[4]。当GPS信号通过大气时，会受到大气折射的影响，导致信号传播路径弯曲。 因此，对流层延迟是GPS误差测量的主要来源之一其中对流层总延迟又由干延迟量（ZHD）与湿延迟量（ZWD）两个部分组成。目前，很多学者为进行对流层折射误差的研究，建立了多种对流层延迟模型，有“普适性”模型，也有根据理论针对小范围自己建立的区域模型，考虑到水汽输送受地形影响与我国地形复杂多样，高程变化大的特征下，本文通过IGS网站提供的2010年ZTD数据，使用Saastamoinen模型，Hopfield模型和Black模型计算ZHD。 两者相减以得到ZWD。从而反演出水汽含量，所以模型误差是水汽反演精度的重要误差源之一，这也就意味着选择不同干延迟模型对水汽的解算精度有着直接的影响。本文将不同地形下通过不同模型计算所得的水汽与探空数据进行分析，为该地形下对流层延迟模型的适用性提供参考。

1.1 研究背景及意义

中国整体地形分布主要呈阶梯状，西高东低，地势也不尽相同，不仅有壮丽的高原，崎岖的山脉，宽阔的平原，低缓的丘陵，还有周围群山环抱、而中间低平的多种盆地。我国地区分布有陆地上的全部地形类型，地形影响着人们生产生活的方方面面，不仅为我国的经济发展提供有利条件和物质基础，而且不同地形下所呈现出来的环境条件会导致中小气候的出现，如：山地气候等，造成植被、景观和气温的差异。

在GPS/MET 技术尚未发展以前，气象学中探测水汽的主要方式是利用无线电探空技术和使用微波辐射计。虽然使用探空气球可以测量温度、气压、湿度来计算水汽含量，测定的数据精度良好，垂直分辨率高，但是探空气球的价格高，不能重复使用，而且只用在几百到数千公里这个尺度内，只能得到投放点上空的数据情况，探测区域空间分布并不均匀。而实践表明微波辐射计更适用于天气情况良好的条件下，这时测量到的数据精度较高，当地面观测情况不良的条件下（如：降水、浓云，湿度很大）探测结果会严重失真、发生较大误差，并且微波辐射计价格昂贵，所以经济因素也是限制它被广泛使用的另一个方面^[5][6]。

在所有气象要素中，水汽是最难准确测量的，GPS技术获取到高精度的水汽分布及变化情况，不仅能够提高气象预报的准确性，还能为人们的生活提供便利，所以怎样利用GPS技术探测到精确的大气水汽含量成为学者们研究的热点。

GPS遥感水汽通过GPS信号在大气层的传播过程中受到大气折射产生的延迟来获取大气中的水汽含量，其中的对流层延迟是指GPS信号在传播途中由于大气成分导致的信号传播速度减慢和传播途径产生的弯曲^[7]。在实际的GPS对流层延迟的计算中，基本上干延迟量占总延迟的90%，相对比较稳定，湿延迟占总量的不到10%，随机性强，所以我们常通过实测的地面气象要素来计算得到干延迟量，从而也得到了湿延迟量^[8]。所以如何精确地预测对流层的干、湿延迟对于提高水汽反演精度具有十分重要的意义。

到目前为止，已经有许多学者进行了大量对流层建模的研究，也提出了各种模型。现在已有的对流层改正模型比较经典的都是基于全球建立的，按其参数类型可以大致分为两类：（1）基于气象参数的模型包括Saastamoinen模型、Hopfield模型、Black模型，这类模型利用物理方程计算天顶延迟量，在使用时需要相关的气象参数，如测站实测的气温、气压等参与计算；（2）不考虑气象参数，直接对天顶延迟建模建立的模型，有UNB模型、EGNOS模型等，这类模型直接对天顶延迟建模，使用时并不需要气象参数的参与，只需要测站的纬度与观测时间就可以求出干湿延迟量，使用方便^[7]。这些较为常用的模型都是基于全球建立的，难以满足中国内这样地形变化较大的区域，所以不同地形下各种模型计算水汽的实际效果究竟有何区别，在实际的数据处理过程中我们应该选取何种模型，这就需要我们开始进一步研究从而得到一个明确的答案^[9]。

随着对大气研究的不断深入，目前，GPS / MET技术已经进入了天气预报和气候监测的实际应用阶段。我们可以利用GPS/MET 技术从GPS数据中获取水汽信息。除此之外，CORS站的建立，也为人们的工作研究提供了稳定可靠的GPS观测数据。现有的GPS/MET技术与探空仪在测量水汽时精度相当，并且GPS/MET技术与探空资料的比较差值甚至小于不同探空仪之间的比较差值，说明GPS/MET测量水汽已完全具备业务化使用价值，同时还具有分辨率高，成本低，维护方便等优点^[10]。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26828字