地基GPS探测大气可降水量初探

 2022-01-17 11:01

论文总字数:18421字

目 录

1.前言 1

1.1研究背景 1

1.2地基GPS的优势 2

2.国内外研究现状 2

2.1国外研究现状 2

2.2国内研究现状 3

2.3本文研究内容 4

3.地基GPS探测大气可降水量的原理与方法 4

3.1天顶延迟 5

3.1.1天顶总延迟 5

3.1.2天顶干延迟(天顶静力学延迟) 6

3.1.3天顶湿延迟 7

3.2可降水量 7

4.北京地区地基GPS探测大气可降水量的应用研究 8

4.1数据概述 8

4.2 GPS解算软件 8

4.3干延迟模型的比较与选择 9

4.3.1干延迟判断标准 9

4.3.2干延迟计算结果分析 10

4.4水汽精度分析 14

4.4.1水汽计算结果 14

4.4.2误差来源分析 16

5.总结与展望 16

5.1总结 16

5.2展望 17

参考文献 18

致谢 19

地基GPS探测大气可降水量初探

鲁青芸

,China

Abstract:Water vapor is an important part of the atmosphere.Atmospheric precipitable water is an important indication of water vapor content in the atmosphere.Accurate understanding of atmosph;eric water vapor content can help improve the accuracy of weather and disaster forecasting.This article describes the current popular method of ground-based GPS detection of atmospheric precipitable water, combined with ground-based GPS data from July-September 2010 of the Beijing IGS Fangshan station,which solves several problems in the calculation of zenith delay model selection and water vapor content calculation.Combined with sounding data,the accuracy analysis and comparison of water vapor accuracy of different dry delay models were completed.The conclusions are as follows:The calculation of the total tropospheric zenith total delay using the Saastamoinen model in Beijing is more appropriate,and the average water vapor accuracy calculated for the three months is about 0.2 mm,which preliminarily verifies the feasibility and reliability of the ground-based GPS observation as a meteorological service.

Key words:Ground-based GPS;PWV;accuracy analysis;ZTD

1.引言

1.1研究背景

水汽是地球大气的重要组成部分,虽然含量仅为4%[1],但却是不可或缺的。它参与并影响了大气中大部分变化过程,影响天气和气候,承载着对流层中复杂的气象变化,左右着辐射收支动态收支平衡,能量传输和其他过程。然而水汽的变化通常呈现季节性和区域性,与所测区域的气象气候条件密切相关,在很短的时间内某一小区域范围内的水汽就会发生极大变化。对大气水汽含量、随时空分布情况和变化趋势的了解程度,影响着气象预报,特别是变化快速持续时间短暂的天气监测和预报的准确性。因此,即时准确地了解大气中水汽分布趋势和含量变化,对气象部门研究天气预报,气候及业务应用都起到重要作用。

大气可降水量( Precipitable Water Vapor,PWV),是单位面积空气柱内的水汽全部凝结变成降水后的降水量,是降水、蒸发和水汽辐合之间平衡的结果,指示着大气中水汽含量[2]。因此,本文选用大气可降水量作为大气水汽衡量标准。随着研究的深入,水汽探测手段逐渐变得多种多样。现有常规水汽探测手段介绍如下:

(1)无线电探空技术产生于约90年前,一般在固定区域固定时间人工施放探空气球,利用搭载的观测仪器测量高空气象数据,例如气温、气压、湿度。无线电探空技术测得数据一般准确性较高,精度不错,但各地区分布不一,在偏远或人迹罕至的地方数据资料几乎为0。且需要花费的人工较多,仅早晚各测量两次,数据密度不够,不利于获取实时中小尺度天气变化情况,无法满足水汽的时空多变性。

(2)气象卫星探测是现有方法中的主要辅助方法。卫星全天候工作,时空分辨率得到极大改善,主要使用红外和微波探测,红外辐射的易受烟雾、云层的干扰,因此只有天气晴好时才能获取精度较高的数据。微波辐射计受气温的影响比较明显,温度越低,辐射越强,故温度较低时测量精度会受到较大的影响。

(3)雷达可用于探测水汽含量的分布区域和水汽含量,但成本较高,一旦超过可用探测距离,精度就会急剧下降,难以运用于大范围观测。

(4)地面观测利用湿度计,是观测地面大气水汽的运用较多的方法,但其测量的是近地面的湿度,距离要了解的对流层较远,不能有效反映对流层中大气的水汽含量和变化,因此对天气预报指示意义不大。

综上,现有使用的气象和地面观测手段,时空分辨率低,观测范围和能力有限。而卫星探测精度不高,雷达又存在费用昂贵等缺点。现有探测手段时空分辨率低,价格不菲,或耗费人力过多,准确率低,性价比不高,无法满足求算需求。

1.2地基GPS的优势

GPS(Global Positioning System)技术发展迅速,逐渐成熟,使其成为观测地球的一种新有力的手段,被气象部门青睐。迄今为止,人们进行GPS探测大气可降水量研究已有近30年。GPS探测大气可降水量覆盖区域广,24H不间断连续观测,花费少,性价比高,精度和分辨率高,这些优点使得利用 GPS探测大气可降水量的从现有手段中脱颖而出。

地基GPS通过在地面测站设置接收机来测量当地的气象要素。相比较传统探测方式而言,地基GPS的优点如下:

(1)利用已架设的GPS站点网络,现存设施不需额外架设,减少人力物力支出。

(2)站点密集,观测时间固定连续,时空分辨率高,可以高效稳定的测定每个测站数据。

(3)不受天气、时间的限制和其他因素干扰,可24H观测。

(4)GPS计算的可降水量可以分析到常规观测手段无法显示的大气特性[3]

地基GPS探测大气可降水量全天候,效率高,覆盖面广,成本低,数据稳定等的优势,能够很好的弥补常规大气水汽监测手段的不足,提高测量精度。

2.国内外研究现状

2.1国外研究现状

随着GPS观测技术日益成熟,上世纪80年代末,美国科研人员最先将地基GPS技术运用到探测大气可降水量上。这一概念最先由美国科学家Askne1987年提出,同时他提出了利用转换系数将天顶对流层湿延迟转换为水汽含量的方法[4]。1990年,Coster等人阐明了GPS传输过程中发生的延迟[5][6]。1992年,Bevis和 Businger提出了"举托法",并推导了湿延迟、可降水量和大气加权平均温度三者之间的函数关系式,提出了利用地面温度推算大气加权平均温度的方法,使利用地基GPS探测大气可降水量的设想成为可能[7],Bevis更是首先提出了GPS气象学( GPS meteorology,GPS/ MET)的概念,这段时间的工作奠定了地基 GPS探测大气可降水量的基础[8]。随后,科学家们为验证该理论的可行度与准确性,做出了一系列的实验,并提出了改进方案。

1993年 Rocken等人进行了著名的 GPS/STORM 实验,实验计算了用GPS数据测得的水汽含量的误差,与微波辐射结果相比较,误差小于1mm[9]。NOAA和UNAVO等1994年的GPS-WIS94试验表明,GPS水汽计算结果时间连续性不错,可用于长时间不间断监测水汽变化。Duan等人1996年利用远距离的GPS数据,增加GPS/ MET网基线的长度[10],得了大气可降水量的绝对值,进一步消除了系统误差,免去了测站架设微波辐射仪的需求,该"绝对方案"被广泛采用。1998年美加两国研究人员在Westford开展联合试验。2002年,Gradinarsky等人研究对比了连续几年的GPS数据和水汽含量后,证实了GPS数据用于长时间序列的水汽监测的可靠性[11]

随着地面GPS站点的增多和数据的完善,对于地基GPS数据资料的应用趋势逐步从单站点,有限区域的使用转变为多层次、多区域、全方位。

在实际研究中,各测站地理位置的差异造成了各方向获得的延迟不同,一部分科学家开始研究GPS反演斜路径水汽,通过收集大量数据拟合出适合含量。1996年,Ware等人在科罗拉多进行了反演3D斜路径水汽含量的试验,与其他探测方法数据对比分析后,证明可用 GPS网探测斜路径水汽[12]。接着 Braun等人在美国南大平原地区6.6*6.6KM的区域设置了24个观测点,反演出每15min间隔的水汽分层情况。2006年,Boehm等人推导了全球映射函数GMF[6]。2013年,Wayan等人拟合出了太平洋西海岸地区加权平均温度公式模型,并与Bevis经验公式作比较,研究该地区加权平均温度与经验公式的区别,推导出加权平均温度与水汽误差之间的关系。

随着地基GPS探测大气可降水量的可行性和精度被证实,多个国家开始着手建立GPS试验网用于监测水汽变化。美国建立的全球定位系统共发射了24颗卫星,该系统使GPS的使用常态化简易化,随着软硬件技术的成熟,成本下降,GPS被应用到更加广阔的领域。同年,美国国家海洋与大气研究中心建立了全球第一个用于预报天气的监测网。98年美加两国共同在Westford进行了GPS探测水汽实验。94年,日本地理测量院开始建设覆盖日本的 GPS测量网络,主要用于地震预测、气象气候等研究,2011年已建成1200个站组成的监测网络,站间距约为20 km。1997年4月至2002年3月,日本地理测量院与日本科技厅合作研究监测区域上空可降水量的总量分布状况[13]。德国的含有170个观测站点的CHAMP计划,旨在了解地球多圈层之间的相互作用。1999年开始,欧洲多个国家开始投入GPS观测站建设,这100多个观测站形成的GPS观测网络现被用于天气预报。各测站分别测量对应区域天顶延迟,根据这些数据测量整个区域水汽含量,可减少误差,增加精度。

2.2国内研究现状

上世纪八九十年代,该项技术传入我国,国内一些机构陆续开展地基GPS气象学的理论和业务研究。在我国,20世纪90年代中期为研究起步阶段,奠定了我国地基GPS的理论基础,20世纪90年代后期进入科学试验,确定了地面单站GPS单站探测实时可降水量的可行性,21世纪初逐渐投入业务使用。

剩余内容已隐藏,请支付后下载全文,论文总字数:18421字

相关图片展示:

您需要先支付 80元 才能查看全部内容!立即支付

该课题毕业论文、开题报告、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找;