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GPS海洋水汽信息反演及三维层析研究

作　者: 范士杰
导　师: 刘焱雄
学　校: 武汉大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 地基GPS气象学精密单点定位船载动态GPS观测大气可降水汽斜路径水汽含量约束条件序贯最小二乘估计水汽层析海洋三维水汽场
分类号: P732
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

海洋是水、汽交换的主要场所,大气中86%的水汽来源于海洋。连续、实时、高精度地获取海洋水汽信息,对准确地掌握天气系统的演化非常重要。我国东临太平洋,太平洋暖湿气流为我国的东部地区带来了大量的水汽及降水,也造成了沿海地区海洋灾害的频繁发生。因此,加强海洋水汽信息的监测方法和应用研究,是有效应对全球气候变化的重要手段,也是海洋防灾减灾的关键措施。GPS气象学(GPS Meteorology,简称GPS/MET)研究为海洋水汽信息反演提供了新的途径。近20年来,地基GPS气象学快速发展和深入应用,国内外出现了大量的地基GPS气象的研究成果和应用系统,针对陆地稳固GPS站的GPS可降水汽(precipitable water vapor, GPS/PWV)反演方法基本成熟和完善,也为海上动态环境的GPS水汽监测提供了基础和借鉴。海上缺乏密集、稳固的GPS安装平台,只能以海洋浮标或航行船舶为载体。国外多位学者分别利用船载或浮标GPS数据,对近海乃至开阔海域上空GPS/PWV信息的反演方法进行了一些探索性研究,取得了令人鼓舞的结果,从而将地基GPS气象学的研究与应用由陆地推向海洋。GPS海洋水汽遥感一直缺乏系统性研究,海上动态GPS斜路径水汽(slant-path water vapor, GPS/SWV)信息提取及海洋上空三维水汽层析是GPS海洋水汽信息反演的重点和难点,国内外尚无相关专题研究。因此,海上动态GPS水汽信息反演研究已成为地基GPS气象学研究的薄弱环节。本文以渤海为研究区域,对GPS海洋水汽信息反演和三维水汽层析展开研究,形成了一套基于动态GPS的海洋水汽信息反演技术和方法,研制了相关数据处理软件,验证了本文提出的所有方法及其结果。利用本文的研究成果,借助海面浮体上的GPS设备,可以实现海洋水汽信息的连续和高精度监测,以弥补星载或机载微波遥感、海上探空气球等方式的不足,为海气交换研究提供基础性数据,也为灾害性海洋天气的预报和预警服务。本文主要研究内容和相关结论如下：(1)精密单点定位(precise point positioning, PPP)软件研制和精度分析基于序贯最小二乘估计方法,利用IGS等提供的精密卫星星历和钟差产品,作者与香港理工大学等联合研制了精密单点定位软件UNIP。相对于高精度事后差分处理软件GrafNavTM解算得到的双差固定解,在航行状态下,UNIP软件得到的海上船载动态PPP解在X,Y,Z三个方向的RMS均在±2cm以内。因此,基于PPP技术和UNIP软件可以实现海上移动平台的厘米级动态精密定位,为海上高精度动态GPS水汽探测提供了良好的平台。(2)海上动态GPS大气可降水汽(PWV)估计系统、深入地研究了海上动态GPS/PWV信息提取方法,导出了其函数模型和随机模型。结合海洋动态观测环境和海上水汽信息的时空变化,引入随机游走过程估计方法,动态模拟船载GPS接收机天顶对流层湿延迟(zenith wet delay, ZWD)在时间和空间尺度上的随机变化,在滤波处理时附加ZWD参数的动态噪声约束；并对不同噪声约束及卫星截止高度角对海上动态GPS/PWV信息提取精度的影响进行了讨论和分析。基于UNIP软件平台,开发了’GPS/PWV信息提取模块。利用渤海船载动态GPS测量和同步气象观测数据,进行了海上动态GPS/PWV信息提取和精度验证。结果表明：海上船载动态GPS/PWVMM5模式积分水汽基本一致;以后者为参考值,GPS/PWV的偏差在3mm以内,RMS优于1.2mm,这一结果明显好于国外现有研究结果。(3)海上动态GPS斜路径水汽含量(SWV)估计在海上动态GPS/PWV信息提取的基础上,本文进一步对海上动态GPS/SWV信息提取进行了深入研究。在现有计算方法的基础上,对海上动态GPS/SWV的提取算法进行改进,提出了顾及星间单差残差的GPS/SWV提取方法。利用渤海船载动态GPS测量和同步气象观测数据,提取了海上动态GPS/SWV信息,并对改进算法进行了数据验证和精度分析。结果表明：海上动态GPS/SWV的估算精度可以达到mm量级,与地基GPS/SWV的估算精度相当。相对于MM5模式积分水汽结果,采用本文提出的SWV提取方法,海上动态GPS/SWV的偏差在±3.5mm以内,其RMS为1.2mm,相比传统的“非差残差法”,精度提高1mm左右,改善效果较为明显。(4) GPS三维水汽层析的算法研究和软件研制本文对附加约束条件的水汽层析算法进行了系统和深入的研究。以附加约束条件的水汽层析方法为基础,采用序贯逐次滤波的数据处理手段,引入随机游走过程估计方法,在分时段逐次滤波处理中兼顾水汽层析参数随时间变化的特性；同时,针对海洋水汽资料相对匮乏的客观实际,提出和设计了无先验信息约束的水汽层析处理模式,使其史加适用于海洋三维水汽场的构建。基于上述算法,作者研制了GPS三维水汽层析软件3DTom,分别利用香港CORS参考站网数据和无线电探空数据、渤海船载动态GPS观测数据和MM5模式数据进行了算法验证和精度分析。结果表明：①附加低精度先验信息约束的处理方案的水汽层析结果相对较差,在水汽分布的主要高度层(1-4km)上均出现了较大的偏差；而附加高精度先验信息约束的处理方案的水汽层析结果在三种方案中相对最优,与探空结果最为接近。该结果进一步验证了先验信息的精度对GPS水汽层析的不同影响,高精度的先验信息可进一步改善GPS水汽层析结果。②无先验信息约束的处理方案的水汽层析结果同样优于低精度先验信息约束方案,与高精度先验信息约束方案的解算结果基本一致。在先验信息精度较低或缺少先验信息的情况下,本文提出的无先验信息约束的GPS水汽层析处理模式同样取得了较为理想的结果,具有更大的应用价值。(5)渤海三维水汽场的构建方法研究以渤海为研究区域,本文对渤海上空GPS三维水汽场的构建思路和方法进行了深入地探讨。利用沿岸地基GPS固定站和海上船载或浮标动态GPS移动观测平台,实现对渤海上空水汽的连续监测。以沿岸地基GPS观测为基础,利用船载动态GPS观测进行加密,组建“动态GPS气象监测网”,同时结合HY-2扫描微波辐射计获取的柱状水汽产品,提出了陆、海、空联合探测渤海上空水汽空问分布的研究思路和设计方案。首次对渤海上空GPS水汽信息反演和三维水汽层析进行了系统研究。以渤海局域上空(东经120.75。-122.0。,北纬37.5。～38.25。)为试验区域,利用沿岸地基GPS观测和海上船载动态GPS测量数据,借助研制的UNIP和3DTom软件,构建了渤海局域上空大气湿折射率的空间分布。以MM5模式数据为参考值,对GPS三维水汽层析结果进行了精度分析。结果表明：GPS三维水汽层析结果与MM5估算结果基本一致,各分层网格单元的均方根差(RMS)均优于10mm/km,所有层析网格单元(voxel)大气湿折射率的RMS优于5mm/km,在渤海局域上空稀疏水汽资料条件下,取得了较为理想的结果。以环黄渤海沿岸地基GPS/PWV为参考值,首次对HY-2扫描微波辐射计获取的柱状水汽产品进行了验证和精度分析。HY-2柱状水汽产品与地基GPS/PWV结果具有良好的一致性,可作为GPS海洋三维水汽层析的一种新的数据源。

全文目录

摘要  12-15
Abstract  15-20
1 绪论  20-33
  1.1 研究背景及论文选题的意义  20-21
    1.1.1 研究背景  20-21
    1.1.2 论文选题的意义  21
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  21-31
    1.2.1 GPS气象学的概念  21-22
    1.2.2 地基GPS气象学概念的提出和实验验证  22-24
    1.2.3 地基GPS气象学的主要研究成果  24-28
    1.2.4 基于移动平台的海上GPS水汽反演研究  28-29
    1.2.5 GPS海洋水汽遥感研究存在的主要问题  29-31
  1.3 本文研究内容  31-32
  1.4 本章小结  32-33
2 地基GPS水汽遥感的理论基础  33-61
  2.1 引言  33-34
  2.2 大气折射基础  34-35
  2.3 对流层延迟模型和参数估计方法  35-47
    2.3.1 天顶对流层延迟模型  36-37
    2.3.2 映射函数  37-44
    2.3.3 大气水平梯度改正  44-45
    2.3.4 对流层延迟参数估计方法  45-47
  2.4 地基GPS天顶对流层湿延迟(ZWD)估计  47-51
    2.4.1 双差网解法  48-49
    2.4.2 非差精密单点定位方法  49-51
  2.5 地基GPS大气可降水汽(PWV)信息反演  51-54
  2.6 地基GPS斜路径水汽含量(SWV)信息反演  54-59
    2.6.1 基于双差方法进行GPS/SWV估计  55-58
    2.6.2 基于非差精密单点定位方法进行GPS/SWV估计  58-59
  2.7 本章小结  59-61
3 GPS海洋水汽信息反演  61-90
  3.1 海上动态GPS精密定位技术及其精度分析  61-69
    3.1.1 精密单点定位(PPP)的数学模型  62-65
    3.1.2 UNIP软件的基本框架结构  65-66
    3.1.3 海上船载动态GPS定位精度分析  66-69
  3.2 海上动态GPS水汽信息反演  69-77
    3.2.1 海上动态GPS大气可降水汽(PWV)估计  69-74
    3.2.2 海上动态GPS斜路径水汽(SWV)估计  74-77
  3.3 渤海动态GPS水汽探测试验及结果分析  77-89
    3.3.1 渤海动态GPS水汽探测试验  77-81
    3.3.2 渤海动态GPS水汽信息反演及结果分析  81-89
  3.4 本章小结  89-90
4 GPS三维水汽层析方法研究  90-112
  4.1 引言  90-91
  4.2 GPS三维水汽层析算法  91-100
    4.2.1 水汽层析的基本原理  91-93
    4.2.2 水汽层析的观测方程  93-94
    4.2.3 水汽层析方程的不适定性  94-95
    4.2.4 水汽层析的约束条件  95-98
    4.2.5 基于序贯最小二乘方法的水汽层析参数估计  98-100
    4.2.6 无先验信息约束的水汽层析处理模式  100
  4.3 GPS三维水汽层析软件研制与试验验证  100-111
    4.3.1 GPS三维水汽层析软件的研制  100-101
    4.3.2 香港地基GPS三维水汽层析的试验验  101-111
  4.4 本章小结  111-112
5 渤海三维水汽场的构建方法研究  112-131
  5.1 引言  112-113
  5.2 HY-2辐射计柱状水汽与GPS水汽的比较和分析  113-116
  5.3 渤海三维水汽场的构建方法研究  116-119
    5.3.1 技术路线  116-117
    5.3.2 方案设计  117-118
    5.3.3 海、陆联合三维水汽层析解算  118-119
  5.4 渤海GPS三维水汽层析试验和结果分析  119-130
    5.4.1 研究区域及网格划分  119-120
    5.4.2 数据处理策略  120-121
    5.4.3 渤海局域上空GPS三维水汽层析结果的精度验  121-126
    5.4.4 渤海局域上空GPS三维水汽场的空间分布  126-130
  5.5 本章小结  130-131
6 结论与展望  131-135
  6.1 主要研究工作和结论  131-133
  6.2 研究展望  133-135
参考文献  135-150
攻博期间发表的与学位论文相关的科研成果目录  150-152
致谢  152-153

GPS海洋水汽信息反演及三维层析研究

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