GPS水汽反演气象数据选择方法研究与水汽反演网站实现

• 作 者: 毛鹏宇
• 机 构: 同济大学
• 出 处: 同济大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 大气可降水量

传统大气探测方式的时空分辨率限制了我们对水汽的时变特性和空间分布的认识，而GPS气象学(GPS/MET)技术是探测大气的一种新方式，它具有实时性、连续性、全天候、精度高等优点，是传统大气探测方式的有力补充。随着GPS/MET不断发展，技术不断进步，如今已经能够利用GPS反演出高精度的大气可降水量(PWV)和斜路径水汽含量(SWV)等大气水汽量。本文针对地基GPS反演PWV过程中，缺失气象数据这一情况进行了研究，根据部分研究结论建立了水汽反演网站。主要研究内容和结论如下：
　　1、通过奇异谱分析，将微波辐射计观测与地基GPS反演的PWV数据分成1个长时段和2个短时段进行研究，提取两种数据在不同时段的主体趋势及周期项,试图从频谱分析角度验证地基GPS反演PWV的可行性。实验结果表明，与微波辐射计观测数据相比，地基GPS反演PWV数据均方根误差在2mm左右，主体趋势具有较强相关性，周期相同或相近。说明利用地基GPS反演PWV是可行的。
　　2、在需要实时获得气象数据的情况下，通过插值、Z文件法等方法，对气象数据缺失时地基GPS反演PWV方法分长、短时段进行研究，分别比较不同方法的效果，以此选取气象数据缺失时合适的反演方法。实验结果表明，在长时段气象数据缺失时，可以采用三次样条对气象数据插值的方法；在短时段气象数据缺失时，可以采用奇异谱迭代对气象数据插值的方法；而当缺失数据占原数据比例较大时，可以采用Z文件法计算PWV。
　　3、在允许获得的气象数据有一定时延的情况下，利用NCEP/NCAR、ERA-Interim、JRA-55三种常用再分析资料中的气象数据反演PWV，实验结果表明反演效果均较好，而NCEP的结果略优于其它两种再分析资料。将使用再分析资料的反演结果与Z文件法的结果对比，发现Z文件法的结果略优于NCEP的结果，且Z文件法的结果可以在解算基线的同时获得，因而可以用于实时解算程序。
　　4、研究了上海地区PWV随时间变化的规律，发现PWV随时间有以年为周期的变化规律，夏季PWV达到峰值而冬季降到谷值。夏季气温高，PWV随温度的上升而逐渐升高；冬季气温低，PWV随温度的下降而逐渐降低。
　　5、研究了高度角和方位角与上海地区地基GPS反演SWV间的关系，发现地基GPS反演SWV的结果在高度角较低时偏差较大，随着高度角的升高，偏差逐渐变小并趋于平稳。而反演SWV与方位角之间没有明显的关系。
　　6、研究了实时反演水汽时，星历的选取问题。比较了事后精密星历与预报精密星历的反演效果。实验结果表明，预报精密星历可以作为实时反演水汽时的星历。
　　7、研发了准实时自动解算脚本，可以实现每隔30分钟更新一次高精度水汽解算数据和图像产品；研发了水汽反演网站，介绍其主体架构以及主要功能，水汽反演网站由Java语言编写而成，部署于阿里云服务器中，主要包括登录注册、数据产品生产、数据管理、数据处理和社交等功能。