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地球大气层中的水汽在全球气候系统、天气动力系统、大气环境科学、水文学以及空间大地测量等方面占有非常重要的地位。近年来，随着全球导航卫星系统GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)的建设与发展，特别是GNSS连续运行参考站的不断建立，推动了GNSS技术在气象领域的应用研究，这其中利用地基GNSS进行大气探测是研究的一个热点。常规大气观测手段的时空分辨率限制了对水汽的时变特性和空间分布的认识，GNSS技术为探测大气提供了一种新的手段。它具有实时连续性、不受天气状况影响、精度高等特点，是传统大气观测手段的有力补充，但目前还没有完全达到应用阶段，尚有很多技术问题需要进一步解决。
本文针对基于地基GNSS大气反演和降雨预测模型进行研究，主要内容与研究成果包括：
(1)阐述了GNSS气象学(GNSS/MET)的研究进展、研究现状及发展趋势，概要介绍了本研究的背景、目标以及研究内容和创新点。
(2)简要介绍了GNSS气象学的原理及方法，对目前所用的对流层模型以及对流层延迟的参数估计方法进行了研究与分析，并对影响GNSS水汽反演的主要误差源进行了讨论。
(3)在对目前已有的对流层普适性模型分析的基础上，从大气折射率入手，建立了新的大气折射率模型，导出了对流层天顶延迟改进模型，新模型对干分量折射率的符合较好，也较稳定。利用实测数据对新模型与Saastamoinen模型、Hopfield模型等普适性模型进行比较分析，表明在测站高程较小的情况下，它们的精度相当(±4cm)；随高程的增大，新模型的精度要渐高于普适性模型。
(4)探讨分析了对流层延迟的参数估计方法。通过实测解算分析得出随机过程方法精度较高，特别对垂直方向的重复性改善较大；提出了将半参数估计理论应用于对流层延迟研究。半参估计模型可有效地解决引入参数过多导致法方程系数阵病态的问题，同时可将对流层延迟中难以模型化的部分当作模型误差作出估计。
(5)利用北京市GNSS观测网络的实际观测值以及国内外的IGS站数据进行了对流层总延迟(ZTD)解算，并对水汽反演过程中的对流层总延迟量ZTD、湿延迟量ZWD及大气水汽含量IWV的计算方法进行了相应的分析，讨论了在大气水汽反演中平均温度以及转换系数K的确定问题。对GNSS观测数据和气象数据进行了处理和分析，得出.ZTD、ZWD与IWV值；并对由对流层延迟反演大气水汽过程中的误差进行了详细分析。
(6)将ZTD、IWV以及探空数据得出的大气可降水量(PWV)值三者进行变化趋势的对比分析。利用ZTD和PWV变化量之间具有的高度对应性，通过最小二乘建立了相应测站的ZTD-PWV模型，由ZTD的变化较精确地反映出PWV的变化，并经过其他时段的实测验证，证明了针对每个测站建立的ZTD-PWV模型的有效性。
(7)进行了利用GNSS/PWV的降雨预报研究，分析了其可较好地确定可降水量的时空分布、连续监测大气水汽变化等优点；并同时分析了相应的不足：如需要确定PWV阈值，需结合天气系统和风场及湿度场的分布以及测站的气压、温度、湿度的变化情况，还要分析针对各种不同天气系统类型的大气可降水量的变化特征，寻找到量化指标等，这都为预报带来相当的难度。在通过分析比较PWV/ZTD降雨预报研究优缺点的基础上，引入新的交叉预报误差思想，对相关的参数计算方法进行优化组合和改进，建立了基于对流层延迟的降雨预测模型Cros_Pred，并开发了模型各参数的实用算法，确定了合理的非稳态参数。利用美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)近百例再分析资料数据对Cros_Pred模型进行验证，并与GNSS/PWV降雨预报的结果进行了对比分析。分析结果验证了所建立的Cros_Pred模型在降雨预测上的有效性。
本文的主要创新：
(1)从对流层延迟定义的大气折射率入手，建立了对流层天顶延迟改进模型，在高程增加的情况下该模型的精度要渐高于普适性模型。
(2)根据ZTD和PWV两者变化趋势的高度对应性，通过最小二乘估计方法建立相应测站的ZTD-PWV模型，由ZTD的变化较精确的反映出PWV的变化，经过实测验证，证明了所建模型的有效性。
(3)引入交叉预报误差思想对GNSS对流层延迟进行研究，对相关的参数计算方法进行优化组合和改进，确定了合理的非稳态参数，建立CrosPred降雨预测模型。经NCEP/NCAR再分析资料数据验证分析，表明CrosPred模型在降雨预测上是有效的。