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地基gnss和天基掩星观测对全球电离层数据同化效果的影响分析

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电波科学学报 2022年第4期37卷 619-628页

作者：欧明陈龙江王妍许娜吴家燕甄卫民中国电波传播研究所青岛266107

电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值.地基gnss和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一.通过观测系统仿真试验(observation system simulation experiments,OSSE)对四种不同的观测系... 详细信息

电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值.地基gnss和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一.通过观测系统仿真试验(observation system simulation experiments,OSSE)对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量(total electron content,TEC)及三维电子密度参量技术得分(skill score,SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响.2)仅仅同化地基gnss数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升.3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC.4)现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5)随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势.随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用,相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考.

关键词：电离层数据同化地基gnss 掩星观测系统仿真试验

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地基gnss遥感探测气象应用

中国地震 2020年第4期36卷 744-755页

作者：梁宏曹云昌梁静舒万晓敏赵盼盼涂满红王海深胡姮中国气象局气象探测中心北京100081 中国气象局数值预报中心北京100081 成都信息工程大学电子工程学院成都610225

全球导航卫星系统(gnss)给定位、导航和授时服务带来了革命性变化,同时其L波段(1160~1610MHz)微波信号可用于全球覆盖、高时间分辨率的大气、海洋和陆表参数遥感探测。基于信号类型,gnss遥感可分为折射信号遥感和反射信号遥感两大类;基... 详细信息

全球导航卫星系统(gnss)给定位、导航和授时服务带来了革命性变化,同时其L波段(1160~1610MHz)微波信号可用于全球覆盖、高时间分辨率的大气、海洋和陆表参数遥感探测。基于信号类型,gnss遥感可分为折射信号遥感和反射信号遥感两大类;基于探测平台,gnss遥感可分为地基gnss遥感、空基gnss遥感和天基gnss遥感三大类。随着我国自主建设的北斗卫星导航系统全面建成,gnss遥感将迎来新的发展机遇和挑战。本文回顾近20年地基gnss遥感探测在气象领域的应用进展,展望其在气象领域下一步可能的应用。

关键词：地基gnss 遥感气象应用折射信号遥感反射信号遥感

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地基gnss对流层高精度模型快速构建

地基GNSS对流层高精度模型快速构建

作者：黄瑾芳武汉大学

学位级别：硕士

对流层延迟是gnss定位的主要误差来源,通常的经验模型精度较低,难以满足实时精密单点定位的需求。基于实时基准站观测数据,构建广域实时高精度对流层模型具有重要意义,同时也是实现广域实时高精度精密定位服务的关键之一。随着中国大陆... 详细信息

对流层延迟是gnss定位的主要误差来源,通常的经验模型精度较低,难以满足实时精密单点定位的需求。基于实时基准站观测数据,构建广域实时高精度对流层模型具有重要意义,同时也是实现广域实时高精度精密定位服务的关键之一。随着中国大陆构造环境监测网、北斗地基增强网等地基gnss测站网的建立,大量的实时基准站数据得以使用,为实时高精度对流层模型构建提供重要数据基础。此外,随着gnss气象学的发展,通过地基gnss观测不仅可以获得二维对流层延迟、水汽含量,还可以反演获得三维对流层大气的垂直空间结构,为地基gnss对流层模型构建提供了新的思路和方向。本文围绕着地基gnss对流层高精度模型的快速构建进行展开,旨在构建广域实时高精度对流层改正模型以及实现地基gnss对流层三维湿折射率场的快速构建,重点研究了地基gnss获取高精度对流层延迟的基本方法、实时对流层延迟改正模型的构建以及大区域对流层三维湿折射率场反演的实现与验证。本文主要的研究工作和成果总结如下:(1)基于ECMWF提供的中国区域ERA-Interim分层再分析资料研究了中国区域ZTD的时空分布特性。并在此基础上提出了一种顾及对流层高程归化以及空间变异特性的实时高精度对流层改正模型RtZTD。利用中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)实测数据对RtZTD模型进行评估。结果表明,该模型可以提供bias=0.27cm,RMS=1.48cm的对流层延迟改正,而模型给出的参考精度经验证也可客观地表示格网模型的精度分布情况。(2)采用北斗地基增强服务系统实测数据,验证了 RtZTD模型可有效提升北斗/GPS动态PPP的收敛速度。测试结果表明,相比GPT2w模型,RtZTD模型可对单北斗动态PPP在水平和垂直方向分别提升约32%和65%的收敛速度;对单GPS PPP的垂直方向上可提升29%的收敛速度。(3)验证大区域地基gnss对流层三维湿折射率场反演的可行性。基于广东省CORS网的实测数据,以ERA5数值预报产品作为湿折射率初始背景场,对比联合迭代重构(SIRT)与自适应联合迭代重构(ASIRT)对层析结果的影响。结果表明,ASIRT可以获得更高的层析精度,其平均bias=-0.06 mm/km,RMS=8.07mm/km,可以有效修正预报产品的系统性偏差,提高湿折射率场的精度。

关键词：地基gnss 实时对流层建模 PPP收敛层析技术湿折射率

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地基gnss水汽反演在云南地区的应用分析

地基GNSS水汽反演在云南地区的应用分析

作者：何安宏昆明理工大学

学位级别：硕士

大气中的水汽只有3%左右,但水汽在气象预报和大气科学研究中有十分重要的作用。水汽的聚集和释放与天气系统变化有直接关系,可以根据水汽的变化对一些灾害性天气进行预报和监测。但是水汽在大气中分布极不规律、水汽自身变化又十分复杂... 详细信息

大气中的水汽只有3%左右,但水汽在气象预报和大气科学研究中有十分重要的作用。水汽的聚集和释放与天气系统变化有直接关系,可以根据水汽的变化对一些灾害性天气进行预报和监测。但是水汽在大气中分布极不规律、水汽自身变化又十分复杂。因此,水汽成为准确评估大气变化、预报灾害天气的一个重要影响因子。近年来,全球极端天气、气象灾害等现象时有发生。大部分的灾害比如城市内涝、暴雨、滑坡等与降水息息相关,而降水和大气中的水汽有着直接的关系。在云南大部分地区暴雨、干旱、霜冻等现象频发,不同地区降水、气候变化差异明显,这与云南的地形地貌和地理位置有重要关系。文章利用云南地区连续运行参考站的数据对云南地区的水汽进行反演,分析了大气可降水量与云南部分地区气候、降水的时空变化关系。验证了地基gnss在降水预测和气候变化监测中的重要作用。主要内容和结论如下:(1)云南区域加权平均温度模型的建立。通过整理云南地区探空站8年的观测数据,采用回归分析的方法,获得了云南地区加权平均温度单站模型和区域模型;采用数值积分法求取各测站对应的加权平均温度值作为最或然值,检验所建立的单站模型和区域模型的精度。实验结果表明,在实验区域内所建立的单站模型和区域模型的精度比传统的经验模型精度都有提高,说明在云南地区建立的区域模型是合理的、有效的。(2)地基gnss反演PWV的影响因素分析。采用gnss数据解算软件对云南地区的CORS站网解算,获得了云南部分地区的绝对天顶延迟;分析了几种水汽反演的外部影响因素(网外辅助站、截止高度角、对流层延迟改正模型、映射函数、卫星星历)对反演精度的影响;最后根据实验结果给出了适合云南地区地基gnss数据反演水汽含量的解算策略。(3)云南地区三维水汽层析实验。结合建立的区域加权平均温度模型和解算策略,获得了云南地区的PWV时间序列;采用反投影法计算出测站上空斜路径大气可降水汽含量;根据水汽层析原理,以滇西南为实验区域获得了西南区域的层析实验结果。(4)地基gnss水汽探测在云南地区的应用。结合地基gnss水汽反演技术与气象数据分析手段,分析了云南地区的实际降水和水汽分布情况,利用PWV与实际降水的关系分析了PWV在区域气候变化中的应用;将神经网络与PWV结合建立区域降雨量预测模型。预测结果显示:模型预报正确率为68%、错报率为4%,误报率28%;实验进一步证实了地基gnss水汽探测技术在云南地区气候变化和降水预测方面的巨大潜力。

关键词：地基gnss 大气可降水汽含量水汽层析神经网络气候变化

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地基gnss水汽反演方法与应用研究

地基GNSS水汽反演方法与应用研究

作者：马福忠广州大学

学位级别：硕士

水汽是大气中含量丰富的温室气体之一,它对全球气候变暖产生重要影响,同时它在维持适合生命生存的温度环境方面扮演重要角色。水汽在大气中占比虽然很小,但其时空变化特性复杂,强烈的相位变化不断吸收和释放热量,严重影响大气结构的稳定... 详细信息

水汽是大气中含量丰富的温室气体之一,它对全球气候变暖产生重要影响,同时它在维持适合生命生存的温度环境方面扮演重要角色。水汽在大气中占比虽然很小,但其时空变化特性复杂,强烈的相位变化不断吸收和释放热量,严重影响大气结构的稳定性,进而可能引发极端天气事件。因此,快速准确地获取大气中水汽的时空变化信息不仅可以提高全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,gnss）导航定位的精度,而且对气候变化研究、短临天气预报以及灾害性气象预警至关重要。相较于传统水汽探测方法,gnss水汽探测具有高精度、高时空分辨率、低成本、全天候、不受天气影响等优势。地基gnss不仅能反演出二维的大气可降水量（Precipitable Water Vapor,PWV）,而且还能利用三维水汽层析算法来重建大气中水汽的空间分布情况。论文详细阐述了地基gnss反演PWV和水汽层析技术的原理和方法,并在此基础上围绕水汽反演影响因素、层析算法以及短临降水预报模型构建等关键技术展开研究。主要研究成果如下:（1）基于香港地区2016-2023年的探空数据,分析了大气加权平均温度（Atmospheric Weighted Mean Temperature,）与地表温度的时序变化和相关性,利用最小二乘法线性回归构建了香港地区模型。以探空数据作为参考值,将预测实验和仿真实验精度结果求平均值,本地化模型相较于其它适用于香港地区的Bevis模型、王朋远模型和姚宜斌模型在RMSE上分别降低了38.50%、13.88%和7.46%,这为高精度PWV反演以及水汽层析奠定了基础。（2）对比分析了精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）和双差法两种不同数据处理方式在连续台风暴雨期间的对流层天顶方向总延迟（Zenith Tropospheric Delay,ZTD）解算精度。以IGS-ZTD为参考值,PPP的RMSE比双差法低0.92mm;双差法的Bias比PPP低0.50mm,二者精度相当,均能准确反映ZTD的变化趋势。随后,从不同星历、截止高度角以及gnss系统三个方面,对连续台风暴雨期间PWV反演精度影响因素进行分析。最后,结合实际降水量数据分析了暴雨前后PWV的时序变化以及PWV与暴雨事件发生的关联性。（3）在二维水汽反演的基础上,提出了一种基于高度角定权的最小二乘QR分解（Least Squares QR,LSQR）水汽层析算法,并开展了连续台风暴雨期间的层析实验进行精度检验。与探空数据相比,LSQR算法层析结果的RMSE平均值为1.372)/Tm,比最小二乘法降低了30.81%;与ERA5数据相比,LSQR算法的RMSE平均值为1.182)/Tm,比最小二乘法降低了35.16%。对不同天气条件下的层析结果利用探空廓线和切片图进行可视化分析,晴天时,两种算法的层析结果一致,都能准确获取水汽的空间分布信息;小雨和暴雨发生时,最小二乘法层析结果与探空廓线存在偏差,并且切片图中出现畸变现象;LSQR算法的层析结果与探空水汽廓线、ERA5数据仍能保持一致,切片图中不存在明显畸变现象。（4）利用美国SuomiNet网络的gnss水汽产品,基于CNN-LSTM-Attention模型构建了短临降水预报模型。利用2021年的数据进行预测实验,实验结果表明,单站模型的命中率为92-93%,虚警率不到14%,相较于未考虑PWV模型的命中率提高了5-6%,虚警率降低了3%左右;区域模型的命中率为89.63%,虚警率为10.34%,相较于未考虑PWV模型的命中率提高了9.32%,虚警率降低了3.2%。

关键词：地基gnss 大气可降水量水汽层析 LSQR算法降水预报

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地基gnss水汽探测关键参量研究

地基GNSS水汽探测关键参量研究

作者：刘晓阳中国矿业大学

学位级别：硕士

地基gnss水汽探测作为gnss遥感应用和气象领域的研究热点,本文围绕地基gnss探测大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)过程中的关键参量,重点对无实测气象参数天顶静力延迟(Zenith Hydrostatic Delay,ZHD)的解算,大气加权平均温度... 详细信息

地基gnss水汽探测作为gnss遥感应用和气象领域的研究热点,本文围绕地基gnss探测大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)过程中的关键参量,重点对无实测气象参数天顶静力延迟(Zenith Hydrostatic Delay,ZHD)的解算,大气加权平均温度(Atmospheric Weighted Mean Temperature,T)时空变化特征及建模方法进行分析和研究,并编制了地基gnss水汽反演软件,最后将其应用于徐州地区gnss水汽反演中。主要研究内容和结论如下:(1)分别从空间分布和季节变化等方面,对ERA5气压分层数据和GPT3(Global Pressure and Temperature 3)经验模型两种数据源在中国地区解算ZHD的精度进行分析和讨论,结果表明,基于ERA5数据解算ZHD整体精度为1.3mm,其中在青藏和西北部分地区精度稍差,无明显季节差异;基于GPT3经验模型解算ZHD整体精度为10.3mm,其精度受纬度和季节变化的影响,随着纬度的升高,精度会有所降低,在不同季节下存在1mm的差异。(2)对中国地区T的时空变化特征进行分析,发现其时空变化受季节、纬度、海拔和气候等综合因素所导致。根据其变化特征,使用中国89个探空站2016018年三年观测数据,建立中国地区T地理分区模型,通过分析表明,该模型在我国整体精度为3.52K,在南方、北方、西北和青藏地区的精度分别为2.8K、4.0K、4.2K和3.5K,相较于Bevis模型,分别提升了11%、7%、17%和44%,在青藏地区提升尤为显著。(3)编制了自动化、一体化、可自动批量处理多天数据的gnss水汽反演后处理软件。并将其应用于徐州地区gnss水汽反演中,以探空资料结果为参考,基于ERA5气压分层数据、GPT3模型解算得到的gnss-PWV精度分别为1.6mm、3.2mm,可分别满足于长期气候变化研究、实时/近实时水汽探测的精度需求。最后对徐州地区一次降雨事件发生前后PWV的变化特征分析发现,在降雨发生前PWV会有很长一段时间的持续增长,因此可根据PWV的持续增长时间来对降雨进行预测。该论文有图35幅,表16个,参考文献83篇。

关键词：地基gnss 大气可降水量天顶静力延迟大气加权平均温度

基于地基gnss观测数据的贵州高原地区水汽层析精度分析

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大地测量与地球动力学 2023年第11期43卷 1162-1166页

作者：姚秀光郭金城严梦琪严浩元贵州省第一测绘院贵阳市550025

利用精密单点定位(PPP)技术处理贵州地基gnss观测数据,获得高精度天顶对流层延迟(ZTD),进而开展水汽反演获得大气可降水量(PWV)产品。基于斜路径可降水量(SWV),使用自适应联合代数重构算法进行三维水汽层析,空间分辨率优于30 km×30 km... 详细信息

利用精密单点定位(PPP)技术处理贵州地基gnss观测数据,获得高精度天顶对流层延迟(ZTD),进而开展水汽反演获得大气可降水量(PWV)产品。基于斜路径可降水量(SWV),使用自适应联合代数重构算法进行三维水汽层析,空间分辨率优于30 km×30 km,时间分辨率为5 min。以无线电探空数据为参考评估ZTD和PWV精度,其RMS分别为3.55 mm和1.03 mm。以ERA5再分析资料为参考评估三维层析精度,无暴雨发生时,三维层析相对误差不超过10%,偏差最大值为1.03 g/m~3。以无线电探空数据为参考评估三维层析精度,层析结果与无线电探空数据的相关系数在0.97以上,具有较好的一致性。贵阳站和威宁站的平均RMS分别优于0.5 g/m~3和1.2 g/m~3。

关键词：贵州高原地基gnss 大气可降水量水汽层析

地基gnss用于冻土区域地表环境多参数反演研究

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全球定位系统 2023年第5期48卷 117-124页

作者：李景洮张双成刘宁陈雄川王杰冯智杰长安大学地质工程与测绘学院西安710054 地理信息工程国家重点实验室西安710054 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室西安710054

季节性冻土具有周期性地表抬升/沉降的物理特性,传统测量方法已不能满足当前高精度、实时的监测需求.地基gnss是一种低成本、全天时、全天候、能够实现连续监测的新兴地基遥感技术.实验应用美国的板块边界观测台网(plate boundary obser... 详细信息

季节性冻土具有周期性地表抬升/沉降的物理特性,传统测量方法已不能满足当前高精度、实时的监测需求.地基gnss是一种低成本、全天时、全天候、能够实现连续监测的新兴地基遥感技术.实验应用美国的板块边界观测台网(plate boundary observational gnss network,PBO)计划SG27测站2013—2021年观测数据,使用地基gnss技术解译了阿拉斯加巴罗永久冻土区域典型异常年份降雪、无雪期地表形变、测站形变、土壤湿度、大气水汽变化,并通过PBO实测降雪数据验证异常年雪深反演精度,通过测站形变结果验证反演结果为冻土活动层形变,同时对水汽与土壤湿度进行相关性分析.结果显示:反演雪深与实测雪深绝对系数R2为0.8155,均方根误差(root mean squared error,RMSE)为0.0643,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)为0.0402;通过水汽与土壤湿度变化趋势图发现两者具有较弱滞后性对应关系,但仅表现在趋势而非幅度值上.表明地基gnss在长时序冻土环境监测中存在巨大的应用潜力.

关键词：季节性冻土地基gnss 地表沉降大气水汽土壤湿度

基于地基gnss和COSMIC数据的地震电离层异常探测

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基于地基GNSS和COSMIC数据的地震电离层异常探测

作者：史坤朋山东科技大学

学位级别：硕士

电离层中时常发生不同尺度的异常变化,其中地震在孕育和震发过程中发生的中小尺度扰动现象已经成为了近年来的热点内容。随着gnss技术的发展,不同尺度、不同时空分辨率的电离层产品将广泛应用在电离层的时空变化规律和地震电离层的异常... 详细信息

电离层中时常发生不同尺度的异常变化,其中地震在孕育和震发过程中发生的中小尺度扰动现象已经成为了近年来的热点内容。随着gnss技术的发展,不同尺度、不同时空分辨率的电离层产品将广泛应用在电离层的时空变化规律和地震电离层的异常探测中。此外,借助于COSMIC全球覆盖数据可以有效分析电离层的垂直结构变化。本文的主要工作和成果如下:（1）利用 CMONOC（Crustal Movement Observation Network of China）观测数据反演中国及其周边地区的高精度电离层数据。通过引入基线变量Brs快速解算高精度的STEC（Slant Total Electron Content）数据,作为同震电离层（Coseismic Ionospheric Disturbance,CID）探测数据基础。进而采用低阶球谐函数生成跨度为70°E-140°E,15°N-55°N,空间分辨率为1°×1°的高精度区域RIM（Regional Ionosphere Map）数据,借助于RIM和GIM（Global Ionosphere Map）产品有助于探测不同尺度的震前电离层效应。（2）利用孕震区充足的STEC观测数据,采用NmF2层高度的电离层单层模型（single shell layer model,简称shell模型）分析芦山地震（Mw6.6,2014.4.20）激发的CIDs的传播特征。结果显示在孕震区内STEC出现了明显的扰动,持续时间和大小分别达到了 3.5 min和0.22 TECU,传播速度和声波速度一致。同时地震破裂带、地磁场会对CID的波形和传播方向造成影响。（3）结合地基gnss反演的不同尺度电离层数据,分别对新西兰（Mw7.8,2016.11.13）和日本地震（Mw6.9,2016.11.21）、芦山地震（Mw6.6,2014.4.20）、墨西哥地震（Mw8.2,2018.2.17）探测了震前电离层异常形态的精细变化。在新西兰和日本地震分析中,通过奇异谱分析（Singular Spectrum Analysis）构建了高精度电离层背景场,进而研究全球电离层扰动信号,发现在新西兰地震震前16天和日本地震震前11天,两个地震上空具有明显的局部TEC异常效应,说明在磁暴环境中仍可能存在一定的地震电离层效应异常特征。利用RIM数据研究了芦山地震震前区域TEC变化,结果显示三个时段震前14-12,27-25和19天探测出了明显的电离层扰动,在排出了地磁活动干扰和热层的日变化影响后,震前14-12中的电离层扰动可能和芦山地震有关。基于CAS（Chinese Academy of Sciences）发布的GIM数据,分析了墨西哥地震电离层异常,结果表明高时间分辨率（15min）的电离层产品可以探测到更精细的电离层异常形态变化,尤其是在高峰期短时间内具有明显的突变趋势。（4）根据COSMIC的掩星轮廓线数据,分析总结了智利地震（Mw8.8,2010.2.27）震前15天电离层的垂直结构扰动。结果发现在1月15日、2月21日和25日震中附近F层出现了明显的扰动,最大扰动量超过了 50%,异常区域具有明显的局部效应。除此之外,不同高度的电离层电子密度异常具有明显的差异性,孕震区内的电子密度剖线同时出现了较大的幅度跳跃和无规则震荡情况。

关键词：地基gnss COSMIC系统震前电离层异常探测同震电离层扰动探测总电子含量奇异谱分析四分位距法