地基GNSS水汽反演關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用

趙慶志

西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054

對(duì)流層作為地球空間環(huán)境中與人類活動(dòng)最為密切的大氣圈層之一，與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。水汽是對(duì)流層中最重要的組成部分之一，盡管所占比例較小，但在多種氣候和一系列天氣現(xiàn)象中都扮演著關(guān)鍵角色。利用現(xiàn)代技術(shù)手段，掌握對(duì)流層中水汽的時(shí)空變化，對(duì)大氣結(jié)構(gòu)的垂直穩(wěn)定度、暴風(fēng)雨以及強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的形成和演變都具有重要影響。近年來，隨著全球氣候變暖，各種災(zāi)害性天氣頻發(fā)，針對(duì)大氣水汽的研究也備受關(guān)注。

較傳統(tǒng)的水汽探測(cè)手段，GNSS水汽探測(cè)具有連續(xù)運(yùn)行、全天候、高精度、高時(shí)空分辨率等優(yōu)點(diǎn)，且測(cè)站布設(shè)成本低，投入使用快，可實(shí)現(xiàn)大范圍高密度的實(shí)時(shí)水汽監(jiān)測(cè)。但是，由于水汽空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及對(duì)流層層析技術(shù)的相對(duì)不完善，在GNSS對(duì)流層層析方面仍有許多問題亟待進(jìn)一步研究。

本文緊跟國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，針對(duì)GNSS對(duì)流層層析技術(shù)中網(wǎng)格劃分方法的缺陷，提出了一種非均勻?qū)ΨQ水平網(wǎng)格劃分的思想。在此基礎(chǔ)上，給出了層析模型中同類型觀測(cè)量和不同類信息權(quán)比確定的方法。最終，針對(duì)傳統(tǒng)層析技術(shù)中無(wú)法利用側(cè)面穿出射線參與層析的關(guān)鍵性難題進(jìn)行深入研究，逐步完善并發(fā)展了一套提高對(duì)流層層析射線利用率的理論和方法，為GNSS在氣象學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用和拓展奠定了理論基礎(chǔ)、提供技術(shù)支撐。

具體而言，本文的主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：

(1) 針對(duì)現(xiàn)有對(duì)流層層析中網(wǎng)格劃分存在的問題，對(duì)GNSS信號(hào)穿過研究區(qū)域的實(shí)際分布進(jìn)行分析，提出了一種非均勻?qū)ΨQ水平網(wǎng)格劃分的思想。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)提出的網(wǎng)格劃分思想進(jìn)行檢核，結(jié)果表明本文提出的方法提高了有射線穿過的網(wǎng)格數(shù)(約9%)，改善了層析反演結(jié)果的精度(約18%)。

(2) 對(duì)于GNSS對(duì)流層層析，由于GNSS測(cè)站分布和衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)際用于層析的衛(wèi)星射線條數(shù)較少。為了提高參與對(duì)流層層析的射線條數(shù)，提出了基于投影函數(shù)虛擬傾斜路徑衛(wèi)星信號(hào)精化層析模型的方法。試驗(yàn)證明，該方法能夠有效增加參與層析的觀測(cè)方程的個(gè)數(shù)，改善了觀測(cè)方程的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。

(3) 對(duì)流層層析模型是由不同類型的方程組成，包括觀測(cè)方程、水平約束和垂直約束方程等，本文首次給出了組成層析模型的各類方程中同類型觀測(cè)量權(quán)比確定方法，并引入宏觀經(jīng)濟(jì)計(jì)量分析中協(xié)整檢驗(yàn)的思想確定不同類方程的信息權(quán)比。分別以無(wú)線電探空數(shù)據(jù)和ECMWF數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同天氣條件下的層析結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法均能得到合理的反演結(jié)果。

(4) 針對(duì)傳統(tǒng)層析技術(shù)無(wú)法利用在層析區(qū)域側(cè)面穿出射線的問題進(jìn)行深入研究，逐步發(fā)展了一套改善對(duì)流層層析射線利用率的理論和方法。主要包括3個(gè)層面：①提出了附加輔助層析區(qū)域提高射線利用率的方法，該方法初步體現(xiàn)在側(cè)面穿出射線的利用價(jià)值；②提出了基于水汽單位指數(shù)的三維水汽層析算法，進(jìn)一步展現(xiàn)側(cè)面穿出射線對(duì)層析結(jié)果的重要性；③提出了一種最大限度改善射線利用率的方法，有效地改善了GNSS衛(wèi)星信號(hào)的利用率，目前該方法在理論上最為完善和成熟。

(5) 基于GNSS對(duì)流層水汽探測(cè)的基本理論和方法，利用本文提出的改善射線利用率的對(duì)流層層析方法開發(fā)了一套GNSS對(duì)流層層析監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)流層中二維PWV和三維水汽廓線的探測(cè)，通過與無(wú)線電探空數(shù)據(jù)、VLBI和ECMWF格網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，證明該軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的對(duì)流層二維/三維水汽監(jiān)測(cè)。