地基GNSS水汽反演及其在極端天氣中的應(yīng)用研究

何琦敏

1. 蘇州科技大學(xué)地理科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009; 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)作為一項(xiàng)顛覆性的導(dǎo)航技術(shù),在諸多重要領(lǐng)域(如測(cè)繪、氣象、交通、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等)都得到了廣泛的應(yīng)用。GNSS作為一種新型的水汽探測(cè)手段,具有重要的研究前景和應(yīng)用潛力。它克服了傳統(tǒng)氣象觀測(cè)水汽的諸多缺點(diǎn)(成本高、時(shí)間分辨率低、儀器偏差與漂移影響較大、易受天氣影響等),能夠?qū)崟r(shí)反映大氣環(huán)境的變化規(guī)律,全天候地獲取全球大氣水汽信息。然而,GNSS氣象學(xué)作為一項(xiàng)快速發(fā)展的學(xué)科,在多尺度的天氣災(zāi)害事件監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)模型的應(yīng)用研究中還很有限。

論文以利用地基GNSS水汽反演技術(shù)監(jiān)測(cè)極端天氣的相關(guān)理論與應(yīng)用為研究目標(biāo),對(duì)大氣改正模型進(jìn)行深入探討,優(yōu)化了GNSS水汽反演中的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)不同數(shù)據(jù)處理和觀測(cè)模式的GNSS水汽產(chǎn)品進(jìn)行了精度評(píng)估。首先,建立了高精度的GNSS水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng);然后,開(kāi)展了極端天氣下的水汽、溫度、氣壓、風(fēng)速和降雨量等多氣象參數(shù)的研究;最后,挖掘了水汽變化過(guò)程中的極端天氣短臨預(yù)警信號(hào)。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下。

(1) 研究了5種主流的大氣溫度與氣壓經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谥袊?guó)區(qū)域的精度分布情況以及它們的年、半年和日變化項(xiàng)的特征,為相應(yīng)的模型選擇及優(yōu)化提供理論參考。

(2) 針對(duì)氣象數(shù)據(jù)的低時(shí)空分辨率問(wèn)題,考慮了溫度和氣壓的時(shí)空相關(guān)性,提出了一種基于IAGA(improved adaptive genetic algorithm)改進(jìn)的時(shí)空克里金(Kriging)模型(IAGA-Kriging),解決了氣象數(shù)據(jù)的時(shí)空不連續(xù)性問(wèn)題,試驗(yàn)結(jié)果表明其精度優(yōu)于傳統(tǒng)的時(shí)空插值模型。

(3) 研究了多種基于地表氣象參數(shù)建立的Tm回歸模型在中國(guó)區(qū)域的精度,充分考慮了Tm的非線性特征,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN)和支持向量回歸(support vector regression,SVR)模型,對(duì)相應(yīng)模型進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。結(jié)果表明,通過(guò)組合ANN或SVR模型,能夠有效減小線性Tm模型的系統(tǒng)偏差。

(4) 建立了基于BNC+Bernese組合的GNSS水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)在不同觀測(cè)和處理模式下輸出的水汽精度進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明,雙差法反演的PWV(DD-PWV)對(duì)衛(wèi)星星歷的精度依賴性較小,即使在臺(tái)風(fēng)天氣中,實(shí)時(shí)和事后的DD-PWV精度無(wú)明顯差異。當(dāng)使用精密單點(diǎn)定位法(PPP)反演PWV(PPP-PWV)時(shí),實(shí)時(shí)的PPP-PWV精度低于事后精度。

(5) 以2018年香港超級(jí)臺(tái)風(fēng)“山竹”為例,研究了臺(tái)風(fēng)登陸前后,氣溫、氣壓、風(fēng)速、降雨量和PWV的變化特征。提出了一種利用高時(shí)間分辨率的水汽產(chǎn)品監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)的新方法,建立了臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的理論幾何模型,使用該方法分別計(jì)算了5種不同等級(jí)的熱帶氣旋移動(dòng)速度,與氣象部門發(fā)布的結(jié)果基本一致。

論文為GNSS氣象學(xué)進(jìn)一步的發(fā)展提供了有價(jià)值的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用參考,拓展了GNSS技術(shù)在熱帶氣旋中的應(yīng)用。