渤海三维水汽场构建方法研究

It is a challenge for GPS meteorology, that near real-time inversion of marine water vapor and it's spatial and temporal variation. Based on ground GPS data on Bohia sea coast and marine kinematic GPS observation on ship or buoys, this research puts forward the idea that multi-source data from land and sea exploration are used to study the space distribution of water vapor, and to construct near real-time, high precision and continuous 3D water vapor field in Bohai sea..Firstly, this project studies near real-time extraction method of slant-path water vapor(SWV) from marine GPS observation, and explores multi-source information fusion from ground GPS data and ship-borne or buoy GPS observation. Then, ill-posed problem of water vapor tomography model is researched with the improved iterative algebra reconstruction algorithm. The fitting method by selection of the parameter weights is mainly discussed to deal with the ill-posed problem, and put forward the construction methods of Bohai sea 3D water vapor fields. Finally, the water vapor tomography results are evaluated and verified using numerical weather forecasting(MM5) products and water vapor radiometer observations..Construction method of 3D water vapor field in the Bohai sea extends the research contents of GPS meteorology, and is also the basis of marine disaster forecasting and warning services. So this research has important theoretical significance and practical value.

近实时反演海洋上空水汽的三维分布及其时空变化，是目前GPS气象学急需解决的难题之一。本项目基于环渤海沿岸地基GPS站和海上动态GPS观测，提出海陆联合探测渤海水汽空间分布的研究思路，构建连续、近实时、高精度的渤海三维水汽场。.本项目首先研究海上动态GPS斜路径水汽含量的近实时计算方法；探索地基GPS和船载或浮标动态GPS水汽的信息融合；然后采用改进的迭代代数重建算法，研究水汽层析模型的不适定问题；重点探讨水汽层析模型病态问题的选权拟合解法；在此基础上，逐步形成稀疏水汽资料条件下渤海三维水汽场的构建方法；最后利用MM5模式数值气象资料和水汽辐射计观测，对水汽层析结果进行精度评价和验证。.渤海三维水汽场构建方法研究，是GPS气象学研究内容的丰富和拓展，也是海洋灾害预报和预警服务的基础，具有重要的理论意义和实用价值。

基于GNSS技术，连续、实时、高精度反演海洋上空大气水汽的时空变化，加强海洋水汽信息的监测，是有效应对全球气候变化的重要手段，也是海洋防灾减灾的关键措施。本项目基于GNSS精密单点定位（PPP）技术，利用环渤海沿岸地基GNSS站和海上船载动态GNSS观测，提出海、陆联合探测渤海水汽空间分布的研究思路，构建连续、近实时、高精度的渤海三维水汽场。主要研究内容和成果如下：.（1）海上GNSS PPP的算法研究。在海洋动态环境下，PPP是实现海洋GNSS水汽精确反演的基础。围绕海上动态PPP数据处理，本项目开展了GNSS周跳探测与修复、海上实时PPP软件研制和精度分析等研究。针对低高度角双频非差数据测量噪声大、周跳探测容易出现误判和漏判的情况，本项目基于电离层残差组合和ＭＷ组合进行了周跳探测算法的改进。.（2）海上动态GNSS大气可降水量（PWV）和斜路径水汽含量（SWV）估计的算法研究。对GPT等全球气象模型、大气加权平均温度模型的适用性进行了对比和分析；针对海洋动态环境，重点研究了海上GNSS PWV水汽信息的提取方法和优化模式，并进一步深入研究了海上动态GNSS斜路径湿延迟（SWD）计算方法，提出了顾及星间单差残差的GNSS SWV估计方法。.（3）海洋GNSS三维水汽层析研究。采用序贯最小二乘方法，发展了附加约束条件的水汽层析算法。以附加约束条件的水汽层析方法为基础，克服了水汽层析观测方程的不适定性问题；采用序贯逐次滤波的数据处理手段，引入随机游走过程估计方法，在分时段逐次滤波处理中兼顾水汽层析参数随时间变化的特性；同时，针对海洋水汽资料相对匮乏的客观实际，提出和设计了无先验信息约束的水汽层析处理模式，使其更加适用于海洋三维水汽场的构建。.（4）渤海GNSS三维水汽层析试验及海上动态GNSS水汽的精度评价。组织和实施了渤海GNSS三维水汽层析试验，构建了渤海局域上空三维水汽场。利用MM5模式数据，对海上动态GNSS PWV和SWV以及三维水汽层析结果进行了精度评价和验证。首次对环黄渤海沿岸地基GNSS PWV和HY-2扫描微波辐射计提供的柱状水汽产品进行了精度对比和分析。