气象要素内插对GPS水汽精度反演的影响分析

论文总字数：17693字

目 录

1引言 6

1.1大气中水汽的重要性 6

1.2地基GPS技术探测大气的原理、特点及优势 6

1.3气象数据内插的意义与概念 7

2国内外研究现状 8

3空间内插方法分析比较 8

3.1最近邻插值法(Nearest Neighbor) 9

3.2算术平均值法(Arithmetic Mean) 10

3.3高次曲面插值法(Multiquadric) 10

3.4克里金插值法（Kriging） 11

3.5反距离加权平方插值法（Inverse Distance） 11

4 基于反距离平方加权法的气象要素内插实验 12

4.1理论研究 12

4.2实验数据 13

4.2.1数据来源 13

4.2.2数据准备 13

4.3数据处理 16

4.3.1 数据读入 16

4.3.2算法程序 18

5实验结果与分析 19

6总结 22

参考文献 23

致谢 24

气象要素内插对GPS水汽精度反演的影响分析

李康

,china

Abstract: The water vapor content accounted for 4% of the total atmosphere, and it is a very important meteorological element. Compared with other atmospheric components, water vapor has a small proportion in people's cognition, so how to accurately measure the content of water vapor in the atmosphere is a hot research hotspot. GPS technology has opened a new era for the detection of atmospheric water vapor, its advantages include the ability to observe in real-time and unaffected by weather conditions, and to ensure low cost and high accuracy. To obtain the atmospheric precipitation (PWV) through the inversion of GPS technology, GPS observation data and corresponding meteorological data need to be obtained simultaneously. Because of the relative lack of meteorological observation data, the research of GPS inversion PWV has been restricted, so most of the meteorological data is interpolated by the data of nearby site. Therefore, in the study of GPs meteorology, for the lack of meteorological data of GPs stations, generally through the neighboring GPS stations meteorological observation data, sounding information, or through a whole of the meteorological observation network interpolation is worth. In this paper, the effect of meteorological elements on the inversion of water vapor accuracy is analyzed by using the inverse squared weighted interpolation method. The results of the experiment finally obtained the average interpolation error of 40 times of 5 experimental meteorological stations, the barometric error p = 4.6808 hpa, the temperature error t = 0.2209 degree, the air pressure caused the PWV error to be 1.872mm, and the temperature caused the PWV error to 0.110mm.

Key words:Temperature; Pressure; Interpolation

1.引言

1.1大气中水汽的重要性

水汽是一种重要的气象要素，在全世界范围内呈现不均匀分布，可以带走空气中的热量从而影响地面温度变化，水汽和CO₂一样，是一种重要的温室气体，会造成气候变热。与此同时，水汽也是地球水循环的起始点 ^[1]。

水汽含量在大气总体积中约占4%，虽然占比不是很大，但是却极其重要并且难以精确测定。准确的大气水汽资料对资源遥感、电离层结构、大气化学、航空航天、海洋气象、水文、区域气候等领域都有很大的帮助。这些资料可以帮助进行各种不同时间尺度的气象预报。因为水汽是诸多气象要素形成或变化的直接参与者，所以水汽的存在任何人也无法忽略不计，每个气象相关研究人员都必须予以重视。水汽随时间空间的不断变化对短期气象预报，尤其是程度较低和持续时间不长的灾害性天气的监测预报有着重要的意义，因此及时并确保精确地获得第一手大气水汽资料意义重大^[1]。

1.2 地基GPS技术探测大气

1.2.1原理简介

当GPS技术运用到水汽探测上的时候,造成误差最大的两个方面就是对流层和电离层分别对GPS信号造成的折射和延迟,电离层是50km到1000km之间的大气层，电离层延迟就是指这一范围内大气对GPS信号的延迟效果，而对流层延迟一般是指电磁波通过地面到离地面50km之间中性大气层所引起的延迟^[8]。电离层对GPS信号的影响与信号的频率有关系,利用卫星发射的两个波段不同频率的信号可以消除电离层的影响,这样就可以利用复杂的数据处理方法,通过对观测数据的处理把对流层对GPS信号的天顶方向总延迟分离出来,再计算出对流层中信号的干延迟分量、,从而得到对流层中信号的湿延迟分量：

= - （1）

在得到了湿延迟以后，由于湿延迟量主要是由对流层中可降水气（PWV）引起的，因此可以利用湿延迟量与水汽含量之间的关系来反演出水汽含量^[6]。

1.2.2优点与缺点

GPS技术日趋成熟，也衍生出一些前沿技术，地基GPS反演PWV就是其中一项，与其他水汽探测技术相比较而言，该技术的优点包括以下几项：

（1）GPS卫星水平分辨率比较高，在全球各个地区都有信号覆盖，GPS观测相较传统手段，受大气圈各种影响延迟较小。

（2）就信号接收方面的设备而言，接收机体积小易携带，而观测值使用持久性好，可长期使用。

（3）地基反演PWV精度较高，在与其他探空技术的比较中，我们发现地基GPS反演大气可降水量的结果可用于卫星遥感的观测结果校正。在GPS技术环节，其站点密度高，则地基GPS反演技术在区域上更加全面和细致，在连续性上也比一般方法上了一个层次。

（4）GPS卫星进行的是全天候连续的观测，可以为中小尺度恶劣天气的预报提供可靠的大气水汽数据，这是贴近大众生活服务方面的很大一个突破。

地基GPS反演大气可降水量技术虽然颇具优势也飞速发展着，但是仍然具有很多漏洞和不足之处，需要改进。其缺点包括：

（1）在有些特殊的地理环境区域内：比如海洋等不方便设站或者周围地理环境影响比较大的地区，需要与其他的大气探测手段相互配合，例如空基GPS探测反演大气可降水量（PWV），否则达不到想要的精度。

（2）地基GPS技术可以反演大气可降水量并获得水平分布情况，但在纵向垂直分布情况上还处于知之甚少阶段，随着技术不断完善发展，未来肯定会朝这个方向做出更多的努力。

1.3气象数据内插的意义与概念

虽然地基GPS测反演大气水汽高效、精度较高，但是对于缺乏气象观测数据的地区来说，如何获取精度较高的气象数据才是首位的。这时候就需要用到周围气象站点的GPS观测数据通过内插来获取该地区该站点的气象数据。这就需要用到空间数据内插的方法来获取我们想要的温湿压数据^[2]。

空间数据内插，就是根据一组已知数据，这些数据类型可以是离散型也可以是连续型，通过一定数学公式推求出其他未知点该类数据的数学过程，其实质是空间函数关系的确定。

2.国内外研究现状

近年来，GPS气象学的研究在国内有了快速的发展。从20世纪90年代起分别开展了地基GPS气象学、空基GPS气象学的工作。在一些气象观测条件不太好，地面常规气象站稀少的地方来说，这些新兴大气探测技术的运用极有价值，很好的为短期天气预报提供了数据支持。1992年，Bevis等^[9]提出使用地基GPS获取地面温度，从而用来反演大气加权平均气温，由此“GPS气象学”的这一概念也得以被提出。

通过将地基GPS技术探测大气可降水量与相同条件下其他水汽探测技术相比较，可看出GPS技术在可行性和精度方面都有不可比拟的优势。根据国外先进研究单位研究表明：地基遥感大气水汽总量在反映大气湿度总体状况这方面，相比较其他类型的传统观测手段，具有真实可靠以及高精度的优点,在大气相对湿度小时预报中具有绝对优势,在短期降水量预报方面具有不可比拟的改进和突破^[3]。

国内有关单位早在上世纪90年代中期就把GPS/MET原理和方法介绍到国内，并开始进行通过分析研究地基接收机的GPS信号，来反演大气参数的实验。

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