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地基GPS技术遥感大气水汽含量及其在气象学中的应用的开题报告一、选题背景气象学是一门研究地球大气现象的学科，近年来受到全球气候变化的影响，气象观测和预测成为具有重要现实意义的研究方向。
其中，研究大气水汽含量对于提高气象预测能力、预防天气灾害、节约水资源等具有极为重要的意义。
GPS技术是一种基于全球卫星定位系统的导航技术，已经被广泛应用于航空、电信、交通、地震等领域。
近年来，随着GPS技术的不断发展和完善，地基GPS技术已经被应用于大气水汽含量的遥感测量中，成为研究大气水汽含量的重要手段。
二、选题目的本论文旨在深入研究地基GPS技术遥感大气水汽含量的原理和方法，借助数学和物理模型对其进行分析和计算，探究大气水汽含量对气象学的应用，包括气象预测、天气灾害预防、水资源管理等方面，为相关领域的研究提供参考和支持。
三、研究内容1.地基GPS技术测量大气水汽含量的原理和方法2.数学和物理模型分析和计算大气水汽含量3.分析大气水汽含量对气象学的应用，包括气象预测、天气灾害预防、水资源管理等方面4.开展实验研究，验证理论分析的准确性和可信度5.总结研究成果，提出未来的研究方向和展望四、研究方法本论文采用文献资料法、实验方法和数学分析法相结合的研究方法。
通过收集和分析国内外相关领域的文献资料，了解地基GPS技术遥感大气水汽含量的最新研究进展；通过实验的数据收集和处理，验证理论研究结果的准确度和可行性；通过数学模型的分析和计算，从理论层面探究地基GPS技术测量大气水汽含量的原理和方法。
五、预期目标与意义本研究旨在深入探究地基GPS技术遥感大气水汽含量的原理和方法，分析其在气象学中的应用，将为气象预测、天气灾害预防、水资源管理等方面的研究提供参考和支持。
预期通过研究成果，推动相关领域的发展和进步。
GPS水汽反演及降雨预报方法探究GPS（全球定位系统）是一种利用卫星信号来测量地球上点的三维坐标的技术。
在过去的几十年里，GPS已经被广泛应用于地理定位、导航和测绘领域。
然而，探究人员发现，GPS信号在穿过大气层时会发生衍射和折射，从而提供了一种预估大气中水汽含量的方法。
这种方法被称为GPS水汽反演。
GPS水汽反演是通过分析GPS信号在穿过大气层时受到的影响来预估大气中水汽含量的技术。
当GPS信号通过大气层时，水汽会对信号产生延迟。
通过测量GPS信号的延迟，可以准确地预估大气中的水汽含量。
这种方法已经被广泛应用于气象预报、气候探究和环境监测等领域。
GPS水汽反演技术的探究主要有两个方面：一是建立信号传播延迟与水汽含量之间的数学模型，二是开发相应的数据处理算法。
在建立数学模型方面，探究人员起首需要了解GPS信号在大气中的传播特性。
大气中的水汽含量是不稳定的，并且会随着时间和空间的变化而变化。
因此，探究人员需要思量这种时空变化对GPS信号的影响。
通过对大气层的物理特性和水汽分布进行建模，可以准确地预估GPS信号在大气中的传播延迟与水汽含量之间的干系。
在数据处理算法方面，探究人员需要开发一些数值方法来处理从GPS接收机接收到的信号。
这些方法通常包括信号的采样、去噪、解缠和反演等步骤。
通过对GPS信号进行精确的处理和分析，可以提高水汽反演的准确性和可靠性。
GPS水汽反演技术在气象领域的应用已经取得了一些重要的效果。
通过将GPS水汽反演结果与气象观测数据进行对比，探究人员可以验证这种方法的有效性。
探究人员还利用GPS水汽反演结果来改进降雨预报模型，提高降雨预报的准确性。
降雨预报是气象学中的一个重要问题。
传统的降雨预报方法通常基于气象观测数据和数值模型。
然而，由于气象观测数据的不确定性和数值模型的复杂性，降雨预报结果往往存在一定的误差。
GPS水汽反演技术的引入为降雨预报提供了一种新的思路和方法。
通过结合GPS水汽反演结果和其他气象观测数据，可以提高降雨预报的准确性和可靠性。
GPS水汽反演及降雨预报方法探究一、引言地球上大气水汽的水平分布对天气、气候和水循环等多个领域具有重要的影响。
在过去几十年里，随着全球定位系统（GPS）技术的进步和应用，GPS成为一种有效的手段来估算大气中的水汽含量。
本文将盘绕GPS水汽反演及降雨预报方法的探究展开，旨在探究这一领域的最新进展和应用。
二、GPS水汽反演原理GPS水汽反演原理是基于接收机观测到的GPS信号通过大气传播路径的延迟和相位差。
由于水汽对无线电波的传播速度和相位产生延迟，因此可以通过测量接收机信号的延迟来反演出大气中的水汽含量。
常用的GPS水汽反演方法主要包括对流层湿延迟（Tropospheric Delay, TD）和对流层相位湿延迟（Tropospheric Phase Delay, TPD）两种。
三、GPS水汽反演方法探究1. TD法TD法是通过测量GPS信号在大气中的传播路径延迟来反演水汽含量。
该方法主要利用GPS接收机观测到的伪距数据，通过减除大气的干延迟来得到湿延迟，从而估算出水汽含量和水汽分布。
TD法适用于小时标准和较短的距离范围内的水汽反演。
2. TPD法TPD法是通过测量GPS信号在大气中的相位延迟来反演水汽含量。
该方法主要利用GPS接收机观测到的载波相位数据，通过减除大气的干延迟和载波频率来得到相位延迟，从而估算出水汽含量和水汽分布。
TPD法适用于更长的时间标准和更大的距离范围内的水汽反演。
四、GPS水汽反演在降雨预报中的应用GPS水汽反演可以帮助降雨预报工作，提高对降雨过程的准确性和可靠性。
通过测量大气中的水汽含量和水汽分布，可以对降雨的强度、范围和进步趋势进行猜测。
GPS水汽反演可以提供高时空区分率的水汽数据，为降雨预报模型提供输入参数，优化降雨模拟和预报结果。
五、GPS水汽反演及降雨预报方法的探究进展目前，GPS水汽反演及降雨预报方法的探究已取得一些重要进展。
包括改进GPS观测和数据处理方法、提高对大气细结构的区分能力、开发更准确的降雨预报模型等。
科技资讯科技资讯S I N &T NOL OGY I NFORM TI ON2008N O .14SCI ENC E &TEC HNO LO GY I N F O RM ATI O N高新技术水汽是大气中时空变化最活跃的成分之一,是生成云和降水的必要条件,对天气和气候的变化有重要影响,并且可通过平流和垂直输送及蒸发、凝结过程,影响地面和大气中水分循环及能量平衡,对天气和气候的研究至关重要。
水汽的相变、分布、垂直输送还是制约暴雨、雷暴、大风等强对流天气过程发展的动力机制之一。
如何测定大气中的水汽含量,监测大气中水汽的分布情况及变化趋势,并将监测结果应用于实际业务预报特别是中小尺度灾害性天气的监测预报中,一直是气象研究中的热点问题。
水汽随高度的分布比较复杂,受到温度垂直分布、对流运动、湍流交换、云层的凝结和蒸发以及降水等多种因素的影响,使得高效、高频地监测水汽成为目前大气探测的一个难题。
传统上使用无线电探测、卫星红外线探测和微波探测等手段由于自身存在的局限性已经无法适应现代业务的要求,急需新的技术来实现不同时空范围的水汽监测。
GP S 气象学是20世纪90年代兴起的一种多学科交叉而形成的前沿学科,分为地基和空基两类。
其中地基GP S 技术作为一种新型大气探测实用技术,通过高覆盖率的地基G P S 网络,提供高时空分辨率的水汽探测技术,可有效地弥补传统探测技术在时间和空间上的不足,提供高精度、高容量、快速变化的水汽信息。
1地基G PS 监测水汽原理GP S 卫星发射的信号,穿过大气层时,受到大气折射而延迟,通常可分为电离层延迟和对流层延迟,电离层延迟可通过双频或电离层模型基本消除。
对流层总延迟(ZT D)是由于大气中空气的折射而产生的,任意方向上的模型为:其中DL h z 、DL v z 分别为静力延迟(Z HD)和湿延迟(ZW D);m h (e)、m v (e )分别为干、湿映射函数;e 为到达地面测站的射线路径高度角。
GPS探测大气水汽含量的研究一．探测水汽含量的常规技术1．常规气球探空观测目前地球大气参数的廓线分布，大气水汽观测资料主要依靠每天两次的标准观测，其主要局限是：无线电探空气球观测在全球的分布很不均匀，测站密度过稀，在海洋上空甚至没有资料，相邻两次探测之间间隔时间过长，探测的精度不能满足水汽时间空间多变性的要求，且维持这一观测系统的成本也在不断增加。
2．水汽微波辐射计(Water V apor Radiometer-WVR)提供了依靠所测亮温反演扫描方向积分水汽总量和积分液水总量的手段。
3．星载微波辐射计测量地球提供的热背景下相应的吸收线，由于地表温度的多变性而呈现复杂性，应用于洋面的遥感比应用于陆地更为适用。
同时由于云的存在使这种应用受到限制。
地基微波辐射计不受低的中等覆盖云量的影响，但云量较多时同样受到影响。
降水发生时雨滴的存在对于辐射的影响以及雨滴打湿仪器天线的影响，使得微波辐射计这时很难提供可用的数据。
极轨卫星所载辐射计提供很好的空间分辨率但比较差的时间分辨率，而地基辐射计正好相反。
4．激光雷达费用昂贵，而且不能全天候观测，难以大范围密集设置站网和实现观测业务化。
5．卫星红外辐射计可以观测大气亮温、估算大气积分可降水分(IPW),能覆盖全球范围，但也只能局限于晴空区域的监测。
二．GPS气象学的发展GPS气象学(GPS/ METeorology,简写为GPS/MET)是近十年来蓬勃发展起来的，由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出的新兴边缘学科。
发源于美国，在 2 0世纪80年代，美国的Davis、Herring、Askne,Nordius等人在该领域做了许多理论上的研究并进行了多次试验，为其发展奠定了理论基础。
后来，Bevis和Businger等人进行了较全面的研究，1992年提出了采用地基GPS技术探测大气水汽含量的原理。
结合掩星技术通过对大气折射率的遥感来反演大气的温湿特性，他们的研究成果促进了GPS气象学的新进展。
1995年，美国的UCAR (University Corporation for Atmosphere Research) 研究组利用搭载在LEO (Low Earth Orbiter)卫星上的Turbo / Rogue GPS接收机成功地归算出气象参数的分布情况,还初步得到了电离层中电子密度的剖面结构。
与由无线电探空仪和探空气球等途径而获得的结果相比较,发现它们相互之间符合得较好。
可见，GPS无线电掩星技术在监测大气对流层和电离层方面颇具应用前景。
我国1998年5～6月份，在周秀骥院士主持下，进行了一次“华南暴雨试验”。
这次试验获得了大量的GPS与气象同步观测的数据，为我国的GPS气象学深入研究奠定了基础。
然而，在UCAR公布的研究结果中，在离地高度为1ｋｍ以下或者40ｋｍ以上的高度区，上述参数的归算精度并不令人满意。
而对气象应用来说，高度在1ｋｍ以下的大气温度和压力的分布情况尤其显得重要，就中间层及其以上各层次的大气研究来说，对40ｋｍ以上高度的大气温度和压力的探测精度也是十分必要的。
即使在1—40ｋｍ高度区间里，该技术同其它手段仍存在一定的差异。
GPS气象探测的应用领域非常广泛,有以下几方面：1.对流层低层的水汽探测(积分可降水分和水汽垂直分布)。
用于强烈天气和降雨的短期预报、水汽的全球气候学、水汽循环研究。
2.在数值模式中直接同化应用偏转角或折射率资料。
用于业务数值天气预报、气候研究的再分析(reanalysis)。
3.对流层高层的高分辨率的温度廓线。
对流层顶研究、平流层/对流层交换、平流层臭氧、高层锋面研究、火山效应、气候变率和气候变化的研究。
4.高层等压面的位势高度计算,用于气候研究。
5.通过地转/梯度风关系估计高纬度地区风,用于航空工业。
6.其它遥感系统的相互比较/检定/初值。
用于微波探测单元、地球静止业务环境卫星(GOES)、泰罗斯业务垂直探测器(TOVS)、EOS。
7.电离层电子密度剖面：电离层研究、空间天气(Space Weather)、通信工业。
全球天气观测系统其它观测手段比较起来，GPS气象探测有其特有的优势：1．GPS掩星观测对流层中高层-平流层温度垂直分布，特别在对流层顶结构探测上精确度优于GOES (地球静止业务环境卫星)的温度反演结果。
如果5km以下大气温度垂直分布由其它探测手段给定，精度 2 K，则GPS掩星观测可以反演水汽垂直分布，这是GOES卫星垂直探测所难以获得的。
GPS掩星观测能够均匀地覆盖全球，而价格却相对便宜。
2．GPS掩星观测有很高的垂直分辨率，在平流层的分辨率接近1.5km，在对流层则为 2 0 0～50 0 m。
这一分辨率是超过卫星垂直探测反演结果的。
3．GPS探测不受气溶胶、云和降水存在的影响，这恰恰弥补了卫星和地面可见光、红外、微波遥感在这方面的缺陷。
但是GPS气象探测也存在着自身的局限性：1．水平分辨率差：由于GPS卫星信号传播路径在水平方向延伸很大范围，掩星观测中接近3 0 0 km,这对分辨大气的水平精细结构是不利的。
2．GPS掩星观测方法也还不足以精确探测5km以下大气温度垂直结构。
三．GPS探测大气水汽含量原理美、加等国家进行的一系列地基GPS观测水汽试验，反映了GPS技术具有全球分布均匀、垂直分辨率高和费用低等一系列优点，因而在气象学和大气研究中具有潜在价值，同时为降雨预测开创了新的技术途径。
根据GPS接收机的位置,GPS遥感大气水汽含量的技术分为两类：一类是地基GPS气象遥感技术：即利用地球表面上静止的GPS接收机接收GPS卫星讯号，以连续的对地球大气参数(主要是综合水汽或可降水份)进行测量。
地基GPS技术的数据获取方法简单，可供研究的数据多，是当前研究的重点。
另一类是空基GPS气象遥感技术,即主要利用安置在低轨人造卫星平台上的GPS接收机接受GPS卫星讯号,采用掩星法对气象参数(主要是大气综合水汽或可降水份)进行测量，目前耗资大而难以实现，且可供研究的数据少。
GPS卫星信号传输经过大气层时，要受到大气的折射而延迟，将该延迟量作为待定参数引入到观测模型和解算方案中，并逐项考虑误差的来源和消除的办法。
折射影响可分成电离层影响和对流层大气影响：对流层大气延迟(中性延迟)可分为静力延迟项（干项延迟）和湿项延迟。
其中湿项延迟由水汽引起，静力延迟由其他的大气组成成份引起。
干气占总的中性大气的80 %～90 %，干气延迟比较有规律，天顶方向可以1 %的精度估算；但湿气延迟很复杂，影响因素较多，目前只能以1 0 %～ 2 0 %的精度估算。
由此大气延迟量可划分为电离层延迟、静力延迟和湿项延迟。
通过采用双频技术，并且电离层延迟与信号频率的平方成反比,电离层延迟误差可订正到毫米精度。
静力延迟与地面观测量(气压)具有很好的相关，也可以订正到毫米量级。
这样就得到了毫米量级的湿项延迟。
湿项延迟与水汽总量(PW)可建立严格的正比关系，从而求解水汽总量。
四．地基GPS探测大气水汽含量GPS技术通过码相位观测和载波相位观测来测量信号传输时间，一般认为，码相位和载波相位的分辨误差约为信号波长的1 %.由于P码和C/ A码的码元宽分别为 2 9. 3 m和 2 93 m,而载波L1 和L2 的波长仅为1 9. 0 5cm和 2 4.45cm，所以精密测量必须采用载波相位观测。
水汽对于光程的影响为厘米的量级，利用GPS观测结果计算湿项延迟进行反演水汽的工作也必须采用载波相位观测的方式。
由于存在着源于卫星钟、卫星轨道、接收机钟和载波相位观测等方面的误差,在观测方案和解算模型建立过程中它们必须予以考虑。
观测方程：R = ρ+δρion+δρtrop+C*δt r –C*δts-λ*N 其中C：光速λ：载波信号波长R：接收机载波相位观测量ρ：卫星至接收机的实际距离Δρion：电离层延迟δρtrop：对流层延迟(中性延迟)δt r：接收机钟差δts：卫星钟差N：载波相位的整周未知数各项误差分析：ρ：卫星至接收机的实际距离该项中包含接收机三维位置未知量和由卫星轨道参数计算的卫星相对地心的位置。
卫星轨道参数可通过卫星星历获得。
卫星星历分为两类：一是预报星历，预报星历是一种外推星历。
二是实测星历，也称精密星历。
卫星星历误差严重影响单点定位的精度，在相对定位中也是一个重要的误差来源。
Δρion：电离层延迟电离层延迟的影响在精密测量时采用双频技术消除，利用电离层延迟与频率的平方成反比的简单关系，消除后的精度达毫米级。
在电子含量很大，卫星的高度角又很小时，残差达几个厘米。
Fritz K. Brunner等提出了一个电离层延迟改进模型，考虑了折射率n中的高阶项影响以及地磁场的影响，并考虑信号传播路径弯曲的效应，精度优于2 mm.可见GPS的气象遥感应用应采用双频接收机，可有效地消除电离层延迟。
δρtrop：对流层延迟(中性延迟)对流层延迟作为遥感大气的未知量来求解，其误差由其他几项的误差来确定。
求解以后划分为静力延迟和湿项延迟两项。
δt r：接收机钟差GPS接收机一般应用高精度的石英钟，如果接收机钟和卫星钟的同步差相差1 μs，由此引起的等效距离误差也将达3 0 0 m。
有效地消除接收机钟差的影响采用对不同的卫星的观测量求差的方法，能满足精密定位的要求。
δts：卫星钟差尽管GPS卫星钟均安装了高精度的原子钟(铷钟和铯钟),但它们与理想的GPS时之间仍存在着难免的偏差和漂移。
这些偏差的总量在lms以内，通过导航电文提供的校正参数改正后，各卫星间的同步差会小于2 0 ns.如果采用相对定位，在两个接收机对同一颗卫星求差，将几乎完全消除卫星钟差的影响。
这种方法是目前使用GPS估算对流层参数必须采用相对定位的主要原因。
相对定位对于短基线来说对卫星轨道误差也有一定消除，所带来的一个主要问题是站间相关误差的产生，基线越短越为严重。
而对长基线，要求卫星星历要有一定的精确度。
基线越长，对星历精度要求越高。
N：载波相位的整周未知数采用载波相位观测产生的主要难题是载波相位的整周未知数的出现。
在锁定信号的整个观测过程中，整周未知数应保持不变。
由于外界干扰和接收机所处的动态条件的恶劣，偶尔可能使载波跟踪环路无法锁定载波信号引起信号的暂时失锁，表现为N0 的突变即“整周跳变”。
N0 一般采用“三差法”来确定，即不仅通过同一接收机对两颗卫星求差来消除接收机钟差和同一卫星对不同的接收机求差来消除卫星钟差，还通过连续观测历元的求差来确定整周未知数N0。
对于含大气延迟未知量的观测方程，处理软件应该可以区分开两者，因为后者大致依照sec(θ)(θ为卫星天顶角)而变化。
这就要求不同观测历元的卫星仰角要有一定的变化，而在这个变化期内(如 1 5～ 3 0 min)，假设大气特性保持定常，在观测站局地上空水平均一或球面分层均一，这决定了GPS遥感大气的时间精度。
