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第1章 绪论1

1.1 地基GPS技术探测大气的意义1

1.1.1 大气水汽的重要性1

1.1.2 大气水汽常规探测手段及其特点1

1.1.3 地基GPS技术探测大气的特点及优势3

1.2 国内外GPS水汽遥感的研究综述5

1.2.1 国内外GPS水汽遥感的研究及应用5

1.2.2 存在的主要问题13

1.3 国内外GPS气象学研究进展14

1.3.1 GPS观测水汽和气温15

1.3.2 GPS测风16

1.3.3 国内外GPS气象学研究及应用现状与最新进展16

1.3.4 GPS气象学的发展趋势及应用前景23

第2章 GPS原理26

2.1 全球导航卫星系统简介26

2.1.1 美国GPS卫星导航系统26

2.1.2 俄罗斯GLONASS卫星导航系统27

2.1.3 欧洲伽利略卫星导航系统29

2.1.4 中国北斗卫星导航系统30

2.2 GPS的组成33

2.2.1 空间星座部分34

2.2.2 地面跟踪控制部分35

2.2.3 用户接收处理部分36

2.2.4 GPS的特点36

2.3 GPS参考系统38

2.3.1 坐标系统38

2.3.2 时间系统43

2.4 GPS定位原理45

2.4.1 GPS基本观测量46

2.4.2 观测量的线性组合49

2.4.3 相位与码伪距观测量的线性组合51

2.4.4 GPS定位基本原理及方法52

2.4.5 卫星定位的数学模型53

2.4.6 GPS测量数据的处理模型57

2.4.7 中长距离相对定位58

2.4.8 中长距离GPS相对定位模型60

2.5 GPS卫星接收机62

2.6 GPS应用现状与发展趋势65

2.6.1 GPS技术发展趋势66

2.6.2 GPS应用领域67

第3章 GPS测量误差影响源分析70

3.1 与GPS卫星有关的误差71

3.1.1 卫星钟差71

3.1.2 卫星轨道偏差72

3.1.3 卫星天线相位偏差72

3.2 与GPS卫星信号传播有关的误差73

3.2.1 电磁波的相速度与群速度73

3.2.2 电离层折射理论基础75

3.2.3 利用Klobuchar模型估算TEC的影响78

3.2.4 利用双频伪距观测量计算TEC80

3.2.5 利用双频相位观测量估计电离层延迟80

3.2.6 电离层延迟及误差改正措施81

3.2.7 对流层延迟及误差改正模型81

3.3 与接收设备有关的误差86

3.3.1 接收机钟差86

3.3.2 接收机天线相位中心偏差86

3.3.3 周跳及整周模糊度87

3.3.4 相对论的影响87

3.4 多路径的影响87

3.4.1 单反射信号多路径影响87

3.4.2 多个反射信号多路径影响89

3.4.3 墙面反射信号路径延迟89

3.4.4 地面反射信号路径延迟90

3.5 其他误差的影响91

3.5.1 地球自转改正91

3.5.2 潮汐的影响91

3.6 观测量的线性组合92

3.6.1 双频相位线性组合通用公式92

3.6.2 几种常用的组合观测值92

3.6.3 相位观测量与伪距观测量的线性组合94

3.6.4 其他的双频组合观测量95

第4章 地基GPS水汽遥感的理论与方法97

4.1 从大地卫星测量学到GPS气象学97

4.2 大气折射率与对流层天顶延迟97

4.3 映射函数100

4.4 高精度GPS数据处理软件102

4.5 影响天顶总延迟解算精度的因子104

4.6 天顶静力延迟计算模型及其误差分析106

4.7 天顶湿延迟及其计算方法109

4.8 大气可降水量的反演110

4.8.1 加权平均温度110

4.8.2 水汽转换系数111

4.8.3 天顶湿延迟反演可降水量的误差分析112

4.9 GPS反演可降水量的流程114

4.9.1 计算GPS可降水量的基本步骤114

4.9.2 加入IGS数据反演可降水量的解算过程115

4.10 GPS数据处理前期准备与利用GAMIT反演可降水量118

4.10.1 GAMIT软件的安装与配置119

4.10.2 相关数据文件的准备120

4.10.3 文件编辑123

4.10.4 相关参数文件的设置125

4.10.5 解算天顶总延迟127

4.10.6 反演可降水量129

第5章 加权平均温度及其计算模型130

5.1 对流层加权平均温度的局地计算模型130

5.1.1 加权平均温度的计算方案130

5.1.2 加权平均温度计算方案的比较132

5.2 华北地区地基GPS水汽反演中加权平均温度模型研究133

5.2.1 加权平均温度的时空变化特征134

5.2.2 加权平均温度与地面气象要素的关系135

5.2.3 几种加权平均温度计算方法的对比136

5.2.4 加权平均温度本地化计算模型的建立138

5.3 基于40年探空资料的川渝地区加权平均温度及其局地建模141

5.3.1 川渝地区的加权平均温度及其变化特征142

5.3.2 川渝地区加权平均温度计算的局地模型144

第6章 获取大气可降水量的其他方法148

6.1 基于无线电探空资料的可降水量计算方法149

6.2 地基水汽辐射计探测水汽含量的原理150

6.3 多普勒雷达探测垂直累积液态水含量的原理152

6.4 利用地面水汽压估算可降水量的方案154

6.4.1 地面水汽压和比湿的计算155

6.4.2 可降水量与地面水汽压的关系155

6.4.3 华北地区水汽总量特征及其与地面水汽压关系156

6.4.4 川渝地区大气可降水量的气候特征以及与地面水汽量的关系165

6.4.5 GPS/MET监测的可降水量资料的一种插补方案175

第7章 日本关东平原GPS可降水量的特征分析182

7.1 日本关东平原GPS可降水量研究的意义182

7.2 资料和分析方法183

7.3 可降水量日循环的分析与讨论185

7.3.1 山区可降水量日循环特征185

7.3.2 盆地可降水量日循环的特征192

7.3.3 平原和海岸可降水量日循环的特征193

第8章 华北平原地基GPS水汽遥感及天气学应用195

8.1 地基GPS反演大气可降水量的精度检验195

8.1.1 资料195

8.1.2 资料质量控制196

8.1.3 GPS反演可降水量的精度分析197

8.2 地基GPS反演的大气可降水量及其特征200

8.2.1 资料及处理方法200

8.2.2 计算大气可降水量的两种方法201

8.3 GPS大气可降水量的时空分布特征203

8.3.1 资料处理及质量控制203

8.3.2 月平均可降水量变化203

8.3.3 日平均可降水量变化204

8.3.4 可降水量的日变化204

8.4 地基GPS水汽资料在石家庄一次暴雨过程中的应用206

8.4.1 过程降水实况及能量场分析207

8.4.2 基于地基GPS可降水量资料的暴雨过程分析208

8.5 不同云系降水过程中GPS可降水量的特征210

8.5.1 GPS可降水量与实际降水210

8.5.2 积状云产生的对流性降水211

8.5.3 层状云产生的稳定性降水215

8.5.4 层积混合云产生的暴雨218

第9章 四川盆地GPS水汽遥感的试验及多领域应用222

9.1 四川盆地地基GPS观测网水汽遥感的试验222

9.1.1 GPS资料和气象资料223

9.1.2 GPS遥感可降水量的方案223

9.1.3 气象探空资料计算可降水量的方案224

9.1.4 GPS可降水量的测量精度225

9.1.5 Bevis公式的适用性226

9.1.6 成都夏季GPS可降水量的日循环合成分析227

9.2 成都地基GPS观测网反演大气可降水量的精度分析232

9.2.1 资料与方法233

9.2.2 大气可降水量的对比和误差分析234

9.3 不同辐射强度下地基GPS-PWV的日变化特征分析239

9.3.1 资料与方法239

9.3.2 不同辐射强度下大气可降水量的日变化特征240

9.3.3 强、弱辐射条件下GPS-PWV与气温及局地水汽循环的综合分析244

9.4 成都市秋、冬季地基GPS遥感的可降水量的时空变化分析246

9.4.1 资料和方法246

9.4.2 GPS-PWV的时空分布特征246

9.5 基于GPS-PWV资料的成都暴雨个例分析249

9.6 华西秋雨天气过程中GPS遥感的水汽总量的演变特征250

9.6.1 资料获取与处理方法251

9.6.2 GPS-PWV与实际降水的关系251

9.6.3 不同类型秋雨过程中GPS-PWV的变化特征253

9.7 地基GPS网监测持续低温雨雪灾害中的水汽异常输送强信号260

9.7.1 雨雪天气中GPS-PWV的时序变化260

9.7.2 雨雪天气中GPS-PWV的日变化262

9.8 基于GPS-PWV的成都不同云系降水个例的综合分析264

9.8.1 资料与方法264

9.8.2 对流云降水264

9.8.3 层状云降水268

9.9 不同类型降雨过程GPS可水量的对比分析272

9.9.1 GPS可降水量在不同类型降雨天气过程中的演变特征272

9.9.2 不同类型降雨天气过程中GPS可降水量日变化的合成分析277

9.10 GPS-PWV与大雾天气关系的初步分析279

9.10.1 大雾天气特征280

9.10.2 大雾天气个例分析281

9.10.3 大雾天气的合成分析284

9.11 GPS-PWV及雷达VIL在人工增雨中的初步应用287

9.11.1 资料与方法288

9.11.2 人工增雨作业中GPS-PWV和VIL演变特征的个例分析288

第10章 地基GPS气象网与水汽监测系统一体化建设293

10.1 GPS网的基本组成293

10.2 GPS网的布设原则293

10.3 GPS基准站的建设294

10.3.1 GPS基准站设备294

10.3.2 GPS基准站选址294

10.3.3 GPS基准站基建295

10.4 GPS站常见故障处理方法296

10.5 解算GPS数据时映射函数的选择297

10.5.1 映射函数297

10.5.2 三种映射函数的对比分析298

10.6 解算GPS数据时选取IGS站数的优化300

10.6.1 数据准备与计算300

10.6.2 计算结果比较302

10.7 水汽产品可视化界面的制作304

10.7.1 GUI布局设置304

10.7.2 GUI控件代码的设置306

10.7.3 数据可视化显示306

10.8 GPS水汽监测系统的一体化与自动化308

10.8.1 数据采集流程308

10.8.2 数据解算流程309

10.8.3 产品调用流程310

10.8.4 自动化流程310

10.9 GPS气象网的运行与维护311

10.10 GPS水汽监测系统的运行实例312

第11章 地基GPS水汽监测系统的业务化建设与应用展望315

11.1 成都市地基GPS遥感水汽应用研究及业务化建设315

11.1.1 研发内容315

11.1.2 成都市地基GPS水汽监测应用系统316

11.1.3 性能指标要求、系统特点及应用领域318

11.2 地基GPS水汽监测应用系统的研究进展319

11.3 地基GPS水汽监测应用系统的设计原理320

11.3.1 地基GPS水汽监测系统的工作流程320

11.3.2 地基GPS水汽监测应用系统的组成320

11.4 地基GPS水汽监测系统的业务应用321

11.4.1 我国GPS站网的建设321

11.4.2 我国GPS水汽监测系统的业务应用323

11.5 地基GPS探测水汽技术的发展趋势展望324

11.5.1 技术完善324

11.5.2 站网建设及反演斜径水汽量325

11.5.3 资料处理325

11.5.4 产品在天气预报的应用325

11.5.5 数值天气预报模式的资料同化326

11.6 地基GPS水汽监测系统的发展及潜在应用326

11.6.1 人工影响天气时机选择326

11.6.2 空中水资源评估及开发利用327

11.6.3 与雷达液态水含量探测资料的比较327

11.6.4 为中尺度数值模式提供初始场327

11.7 地基GPS探测水汽的发展与气象业务应用328

11.7.1 GPS-PWV用于灾害性天气监测分析预报329

11.7.2 GPS-PWV为中尺度数值预报模式提供初始场332

11.7.3 GPS-PWV用于全球气候变化的监测和分析334

11.7.4 GPS-PWV为人工影响天气作业提供依据335

11.7.5 GPS-SWV用于确定水汽三维分布336

参考文献337