趙慶志

西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054

對流層作為地球空間環(huán)境中與人類活動最為密切的大氣圈層之一，與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。水汽是對流層中最重要的組成部分之一，盡管所占比例較小，但在多種氣候和一系列天氣現(xiàn)象中都扮演著關(guān)鍵角色。利用現(xiàn)代技術(shù)手段，掌握對流層中水汽的時空變化，對大氣結(jié)構(gòu)的垂直穩(wěn)定度、暴風(fēng)雨以及強對流等災(zāi)害性天氣的形成和演變都具有重要影響。近年來，隨著全球氣候變暖，各種災(zāi)害性天氣頻發(fā)，針對大氣水汽的研究也備受關(guān)注。

較傳統(tǒng)的水汽探測手段，GNSS水汽探測具有連續(xù)運行、全天候、高精度、高時空分辨率等優(yōu)點，且測站布設(shè)成本低，投入使用快，可實現(xiàn)大范圍高密度的實時水汽監(jiān)測。但是，由于水汽空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及對流層層析技術(shù)的相對不完善，在GNSS對流層層析方面仍有許多問題亟待進一步研究。

本文緊跟國際相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點，針對GNSS對流層層析技術(shù)中網(wǎng)格劃分方法的缺陷，提出了一種非均勻?qū)ΨQ水平網(wǎng)格劃分的思想。在此基礎(chǔ)上，給出了層析模型中同類型觀測量和不同類信息權(quán)比確定的方法。最終，針對傳統(tǒng)層析技術(shù)中無法利用側(cè)面穿出射線參與層析的關(guān)鍵性難題進行深入研究，逐步完善并發(fā)展了一套提高對流層層析射線利用率的理論和方法，為GNSS在氣象學(xué)領(lǐng)域的進一步應(yīng)用和拓展奠定了理論基礎(chǔ)、提供技術(shù)支撐。

具體而言，本文的主要研究工作包括以下幾個方面：

(1) 針對現(xiàn)有對流層層析中網(wǎng)格劃分存在的問題，對GNSS信號穿過研究區(qū)域的實際分布進行分析，提出了一種非均勻?qū)ΨQ水平網(wǎng)格劃分的思想。利用實測數(shù)據(jù)對提出的網(wǎng)格劃分思想進行檢核，結(jié)果表明本文提出的方法提高了有射線穿過的網(wǎng)格數(shù)(約9%)，改善了層析反演結(jié)果的精度(約18%)。

(2) 對于GNSS對流層層析，由于GNSS測站分布和衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)的影響，實際用于層析的衛(wèi)星射線條數(shù)較少。為了提高參與對流層層析的射線條數(shù)，提出了基于投影函數(shù)虛擬傾斜路徑衛(wèi)星信號精化層析模型的方法。試驗證明，該方法能夠有效增加參與層析的觀測方程的個數(shù)，改善了觀測方程的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。

(3) 對流層層析模型是由不同類型的方程組成，包括觀測方程、水平約束和垂直約束方程等，本文首次給出了組成層析模型的各類方程中同類型觀測量權(quán)比確定方法，并引入宏觀經(jīng)濟計量分析中協(xié)整檢驗的思想確定不同類方程的信息權(quán)比。分別以無線電探空數(shù)據(jù)和ECMWF數(shù)據(jù)作為標準，對不同天氣條件下的層析結(jié)果進行檢驗，發(fā)現(xiàn)該方法均能得到合理的反演結(jié)果。

(4) 針對傳統(tǒng)層析技術(shù)無法利用在層析區(qū)域側(cè)面穿出射線的問題進行深入研究，逐步發(fā)展了一套改善對流層層析射線利用率的理論和方法。主要包括3個層面：①提出了附加輔助層析區(qū)域提高射線利用率的方法，該方法初步體現(xiàn)在側(cè)面穿出射線的利用價值；②提出了基于水汽單位指數(shù)的三維水汽層析算法，進一步展現(xiàn)側(cè)面穿出射線對層析結(jié)果的重要性；③提出了一種最大限度改善射線利用率的方法，有效地改善了GNSS衛(wèi)星信號的利用率，目前該方法在理論上最為完善和成熟。

(5) 基于GNSS對流層水汽探測的基本理論和方法，利用本文提出的改善射線利用率的對流層層析方法開發(fā)了一套GNSS對流層層析監(jiān)測軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對流層中二維PWV和三維水汽廓線的探測，通過與無線電探空數(shù)據(jù)、VLBI和ECMWF格網(wǎng)數(shù)據(jù)對比分析，證明該軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的對流層二維/三維水汽監(jiān)測。