何琦敏

1. 蘇州科技大學地理科學與測繪工程學院,江蘇 蘇州 215009; 2. 中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇 徐州 221116

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)作為一項顛覆性的導航技術(shù),在諸多重要領域(如測繪、氣象、交通、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等)都得到了廣泛的應用。GNSS作為一種新型的水汽探測手段,具有重要的研究前景和應用潛力。它克服了傳統(tǒng)氣象觀測水汽的諸多缺點(成本高、時間分辨率低、儀器偏差與漂移影響較大、易受天氣影響等),能夠?qū)崟r反映大氣環(huán)境的變化規(guī)律,全天候地獲取全球大氣水汽信息。然而,GNSS氣象學作為一項快速發(fā)展的學科,在多尺度的天氣災害事件監(jiān)測與預報模型的應用研究中還很有限。

論文以利用地基GNSS水汽反演技術(shù)監(jiān)測極端天氣的相關(guān)理論與應用為研究目標,對大氣改正模型進行深入探討,優(yōu)化了GNSS水汽反演中的關(guān)鍵參數(shù),對不同數(shù)據(jù)處理和觀測模式的GNSS水汽產(chǎn)品進行了精度評估。首先,建立了高精度的GNSS水汽監(jiān)測系統(tǒng);然后,開展了極端天氣下的水汽、溫度、氣壓、風速和降雨量等多氣象參數(shù)的研究;最后,挖掘了水汽變化過程中的極端天氣短臨預警信號。論文的主要研究內(nèi)容如下。

(1) 研究了5種主流的大氣溫度與氣壓經(jīng)驗模型在中國區(qū)域的精度分布情況以及它們的年、半年和日變化項的特征,為相應的模型選擇及優(yōu)化提供理論參考。

(2) 針對氣象數(shù)據(jù)的低時空分辨率問題,考慮了溫度和氣壓的時空相關(guān)性,提出了一種基于IAGA(improved adaptive genetic algorithm)改進的時空克里金(Kriging)模型(IAGA-Kriging),解決了氣象數(shù)據(jù)的時空不連續(xù)性問題,試驗結(jié)果表明其精度優(yōu)于傳統(tǒng)的時空插值模型。

(3) 研究了多種基于地表氣象參數(shù)建立的Tm回歸模型在中國區(qū)域的精度,充分考慮了Tm的非線性特征,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(artificial neural network,ANN)和支持向量回歸(support vector regression,SVR)模型,對相應模型進行了進一步優(yōu)化。結(jié)果表明,通過組合ANN或SVR模型,能夠有效減小線性Tm模型的系統(tǒng)偏差。

(4) 建立了基于BNC+Bernese組合的GNSS水汽監(jiān)測系統(tǒng),并對該系統(tǒng)在不同觀測和處理模式下輸出的水汽精度進行了評估。結(jié)果表明,雙差法反演的PWV(DD-PWV)對衛(wèi)星星歷的精度依賴性較小,即使在臺風天氣中,實時和事后的DD-PWV精度無明顯差異。當使用精密單點定位法(PPP)反演PWV(PPP-PWV)時,實時的PPP-PWV精度低于事后精度。

(5) 以2018年香港超級臺風“山竹”為例,研究了臺風登陸前后,氣溫、氣壓、風速、降雨量和PWV的變化特征。提出了一種利用高時間分辨率的水汽產(chǎn)品監(jiān)測臺風的新方法,建立了臺風移動的理論幾何模型,使用該方法分別計算了5種不同等級的熱帶氣旋移動速度,與氣象部門發(fā)布的結(jié)果基本一致。

論文為GNSS氣象學進一步的發(fā)展提供了有價值的理論基礎與應用參考,拓展了GNSS技術(shù)在熱帶氣旋中的應用。