一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法技术

本发明专利技术提供了一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法，包括如下步骤：步骤一、对GNSS高精度单日数据进行处理，获得站点的ZTD值；步骤二、反演区域高精度大气折射率垂直廓线；步骤三、附加外部数据集信息对地基GNSS对流层顶进行探测；该附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法，采用了GNSS基准站的长期ZTD数据，并附加外部数据集在相应基准站的气象参数，得到区域上空的对流层顶高度。通过算例，验证了新方法的可行性和有效性，实现了对区域对流层顶的全天候、高精度、高时间分辨率和低费用的监测，为今后利用地基GNSS进行对流层顶研究提供了一定的参考价值，拓展了地基GNSS在气象学的应用方向。了地基GNSS在气象学的应用方向。了地基GNSS在气象学的应用方向。

【技术实现步骤摘要】
一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法


[0001]本专利技术属于GNSS气象学领域，具体涉及一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法。

技术介绍

[0002]对流层顶是对流层与平流层的过渡区，其厚度为几百米至两千米不等。对流层顶的确定是讨论对流层与平流层之间物质能量交换的基础，有利于对气候长期变化趋势进行研究，便于解释全球范围内对流层与平流层之间的大气循环和物质能量传输过程，该处大气温、压、湿结构以及环流的变化直接影响着近地层的天气和气候，同时全球及区域对流层顶的准确确定有利于提高GNSS气象学模型的精度，比如求解湿延迟、确定加权平均温度积分区间等模型需要高精度的对流层顶作为已知参数。
[0003]对流层顶的确定很大程度上受观测技术的驱动，19世纪末及20世纪初大气垂直温度探测技术的发展为基于温度递减率的热力学对流层顶的研究提供了基础。20世纪中期观测格网的广泛应用促进了对复杂天气尺度的分析，并增进了对全球对流层顶的复杂物理化学变化的认知。基于探空观测及再分析数据，对于全球及区域的对流层顶研究成果显著。在研究过程中，有学者指出仅利用气象数据对对流层顶进行研究存在许多局限性，比如在某些中高纬度地区，对流层顶区域有时不存在稳定的逆温层，难以由温度廓线确定对流层顶。20世纪末，空基GNSS掩星技术的出现为研究对流层顶提供了新的数据源，因此为了弥补仅用气象资料的不足，有许多学者利用掩星弯曲角及折射率数据确定对流层顶，得到了更稳健的结果。随着地基GNSS的发展，大量GNSS基准站长期连续数据得以使用，利用地基GNSS可以得到高时间分辨率的对流层顶信息，同时还可以对气象信息不足的区域进行数据补充，有学者对此进行了初步研究。
[0004]对流层顶面向应用场景的差异，研究的方向也存在不同。例如研究对流层顶时空分布可以了解其随时间、空间的变化特征；研究对流层顶动力学及化学过程可以明确对流层顶的变化机制，如与风场、大气中的微量气体、臭氧等因素之间的关系；研究对流层顶的多年趋势变化可以更深入的了解全球变暖现象，构建全球及区域准确的对流层顶时空模型有利于提高GNSS气象学模型精度等。
[0005]通过以往研究发现，在研究对流层顶的传统观测手段中，无线电探空是重要的数据来源，以获取温、压、湿等大气基本参数。但易受到自然环境及客观条件的制约，尤其是某些特殊地区，如高原区域的下垫面特征复杂，测站分布稀少，同时，由于高空气压降低导致探空气球爆炸，无线电探空资料在高空常出现缺失，无法获得足够而有效的数据用于相应研究。为了弥补探空观测资料时间序列短和空间覆盖率低的缺点，再分析资料的出现为各类大气科学研究提供了重要的数据支撑，其利用数值天气预报中的资料同化技术来恢复长期历史气候记录，但是作为观测资料和模式整合的产品，会包含数值预报模式、同化方案和观测系统变更等因素引入的新误差。掩星技术具有低成本、全球覆盖、高垂直分辨率、准实时、全天候等优点，逐渐成为高空气象资料的重要来源，但在对流层中下层(8km)，由于水汽
模糊度和折射率梯度变化较大，会为掩星资料引入偏差，掩星事件在全球范围内随机分布，会出现特定区域在某段时期内掩星事件数过少，不足以提供分析区域对流层顶情况。随着地基GNSS气象学的发展以及大量GNSS基准站数据得以使用，为研究对流层顶提供了新的思路和方法。地基GNSS观测具有全天候、高精度、低费用和时间分辨率高的优势，为研究特定区域对流层顶的长期变化提供了数据支撑，目前针对利用地基GNSS确定对流层顶高度的研究较少。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、对GNSS高精度单日数据进行处理，获得站点的ZTD值；
[0008]步骤二、反演区域高精度大气折射率垂直廓线；
[0009]步骤三、附加外部数据集信息对地基GNSS对流层顶进行探测。
[0010]进一步的，所述步骤一、对GNSS高精度单日数据进行处理，获得站点的ZTD值的具体过程是：首先，获取先验坐标，其次，选取主要参数，再次，检验基线解算结果；最后，获取按年日存放的基线文件，进行基线质量检查，从基线文件中提取出每个站点的ZTD值，ZTD值的时间间隔为2h。
[0011]进一步的，所述步骤二、反演区域高精度大气折射率垂直廓线包括两种方式分别是：利用探空资料反演大气折射率垂直廓线或利用再分析资料反演大气折射率垂直廓线。
[0012]进一步的，所述利用探空资料反演大气折射率垂直廓线包括如下步骤：
[0013]步骤401、获取探空资料水汽压e：
[0014][0015]步骤402、获取探空资料大气折射率N；
[0016][0017]式中k1、k2和k3为常数，一般可取k1＝(77.604
±
0.014)K/hPa，k2＝(64.79
±
0.08)K/hPa，k3＝(377600
±
400)K2/hPa；Z
d
和Z
v
分别为干燥空气和水汽的可压缩因子，通常取值为1。
[0018]步骤403、拟合探空资料大气折射率垂直廓线N(h)：
[0019][0020]式中，N0是高度为0处的折射率，N
h
表示大气折射率相对于高度h的指数衰减系数。由此可以得到区域高精度大气折射率垂直廓线。
[0021]进一步的，所述利用再分析资料大气折射率垂直廓线包括如下步骤：
[0022]步骤501、确定区域最适再分析数据资料：
[0023](1)获取NCEP/DOE再分析资料的水汽压：
[0024][0025]高精度水汽压e
s
的获取与大气温度T有关：
[0026][0027]式中，
[0028]g0＝
‑
2.8365744
×
103，
[0029]g1＝
‑
6.028076559
×
103，
[0030]g2＝1.954263612
×
10，
[0031]g3＝
‑
2.737830188
×
10
‑2，
[0032]g4＝1.6261698
×
10
‑5，
[0033]g5＝7.0229056
×
10
‑
10
，
[0034]g6＝
‑
1.8680009
×
10
‑
13
，
[0035]g7＝2.7150305。
[0036](2)获取ERA5与JRA55两种再分析资料的水汽压：
[0037][0038]式中，sph为比湿，e为水汽压。
[0039](3)选取最适再分析资料，对比出以上三种再分析资料与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、对GNSS高精度单日数据进行处理，获得站点的ZTD值；步骤二、反演区域高精度大气折射率垂直廓线；步骤三、附加外部数据集信息对地基GNSS对流层顶进行探测。2.如权利要求1所述的一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法，其特征在于：所述步骤一、对GNSS高精度单日数据进行处理，获得站点的ZTD值的具体过程是：首先，获取先验坐标，其次，选取主要参数，再次，检验基线解算结果；最后，获取按年日存放的基线文件，进行基线质量检查，从基线文件中提取出每个站点的ZTD值，ZTD值的时间间隔为2h。3.如权利要求1所述的一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法，其特征在于：所述步骤二、反演区域高精度大气折射率垂直廓线包括两种方式分别是：利用探空资料反演大气折射率垂直廓线或利用再分析资料反演大气折射率垂直廓线。4.如权利要求3所述的一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法，其特征在于：所述利用探空资料反演大气折射率垂直廓线包括如下步骤：步骤401、获取探空资料水汽压e：步骤402、获取探空资料各高度处大气折射率N：式中k1、k2和k3为常数，一般可取k1＝(77.604
±
0.014)K/hPa，k2＝(64.79
±
0.08)K/hPa，k3＝(377600
±
400)K2/hPa；Z
d
和Z
v
分别为干燥空气和水汽的可压缩因子，通常取值为1；步骤403、拟合探空资料大气折射率垂直廓线N(h)：式中，N0是高度为0处的折射率，N
h
表示大气折射率相对于高度h的指数衰减系数；由此可以得到区域高精度大气折射率垂直廓线。5.如权利要求3所述的一种附加外部数据集信息的地基GNSS对流层顶探测方法，其特征在于：所述利用再分析资料大气折射率垂直廓线包括如下步骤：步骤501、确定区域最适再分析数据资料：(1)获取NCEP/DOE再分析资料的水汽压：高精度水汽压e
s
的获取与大气温度T有关：式中，
g0＝
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋光伟，单映颖，程传录，谢方，田晓静，王盼龙，陈雄川，
申请(专利权)人：自然资源部大地测量数据处理中心，
类型：发明
国别省市：