GPS气象学及其应用

前言

第1章GPS系统和定位原理

1.1引言

1.2GPS系统

1.2.1GPS系统的组成

1.2.2GPS卫星信号

1.2.3全球导航卫星系统GNSS

1.3GPS卫星定位的基本原理

1.3.1测距码伪距法定位

1.3.2载波相位法定位

1.3.3载波相位测量差分法

参考文献

第2章地基GPS气象学原理

2.1引言

2.2大气对GPS信号传播的影响

2.3大气延迟，天顶延迟和地图函数

2.4大气天顶延迟和可降水量的计算

2.4.1用双频法消除电离层的延迟

2.4.2天顶静力延迟的计算

2.4.3天顶湿延迟和可降水量

2.5地基GPS气象学的发展

2.5.1国际地基GPS气象学的发展

2.5.2我国地基GPS气象学的发展

2.5.3GPS气象学的发展前景

参考文献

第3章GPS气象网的建设、运行和维护

3.1GPS气象网的基本组成

3.2GPS气象网的站点布局

3.3GPS基准站的建设

3.3.1基准站设备

3.3.2GPS基准站的站址和环境选择

3.3.3基建

3.3.4设备安装

3.3.5接收机设置

3.3.6设备安装建档

3.4GPS和气象观测数据的采集

3.5GPS资料的解算

3.6GPS气象应用产品的生成

3.7GPS气象网的运行维护

参考文献

第4章地基GPS气象网的资料解算

4.1引言

4.2实时解算软件(以GAMIT软件为例)

4.2.1GPS数据处理软件

4.2.2解算前的资料准备

4.2.3软件参数设置

4.2.4天顶总延迟量的计算(GAMIT的解算过程)

4.2.5可降水量的计算

4.3GAMIT解算软件的下载和安装

4.3.1软件下载

4.3.2软件安装

参考文献

第5章地基GPS反演水汽结果的精度检验和误差分析

5.1检验工具和方法

5.1.1检验工具

5.1.2GPS/PWV与Radio/PWV、WVR/PWV的差别

5.1.3检验方法

5.2GPS/PwV的精度检验

5.2.1中国长江三角洲GPS网的GPS/PWV精度检验(GPS与探空比较)

5.2.2美国中部GPS网准实时的PwV的检验(GPS与探空、水汽辐射仪比较)

5.2.3水汽梯度对GPS/PWV计算精度的影响(GPS与水汽辐射仪比较)

5.2.4GPS/PWV误差的日变化

5.3GPS/PwV的误差源分析

5.3.1对流层总延迟量的观测误差

5.3.2静力延迟量估算误差

5.3.3GPS/PWV的反演误差

参考文献

第6章GPS气象工作站的产品和应用

6.1用于实时监测和预报的产品

6.1.1单站PWV的7天时序图和1天时序图

6.1.2PWV的分布图和动画显示

6.1.3PWV的梯度图

6.1.4PWV的3小时变化图

6.1.5与其他天气资料图的叠加显示

6.1.6PWV层析资料和产品

6.2整编后的历史资料和产品

6.2.1整编后的历史资料

6.2.2单站月PWV和小时雨量时序图

6.3电离层电子含量的产品

第7章GPS/PWV资料在气候分析中的应用

7.1长江三角洲地区的水汽在时间变化上的气候分析

7.1.1年间变化

7.1.2季节变化

7.1.3月内变化

7.1.4日变化

7.2长江三角洲地区的水汽在空间分布上的气候分析

7.3利用PWV资料诊断长江三角洲地区入梅的方法

7.3.1利用GPS/PWV资料诊断入梅日期的方法

7.3.2历史资料的验证

7.3.3在诊断2006年入梅的应用

参考文献

第8章GPS/PWV资料在天气预报和分析中的应用

8.1利用单站GPS/PwV的阈值预报降水过程的方法

8.1.1GPS/PWV的预报阈值的选择

8.1.2预报检验和PWV阈值的调整

8.1.3预报时效

8.1.4两个降水过程的预报个例

8.2利用GPS/PWV资料分析台风期间大气中水汽的变化

8.2.11998年台风Zeb影响期间的水汽的变化

8.2.22002年台风Ramasun影响华东期间PWV演变分析

8.3GPS/PwV资料在暴雨等强对流天气过程分析和预报中的应用

8.3.12008年8月25日上海地区特大暴雨的个例

8.3.22002年8月24日长江三角洲地区的一次飑线天气过程

8.3.3PWV变化图对暴雨预报的指示作用

参考文献

第9章GPS资料在数值天气预报模式中的资料同化

9.1引言

9.2GPS资料同化技术简介

9.2.1资料同化的基本原理

9.2.2WRF/3DVAR同化系统介绍

9.2.3WRF/3DVAR系统中GPS同化资料输入/输出格式说明

9.3GPS/PWV资料同化研究实例

9.3.1利用GPS/PWV资料调整数值模式初始场的研究

9.3.2GPS/PWV资料同化改进降水预报的个例试验

9.3.3GPS/PWV资料变分同化改进降水预报的连续试验

9.4GPS观测延迟量资料的同化试验

9.4.1天顶总延迟GPS/ZTD资料的同化试验

9.4.2天顶湿延迟GPS/ZWD资料的同化试验

9.4.3斜路径湿延迟GPS/SWD资料的同化试验

参考文献

第10章GPS信号斜路径方向可降水量的计算和层析技术

10.1引言

10.2斜路径大气湿延迟量和可降水量的计算方法

10.2.1斜路径大气湿延迟量SWD的求解

10.2.2斜路径可降水量SWV的求解

10.2.3斜路径可降水量SWV的实验验证

10.2.4斜路径大气可降水量SWV的气象应用

10.3三维层析技术

10.3.1层析原理

10.3.2层析方程组的解法

10.3.3网格划分

10.3.4水汽三维层析初步结果及检验

10.3.5水汽三维层析的产品和应用

参考文献

第11章地基GPS技术探测电离层的原理和电离层资料同化

11.1电离层探测技术及研究内容

11.2国内外在地基GPS电离层探测和应用方面的进展

11.3地基GPS技术探测电离层的基本原理

11.3.1电离层折射率指数

11.3.2电离层传播延迟

11.3.3天顶方向总电子含量VTEC

11.3.4单层模型

11.4电离层电子总量TEC的计算流程和产品

11.4.1计算流程

11.4.2GPS/TEC计算的产品

11.5全球电离层同化模型研究

11.5.1全球电离层同化研究的历史和背景

11.5.2USC/JPL的GAIM系统

11.5.3正演模型

11.5.4四维变分同化

11.5.5递推估计方法

11.5.6GAIMN化结果的验证

11.5.7小结和展望

参考文献

第12章GPS反射信号新技术的应用

12.1引言

12.2GNSS-R海浪探测技术

12.2.1地基反演有效浪高的GNSS接收机的技术要求

12.2.2实验设备、安排

12.2.3数据分析及产品

12.2.4实验基本原理及反演方法

12.3GNSS-R信号反演土壤湿度的技术

12.3.1干涉复合场

12.3.2Oceanpal土壤湿度反演的基本原理

12.3.3土壤湿度反演的约束条件

12.3.4系统噪声

12.3.5实验及其结果

12.4有待考虑的问题

参考文献

第13章空基GPS气象学的基本原理

13.1空基GPS气象学的发展历史

13.2GPS掩星技术反演电离层的原理

13.3GPS掩星技术反演中性大气的原理

13.3.1总折射角的计算

13.3.2折射率廓线的反演

13.3.3从折射率廓线导出大气参数廓线

13.4GPS掩星技术反演中性大气的特点

13.5GPS掩星反演的折射率的一维变分同化方法

13.6GPS掩星反演技术中存在的问题和改进

13.6.1低层大气多路径效应

13.6.2超折射效应

参考文献

第14章空基GPS气象学的试验计划和资料处理

14.1空基GPS气象学的试验计划的进展

14.1.1GPS/MET实验卫星MicroLabl

14.1.2φrsted和Sunsat计划

14.1.3SAC-C计划和CHAMP计划

14.2COSMIC系统

14.3COSMIC资料的介绍

14.4COSMIC资料的下载和解码

14.4.1从COSMIC网页直接查看和下载

14.4.2编程下载资料文件

14.4.3COSMIC资料的解码

14.5COSMIC的wetPrf和brfPrf资料的解码范例

14.5.1wetPrf资料解码范例

14.5.2bfrPrf资料解码范例

参考文献

第15章COSMIC资料的检验和应用

15.1COSMIc资料的精度和有关特性的检验

15.1.1总体精度检验方法

15.1.2COSMIC资料精度的检验结果

15.1.3结论

15.2COSMIC资料在实时天气资料分析中的应用

15.3COSMIC资料在台风热力结构的分析中的应用

15.3.1资料收集和处理

15.3.2台风范围内大气各热力要素的特征分析

15.4COSMIC资料探测大气边界层的应用

15.4.1大气边界层

15.4.2掩星观测自动监测大气边界层高度算法

15.4.3大气边界层高度在时间和空间上的结构和变化

15.5COSMIC资料在数值预报模式中的资料同化

15.5.1COSMIC资料同化的数据处理

15.5.2COSMIC资料同化的试验个例

参考文献

　　2006年上海市气象局成立了上海市卫星遥感和测量应用中心，成为GPS气象学研究和应用的专业机构。2006年底我们又开始进行了空基GPS反演资料的应用研究。多年来，我们和国内外同行保持着学术交流，跟踪国际GPS气象学的最新动态。我们在编著本书时，除了综合介绍国内外同行的研究成果外，着重介绍了我们自己在地基GPS网的建设和维护经验以及在GPS气象学应用研究方面的工作成果和著作，力求使本书的内容适合我国的实际情况，达到易懂实用的目标，既能满足气象部门人员的需求，也能适用于学校的教学。