本發明涉及海上氣象監測領域，特別涉及一種基于gnss的海上對流層大氣可降水實時監測方法。

背景技術：

1、對流層是大氣分層的最底層，也是近地空間環境中與人類活動聯系最為密切的大氣分層，而水汽作為對流層重要組成部分，雖然水汽在對流層中占比很小，卻直接影響著天氣變化和氣候演變。它通過參與大氣能量傳遞、調控氣候變化、影響全球水循環，以及驅動極端天氣，深刻地影響了地球環境和人類活動。研究水汽不僅是提升天氣預報和氣候預測精度的關鍵，還對水資源管理、農業生產、防災減災和公共健康等實際應用具有重要意義。

2、隨著全球氣候變化對水循環系統的影響加劇，水汽研究將變得愈發重要。通過不斷發展觀測技術和改進模型，水汽研究將為應對環境挑戰和促進可持續發展提供有力支持。海洋是水、汽交換的主要場所,大氣中大部分的水汽是由海洋提供的，因此，海洋是大氣水汽的最主要來源。連續、實時、高精度監測海上對流層水汽含量及其時空變化在暴雨等極端天氣預報、大氣質量監測、水文學、海洋學等應用領域都具有重要作用。加強海上對流層水汽監測方法和應用研究,也有利于應對全球氣候變化和防范海洋災害。

3、傳統的水汽探測方法有很多，包括無線電探空、微波輻射計、激光雷達等，但存在各自弊端。無線電探空是一種通過氣象探測儀器搭載氣球上升到大氣高層，實時探測大氣中水汽的技術。該方法具有精度高、垂直分辨率高，且受天氣環境影響小的優點。但建設成本高，時空分辨率較低，探空站分布稀疏，且每個站每天發射兩個探空氣球。微波輻射計可通過探測大氣中微波輻射信號來測量大氣中的水汽，具有精度高且高時間分辨率優點，然而，其垂直分辨率有限，探測過程受對流層大氣環境影響較大。激光雷達是一種利用激光脈沖來探測大氣中水汽的遙感技術，在水汽探測中具有顯著的優勢，尤其是在提供高精度、高分辨率的大氣水汽垂直剖面方面。但其設備維護成本高，難以實現密集設站和實時觀。

技術實現思路

1、為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于gnss的海上對流層大氣可降水實時監測方法，以達到能夠在缺少歷史探空數據的情況下，高精度實時監測大氣可降水的目的。

2、為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

3、一種基于gnss的海上對流層大氣可降水實時監測方法，包括如下步驟：

4、步驟1，利用gnss精密單點定位估算測站位置對流層天頂總延遲，利用氣象要素傳感器測量測站位置的氣象要素計算對流層天頂干延遲，利用對流層天頂總延遲和對流層天頂干延遲計算測站位置的對流層天頂濕延遲；

5、步驟2，獲取era5再分析數據，通過回歸分析構建與地面氣象參數相關的大氣加權平均溫度模型；

6、步驟3，利用大氣加權平均溫度模型，結合測站位置的氣象要素，計算大氣加權平均溫度和水汽轉換系數；

7、步驟4，利用測站位置的對流層天頂濕延遲和水汽轉換系數計算對流層大氣可降水。

8、上述方案中，步驟1中，得到天頂總延遲、干延遲及濕延遲的實際觀測值的方法如下：

9、（1）利用gnss接收機獲取雙頻原始觀測量，結合北斗星基播發ppp-b2b改正量，通過無電離層組合消除電離層延遲誤差，提取對流層天頂總延遲ztd的實際觀測值；

10、（2）利用氣象要素計算對流層天頂干延遲zhd：

11、；

12、其中，為站點地理緯度，為站點氣壓，為測站高程；

13、（3）利用天頂總延遲和天頂干延遲計算天頂濕延遲zwd：

14、zwd=ztd-zhd；

15、其中,?zwd為對流層天頂濕延遲，ztd為對流層天頂總延遲，zhd為對流層天頂干延遲。

16、上述方案中，步驟2中，大氣加權平均溫度tm是對不同高度層的大氣溫度進行加權平均，采用era5再分析數據集構建海上大氣加權平均溫度tm模型，具體包括如下步驟：

17、（1）從歐洲中期天氣預報中心獲取空間分布上距離測站位置最近的四個網格點的era5再分析數據，包含地面氣象資料和高空氣象資料；所述地面氣象資料包括地面溫度、地面露點溫度和地面氣壓，所述高空氣象資料包括各氣壓高度層的位勢、溫度和相對濕度；

18、（2）使用各網格點的地面露點溫度計算各網格點的地面水汽壓，使用各網格點的各氣壓高度層的位勢計算各網格點的各氣壓高度層的高度，使用各網格點的各氣壓高度層的相對濕度計算各網格點的各氣壓高度層的水汽壓；

19、（3）對各網格點的地面溫度、地面氣壓、地面水汽壓，以及各網格點的各氣壓高度層的高度、溫度、水汽壓進行反距離加權水平內插，得到對應于測站位置的地面溫度、地面氣壓、地面水汽壓，以及測站位置上空各氣壓高度層的高度、溫度、水汽壓；

20、（4）使用數值積分法對測站位置上空各氣壓高度層的溫度、水汽壓沿天頂方向進行積分,計算第j個時刻測站位置的大氣加權平均溫度；

21、（5）使用最小二乘法回歸法構建大氣加權平均溫度模型，即tm與測站位置的地面溫度、地面水汽壓、地面氣壓之間的組合關系：

22、；

23、其中，tm為測站位置的大氣加權平均溫度，為測站位置的地面溫度，為測站位置的地面水汽壓，為測站位置的地面氣壓，、、、為待估計的回歸系數，為殘差；

24、通過最小二乘法估計回歸系數，使得殘差平方和最小：

25、；

26、其中，為測站位置第j個時刻的地面溫度，為測站位置第j個時刻的地面水氣壓，為測站位置第j個時刻的地面氣壓；j為下載的數據集中的時刻序號，j=1,2,…,m，m為數據集中時間序列總數；

27、通過最小二乘法回歸后，得到用于計算的模型：

28、。

29、進一步的技術方案中，步驟（2）中，使用各網格點的地面露點溫度計算各網格點的地面水汽壓公式如下：

30、；

31、其中，表示第i個格點位置第j個時刻的地面水汽壓，表示第i個網格點位置第j個時刻的地面露點溫度。

32、進一步的技術方案中，步驟（2）中，使用各網格點的各氣壓高度層的位勢計算各網格點的各氣壓高度層的高度公式如下：

33、；

34、其中，表示第i個格點位置第j個時刻第k層的高度，為緯度網格對應的重力加速度值，為地球半徑，為第i個網格點位置第j個時刻第k層的位勢，為第i個網格點位置第j個時刻第k層的位勢高度。

35、進一步的技術方案中，步驟（2）中，使用各網格點的各氣壓高度層的相對濕度計算各網格點的各氣壓高度層的水汽壓的公式如下：

36、；

37、其中，表示第i個格點位置第j個時刻第k層的水汽壓，為第i個網格點位置第j個時刻相對濕度，為第i個網格點位置第j個時刻第k層的溫度，常數取值為6.1121，常數取值為17.502，常數取值為240.97。

38、進一步的技術方案中，步驟（3）中，反距離加權水平內插的方法如下：

39、假定測站位置的經緯度分別為和，測站周圍4個鄰近網格點的經、緯度表示為和，i=1,2,3,4；、、、分別代表測站周圍4個鄰近網格點第j個時刻的地面溫度；、、、分別代表測站周圍4個鄰近網格點第j個時刻的地面水汽壓；、、、分別代表測站周圍4個鄰近網格點第j個時刻的地面氣壓；、、、分別代表測站周圍4個鄰近網格點第j個時刻第k層的高度；、、、分別代表測站周圍4個鄰近網格點第j個時刻第k層的溫度；、、、分別代表測站周圍4個鄰近網格點第j個時刻第k層的水汽壓；

40、則測站位置第j個時刻的地面溫度，地面氣壓和地面水氣壓，以及測站位置第j個時刻第k層的高度、溫度、水汽壓表示為：

41、；

42、其中，為權重，表示為：

43、；

44、其中，為測站位置到周圍4個鄰近格點的距離，為地球半徑，按下式進行計算：

45、。

46、進一步的技術方案中，步驟（4）中，計算大氣加權平均溫度公式如下：

47、；

48、其中，表示為第j個時刻測站位置的大氣加權平均溫度，為相鄰兩層高度差；為測站位置第j個時刻第k層的水汽壓，為測站位置第j個時刻第k層的溫度。

49、上述方案中，步驟3中，利用實測地面溫度、地面水汽壓和地面氣壓根據大氣加權平均溫度模型計算得到，將數值代入水汽轉換系數公式，計算得到水汽轉換系數：

50、；

51、式中，為水汽轉換系數，和分別為液態水密度和水汽的氣體常數，其大小分別和，和為常數，其值分別為和。

52、上述方案中，步驟4中，結合對流層天頂濕延遲和水汽轉換系數計算對流層大氣可降水：

53、

54、式中，pwv為對流層大氣可降水，zwd為對流層天頂濕延遲，為水汽轉換系數。

55、通過上述技術方案，本發明提供的一種基于gnss的海上對流層大氣可降水實時監測方法具有如下有益效果：

56、1、本發明通過gnss信號與氣象傳感器協同觀測，結合北斗星基播發ppp-b2b改正量及雙頻電離層誤差消除技術，實時獲取了高精度的對流層天頂濕延遲；

57、2、本發明基于era5再分析數據，采用最小二乘法構建大氣加權平均溫度模型；相較于傳統依賴歷史探空數據構建的大氣加權平均溫度模型，本發明擺脫了對局部探空觀測數據的依賴性，突破了海洋、高原等探空數據稀缺區域的建模限制；

58、3、本發明利用大氣加權平均溫度模型，結合測站位置的氣象要素，計算大氣加權平均溫度和水汽轉換系數。利用測站位置的對流層天頂濕延遲和水汽轉換系數計算對流層大氣可降水；

59、綜上，本發明所提供的方法以高時空覆蓋、被動接收的gnss信號作為信號源，進行海上實時精密單點定位，提取天頂對流層濕延遲，能夠在缺少歷史探空數據的情況下，高精度實時監測大氣可降水。