（大地测量学与测量工程专业论文）联合地基gps和modis研究成都地区大气可降水量变化.pdf

西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 摘要 成都的热力和动力作用对四川地区的气候变化有重要的影响，而成都地区 大气可降水量变化是揭示成都平原热力、动力作用及区域水循环机制的重要信 息。为进一步提高成都地区大气可降水量变化研究结果的空间分辨率和精度， 本文利用近年发展起来的地基g p s 大气探测技术，联合高空间分辨率卫星遥感 数据( m o d i s ) ，定量反演了成都地区大气可降水量变化。 本文的研究内容主要分为以下四个部分： 1 、通过解算成都地区成都( c h d u ) 、简i j 日( p a j o 、郫县( p i x i ) 、邛崃( q l a i ) 、 入寿( p e n s ) 、中江( z h n ) 共6 个站的地基g p s 大气可降水量探测资料，获得了 这些站的大气可降水量；分析了成都站的大气可降水量的变化特征、地基g p s 探测结果的精度及大气可降水量与地面气象要素之间的关系。结果表明：成 都站2 0 0 5 年7 月大气可降水量变化为3 1 6 6 2 3 m m ，8 月3 6 9 - - 6 2 5 m m ，9 月 2 3 1 5 8 2 m m ；成都站地基g p s 探测与同一时刻无线电探空结果的平均差值 为0 4 5 r a m ，均方根误差为2 8 2 m m ，相关系数为9 8 2 7 ，二者的线性关系式为： g p s = 1 0 1 8 x s o n d e 一0 3 2 8 ；大气可降水量变化与降水密切相关，降水往往 发生在大气可降水量发生跳跃递增、持续递增或者出现骤变时刻。 2 、探讨利用m o d i s 近红外波段反演大气可降水量的方法，得到了两通道 比值加权法和三通道比值加权法的m o d i s 大气可降水量产品。对该两种方法结 果进行统计，并与成都站s o n d e 大气可降水量进行比较分析，结果显示，三 通道比值加权法可靠性更高。 3 、将成都站地基g p s 大气可降水量与m o d i s 大气可降水量进行了比较分 析。研究发现地基g p s 大气可降水量与m o d i s 大气可降水量的变化趋势较一 致( 相关系数为8 5 4 ) ，但均方根误差却达2 9 8 m m ，且m o d i s 大气可降水 量明显偏低，有些几乎相差一半。因此，需要对m o d i s 大气可降水量进行订正。 经订正得到的m o d i s 大气可降水量的精度明显提高，两者在数值上很接近，相 关系数达到8 9 8 ，均方根误差也减到了2 1 5 m m 。 ， 4 、由于m o d i s 的空间分辨率较高，其大气可降水量结果更能较为详细地 反映大气可降水量变化。因此，将地基g p s 大气可降水量面与m o d i s 大气可 降水量进行联合分析，不仅能增强成都地区大气可降水量变化研究的可靠性， 还可以有效提高成都地区大气可降水量变化的空间分辨率。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 i 页 综上所述，与利用少量的地基g p s 站点获得的成都地区大气可降水量变化 结果相比，将地基g p s 和m o d i s 联合进行大气可降水量变化研究，可有效提 高大气可降水量的时间分辨率、空间分辨率及可靠性，且具有全天候、长期、 稳定、成本低等优点。 关键词：地基g p s ；m o d i s 无线电探空；比值加权法；大气可降水量 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 ii 页 a b s t r a c t t h et h e r m a la n dd y n a m i c a le f f e c to fc h e n g d ui sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ew e a t h e r a n dc l i m a t ec h a n g ei ns i c h u a n s m d y i n ga t m o s p h e r i cp r e c i p i t a lw a t e rv a p o r ( p w v ) v a r i a b i l i t yo v e rc h e n g d ur e g i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw a y st or e a l i z et h e t h e r m a la n dd y n a m i c a le f f e c t ，w e a t h e ra n dc l i m a t ec h a n g e ，舔w e l l 鼬r e g i o n a lw a t e r c y c l eo v e rc h e n g d up l a i n i no r d e rt oi m p r o v es p a t i a lr e s o l u t i o na n dp r e c i s i o no f p w vo v e rc h e n g d ur e g i o n , i 1 1t h i sp a p e r , u s i n gg r o u n d - b a s e dg p s ，a s s o c i m e dw i t h m o d i s i m a g eo fh i g hs p a t i a lr e s o l u t i o n , r e t r i e v a lt h ep w vv a r i a b i l i t yo v e rc h e n g d u r e g i o n c o m e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： f i r s t l y , t h eg r o u n d - b a s e dg p sd a t ai nc h e n g d u ( c i - i d u ) ，j i a n y a n g ( j y a n ) ， p i x i a n ( p i x i ) ，q i o n g l a i ( q l a d ，r e m h o u ( p e n s ) a n dz h o n g j i a n g ( z h i ) a r e p r o c e s s e dt oo b t a i nt h ep w v o ft h es i xs t a t i o n s ；t h ep w v v a r i a b i l i t yo fc h d u s t a t i o n sc o v e r e da r e aa r ea n a l y s e da n dc o m p a r e dw i 也t h er a d i o s o n d e ( s o n d e ) d a t a t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np w va n dg r o u n dm e t e o r o l o g yf a c t o ma r es t u d i e d i t s h o w st h a t ：t h ec h a n g es c o p eo fp w vi ns t a t i o nc h d ui sa b o u t31 6 m mt o6 2 3 m m i nj u l y , 3 6 9 r a mt o6 2 5 m mi na u g u s t , a n d2 3 1 m mt o5 8 2 m mi ns e p t e m b e r ； a v e r a g ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e s u l t so fg r o u n d - b a s e dg p sa n dt h er a d i o s o n d ed a t a o nc 删s t a t i o ni s0 4 5 r a m ，w i t ht h er m so f2 8 2 r a m ，c o r r e l a t i o nt o e 伍c i e n to f 9 8 2 7 ，am o d e lc a nb e f i t t e db e t w e e ng r o u n d b a s e dg p sa n ds o n d e ， i e g p s = 1 o18 & 孙1 7 = d 层一o 3 2 8 ；g r o u n da c t u a lp r e c i p i t a t i o ni sw e l lr e l a t e dw i t h t h ec h a n g eo fp w va n da na b r u p ti n c r e a s e ，d u r a t i v ei n c r e a s ea n da b r u p tc h a n g eo f p i sc o m p a n i e d 谢t 1 1p r e c i p i t a t i o n s e c o n d l y , d i s c u s s e dt h em e a n so fr e t r i e v i n gp w vu s i n gm o d i si m a g e ，w e p r o c u r e dt h ep w v o ft w o - c h a n n e lr a t i ow e i g h t e dm e t h o da n dt h r e e - c h a n n e lr a t i o w e i g h t e dm e t h o do fc h e n g d ur e g i o ni 1 1 t h ee n d c o m p a r e dt h er e s u l t so ft h et w o k i n d sw e i g h t e dm e t h o dt ot h ep w vo fs o n d eo v e rc h d us t a t i o n , a n dc o m p a r e d t h er e s u l t so f t h et w ok i n d sw e i g h t e dm e t h o d , i ts h o w st h a tt h ep w vo f t h r e e c h a n n e l r a t i ow e i g h t e dm e t h o dh a v eh i g h e rd e p e n d a b i l i t y t h i r d l y , c o m p a r e dt h ep w v o ft h eg r o u n d - b a s e dg p sw i t hp w vo fm o d i si n c h d us t a t i o n i ts h o w st h a tt h ec h a n g i n g 仃e n db e t w e e nt h e ma r ec o n s i s t e n t 研t 1 1a 西南交通大学硕士研究生毕业论文 第l v 页 l l i _ - _ _ l l l _ l l _ l - _ _ _ _ - _ _ ll _ l - l - _ i i _ - _ i _ l i _ _ l i _ l - - _ - _ _ l - - i _ l l - c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f8 5 4 ，b u tt h er m si s2 9 8 m m ，a n dt h ep w vo fm o d i s a l o wo b v i o u s l y , a l m o s th a l fo fg r o u n d b a s e dg p sr e s u l t ss o m e t i m e s o b v i o u s l y t h ep w vo fm o d i sn e e d st oc o r r e c t , t h ep r e c i s i o no fc o r r e c t e dp w vo fm o d i s i n c r e a s e do b v i o u s l y 1 f 1 1 et w oa r ea d j a c e n ta tn u m e r i c a lv a l u e ，i t sr e l a t i v i t yc o e f f i c i e n t i s8 9 8 ，a n d 础m sr e d u c et o2 1 5 m m f o u r t h l y , d u et ot h ep o fm o d i sh a sh i g h e rs p a t i a lr e s o l u t i o n , i t sr e s u l t s c a l lr e f l e c tp w vv a d a b i l i t ym o r ed e t a l l e d l y s ow ec a na s s o c i a t ew i t ht h ep w v o f g r o u n d - b a s e dg p sa n dm o d i s t or e s e a r c ht h ec h e n g d ur e , o n , n o to n l ym c r e 弱et h e d e p e n d a b i l i t yo fp w vv a r i a b i l i t y , b u ta l s oe n h a n c at h es p a t i a lr e s o l u t i o no fp w v v a r i a b i l i t y i nc o n c l u s i o n , c o m p a r e dw i t ht h ep o fo b s e r v a t i o n sd a t ab a s e do naf e w g r o u n d - b a s e dg p ss t a t i o n s ，a s s o c i a t ew i t hg r o u n d - b a s e dg p sa n dm o d i s r e s e a r c h p v a r i a b i l i t y , i t c a l le n h a n c et h et e m p o r a lr e s o l u t i o n , s p a t i a lr e s o l u t i o n , d e p e n d a b i l i t y , a n d h a v e m a n ye x c e l l e n c e ，s u c h a s a l l - w e a t h e r , p e r m a n e n t , s t a b i l i z a t i o n , l o wc o s t , a n ds oo n k e y w o r d s ：g r o u n d - b a s e dg p s ；m o d i s ；r a d i o s o n d e ；r a t i ow e i g h t e dm e t h o d ； p r e c i p i t a lw a t e rv a p o r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密耐，使用本授权书。 ( i i g 在以上方框内打“) 学位论文作者签名：起肴霉、 日期：2 0 0 8 年4 月2 0 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均在文中做了明确的说明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文的主要创新点如下： ( 1 ) 利用四川g p s 观测网络资料探测成都地区大气可降水量的试验。试验验证了地基 g p s 技术探测大气可降水量在成都地区的可行性，为多学科综合研究大气可降水量的时空 变化及其在天气预报、水汽循环研究、空中水资源开发、人工影响天气效果评估等方面的 应用奠定了基础。 ( 2 ) 根据无线电探空数据，得到了成都地区加权平均温度计算式，提高了成都地区大气 可降水量探测的精度。 ( 3 ) 探讨了成都地区地面水汽压、地面气压、地面温度、地面实际降水、地面相对温度、 地面相对湿度与大气可降水量之间的关系。为计算既无无线电探空资料又无地基g p s 探测 资料站点的大气可降水量，介绍了几种利用地面水汽压资料计算大可降水量的计算模型， 并比较这几种模型在成都地区的计算精度。 ( 4 ) 探讨了m o d i s 反演大气可降水量的方法，结合无线电探空结果，得出三通道比值 加权法大气可降水量作为试验的最终结果的结论。利用地基g p s 探测结果分析了m o d i s 大气可降水量的精度，利用多元大气公式和n a s a 提供的订正公式对m o d i s 大气可降水 量进行了订正，订正后m o d i s 大气可降水量的精度明显提高。 ( 5 ) 联合地基g p s 与m o d i s 研究成都地区大气可降水量变化，填补了地基g p s 探测大 气可降水量空间分辨率低的缺点，取得较好的结果。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 第一章绪论 成都位于东经1 0 2 0 5 4 。至1 0 4 0 5 3 ，北纬3 0 0 0 5 至3 1 0 2 6 。之间，全市总面积 1 2 3 万平方千米，其中3 6 4 为平原，3 0 4 为丘陵，3 3 2 为山区。成都属 于亚热带季风气候区，热量丰富，雨量充沛，雨热同期，有利于发展农业。无 霜期长达3 0 0 天，年降水量9 0 0 - - 1 3 0 0 m m ，年平均温度1 5 2 1 6 7 c 之间，年 日照时数在1 1 0 0 - 1 4 0 0 小时，湿度较大，通常在8 0 左右。成都地区地处青 藏高原东侧的四川盆地中，地形影响显著，水汽、对流层活动、降水的变化特 征独特( 张家诚和林之光，1 9 8 5 ) 。2 0 世纪末期以来，全球气候变暖幅度加大， 尤其是中高纬度地区最为明显，对全球气候变暖的研究更迫切需要了解大气可 降水量( p r e e i p i t a lw a t e rv a p o r - p w v ) 在气候系统中的作用。大气可降水量及输送 不仅与大气环流有着密切的内在联系，而且作为能量和水分循环过程的重要一 环，对区域水分平衡起着重要作用。正确估计成都地区大气可降水量变化，能 更深入了解该区域的水循环过程以及成都对其周边地区天气和气候变化的影 响。因此研究成都地区大气可降水量变化具有重要意义。 1 1 成都地区大气可降水量变化研究概况 李国平【l 】利用首个成都地区地基g p s 观测网2 0 0 4 年7 9 月3 0 s 间隔的测 量数据，通过b e m e s eg p ss o f t w a r ev 4 2 解算出3 0 m i n 间隔的天顶延迟量，结 合自动气象站获得的气象资料计算出3 0 r a i n 间隔的g p s 大气可降水量。与无 线电探空站探测资料算出的大气可降水量进行统计对比，确定出本次g p s 大 气可降水量试验的精度为3 0 9 r a m ，两种大气可降水量时间序列呈现高度的一 致性。同时验证了计算对流层加权平均温度的b e v i s 经验公式在成都地区的适 用性。李国平【2 】利用成都地基全球定位系统( g p s ) 观测网2 0 0 4 年7 9 月的观 测数据，结合自动气象站获得的气象资料计算出g p s 大气可降水量( p w 。与 气象探空站观测资料算出的大气可降水量进行对比，确定出本次g p s 遥感可 降水量的精度为3 0 9 r a m 。并对成都、郫县夏季p w v 的日循环特征进行了合成 分析。结果表明：p w v 呈明显的日循环，最小值出现在8 ：0 0 ( 北京时间) ，成 都和郫县分别为4 0 5 衄和3 5 0m i l l ；最大值出现在1 7 ：0 0 左右，成都和郫县 分别为4 3 5i l l m 和3 8 01 1 1 1 1 1 ，白天p w v 的变化较大，夜间相对稳定，日变幅 为3 m m 。在盛夏静稳型天气下，成都地区的p w v 日循环特征与地面气温基本 一致，皆受太阳辐射日变化的控制。降水日变化的一个显著特点是降水主要发 西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 页 生在夜间，当p w v 在下午达到最大之后，主降水阶段开始，使p w v 明显减 少，同时使地面空气比湿迅速增大；当p w v 下降到一个稳定状态后，主降水 过程随之结束。p w v 的积累和释放与地面降水有较好的对应关系，p w v 的持 续性递增和持续性递减预示着降水的开始和结束。 纵观以往对成都地区大气可降水量变化的研究，基本上是基于单一的资 料，或是地基g p s 探测技术，或是卫星遥感资料，或是模式输出的水汽资料， 或是无线电探空资料，因此研究结果往往受到资料的精度、时间或空间分辨率 低的限制。卫星反演的大气可降水量受到卫星通道以及反演算法的影响，其精 度需要进行精确地验证。模式输出可降水量资料同样也需要进行检验。利用无 线电探空资料和地基g p s 观测资料获得的大气可降水量空间分辨率低。因此 准确估计成都地区大气可降水量变化是目前欠解决的问题。最近发展起来的地 基g p s 大气可降水量探测技术能够获得每半小时一次1 - - - 2 m m 精度的大气可 降水量0 1 。利用地基g p s 探测技术可以提高资料的时间分辨率和精度。刚刚 兴起的m o d i s 遥感技术能够获得高空间分辨率的大气可降水量。因此可以联 合地基g p s 与m o d i s 研究成都地区大气可降水量变化。 1 2g p s 气象学的研究概况 g p s 气象学作为气象学一个新的研究领域，自从1 9 9 2 年b e v i s ，m 一1 等人 论述了g p s 气象学的思想，提出了一种用地基g p s 探测大气可降水量的方法 以来，得到了迅速发展。大气可降水量是短期天气预报的关键因子，由于其时 空变化非常迅速，在目前的探测手段中，无线电探空( r a d i o s o n d e s o n d e ) 每天 两次的标准观测和台站密度以及探测的精度已经不能满足水汽时间空间多变 性的要求p 1 ，水汽微波辐射计( w a t e rv a p o rr a d i o w v p ) 受环境的影响较大，有 浓云时穿透能力较差，特别是在雨天会产生较大的误差一，g p s 则能克服这些 缺点。美国g p s s t o r m 试验通过将g p s 探测的大气可降水量与w v r 探测值 及气象预报模式的输出结果进行比较，证明了利用地基g p s 探测大气可降水 量技术的可行性，地基g p s 探测大气可降水量的精度达l - - 2 m m 。从1 9 9 4 年开始，n o a a 利用美国中部的g p s 网进行长达5 年的大气可降水量监测， 结果证明该网能在高湿( 大气可降水量超过4 0 r a m ) 和十分干燥( 大气可降水量低 于2 5 r a m ) 的条件下稳定地运行。h o e v e n 等峥在g p s 探测大气可降水量项目中 比较了分别用g p s 、无线电探空仪、水汽微波辐射计探测的大气可降水量与由 一区域气象模式r a c m o 预报的大气可降水量，以此对地基g p s 探测的大气 西南交通大学硕士研究生毕业论文第3 页 可降水量精度进行评价。比较的结果发现地基g p s 探测的结果与无线电探空 仪和水汽微波辐射计的结果之间的标准偏差为l 一2 m m 。y u e i a l ll i o u 等p 1 利 用水汽微波辐射计探测的大气可降水量评价台北g p s 网探测的水汽精度，地 基g p s 探测的结果和水汽微波辐射计探测的结果之间的均方根误差l - 2 m m ， 偶尔达到2 2 m m 。国际上先后建立了一些业务网络用于实时监测水汽的分布， 取得的水汽后处理结果与水汽微波辐射计资料的长时间对比，均方根误差在 1 1 0m m 左右u 。可见地基g p s 探测的大气可降水量具有很高的精度，在国 际上地基g p s 探测技术正逐步应用于天气和气候变化业务监测中。 我国在地基g p s 探测技术应用于大气监测方面也进行了许多试验。李成 才等u u 利用1 9 9 7 年夏季共3 周的东亚地区g p s 跟踪站数据和i g s 星历，应用 g a m i t 软件进行了解算，结合相应的地面气象资料探测了上海和武汉g p s 大 气可降水量3 0 r a i n 间隔的变化曲线，与无线电探空资料进行对照均方根误差为 5 0 r a m 左右。王小亚等u 纠利用覆盖全国的2 9 个g p s 观测站，进行g p s 气象 学试验，比较地基g p s 探测的大气可降水量与无线电探空结果，均方差为3 3 4 m m 。何平等刘利用“海峡两岸及邻近地区暴雨试验中获取的g p s 探测资 料，探测大气可降水量，并与无线电探空资料计算大气可降水量作比较，结果 表明，地基g p s 探测的大气可降水量与无线电探空计算的结果随时间演变的 趋势基本一致，两者偏差的均方差为4 3 3 m m 。2 0 0 0 年，北京大学、国家卫星 气象中心、北京市气象局联合在北京及周边县市布设了中尺度g p s 网，在南 郊3 个月的观测与无线电探空资料相比，均方根误差为2 9 r a m u ”。 随着地基g p s 探测技术逐渐成熟，我国的气象部门及相关的研究单位己 开始把该技术应用于大气监测业务中1 5 h 埔1 。宋淑丽等1 9 1 利用上海g p s 综合应 用网成功监测了2 0 0 2 年长江三角洲地区入梅过程，并把g p s 探测结果同化到 中尺度数值预报模式中，结果表明g p s 探测资料可优化模式初始场，提高降 雨量的预报能力。袁招洪等删1 利用在长江三角洲地区的g p s 观测网中资料， 比较了2 0 0 2 年梅雨期m m 5 模式2 4 小时预报结果与g p s 探测结果，结果表明， 2 0 0 2 年梅雨期不同的g p s 站点可降水量的变化与梅雨带的移动和走向有直接 的关系。严豪健等u 利用上海天文台g p s 网进行g p s s t o r m 试验，试验结 果指出，地面g p s 网有可能获得几乎实时的、连续的和高精度的大气可降水 量值；g p s 探测结果与实时降雨量和降雨过程相对应得很好；利用预报星历和 精密星历处理g p s 资料，结果差别不大。 与无线电探空和水汽微波辐射计相比，地基g p s 探测技术具有成本低、 西南交通大学硕士研究生毕业论文第4 页 精度高、资料获取的时间分辨率高、稳定性好和能全天候监测等优点。目 前地基g p s 探测技术已成为监测大气可降水量的有力工具，并且逐渐被应用 到天气和气候变化监测业务中。 1 3m o d i s 卫星遥感大气可降水量简介 虽然地基g p s 大气可降水量探测技术具有低成本、精度高和资料获取的 时间分辨率高等优点，但就我国目前的经济状况而言，要在一个区域布设密集 的地基g p s 站点是不可能的。要获取成都地区高空间分辨率大气可降水量变 化资料需要结合其他探测手段。 1 9 9 9 年1 2 月1 8 日，美国成功地发射了地球观测系统( e o s ) 的第一颗极地 轨道环境遥感卫星t e r r a ( e o s - a m l ) 。这颗卫星是美国国家宇航局( n a s a ) 地球 行星使命计划中总数1 5 颗卫星的第一颗，也是第一个提供对地球过程进行整 体观测的系统。它的主要目标是实现从单系列极轨空间平台上对太阳辐射、大 气、海洋和陆地进行综合观测，获取有关海洋、陆地、冰雪圈和太阳动力系统 等信息，进行土地利用和土地覆盖研究、气候季节和年际变化研究、自然灾害 监测和分析研究、长期气候变化率和变化研究以及大气臭氧变化研究等，进而 实现对大气和地球环境变化的长期观测和研究的总体( 战略) 目标。为了充分了 解地球系统的变化，保证数据源的连续性，美国今后的业务卫星观测系统将和 e o s 观测系统接轨，以提供系统的、连续的地球观测信息。m o d i s 是e o s 系 列卫星的最主要探测仪器之一，在所有e o s 卫星平台上都将装载，它是 e o s t e r r a 平台上唯一能直接广播的对地观测仪器。m o d i s 是当今世界上新一 代“图谱合一”的光学遥感仪器，代表了迄今为止最先进的空间星载传感器技术 和遥感应用技术，是这两项最先进技术的集大成者。它具有3 6 个光谱通道， 分布在o 4 1 4 聊的电磁波谱范围内，m o d i s 仪器的地面分辨率分别为 2 5 0 m 、5 0 0 m 和1 0 0 0 m ，灰度量化等级为1 2 b i t ，图幅宽度为2 3 3 0 k m 。在对地 观测过程中，每秒可同时获得6 1 兆比特来自海洋和陆地表面的信息，每日或 每两日可获取一次全球观测数据。多波段数据可以同时提供反映陆地、云特性、 云顶温度、云顶高度、海洋水色、浮游植物、生物地理化学、大气中水汽、大 气温度和臭氧等特征的信息，用于对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋进 行长期全球观测。每一个m o d i s 仪器的设计寿命为5 年，实际寿命可能达7 年以上，3 6 个光谱波段的地球综合信息对于开展自然灾害与生态环境监测、全 球环境和气候变化研究及进行全球变化的综合性研究等将是非常有意义】。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第5 页 从n a s a 的m o d i s 网站h t t p ：m o t h s g s f c n a s a g o v 上可以下载l k mxl k m 的m o d i s 遥感资料，利用这些资料研究陆表和大气，可以大大的弥补地面观 测资料空间分辨率低的缺陷。为了验证m o d i s 反演大气可降水量的可行性和 精度，结合四川省地震局提供的四川m o d i s 影像，借助e n v l 4 2 软件，反演 成都地区m o d i s 大气可降水量。 1 4 本文研究背景、主要研究内容及意义 四川g p s 观测网络( c p so b s e r v a t i o nn e t w o r ko fs i c h u a n 缩写为g p s o n o s 是以全球卫星定位系统( g p s ) 观测技术为主的地壳运动观测网络，见图1 1 。 图l l 四川g p s 观测网络基准站分布图 网络以监测地壳运动服务于地震预测预报为主要目标，同时兼顾大地测 量、国防建设和成都地区国民生产以及科学研究的需要。本工程项目由四川省 地震局承担，将建设g p s 基准网、区域网、数据中心、成都虚拟参考站卫星 定位服务系统、成都高分辨率似大地水准面精化五大部分。基准网由6 个g p s 连续观测站组成；区域网由5 4 个不定期复测的g p s 观测站组成；成都虚拟参 考站卫星定位服务系统由基准网和数据中心集成。基准站将作精密重力测量和 精密水准测量的基准。数据中心建于四川省地震局办公大楼内，负责数据传输、 常规管理和承担专门的数据处理与差分信息发布任务。 2 0 0 4 年3 月四川省地震局引进了m o d i s 卫星地面接收站，该系统全天候、 全自动接收处理美国e o s m o d i s 卫星过境实时发送的资料，生成经定标订正 和地理定位的m 级数据产品以及后续数据产品。每天可以接收处理7 8 次卫 星数据资料，接收区域以四川地区为中心，南至近赤道，北至黑龙江，东至日 西南交通大学硕士研究生毕业论文第6 页 本，西至塔吉克斯坦，包括北纬7 0 - - - 5 0 。、东经6 9 01 3 8 。，覆盖面积：4 8 0 万 平方千米，见图1 2 t 2 4 1 。 图1 - 2 四川省m o d i s 接收数据覆盖范围 四川省地震局建成的e o s m o d i s 卫星数据接收处理系统，是四川省政府 和中国地震局共同资助的防震减灾“十五 重点项目之一，是我国地震系统安 装的第一个x 波段e o s m o d i s 卫星资料接收处理系统，其利用先进的卫星空 间探测技术和e o s m o d i s 热红外辐射资料研究强震前的热异常场，对于改善 目前四川乃至我国西部地区地震前兆监测网布局、增强地震前兆监测能力将发 挥积极的作用。 本文利用近年发展起来的地基g p s 大气探测技术，结合常规地面气象观 测和高空间分辨率的m o d i s 卫星遥感定量反演成都地区大气可降水量，并揭 示其时空间变化特征。通过解算成都地区的简阳( j y a n ) 、成都( c h e d u ) 、邛崃 ( q l a i ) 、郫县( p i x i ) 、人寿( r e n s ) 和中江( z h j i ) 共6 个站的地基g p s 大气探测 资料，获得了这些站的大气可降水量。分析了成都站大气可降水量的变化特征。 通过比较成都站地基g p s 探测与无线电探空结果，分析了地基g p s 探测结果 的精度，论证地基g p s 大气探测技术在成都应用的可行性。分析了成都站大 气可降水量与地面气象要素之间的关系，并以此为基础建立了大气可降水量与 地面气象要素之间的经验关系。利用地基g p s 探测结果评价了几种由地面湿 西南交通大学硕士研究生毕业论文第7 页 度参量计算大气可降水量经验模型的精度，可以利用精度较高的经验模型计算 成都地区既无无线电探空资料又无地基g p s 探测资料站点的大气可降水量， 这对定量了解成都地区大气可降水量变化特征有重要意义。探讨了m o d i s 近 红外波段反演大气可降水量算法思想及计算方法一两通道比值法、三通道比值 法以及加权平均方法。结合四川m o d i s 遥感影像，获得成都地区两通道比值 加权法、三通道比值加权法大气可降水量。将这两种方法的结果与成都s o n d e 大气可降水量进行分析，以及对这两种方法的大气可降水量结果进行统计，得 出将三通道比值加权法结果作为最终试验结果的结论。比较地基g p s 探测结 果与同时同网格高分辨率m o d i s 大气可降水量，检验m o d i s 反演大气可降 水量的精度，并根据两者之间的相关关系建了立数学模型。订正了m o d i s 反 演的大气可降水量，从而获取高空间分辨率准确的成都地区大气可降水量。最 后联合地基g p s 和m o d i s 研究成都地区大气可降水量变化。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第8 页 第2 章g p s 气象学( g p s m e t ) 2 1 大气可降水量监测的重要性 可降水是大气中的一种主要的成分，也是一种温室气体，其空间分布极不 均匀、时间变化很快，是大气中变化最大的一种成份，并且其变化尺度比风速、 气温要精细得多。可降水尽管其在大气中的含量不高，但在大气的物理、化学 过程中却具有重要作用。可降水及其变化是天气、气候变化的主要驱动力，是 灾害性天气形成和演变中的重要因子，气象学和天气预报的基本问题之一就是 要精确测量大气可降水量的分布及变化。另外，大气可降水在地球气候系统的 能量和水循环中也扮演着十分关键的角色，是气候变化乃至全球变化监测的重 要对象。大气可降水的作用具体表现为g ( 1 ) 大气可降水相变过程中产生的凝结潜热加热可以明显改变大气的层结 稳定度和强对流天气系统( 如风暴) 的结构及演变； ( 2 ) 大气可降水不仅影响大气的垂直结构，并且对流层中的可降水也是复杂 气象过程形成的载体，它是影响短期降水预报准确性的最关键因素； ( 3 ) 作为大气中重要的长波辐射和吸收的物质，可降水对气球大气系统的辐 射收支以及包括气候变化在内的全球变化具有重要作用。最新的观点认为可降 水是一种最重要的温室气体，并且其变化与，关系密切，因此可通过监测可 降水的变化间接监测c o ，浓度的变化。另外，由于大气中可降水的浓度比c 仉高 很多，所以温室效应产生的全球暖化现象与可降水有很大的关系，c o ，只是让 地球变热，而可降水则会让地球变得闷热，其危害更高严重。 因此，大气可降水量是监测及预报全球变化、气候变化以及包括暴雨在内 的高影响天气的一个非常重要的气象要素。 2 2g p s m e t 介绍 2 2 1g p s 小厄t 的定义 l 波段的g p s 无线电信号通过地球大气层时，其传播路径受到大气介质的 折射而弯曲，传播路径比几何距离变长，传播速度也因此变慢，信号到达时间 变晚，这称为大气对g p s 信号的延迟，可分为电离层延迟和对流层延迟。 对流层延迟一般泛指非电离层大气对电磁波的折射。非电离大气包括对流 层和平流层，大约是大气层中从地面向上5 0 k i n 的部分。由于折射的8 0 发生 西南交通大学硕士研究生毕业论文第9 页 在对流层，所以通常叫做对流层折射。对流层大气对于直至1 5 g h z 的射电频 率呈中性，信号传播产生非色散延迟，使电磁波传播路径变长，而这一延迟用 距离表示通常叫做过剩路径长度。对于一个海平面上的中纬度站，其典型值在 天顶方向大约为2 3 m ，在8 5 0 天顶方向大约为2 5 m 。这种延迟和大气的折射有 关。 从折射角度而言，电离层泛指大于5 0 k m 向上的大气层。受太阳辐射( 主要 是x 射线和紫外线能量辐射) 作用，电离层中的物质以正离子和自由电子的形 式存在，电磁波的入射使带电粒子向不同方向运动，从而产生一附加的辐射波， 并叠加到入射波上，这就是电离层对电磁波的折射作用。电离层折射作用使入 射波的相位传播速度( 相速度) 加快，而波内能量传播速度( 群速度) 减慢。 中纬度地区，测站天项方向的电离层延迟白天达到3 0 纳秒( 相当于1 0 i n ) ， 夜间为3 1 0 纳秒( 1 一- 3 m ) 。传播方向的延迟约为天项方向延迟乘以与传播路 径高度角有关的倾斜因子。高度角很低时，倾斜因子可能达到3 0 。因此，路 径上的电离层延迟可能在3 0 - 1 5 0 纳秒( 相当于9 - 4 5 m ) 之间变动，这种延迟和 g p s 信号的频率有关。 g p s 气象学是指利用全球卫星定位系统( g p s ) 主动遥感地球大气层的科学 技术，也是通过测量穿过大气层的g p s 信号的延迟来获得大气折射率进而从 中得到温压湿等信息。利用地基g p s 接收机进行气象探测，来获得固定点上 的准确连续的大气可降水量等大气参数，称为地基g p s 气象学；使用低轨卫 星上g p s 接收机利用临边探测技术掩星观测探测地球大气的方法，称为空基 g p s 气象学，这两种技术合称为g p s 气象学( g p sm e t e o r o l o g y g p s m e t ) 。 2 2 2g p s 瓜m t 的分类 根据g p s m e t 观测站的空间分布来分类，可以分为两大类： 地基g p s 气象学( g r o u n d - b a s e dg p s m e t ) 空基g p s 气象学( s p a c e - b a s e dg p s m e t ) 。 地基g p s 气象学就是将g p s 接收机安放在地面上，像常规的g p s 测量一 样，通过地面布设的连续观测的g p s 接收机网络来采集g p s 观测数据，利用 这些观测数据和特定的数学模型通过复杂的数据处理方法来估计某一区域或 者全球的气象信息。目前绝大多数的g p s 气象学研究是基于地基g p s 来进行 的。在监测电离层电子含量及其变化信息和测定大气对流层中可降水量方面地 基g p s 气象学都取得了很大的进展，这方面的一个应用的典型就是 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 0 页 i g s ( i n t e r n a t i o n a lg p ss e r v i c e ) 。 与地基g p s 气象学不同，空基g p s 气象学是利用安装在低轨卫星( l o w e a r t ho r b i t ，简称为l e o ) 上的g p s 接收机来接收g p s 信号。当g p s 信号与 l e o 卫星上g p s 接收机联线经过地球上空大气层时，g p s 信号会发生折射。 这一测量大气折射的方法叫做掩星法，该方法是2 0 世纪6 0 年代美国喷气推进 实验室j p l 和s t a n f o r d 大学为研究行星大气和电离层而发展起来的。通过对含 有折射信息的数据进行处理，利用计算出的大气折射量来估计出我们所需要的 气象元素的量值大小。在1 9 9 7 年进行的g p s m e t 研究项目，证实了这个设想 是可行的。于2 0 0 0 年发射的c h a m p 卫星利用g p s 掩星法进行了全球对流层 折射( 包括大气可降水量) 的测定。和地基g p s 气象学相比，空基g p s 掩星法 测定气象的技术有覆盖面广，垂直分辨高，数据获取速度快的优点。 但无论是地基g p s m e t 还是空基g p s m e t ，其目标都是一样，即计算出 大气折射量。其不同之处，在于空基g p s n i e t 涉及的数据处