一种基于GNSS-PWV的三维水汽分布融合方法与流程

本发明属于气象观测数据融合，涉及一种基于gnss-pwv的三维水汽分布融合方法。背景技术：：：1、地基gnss-met气象站水汽观测(global navigation satellite system,gnss)是利用地面接收设备测量导航卫星信号在穿越大气层时因折射而引起传输路径弯曲和延迟的特点，反演得到大气的水汽信息。传统的水汽探测手段存在诸如空间或时间分辨率不足、精度有限或者适用范围较小等特定弊端。askne和nordius(1987)率先提出了导航卫星信号天顶湿延迟与大气水汽值之间的关系，bevis等(1992)论证了gps(global positionsystem)反演水汽含量的技术可行性。在理论上gnss-met反演大气可降水量(precipitablewater vapor，pwv)具有低成本、高精度、不需要定标等优点，是传统大气水汽观测手段的有力补充。目前我国地基gnss-met观测已经列入中国气象局基本业务，gnss-met站已经基本实现全国各市县全覆盖，后续系统正在加快建设中。但是，由于gnss-met观测的整层大气可降水量无法直接反映大气三维水汽分布情况，因此对大气结构、层结稳定度变化的分析能力有所不足，尤其是水汽场资料，其浓度随着时间变换和空间分布变化剧烈，三维水汽分布及变化的监测是预测降雨、中小尺度恶劣天气以及全球气候变化的一个非常重要的物理量。2、gnss水汽探测技术作为重构高时空分辨率大气水汽三维分布的重要手段之一，一般采用层析网格划分的形式进行了水汽三维层析技术(flores et al.,2000；seko etal.,2000；troller et al,2006)。gnss水汽三维层析技术将gnss-met气象网局域上空的对流层水汽离散化，在三维立体空间均匀划分许多三维网格，每一层网格具有相对的体积，通过模型函数计算gnss信号斜路径上总水汽含量(slant-path water vapor,swv)；然后，基于gnss信号斜路径列出积分方程，当观测信息足够多时可解方程组获取每个三维网格的水汽密度。但目前层析技术受到许多因素的限制，包括层析区域几何构型、约束条件的添加、gnss-met站网密度以及高精度swv反演技术等显著影响了水汽三维层析结果的可靠性和稳定性。noaa提出了一种新的中尺度分析形态，并发展了三维数据融合系统，称laps(localanalysis and prediction system)，此系统可以将一整套的观测数据(气象地面观测网、雷达、卫星、垂直探测器、飞机等)进行分析融合，得到三维的、高分辨率的三维数据。在此基础上发展的arps(the advanced regional prediction system)和adas(arpsdataanalysis system)对于多元资料融合具有强大的能力，但计算复杂并依赖模式背景场资料。kuo等(1993)使用三维变分方法同化gps-pwv改善数值天气模式的初始场，杜明斌等(2022)利用gnss-pwv改进了我国风云气象卫星fy-4a/giirs的水汽廓线产品，进而提高用卫星资料反演大气水汽廓线的精度。3、鉴于日常天气监测与预报业务中三维水汽分布信息的重要性，目前已经拥有了地面观测、探空、gnss-met、雷达、卫星、地基微波辐射计等多种观测手段，这些观测手段都可以从不同角度探测大气中的水汽分布，但是据此获得的各种资料都有明显局限性。如何通过三维水汽融合技术开发，使得多种水汽观测资料优势互补，有效提高遥感水汽反演信息的定量化应用水平是目前多元水汽应用的关键，同时还要兼顾技术应用的数据来源稳定性和算法执行效率。技术实现思路1、有鉴于此，本发明为了解决上述现有技术在如何获得准确三维水汽分布信息方面存着的问题，提供一种基于gnss-pwv的三维水汽分布融合方法，充分利用gnss-pwv整层水汽精度高、全天候、时间空间分辨率高的特点，通过引入三维水汽廓线初始猜测场，实现两种水汽信息优势互补进而融合生成三维水汽分布产品，且基于该技术方法的三维水汽融合产品在气象信息化平台上实时业务化共享。2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：3、一种基于gnss-pwv的三维水汽分布融合方法，有效利用了gnss-pwv整层水汽精度高、观测频次高的特点，具体包括以下步骤：4、s1、获得地基gnss-met气象站每个观测时次上空大气可降水量gnss-pwv分布；5、s2、获取三维水汽初始场廓线，依靠无线电探空设备、地基微波辐射计或者数值模式预报产品直接获得大气三维水汽初始场，主要包括水汽廓线初始场；6、s3、通过研发基于gnss-pwv的三维水汽融合技术，获取每个地基gnss站每个观测时次的水汽观测三维分布情况；7、通过公式(1)获得gnss-met站i上空各气压层水汽分布情况：8、9、式中，pwvi为地基gnss气象观测的整层大气可降水量gnss-pwv，pwvc表示站点初始场廓线计算的大气可降水量，qc(k)为初始场廓线；其中，10、11、公式(2)中ρ为水密度，g为重力加速度，p0为站点地面气压，k表示第k层大气。12、进一步，步骤s1中依靠地基gnss气象观测设备获取整层大气可降水量gnss-pwv分布，大气可降水量gnss-pwv分布观测设备为地基gnss-met气象站，能够每一小时或半小时一次获取gnss-pwv，未来站点密度和gnss-pwv时间频次可达5分钟一次。13、进一步，步骤s3考虑到在直接调节比湿会引起大气分析场过饱和，由于gnss-met站包含了地面温度、气压和湿度，以温度随高度变化关系作为相对湿度的约束，根据温度廓线计算大气饱和比湿廓线为qsi(k)；如果qi(k)＞qsi(k)，则qi(k)＝qsi(k)；根据马格努斯饱和水汽压经验公式得饱和水汽压esi(k)，进而计算qsi(k)作为饱和约束值，具体方法参考公式(3)和公式(4)。14、15、式中，t(k)为第k层大气温度(单位摄氏度)，p(k)为第k层气压；计算融合更新后的水汽廓线的大气可降水量为pwvi(j)(j为第j次迭代)，设定|pwvi(j)-pwvi(j+1)|＜ε；其中ε为收敛指标，ε值根据各个地基gnss-met气象站具体情况进行设定。16、进一步，步骤s3为了更精确的获得地基gnss-met气象站上空水汽三维廓线结构，引入cressman客观分析方法，把相距不远的探空站进行格点化分析；17、18、其中，下标i为距离半径r范围内m个无线电探空站点，di为第i个探空站点与gnss-met站距离，wi为距离权重因子，具体计算公式为：19、20、有无线电探空站资料的水汽廓线以探空资料为初始场，没有探空资料的以地基微波辐射计资料或者数值预报场为初始场。21、进一步，步骤s3中廓线收敛指标ε值设置为0.1mm。22、本发明的有益效果在于：23、1、本发明所公开的基于gnss-pwv的三维水汽分布融合方法，利用gnss-pwv整层水汽精度高、全天候、时间空间分辨率高的特点，通过引入三维水汽廓线初始猜测场，实现两种水汽信息优势互补进而融合生成三维水汽分布产品。基于该技术方法的三维水汽融合产品在气象信息化平台上实时业务化共享。经检验融合后的三维水汽廓线在800hpa以下的高度层相对湿度误差均小于20％，高层水汽误差相对较大。通过重要天气过程个例应用可见，gnss观测水汽分布及其三维融合产品在台风和强对流过程天气诊断和分析中有重要参考价值，可有效反应近海台风的降水变化趋势和冰雹天气的强对流触发区域。gnss水汽探测作为重构高时空分辨率大气水汽三维分布的重要手段之一，研发基于gnss水汽产品的多元资料融合在综合气象观测应用中具有广阔应用前景。24、2、本发明所公开的基于gnss-pwv的三维水汽分布融合方法，基于gnss-pwv业务观测资料，技术应用数据来源稳定性高，通过三维水汽融合技术研发，可按照gnss-pwv产品时间分辨率生成三维水汽产品。gnss-pwv时间分辨率通常高于每半小时一次，未来可到达到每5分钟一次。空间分辨率由站网建设情况决定。由于gnss-met气象站运行成本低、稳定度高等特点，目前全国业务运行的gnss-met气象站超过1000个。基于gnss-pwv的三维水汽分布融合产品有利于一线预报员和数值气象模式实时监测、分析天气系统，为提高日常的强对流和台风预报预警准确率提供了观测支撑。25、本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书来实现和获得。当前第1页12当前第1页12