随着GPS、GLONASS和北斗的发展以及我国城市CORS网络的建设，全球导航系统GNSS获得了越来越广泛而深入的研究与应用，不仅成功应用于定位、授时和导航等传统领域，而且在环境监测、大地测量、地球物理、气象、地震、交通、农业、娱乐等领域也得到了广泛应用。GPS气象学是GPS应用的一个重要分支，也是气象学上进行水汽探测的一种重要手段。　　水汽在空间大地测量、天气学、大气环境科学等领域占有十分重要的地位，对天气系统的演变、大气的垂直稳定性、降水活动的产生等有着重要影响。常规水汽观测手段经济成本高、观测精度低、实时性差、时空分辨率较低，这极大地限制了对水汽特性认识，从而影响了天气预报准确性，并成为大地测量精度进一步提高的瓶颈所在。GNSS水汽探测以其全天候、全天时、高精度、高时空分辨率、低成本等优势，在气象学里获得了快速发展，成为传统水汽观测手段的有力补充。　　地基GNSS水汽探测的理论已经较为成熟，但在其基础上开展的应用还较少，本文围绕地基GNSS水汽探测及其应用的几个问题展开研究，包括利用PWV重建空间水汽场、水汽三维层析，以及水汽演变与降水活动之间的关系等方面，对其中的一系列问题展开讨论并提出相应的解决办法，主要研究内容及相关结论如下:　　1、探讨了利用PWV重建空间水汽场的方法。本文在分析水汽的空间分布特性的基础上，首先探讨了反距离权重法、样条函数法、克里格法等常见空间插值算法在空间水汽场重建中的应用，然后考虑利用DEM辅助重建空间水汽场，探讨了协同克里格法、泛克里格法等算法，并利用Onn模型对泛克里格法进行改进，利用高度归算模型对传统克里格模型进行改进。用交叉验证法对结果进行比较分析，实验结果表明在仅利用点位水汽值重建空间水汽场时，克里格方法最优;利用DEM辅助重建空间水汽场改进效果明显，其中基于Onn模型改进的泛克里格算法最优，其次是基于高度归算法的克里格模型。　　2、探讨了水汽层析中的若干技术问题。本文提出了一种新的基于空间向量方程的计算投影矩阵的简便算法，探讨了代数重构算法在水汽层析中应用的几个相关问题，包括约束条件的构造、层析初值的选择、松弛因子的搜索、终止条件的确定等，给出了计算最优松弛因子的黄金搜索算法和判断终止条件的NCP方法，在此基础上对比分析了kaczmarz、randkaczmarz、symkaczmarz、sart、landweber、cimmino、cav、drop等8种常见的代数重构算法。实验结果表明，该构造投影矩阵的算法计算过程简便，结果可靠，使用方便;以上8种代数重构技术都能够满足水汽层析的解算要求，迭代终止条件比松弛因子的解算更为重要，采用文中搜索最优松弛因子和NCP迭代终止条件的算法，cav算法结果最优，其次为cimmino算法。　　3、分析了GPS-PWV与降水之间的关系。本文用小波分析了PWV序列，在此基础上研究了水汽的演变规律，并结合降水信息分析了其与降水活动之间的关系，探讨了PWV在降水预报方面的应用。实验结果表明:(1)由对应于中尺度天气系统时间尺度的小波低频系数重构的水汽序列能够很好的拟合原始水汽，并能更好地反映出水汽的演变规律;(2)对应于降水频次时间分辨率的小波高频系数与降水对应关系较好，降水一般发生在该层高频系数的模极大值处附近;(3)降水发生时水汽序列的Lipschitz指数接近于零，且多发生在Lipschitz指数从正到负的过零点附近。