水汽在地球大气中所占比例虽小,但却在一系列的天气现象中扮演着重要角色。水汽也是自然界中唯一能够进行三相变化的物质,水汽的该特性是形成各种天气现象的本质原因。水汽的相位变化会吸收或释放巨大热量,对于大气的垂直稳定度、暴风雨的形成及演变有着重要影响。急剧的水汽变化往往会引发破坏性的天气现象,如台风、暴雨、冰雹、干旱、洪水等,给人民的生命财产安全带来巨大损失,因此针对水汽变化的监测一直是备受关注的,深入了解水汽的时空变化对于提高天气预报的准确性和灾害性气象天气预警的可靠性具有重要作用。同时,水汽也是地球大气中最为丰富的温室气体,对于全球气候变暖有着重要影响作用。因此,准确掌握大气水汽含量及其变化对于短期天气预报、气象预警以及气候变化研究都具有十分重要的意义,也是各国政府、科研机构及社会团体等长期开展的工作。上世纪90年代GPS气象学的提出引发了全球学者进行相关研究的兴趣。GPS技术相对于传统的水汽探测手段具有着连续运行、成本低、精度和时间分辨率高等优点。2013年4月,IGS开始通过网络播发实时星历和钟差产品,为实时水汽监测提供了契机。本文在上述背景下开展GNSS水汽探测研究,从分析GNSS水汽探测的误差源出发,提出了提高GNSS水汽探测精度的方法和模型。评估了实时星历和钟差产品对于定位和对流层延迟估计的影响,进而结合先进的水汽层析算法,在降雨和无雨时段开展实时和事后模式的水汽层析实验,得到了一些有益结论。本文主要工作和贡献如下：1.GNSS水汽探测的精度与湿延迟的估计精度、加权平均温度的计算精度有关,本文从误差传播的角度给出了大气可降水量误差与天顶湿延迟误差、加权平均温度误差之间的关系式,通过该式得到了天顶湿延迟误差与加权平均温度误差对大气可降水量估计误差的贡献之比为1：1。由此得出结论：提高GNSS水汽探测精度的关键在于同时提高湿延迟的估计精度和加权平均温度的计算精度。2.分析了先验天顶对流层延迟模型误差对于天顶对流层延迟参数估计的影响。由于干湿投影函数之间存在一定的差别,GNSS数据处理过程中,先验天顶静力学延迟误差并不是以1：1的比例传递到待估参数天顶湿延迟中,由此导致先验的天顶静力学延迟误差会影响到最终的天顶总延迟。模拟数值实验显示,10 cm的天顶静力学延迟误差可引起2.8 mm的天顶总延迟估计误差,鉴于静力学延迟后期可通过地表气压观测数据准确移除,因此该误差也可以认为是天顶湿延迟误差,而若使用精确的对流层延迟经验模型,这一误差则可减小到1 mm左右。3.为了从加权平均温度的角度提高GNSS水汽探测的精度,构建了不同气象条件下适用的全球加权平均温度模型序列。基于加权平均温度本身的时空变化特性,构建了顾及年周期、半年周期、日周期变化以及地理差异的经验模型GTm-Ⅲ。经GGOS Atmosphere数据检验,该模型的RMSE为3.2 K；经Radiosonde数据检验,该模型的RMSE为4.2K。精度领先同类模型,与使用实测气象参数的Bevis模型精度相当。同时,构建了基于实测的单气象参数(地表温度)/多气象参数(地表温度、水汽压)的高精度加权平均温度模型。经GGOS Atmosphere数据检验,单气象参数模型的RMSE为2.58 K,多气象参数模型的RMSE可低至2.48K;经Radiosonde数据检验,单气象参数模型的RMSE为3.82K,多气象参数模型的RMSE可低至3.47 K。该模型的精度显著优于其他同类模型及经验模型。4.在全球和局域范围内分别评估了IGS实时星历和钟差产品对于坐标参数和对流层延迟参数估计的影响。结果显示,相对于事后产品,实时产品对于坐标和对流层延迟参数的影响在1-2 cm之间,证实了实时星历和钟差产品的精确性和可靠性,为开展实时水汽监测奠定了基础。5.提出SVD+SIRT的水汽层析解算策略分别在降雨时段和无雨时段采用实时和事后模式开展层析实验,均获得了高精度的层析湿折射率。通过对实验结果的分析发现：①实时模式的层析水汽精度仅比事后模式略差,精度差异小于1mm/km,进一步证实了实时水汽监测的可行性；②GNSS层析技术并不会因为强降雨的因素而降低精度,但对于扁平的GNSS观测网,层析水汽精度受水汽的垂直分布影响较大。上述实验进一步证实了GNSS水汽层析技术在监测短时小范围强降雨等灾害性天气方面的应用潜力。