贵州局域大气加权平均温度模型的构建及大气可降水量预测方法研究

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大气中水汽含量亦即大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV),其相位的变化与降水事件的发生有着直接的关系,并在大气能量的传输、云的形成、天气的演变、全球气候的变化等方面起着重要作用;大气水汽还是灾害性天气形成和演变的重要因子。因此,对大气水汽含量进行实时近实时、高时空分辨率的动态监测具有重要意义。基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的PWV探测具有连续运行、低成本、高精度、全天候和高时间分辨率等优点,已成为大气水汽探测的重要补充手段。大气加权平均温度(Tm)是GNSS探测PWV的关键参量之一。基于实测气象资料的数值积分法是获取Tm的高精度手段,但受GNSS站点往往缺少同址气象传感器的影响,数值积分法的适用性较差。Tm经验模型由于无需气象资料,成为获取Tm的理想手段。研究表明,Tm具有显著的时空差异性;相较于全球Tm模型,局域Tm模型具有更高的精度。然而,贵州尚无覆盖全境的局域Tm模型。对流层天顶湿延迟(Zenith Wet Delay,ZWD)是GNSS探测PWV的另一关键参量。基于精密卫星星历和卫星钟差产品的精密单点定位和相对定位是GNSS技术获取ZWD的两种主要方法,二者均可获高精度的ZWD产品。然而,精密卫星星历和卫星钟差一般不具有实时性,从而限制了PWV的实时高精度获取。因此,针对贵州区域差异性显著的气候特征,开展高时空分辨率的贵州局域Tm模型和PWV预报模型的研究,对于实时获取高精度高时空分辨率的PWV,改善贵州山地气候条件下大气水汽的探测效率,提升GNSS技术对强降雨等极端天气的临近预警能力等有着非常重要的意义。本文针对地基GNSS实时获取PWV的两个关键问题开展研究。首先基于高精度、高时空分辨率的ERA5在分析气象产品,顾及Tm的高程变化和时空差异性,利用XGBoost机器学习算法构建起了覆盖贵州全境的区域无气象参数Tm模型;然后基于贵州CORS站获取的ZWD和所建Tm模型,在解算出PWV的基础上,采用机器学习算法对PWV的预报模型进行了研究。归纳起来,本文主要工作和贡献如下:(1)详细阐述了地基GNSS探测PWV的基本原理和方法;介绍了几种主流的对流层延迟模型和大气加权平均温度经验模型;阐述了GNSS精密单点定位和相对定位获取ZTD\ZWD的原理。(2)基于2011-2020共10年的ERA5再分析气象产品,编程计算了0.5°×0.5°空间分辨率共65个格网点的Tm;顾及Tm垂向变化、时域特征和空间差异性,基于XGBoost构建起了覆盖贵州全境的区域Tm模型(GZTm模型)。以2020年格网点的大气加权平均温度为参考,相较于Bevis公式和GPT2w模型,GZTm模型具有更高的精度和可靠性,均方根误差和平均绝对误差都降低了10%以上;与GTrop模型相比,GZTm模型的精度也得到了很好的改善,大部分格网点的均方根误差和平均绝对误差也降低了10%以上,而其余格网点的精度相当。(3)基于GAMIT软件解求了9个GZCORS(贵州省北斗卫星导航定位基准站网)2020年6月的ZWD时间序列,继而依据GZTm模型获取了对应时间段的PWV产品;分别运用XGBoost、BP神经网络和DBN深度置信网络分别建立起了顾及气象参数和无气象参数的PWV预测模型。实验结果表明:相较于BP神经网络和DBN深度置信网络模型,基于XGBoost的无气象参数的PWV预报模型的均方根误差分别降低了17%和9%,平均绝对误差分别降低了7%和6.4%;顾及气象参数的PWV预报模型的均方根误差分别降低了2.4%和13.4%,平均绝对误差分别降低了4.4%和14.6%。
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