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第1章　GPS系统和定位原理1

1.1 引言1

1.2　GPS系统1

1.2.1 GPS系统的组成1

1.2.2 GPS卫星信号2

1.2.3　全球导航卫星系统GNSS3

1.3　GPS卫星定位的基本原理6

1.3.1 测距码伪距法定位6

1.3.2　载波相位法定位7

1.3.3 载波相位测量差分法8

参考文献10

第2章　地基GPS气象学原理11

2.1 引言11

2.2　大气对GPS信号传播的影响11

2.3　大气延迟，天顶延迟和地图函数12

2.4　大气天顶延迟和可降水量的计算16

2.4.1 用双频法消除电离层的延迟16

2.4.2 天顶静力延迟的计算17

2.4.3　天顶湿延迟和可降水量17

2.5　地基GPS气象学的发展18

2.5.1 国际地基GPS气象学的发展18

2.5.2　我国地基GPS气象学的发展24

2.5.3　GPS气象学的发展前景29

参考文献29

第3章　GPS气象网的建设、运行和维护33

3.1　GPS气象网的基本组成33

3.2　GPS气象网的站点布局34

3.3　GPS基准站的建设35

3.3.1　基准站设备35

3.3.2　GPS基准站的站址和环境选择37

3.3.3　基建37

3.3.4　设备安装38

3.3.5　接收机设置39

3.3.6　设备安装建档39

3.4　GPS和气象观测数据的采集39

3.5　GPS资料的解算40

3.6　GPS气象应用产品的生成41

3.7　GPS气象网的运行维护41

参考文献44

第4章　地基GPS气象网的资料解算45

4.1 引言45

4.2　实时解算软件（以GAMIT软件为例）45

4.2.1　GPS数据处理软件45

4.2.2　解算前的资料准备45

4.2.3　软件参数设置47

4.2.4 天顶总延迟量的计算（GAMIT的解算过程）49

4.2.5　可降水量的计算52

4.3　GAMIT解算软件的下载和安装52

4.3.1　软件下载52

4.3.2　软件安装52

参考文献53

第5章　地基GPS反演水汽结果的精度检验和误差分析54

5.1　检验工具和方法54

5.1.1　检验工具54

5.1.2 GPS/PWV与Radio/PWV、WVR/PWV的差别55

5.1.3　检验方法57

5.2　GPS/PWV的精度检验57

5.2.1 中国长江三角洲GPS网的GPS/PWV精度检验：（GPS与探空比较）57

5.2.2 美国中部GPS网准实时的PWV的检验（GPS与探空、水汽辐射仪比较）61

5.2.3 水汽梯度对GPS/PWV计算精度的影响（GPS与水汽辐射仪比较）62

5.2.4 GPS/PWV误差的日变化65

5.3　GPS/PWV的误差源分析67

5.3.1 对流层总延迟量的观测误差67

5.3.2　静力延迟量估算误差68

5.3.3 GPS/PWV的反演误差69

参考文献73

第6章　GPS气象工作站的产品和应用75

6.1　用于实时监测和预报的产品75

6.1.1 单站PWV的7天时序图和1天时序图75

6.1.2 PWV的分布图和动画显示76

6.1.3　PWV的梯度图78

6.1.4　PWV的3小时变化图78

6.1.5 与其他天气资料图的叠加显示78

6.1.6　PWV层析资料和产品82

6.2　整编后的历史资料和产品84

6.2.1 整编后的历史资料84

6.2.2　单站月PWV和小时雨量时序图84

6.3 电离层电子含量的产品84

第7章 GPS/PWV资料在气候分析中的应用86

7.1 长江三角洲地区的水汽在时间变化上的气候分析86

7.1.1 年间变化86

7.1.2 季节变化86

7.1.3 月内变化88

7.1.4 日变化88

7.2　长江三角洲地区的水汽在空间分布上的气候分析89

7.3　利用PWV资料诊断长江三角洲地区入梅的方法91

7.3.1 利用GPS/PWV资料诊断入梅日期的方法92

7.3.2　历史资料的验证95

7.3.3　在诊断2006年入梅的应用99

参考文献99

第8章　GPS/PWV资料在天气预报和分析中的应用100

8.1　利用单站GPS/PWV的阈值预报降水过程的方法100

8.1.1 GPS/PWV的预报阈值的选择100

8.1.2　预报检验和PWV阈值的调整103

8.1.3　预报时效104

8.1.4 两个降水过程的预报个例105

8.2　利用GPS/PWV资料分析台风期间大气中水汽的变化108

8.2.1 1998年台风Zeb影响期间的水汽的变化109

8.2.2 2002年台风Ramasun影响华东期间PWV演变分析109

8.3 GPS/PWV资料在暴雨等强对流天气过程分析和预报中的应用116

8.3.1 2008年8月25日上海地区特大暴雨的个例116

8.3.2 2002年8月24日长江三角洲地区的一次飑线天气过程119

8.3.3 PWV变化图对暴雨预报的指示作用125

参考文献129

第9章　GPS资料在数值天气预报模式中的资料同化130

9.1 引言130

9.2　GPS资料同化技术简介130

9.2.1 资料同化的基本原理130

9.2.2 WRF/3DVAR同化系统介绍131

9.2.3 WRF/3DVAR系统中GPS同化资料输入／输出格式说明131

9.3　GPS/PWV资料同化研究实例134

9.3.1 利用GPS/PWV资料调整数值模式初始场的研究134

9.3.2　GPS/PWV资料同化改进降水预报的个例试验137

9.3.3　GPS/PWV资料变分同化改进降水预报的连续试验139

9.4　GPS观测延迟量资料的同化试验142

9.4.1 天顶总延迟GPS/ZTD资料的同化试验142

9.4.2 天顶湿延迟GPS/ZWD资料的同化试验144

9.4.3 斜路径湿延迟GPS/SWD资料的同化试验146

参考文献146

第10章　GPS信号斜路径方向可降水量的计算和层析技术148

10.1 引言148

10.2　斜路径大气湿延迟量和可降水量的计算方法149

10.2.1 斜路径大气湿延迟量SWD的求解149

10.2.2　斜路径可降水量SWV的求解153

10.2.3　斜路径可降水量SWV的实验验证153

10.2.4 斜路径大气可降水量SWV的气象应用155

10.3　三维层析技术155

10.3.1　层析原理156

10.3.2　层析方程组的解法158

10.3.3 网格划分158

10.3.4　水汽三维层析初步结果及检验158

10.3.5 水汽三维层析的产品和应用159

参考文献161

第11章　地基GPS技术探测电离层的原理和电离层资料同化163

11.1 电离层探测技术及研究内容163

11.2 国内外在地基GPS电离层探测和应用方面的进展163

11.3　地基GPS技术探测电离层的基本原理164

11.3.1 电离层折射率指数164

11.3.2 电离层传播延迟165

11.3.3 天顶方向总电子含量VTEC167

11.3.4　单层模型167

11.4 电离层电子总量TEC的计算流程和产品168

11.4.1　计算流程168

11.4.2 GPS/TEC计算的产品168

11.5　全球电离层同化模型研究170

11.5.1 全球电离层同化研究的历史和背景170

11.5.2 USC/JPL的GAIM系统171

11.5.3　正演模型175

11.5.4 四维变分同化176

11.5.5　递推估计方法178

11.5.6　GAIM同化结果的验证180

11.5.7 小结和展望182

参考文献182

第12章　GPS反射信号新技术的应用184

12.1 引言184

12.2　GNSS—R海浪探测技术185

12.2.1　地基反演有效浪高的GNSS接收机的技术要求185

12.2.2 实验设备、安排185

12.2.3　数据分析及产品186

12.2.4 实验基本原理及反演方法187

12.3　GNSS—R信号反演土壤湿度的技术192

12.3.1　干涉复合场192

12.3.2　Oceanpal土壤湿度反演的基本原理192

12.3.3 土壤湿度反演的约束条件193

12.3.4 系统噪声194

12.3.5 实验及其结果195

12.4　有待考虑的问题196

参考文献196

第13章 空基GPS气象学的基本原理198

13.1　空基GPS气象学的发展历史198

13.2　GPS掩星技术反演电离层的原理200

13.3　GPS掩星技术反演中性大气的原理202

13.3.1 总折射角的计算202

13.3.2　折射率廓线的反演204

13.3.3　从折射率廓线导出大气参数廓线204

13.4　GPS掩星技术反演中性大气的特点206

13.5　GPS掩星反演的折射率的一维变分同化方法207

13.6　GPS掩星反演技术中存在的问题和改进211

13.6.1　低层大气多路径效应211

13.6.2　超折射效应214

参考文献215

第14章 空基GPS气象学的试验计划和资料处理219

14.1 空基GPS气象学的试验计划的进展219

14.1.1 GPS/MET实验卫星MicroLabl219

14.1.2 ？rsted和Sunsat计划220

14.1.3 SAC-C计划和CHAMP计划220

14.2 COSMIC系统221

14.3　COSMIC资料的介绍224

14.4　COSMIC资料的下载和解码225

14.4.1 从COSMIC网页直接查看和下载225

14.4.2　编程下载资料文件227

14.4.3　COSMIC资料的解码228

14.5 COSMIC的wetPrf和brfPrf资料的解码范例235

14.5.1　wetPrf资料解码范例235

14.5.2　bfrPrf资料解码范例242

参考文献245

第15章　COSMIC资料的检验和应用246

15.1 COSMIC资料的精度和有关特性的检验246

15.1.1 总体精度检验方法246

15.1.2　COSMIC资料精度的检验结果247

15.1.3 结论251

15.2　COSMIC资料在实时天气资料分析中的应用254

15.3　COSMIC资料在台风热力结构的分析中的应用255

15.3.1 资料收集和处理256

15.3.2 台风范围内大气各热力要素的特征分析257

15.4　COSMIC资料探测大气边界层的应用258

15.4.1 大气边界层258

15.4.2　掩星观测自动监测大气边界层高度算法259

15.4.3 大气边界层高度在时间和空间上的结构和变化259

15.5　COSMIC资料在数值预报模式中的资料同化261

15.5.1 COSMIC资料同化的数据处理261

15.5.2 COSMIC资料同化的试验个例262

参考文献263