我国地基GNSSMET水汽观测站网发展及产品应用.docx

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摘要
全球导航卫星系统（GNSS）信号在穿越地球大气层时发生的延迟，为探测大气关键参数提供了独特的数据源。地基GNSS气象学（GNSS/MET）通过解算GNSS信号传播路径上的总延迟，可精确反演得到高时空分辨率的对流层水汽含量（即可降水量，PWV），成为现代大气探测技术的重要分支。我国地基GNSS/MET观测站网历经近二十年的系统性建设，已从早期的科学试验阶段发展为覆盖全国、规模庞大、业务化运行的综合观测网络。本文系统梳理了我国地基GNSS/MET水汽观测站网的发展历程，从国家基准网（如CMONOC）、区域加密网到行业专用网（气象、地震、测绘）的构建与融合过程；详细阐述了GNSS水汽反演的关键技术环节，包括精密单点定位（PPP）与相对定位、对流层延迟模型、投影函数以及温湿压参数的精确获取与同化方法；重点总结了GNSS/PWV产品在数值天气预报（NWP）资料同化、强对流天气监测预警、气候变迁研究及气象防灾减灾等领域的应用成效与最新进展；最后，对站网未来发展趋势，如高精度实时水汽监测、多源数据融合应用及服务于碳中和监测等新领域进行了展望。本研究旨在为我国GNSS/MET领域的持续创新与深化应用提供系统性参考。
关键词：地基GNSS；GNSS气象学；可降水量；观测站网；数据反演；数值天气预报；气候监测；中国
一、 引言
水汽是地球大气中最重要的温室气体和能量载体，其时空分布与相变过程深刻影响着天气系统的发生、发展和演变，以及全球水循环和能量平衡。传统的水汽探测手段，如无线电探空、微波辐射计、卫星遥感等，虽各具优势，但在时空分辨率、观测成本或全天候能力方面存在局限。全球导航卫星系统（GNSS），包括美国的GPS、中国的BDS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo，其发射的信号在传播至地面接收机过程中，会受到大气电离层和对流层的折射效应影响，产生传播延迟。其中，对流层延迟（约占延迟总量的90%）与大气温度、压力和湿度密切相关，尤其是湿延迟分量，与水汽含量存在确定的数学关系。地基GNSS/MET技术正是通过布设于地面的GNSS接收机网络，连续接收多颗GNSS卫星信号，利用精密数据处理方法，将信号延迟中的湿延迟分量分离出来，进而反演得到站点上空高时间分辨率（可达5分钟）的可降水量（Precipitable
Water Vapor, PWV）。
我国作为GNSS大国，尤其是北斗卫星导航系统（BDS）的建设者与运营者，在发展地基GNSS/MET技术并将其应用于气象业务方面具有得天独厚的优势和国家战略需求。经过多年发展，我国已构建起一张规模位居世界前列的地基GNSS/MET观测网，其产出的高精度、高时效PWV数据，正日益成为提升天气气候监测预报能力的关键数据源之一。
二、 我国地基GNSS/MET水汽观测站网发展历程与现状
我国地基GNSS/MET站网的建设遵循了“科学试验引导、行业需求驱动、国家层面统筹、逐步融合扩展”的路径。
（一） 发展历程
科学试验与初步探索阶段（2000年代初-2010年代初）： 此阶段以科研项目为主导，在京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等关键气象灾害易发区建立小规模试验网，验证GNSS反演水汽的技术可行性，并开展在暴雨、台风等天气过程中的应用研究。中国气象局也开始布设首批业务化GNSS/MET站。
大规模建设与业务化运行阶段（2010年代中期至今）： 随着“中国地壳运动观测网络”（CMONOC）的扩建以及各省市连续运行参考站（CORS）系统的迅猛发展，可用于气象反演的GNSS基准站数量急剧增加。中国气象局正式将GNSS/MET纳入综合气象观测业务体系，制定相关业务规范，推动数据实时汇集与产品生成。特别是北斗系统的成熟，推动了BDS/GPS双系统融合反演，提升了数据可靠性和精度。
多网融合与深化应用阶段（当前及未来）： 当前正致力于实现气象、测绘、地震、国土等行业GNSS观测资源的整合与数据共享，构建国家级“一张网”，最大化观测效益。同时，站网布局向西部地区、偏远山区及海洋岛屿延伸，以改善这些地区水汽观测的空白。
（二） 站网现状与构成
目前，我国可用于气象水汽反演的GNSS基准站总数已超过XXXX个，形成了以国家级骨干网为核心、区域加密网为补充、行业专用网为特色的多层次站网体系。
1. 国家级骨干网： 以CMONOC为代表的基准网，站间距约100-200公里，覆盖全国，提供基准性的、长期稳定的水汽观测数据。
2. 区域加密网： 由各省、市建设的CORS网，站间距显著加密（尤其在东部沿海和城市群地区，可达20-50公里），极大提升了水汽监测的空间分辨率，对中小尺度天气系统监测至关重要。
3. 行业专用网： 中国气象局建设的国家级GNSS/MET业务网，以及地震、测绘等部门建设的专业监测网，其站点选址和运行维护更侧重于行业特定需求，数据质量可控性高。
该站网具备全天候、高精度（- mm）、高时间分辨率（5分钟至1小时）、近实时（数据延迟通常在1小时内）的观测能力，为气象业务和科研提供了宝贵的数据支撑。
三、 GNSS/PWV数据反演关键技术
从原始的GNSS观测数据到可用的PWV产品，需经过一系列精密的数据处理步骤。
精密轨道与钟差产品： 采用国际GNSS服务（IGS）、武汉大学或相关研究机构提供的事后或实时精密卫星轨道和钟差产品，这是高精度定位和延迟解算的基础。
定位与延迟解算模型：
相对定位法： 利用基准站和流动站的同步观测值，通过差分消除大部分公共误差（如卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟），求解站间相对天顶总延迟（ZTD）。此法精度高，但依赖基准站。
精密单点定位（PPP）法： 仅利用单站观测值，结合精密星历和钟差，直接解算接收机位置、钟差和天顶总延迟。此法灵活性高，适用于任何地点，已成为主流技术，尤其是基于非差模糊度固定的PPP技术，可达到与相对定位相媲美的精度。
对流层延迟建模与投影函数： 解算得到的是天顶方向的总延迟（ZTD），需将其分解为干延迟（ZHD）和湿延迟（ZWD）。ZHD可通过站点气压精确计算（如采用Saastamoinen模型），ZWD则通过ZTD - ZHD获得。在此过程中，需要精确的投影函数（如全球投影函数GMF、维也纳投影函数VMF）将斜路径延迟映射到天顶方向。
PWV转换： 将ZWD转换为PWV是关键一步，转换公式为：PWV = Π × ZWD。其中，转换系数Π与大气加权平均温度（Tm）密切相关，而Tm的精确估算需要依赖探空资料或数值天气预报模式提供的温湿廓线。如何高精度、实时地获取Tm是提升PWV反演精度的核心问题之一。目前，基于本地化Tm模型或数值模式输出已成为主流方法。
实时/近实时处理系统： 为满足气象预报的时效性要求，发展了数据自动采集、传输、解算和产品分发的业务化流程，实现了GNSS/PWV产品的快速产出。
四、 GNSS/PWV产品的应用领域与成效
高时空分辨率的GNSS/PWV数据在多个领域展现出巨大应用价值。
（一） 数值天气预报（NWP）资料同化
将GNSS/PWV或ZTD作为额外的观测数据同化进数值天气预报模式，可以有效地修正模式的初始湿度场，尤其能改善模式对水汽输送和分布的描述。大量研究表明，同化GNSS数据能够提高对降水，特别是强降水天气的预报技巧，减少空报和漏报。
（二） 强对流天气监测与短临预警
PWV的剧烈变化与强对流天气（如暴雨、雷暴、飑线）的发生发展密切相关。GNSS/PWV序列可以清晰捕捉到降水发生前水汽的快速积聚（PWV跃增）和降水发生后的下降过程。这种高时间分辨率的监测能力，为短时临近天气预报（0-6小时）提供了极其重要的参考指标，有助于预警信号的提前发布。
（三） 气候变迁与水循环研究
GNSS站网提供的长期、连续、稳定的PWV时间序列（可达十年以上），是研究区域乃至全球水循环变化、长期水汽趋势、以及水汽与气候变化关联的宝贵资料。其观测精度高、不受仪器换型影响等优点，使其在气候监测领域优于许多传统观测手段。
（四） 台风、梅雨等重大天气过程分析
在台风外围和路径上，GNSS/PWV可以清晰地刻画台风带来的充沛水汽输送及其时空演变。在梅雨季节，可以监测到梅雨锋附近水汽的持续维持和波动。这些信息对于理解灾害性天气系统的结构和机理、评估其强度与影响至关重要。
（五） 气象防灾减灾决策支持
将GNSS水汽产品与雷达、卫星、自动站等多源观测数据融合，形成综合性的水汽监测分析产品，为各级气象部门进行天气预报、灾害评估和决策服务提供直观、定量的科学依据。
五、 挑战与未来展望
尽管我国地基GNSS/MET取得了显著成就，但仍面临一些挑战和发展机遇：
1. 站网布局优化与数据共享： 需进一步填补西部和高原地区的观测空白，并彻底打破行业壁垒，实现全国范围GNSS气象数据的实时共享与标准化处理。
2. 反演精度与实时性提升： 研究更高精度的Tm模型、更优的投影函数以及更快速的PPP模糊度固定算法，发展分钟级甚至秒级的实时水汽监测技术。
3. 多源数据深度融合： 将GNSS/PWV与微波辐射计、风云气象卫星、雷达等观测数据以及数值模式产品进行深度融合，生成更全面的三维水汽分析场。
4. 拓展新兴应用领域： 探索GNSS水汽数据在人工影响天气效果评估、城市热岛效应与湿度关系研究、以及碳中和背景下地气间水汽和能量交换监测等新领域的应用。
5. 增强系统可靠性： 提高数据处理的自动化水平和产品质量控制能力，确保业务系统在复杂天气下的稳定运行。
六、 结论
我国地基GNSS/MET水汽观测站网经过十余年的快速发展，已建成覆盖全国、技术先进、业务化运行的综合观测系统，成为国家综合气象观测网不可或缺的重要组成部分。其产出的高精度、高时空分辨率PWV产品，在数值预报同化、灾害性天气监测、气候研究等领域发挥了不可替代的作用，显著提升了我和防灾减灾能力。未来，随着北斗系统的全面服务、多网融合的深入推进、数据处理技术的持续创新以及应用领域的不断拓展，地基GNSS/MET技术必将在应对气候变化、保障人民生命财产安全和支撑社会经济可持续发展中贡献更大的力量。