对流层作为地球空间环境中与人类活动最为密切的大气圈层之一，与人类的生产和生活密切相关。水汽是对流层中最重要的组成部分之一，尽管所占比例较小，但在多种气候和一系列天气现象中都扮演着关键角色。利用现代技术手段，掌握对流层中水汽的时空变化，对大气结构的垂直稳定度、暴风雨以及强对流等灾害性天气的形成和演变都具有重要影响。近年来，随着全球气候变暖，各种灾害性天气频发，针对大气水汽的研究也备受关注。

较传统的水汽探测手段，GNSS水汽探测具有连续运行、全天候、高精度、高时空分辨率等优点，且测站布设成本低，投入使用快，可实现大范围高密度的实时水汽监测。但是，由于水汽空间结构的复杂性以及对流层层析技术的相对不完善，在GNSS对流层层析方面仍有许多问题亟待进一步研究。

本文紧跟国际相关领域的研究热点，针对GNSS对流层层析技术中网格划分方法的缺陷，提出了一种非均匀对称水平网格划分的思想。在此基础上，给出了层析模型中同类型观测量和不同类信息权比确定的方法。最终，针对传统层析技术中无法利用侧面穿出射线参与层析的关键性难题进行深入研究，逐步完善并发展了一套提高对流层层析射线利用率的理论和方法，为GNSS在气象学领域的进一步应用和拓展奠定了理论基础、提供技术支撑。

具体而言，本文的主要研究工作包括以下几个方面：

(1) 针对现有对流层层析中网格划分存在的问题，对GNSS信号穿过研究区域的实际分布进行分析，提出了一种非均匀对称水平网格划分的思想。利用实测数据对提出的网格划分思想进行检核，结果表明本文提出的方法提高了有射线穿过的网格数(约9%)，改善了层析反演结果的精度(约18%)。

(2) 对于GNSS对流层层析，由于GNSS测站分布和卫星几何结构的影响，实际用于层析的卫星射线条数较少。为了提高参与对流层层析的射线条数，提出了基于投影函数虚拟倾斜路径卫星信号精化层析模型的方法。试验证明，该方法能够有效增加参与层析的观测方程的个数，改善了观测方程的结构和稳定性。

(3) 对流层层析模型是由不同类型的方程组成，包括观测方程、水平约束和垂直约束方程等，本文首次给出了组成层析模型的各类方程中同类型观测量权比确定方法，并引入宏观经济计量分析中协整检验的思想确定不同类方程的信息权比。分别以无线电探空数据和ECMWF数据作为标准，对不同天气条件下的层析结果进行检验，发现该方法均能得到合理的反演结果。

(4) 针对传统层析技术无法利用在层析区域侧面穿出射线的问题进行深入研究，逐步发展了一套改善对流层层析射线利用率的理论和方法。主要包括3个层面：①提出了附加辅助层析区域提高射线利用率的方法，该方法初步体现在侧面穿出射线的利用价值；②提出了基于水汽单位指数的三维水汽层析算法，进一步展现侧面穿出射线对层析结果的重要性；③提出了一种最大限度改善射线利用率的方法，有效地改善了GNSS卫星信号的利用率，目前该方法在理论上最为完善和成熟。

(5) 基于GNSS对流层水汽探测的基本理论和方法，利用本文提出的改善射线利用率的对流层层析方法开发了一套GNSS对流层层析监测软件系统。该系统可实现对流层中二维PWV和三维水汽廓线的探测，通过与无线电探空数据、VLBI和ECMWF格网数据对比分析，证明该软件系统能够实现高精度的对流层二维/三维水汽监测。