水汽在地球大气气候变化、辐射平衡、能量输送、云水形成中扮演着十分重要的角色,获得高精度、高时空分辨率的水汽信息对气象预报、水文监测、全球气候变化、资源遥感和大地测量等领域的研究和应用意义重大。地基GNSS水汽探测具备高精度、高分辨率和全天候的优势,随着GNSS系统的发展以及地面测站的建设,地基GNSS已经成为水汽探测的一种重要手段。地基GNSS数据处理直接获取的通常是二维的水汽产品,并不包含高程方向的分布信息,然而相比于二维信息,三维水汽在极端天气的监测预报和投影函数构建等领域具有重要价值。采用层析可以实现基于地基GNSS三维水汽信息提取,但是目前的层析研究大多是针对测站分布相对密集的小区域,对广域对流层三维层析研究甚少。广域三维层析产品能够为天气系统的分析提供更为完整的空间信息,也能为广域高精度导航定位用户提供统一的大气增强信息。然而随着层析区域的增强,待估参数会急剧增加,且广域层析还会面临着测站密度的下降带来的严重法方程不适定难题。本文针对广域三维层析的主要难题,提出了实现广域三维快速层析的相关方法,在此基础上研发了广域三维快速层析系统WATS,并通过仿真数据和实测数据,重点讨论不同因素对层析结果的影响,并分别在省级区域范围和全国范围进行层析试验和结果评估。本文的主要研究工作和成果总结如下:(1)在三维层析技术研究的过程中,为避免不同数据源间误差对层析结果评估产生的影响,本文在研发的WATS快速层析系统上,首先基于ERA5再分析资料仿真了作为层析输入的SWD和地面气象观测数据,并对仿真数据的精度进行了验证。(2)在省级区域范围,基于仿真观测值,使用WATS系统分别讨论了不同因素对层析结果的影响,发现地面气象数据可以显著提升地表层格网层析结果的精度;地面测站的增加和格网水平分辨率的增大,可以一定程度提升层析结果;而多系统观测值的加入,相比于单GPS系统层析结果没有明显的提升。(3)针对2017年“5-7”广州暴雨事件,基于实测数据进行层析计算,发现相比于美国NCEP发布的GFS预报产品,层析获得的多数高度层上湿折射率同radiosonde观测数据符合更好,且在暴雨形成前夕呈现出一定的上升趋势。以独立GPS测站解算获得的SWD为参考,评估发现层析产品能够提供优于基于GFS预报产品、ERA5和传统ZWD内插方法获得的SWD。(4)在全国范围,基于ERA5再分析资料,仿真了中国区域1000多个测站(中国气象局测站网+陆态网)一周的SWD观测数据及测站处气象数据,并采用WATS系统进行解算,证明在全国范围实现快速三维层析的可行性,并验证了层析系统的内符合精度,发现东部测站密集区域层析结果要优于西部测站稀疏区域。(5)在全国范围,基于实测的中国气象局测站网(677个)一天(2016年041天)的观测数据,开展全国范围层析试验,以陆态网约230个GPS测站PPP解算获得的SWD为参考,综合评估了基于层析产品、基于GFS预报产品、基于ERA5产品以及基于传统的ZWD内插方法获得的SWD的精度,发现基于层析产品结果好于其他三种方式获得的SWD,且在全国范围呈现出一定的空间分布特征。相关结果和结论对广域大气增强产品的构建具有重要的意义。