東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院 劉思宇

1.概述

目前氣象學(xué)在探測對流層中大氣水汽含量的方法主要有以下幾種：無線電探空技術(shù)，衛(wèi)星觀測，水汽輻射計(jì)等技術(shù)，但是相比較利用地基GPS技術(shù)獲取大氣參數(shù)，這種技術(shù)具有探測時(shí)空分辨率高，高精度，全天候，近實(shí)時(shí)，連續(xù)獲取能力強(qiáng)，不需要對儀器進(jìn)行標(biāo)定及經(jīng)濟(jì)，高效等諸多的有點(diǎn)。這些都是其他各種探測技術(shù)所無法比擬的，使它成為新一代大氣遙感技術(shù)中最有效、最有發(fā)展前景的方法之一。

2.利用地基GPS反演大氣可降水量的基本原理

GPS衛(wèi)星位于20000余千米的高空中，它同時(shí)向地面發(fā)射兩種頻率的無線電信號(hào)(L1和L2)，這兩種信號(hào)依次穿過大氣中的電離層和對流層后被地面或低軌衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)接收。當(dāng)GPS發(fā)出的信號(hào)穿過大氣層時(shí)，要受到電離層和對流層的折射影響，GPS信號(hào)發(fā)生彎曲和延遲，其中彎曲量很小，延遲量很大，這與大氣參數(shù)相關(guān)聯(lián)的折射率也會(huì)發(fā)生變化。在GPS精密定位測量中，這種大氣折射的影響被當(dāng)作主要的誤差源而要盡可能將它的影響消除干凈。而在我們此次研究中正與之相反，所要求得的量就是大氣對GPS衛(wèi)星信號(hào)的折射量，再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數(shù)關(guān)系就可以求得大氣折射率。大氣折射率是氣溫、氣壓和水汽壓力的函數(shù)，通過一定的數(shù)學(xué)模型關(guān)系，則可以求得我們所需要的氣象信息，如水汽總量，這對于研究對流層的大氣問題十分重要。

3.地基GPS反演大氣可降水量實(shí)例

我們此次解算使用的數(shù)據(jù)是“香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)”中的香港沙田站（HKST）站在2012年第248天00-02時(shí)段采集的數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作

使用的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件為美國麻省理工學(xué)院和斯克里普斯海洋研究所聯(lián)合開發(fā)的GAMIT軟件。在解算前我們先要進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，主要分為以下四個(gè)部分：首先是參數(shù)表文件的準(zhǔn)備，我們首先建立一個(gè)工作文件夾work，進(jìn)入GAMIT安裝文件下的tables文件夾，把所需要的參數(shù)表文件拷貝到work文件夾中。其中參數(shù)表文件主要包括：極移參數(shù)、天線高及相位中心偏移模式參數(shù)、攝動(dòng)歷表、TAI-UTI國際時(shí)間系統(tǒng)表、太陽星歷表、月亮星歷表、大地水準(zhǔn)面參數(shù)表、接收機(jī)及天線類型信息表、緯向數(shù)目編號(hào)表、跳秒表、壞衛(wèi)星信息文件和周跳的自動(dòng)彈出和修改命令表。然后是配置文件的準(zhǔn)備工作。用GAMIT處理GPS數(shù)據(jù)還需要反映所有測站(香港沙田站和所選用的IGS跟蹤站)信息、大氣模型、延時(shí)模型等的配置文件，對這些文件進(jìn)行編輯，之后一并放入到work文件夾下。這些文件包括測站初始坐標(biāo)L文件(lfile.)，測段中各測站信息文件(station.info)，大氣模型及先驗(yàn)坐標(biāo)約束文件(sittbl)，測段分析策略、先驗(yàn)測量誤差以及衛(wèi)星約束文件(sestbl.)第三個(gè)是觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。為了提高計(jì)算精度，有必要加入一定數(shù)量(3-10個(gè))的長基線站。可選取位于香港地區(qū)東、北、西方向上的上海(SHAO)、武漢(WUHN)、泰國的曼谷(CUSV)3個(gè)國際IGS跟蹤站。IGS跟蹤站的數(shù)據(jù)都能在網(wǎng)站(http：//igscb.jpl.nasa.gov/）下載。最后是星歷文件的準(zhǔn)備。這個(gè)也是通過上述網(wǎng)絡(luò)就能獲取。

3.2 計(jì)算天頂對流層總延遲的解算

下面以香港沙田地基GPS氣象站在2012年的第248天00-02時(shí)采集的數(shù)據(jù)為例，介紹天頂對流層總延遲解算的流程(如圖1所示)。

圖1 天頂對流層總延遲解算流程

運(yùn)行完以上步驟后，會(huì)在work的工作目錄下生成該站點(diǎn)天頂延遲數(shù)據(jù)的結(jié)果文件ogppsa.248。對于這個(gè)結(jié)果文件，還需要對他做可靠性檢測。用sh_nrms程序可以查詢ogppsa.248的均方根殘差nrms，一般情況下這個(gè)值應(yīng)該小于0.5，若是大于0.5則這個(gè)解算結(jié)果是不可靠的，我們本次試驗(yàn)中nrms的平均值為0.1845，符合解算標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 地基GPS可降水量的反演

在已得到氣象數(shù)據(jù)文件的情況下，我們利用sh_metuil程序就可以完成大氣水汽含量的反演，在終端輸入：sh_metutil-f ogppsa.248-m*2480.12m-i 900。其中-i表示時(shí)間間隔參數(shù)，即900表示為15分鐘。成功運(yùn)行后就可以得到包含大氣水汽含量的met文件。以香港沙田站為例，解算得到的met文件格式如表1所示，其中PW列即表示對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)GPS站上的可降水量。

表1 沙田站2012年9月5日00-02時(shí)的GPS解算結(jié)果

4.結(jié)語

本次實(shí)驗(yàn)通過GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過大氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生延遲的現(xiàn)象，利用地基GPS接收機(jī)測得的GPS衛(wèi)星信號(hào)延遲量來反演出大氣可降水量。由于它具有全天候、高精度、高時(shí)空分辨率和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可有效地彌補(bǔ)目前常規(guī)觀測手段對大氣中水汽測量的不足，對提高災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)報(bào)能力，改進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度有廣闊的應(yīng)用前景。并且利用此項(xiàng)新技術(shù)的研究結(jié)論可以進(jìn)一步擴(kuò)大地基GPS在氣象中的應(yīng)用范圍，例如：可應(yīng)用在高空氣象探測中，進(jìn)一步提高測風(fēng)精度；還能應(yīng)用于災(zāi)難性天氣的監(jiān)測與預(yù)報(bào)(如干旱、暴雨、雷暴等氣象)；并利用GPS反演的水汽資料結(jié)合多普勒天氣雷達(dá)探測的液態(tài)水資料來指導(dǎo)人工影響天氣作業(yè)(如人工降雨等)等等實(shí)際應(yīng)用之中。

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