馬林 苗傳海 孫艷云 朱明宇 康博識(shí)

摘要：GPS氣象學(xué)是近年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)新型技術(shù)，它具有常規(guī)探測所沒有的探測精度高、時(shí)間分辨率高、經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)，對(duì)提高天氣預(yù)報(bào)（特別是災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)）準(zhǔn)確性、研究全球大氣水汽和電離層電子濃度分布等有著十分重要的意義，因此，越來越多地被應(yīng)用到氣候監(jiān)測分析、空間天氣監(jiān)測預(yù)警、人工影響天氣、中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。為進(jìn)一步了解和學(xué)習(xí)GPS氣象學(xué)，下面簡要介紹GNSS/MET的基本原理及其在氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵字：GNSS/MET;反演;水汽;氣象學(xué)

一、 引言

GPS氣象學(xué)的研究最先在80年代后期于美國起步，在美國取得了理想的試驗(yàn)結(jié)果后，其他國家比如日本等，也全都開始研究GPS在氣象學(xué)中的應(yīng)用。由于GPS觀測可以提供大氣層水汽精確的全天候測量結(jié)果，美國于1993年在中部地區(qū)布設(shè)了一個(gè)GPS網(wǎng)，探索GPS觀測結(jié)果在氣象學(xué)中的應(yīng)用。將此網(wǎng)的GPS觀測結(jié)果同由水汽輻射儀（WVR）結(jié)果推算的可降水分作了比較，兩者之間的符合度是1-2m。在霧、露、雨等足以降低WVR性能的條件下，GPS觀測結(jié)果仍然可靠，其時(shí)間和空間尺度比目前無線電探空所能提供的要精細(xì)得多。

二、GPS氣象學(xué)簡介

大氣溫度、大氣壓、大氣密度和水汽含量等量值是描述大氣狀態(tài)最重要的的參數(shù)。無線電探測，衛(wèi)星紅外線探測和微波探測等手段是獲取氣溫，氣壓和濕度的傳統(tǒng)手段。但是它們與GPS手段相比，就可明顯地看出傳統(tǒng)手段的局限性。無線電探測法的觀測值精度較好，垂直分辨率高，但地區(qū)覆蓋不均勻，在海洋上幾乎沒有數(shù)據(jù)。被動(dòng)式的衛(wèi)星遙感技術(shù)可以獲得較好的全球覆蓋率和較高的水平分辨率，但垂直分辨率和時(shí)間分辨率很低。利用GPS手段來遙感大氣的優(yōu)點(diǎn)是，它是全球覆蓋的，費(fèi)用低廉，精度高，垂直分辨率高。根據(jù)1995年4月3日美國發(fā)射的用于GPS氣象學(xué)研究的Microlab-1低軌衛(wèi)星的早期結(jié)果顯示，對(duì)于干空氣，在從5～7 km到35～40 km的高度上，所獲得的溫度可以精確到±1.0℃之內(nèi)，正是這些優(yōu)點(diǎn)使得GPS/MET技術(shù)成為大氣遙感的最有效最有希望的方法之一。

三、 GNSS/MET 的基本原理

GNSS/MET根據(jù)GPS接收機(jī)所在空間位置，大致可分為地基和空基GNSS/MET，其探測原理不完全相同。通過測定GPS衛(wèi)星和接收機(jī)間的距離來定位目標(biāo)物的位置，而這一距離實(shí)際上是通過測定衛(wèi)星發(fā)出的并傳輸至接收機(jī)的無線電信號(hào)傳播時(shí)間來求定的，這一傳輸時(shí)間，收到傳輸途徑上地球大氣折射率梯度和大氣密度變化的影響，與真空情況相比，就有差異，原因之一是大氣中水汽的影響。完成由GPS衛(wèi)星至接收機(jī)的訊號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間要比在真空條件中要長，這一時(shí)間增加也可以用增加傳輸路徑長度來等量表示，這就是GPS信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間延遲。對(duì)精確定位、導(dǎo)航應(yīng)用來說，必須消除或者消弱地球大氣層對(duì)GPS信號(hào)傳播的種種影響，而當(dāng)GPS應(yīng)用到水汽測量中，正好與之相反，一旦精確求定這一延遲時(shí)間，可以通過這與時(shí)間延遲來對(duì)算大氣水汽含量和分布。

當(dāng)GPS衛(wèi)星發(fā)送的電磁波信號(hào)穿過地球大氣到達(dá)接收機(jī)時(shí)，地球大氣的各個(gè)部分都要與它發(fā)生相互作用。因此主要由于以下3個(gè)方面引起延遲：電離層對(duì)電磁波的折射;干空氣對(duì)電磁波的折射;對(duì)流層濕空氣對(duì)電磁波的折射。把各個(gè)部分相互作用的延遲量引入到解算模型中，考慮誤差來源并予以消除后對(duì)高精度的大氣延遲量與定位參數(shù)一起求解。然后，通過雙頻技術(shù)訂正電離層延遲到毫米量級(jí)，通過地面氣壓觀測量訂正干空氣的延遲到毫米量級(jí)，最后 得到毫米量級(jí)的濕空氣延遲， 由此提取大氣總的水汽含量。

目前，國際上通用的由GPS反演濕延遲DW，再計(jì)算大氣柱總水汽量IWV.

其中，IWV為大氣柱水汽總含量，DW 為濕延遲，ρ和Rv分別為濕空氣的密度和氣體摩爾質(zhì)量，Tm為整個(gè)氣層的加權(quán)平均溫度，k2和k3為大氣折射率實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

四、GPS氣象學(xué)在氣象中的應(yīng)用

水汽是大氣中十分重要的參數(shù)，電離層電子數(shù)密度的分布及其演變是空間天氣監(jiān)測和預(yù)警中的重要內(nèi)容，如何快速、有效地探測大氣中的水汽分布和電離層電子數(shù)密度分布是當(dāng)代地球大氣探測系統(tǒng)中必須要解決好的問題之一，地基GPS的氣象探測可以發(fā)揮這方面的優(yōu)勢， 氣象領(lǐng)域?qū)Φ鼗鵊PS氣象應(yīng)用的需求包括：

（1） 災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)在暴雨、洪澇等災(zāi)害性天氣分析預(yù)報(bào)中，水汽輸送、水汽輻合的分析至關(guān)重要，而水汽又是一個(gè)變化十分迅速的量。所以，高時(shí)效、高空間分辨率地獲取大氣水汽場是準(zhǔn)確地分析天氣系統(tǒng)的演變、進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

（2） 為中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供初始場由于水汽場是一個(gè)變化迅速的物理量，尤其是在暴雨發(fā)生前，以常規(guī)探空資料為主的初始場常常捕捉不到“山雨欲來風(fēng)滿樓”之時(shí)的水汽變化，從而導(dǎo)致對(duì)暴雨的數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不高?？梢宰龅矫啃r(shí)甚至每15分鐘獲取一次高精度水汽探測的GPS技術(shù)，是滿足這一需求的最佳選擇。

（3） 為人工影響天氣作業(yè)提供依據(jù)。人大氣中的水汽分布狀況、水汽的輸送和源、匯是云雨變化的重要背景條件，在實(shí)施人工影響天氣作業(yè)時(shí)，利用GPS技術(shù)及時(shí)而準(zhǔn)確地了解作業(yè)點(diǎn)四周大氣中的水汽分布及其輸送，是提高人工影響天氣效率的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

（4） 氣候監(jiān)測和分析地氣系統(tǒng)能量和水分循環(huán)的分析研究，利用地基GPS水汽總量探測技術(shù)，能很好地滿足這方面的需求。同時(shí)，由于GPS 探測的水汽精度高，通過長時(shí)期的資料分析，可用以監(jiān)測水汽的長期變化趨勢，而水汽又是一個(gè)溫室氣體，從而可以從一個(gè)側(cè)面監(jiān)測氣候的變化趨勢。

（5） 空間天氣監(jiān)測和預(yù)警電離層電子濃度分布及其變化是影響電波傳播的重要參數(shù)，是空間天氣監(jiān)測和預(yù)警的重要內(nèi)容之一。地基GPS是探測電離層電子濃度總量的有效手段，它的高時(shí)、空分辨率和相位測量， 不需要定標(biāo)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使利用這項(xiàng)技術(shù)探測電離層電子濃度是十分經(jīng)濟(jì)、有效的。

（6） 提高對(duì)GPS 探空儀的跟蹤精度在綜合分析、統(tǒng)籌兼顧的原則下，可以盡可能地把GPS站點(diǎn)選在探空站附近。這樣，高精度的GPS站可以用作GPS探空儀的差分站，從而可大大提高地面對(duì)GPS探空儀的跟蹤精度，起到一站多用的效果。

（7） 作為未來空基GPS掩星探測的地面定軌站。

五、 結(jié)語

GNSS/MET的發(fā)展建設(shè)將使中國的氣象觀測系統(tǒng)上一個(gè)新的臺(tái)階。由此獲取高時(shí)間分辨率大氣水汽探測資料，將極大增強(qiáng)對(duì)暴雨和強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測能力，高時(shí)空分辨率的三維大氣水汽探測資料將提高中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)精度并延長其預(yù)報(bào)時(shí)效;長時(shí)間、高精度的大氣水汽的平均值和距平值監(jiān)測是探討氣候變化的重要手段;實(shí)時(shí)的電離層電子濃度監(jiān)測將為空間天氣預(yù)警提供重要手段;人工增雨作業(yè)已經(jīng)成為改善水資源短缺的一個(gè)重要手段，實(shí)時(shí)的大氣水汽探測資料將為人工增雨作業(yè)區(qū)的選擇和增強(qiáng)作業(yè)效果提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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