GPS氣象學

GPS氣象學

GPS 系統的衞星發射的訊號（電磁波）在達到接收點前要穿過大氣層.而電磁波在大氣中要降低速度。所以衞星訊號要經過訂正才符合實際.這種訂正不僅與幹空氣有關，還與大氣中的電子濃度、水汽的含量有關。在20世紀90年代初，就提出了一個反問題：利用GPS接收點收到的訊號反算出大氣中的電子濃度、水汽含量。實驗證實，這樣得到的大氣中水汽含量（也稱為可降水量）對氣象預告和氣候分析十分有價值，而GPS又可以隨時進行觀測。所以用位置固定點的GPS接收設備測量大氣的水汽量就成為新型的氣象儀器.在世紀之交，用GPS 測量大氣水汽的觀測網逐步形成. GPS氣象學就是利用GPS接收訊號測量分析大氣狀況的知識體系..

GPS氣象學包括三方面內容：

1、利用GPS的空間定位能力測量高空風的分佈，並發展為GPS探空設備。

2、利用地基GPS接受機測量整層大氣的水汽含量。

3、利用低軌衞星上的GPS接受機探測大氣折射率廓線，並進一步計算温度或濕度的垂直分佈。

大氣温度、大氣壓、大氣密度和水汽含量等量值是描述大氣狀態最重要的的參數。 無線電探測、衞星紅外線探測和微波探測等手段是獲取氣温、氣壓和濕度的傳統手段。 但是它們與GPS手段相比，就可明顯地看出傳統手段的侷限性。無線電探測法的觀測值精 度較好，垂直分辨率高，但地區覆蓋不均勻，在海洋上幾乎沒有數據。被動式的衞星遙 感技術可以獲得較好的全球覆蓋率和較高的水平分辨率，但垂直分辨率和時間分辨率很 低。利用GPS手段來遙感大氣的優點是，它是全球覆蓋的，費用低廉，精度高，垂直分辨 率高。根據1995年4月3日美國發射的用於GPS氣象學研究的Microlab-1低軌衞星的早期結 果顯示，對於幹空氣，在從5～7 km到35～40 km的高度上，所獲得的温度可以精確到± 1.0℃之內。正是這些優點使得GPS/MET技術成為大氣遙感的最有效最有希望的方法之一 。

當GPS發出的信號穿過大氣層中對流層時，受到對流層的折射影響，GPS信號要發生 彎曲和延遲，其中信號的彎曲量很小，而信號的延遲量很大，通常在2.3 m左右。在GPS 精密定位測量中，大氣折射的影響是被當作誤差源而要儘可能將它的影響消除乾淨。而 在GPS/MET中，與之相反，所要求得的量就是大氣折射量。通過計算可以得到我們所需的 大氣折射量，再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數關係可以求得大氣折射率。大 氣折射率是氣温T，氣壓P和水汽壓力e的函數，通過一定關係，則可以求得我們所需要的量。

GPS技術的迅猛發展和日臻成熟使其成為對地球觀測的一種新的,更加有力的手段,已

成功地在地球科學的許多領域得到應用,如地殼形變和板塊運動監測,火山爆發,地震的監測

及預報,地球自轉監測,電離層監測及空間天氣預報,對流層監測及天氣預報等.

20世紀90年代以來,人們已開始利用GPS理論和技術來遙感地球大氣.例如多路徑效應是GPS定位中的一種噪音,至今仍是高精度GPS定位中一個很不容易解決的"干擾",但人們從

大氣對GPS信號延遲的噪聲處理的逆問題,發展出了利用GPS信號測定大氣水汽含量及温度的一種新手段,從而為更好地監測惡劣天氣和氣候變化提供了新的技術支持.在GPS氣象探測已成為WMO(世界氣象組織)21世紀新的全球綜合高空觀測系統的重要組成部分.由此,以GPS技術在氣象學研究及應用為主要內容形成了一門新興的交叉學科,稱為GPS氣象學(GPSMe2eorology,簡寫為GPS/MET).GPS觀測資料在大氣探測,天氣變化監測和數值天氣預報模式中應用的優越性以及取得的初步成功,使GPS氣象學在不到十年的時間內很快發展為一個嶄新的,極具應用潛力的GPS研究及應用的重要領域. GPS氣象學的研究於20世紀80年代後期最先在美國起步,進行了多次試驗[1～2].在美國取得較理想的試驗結果後,其他發達國家如日本,德國,瑞典等[3～5]也開始重視GPS氣象學,已成功組織了數次較大規模的GPS觀測試驗,取得了一系列研究成果並開始應用於大氣研究和氣象預報業務中.20世紀90年代中期以來,我國也逐步開展了地基GPS觀測在氣象學中應用的研究和業務試驗工作.

英國負責建立的"連續運行GPS參考站"(COGPS)系統的功能和目標類似於美國的CORS,但結合英國本土情況還增加了監測英倫三島周圍的海平面相對和絕對變化的任務.

日本在國土地理院(GSI)的組織下已建成近1200個GPS連續運行站網(GEONET,GPSEarthObservationNetwork),站間距為15～30km,這是目前世界上最大的,最密集的用於地球科學研究的GPS國家觀測網.它在以監測地殼形變,預報地震以及計算大氣可降水量,研究與大氣水汽變化相關的天氣變化為主要功能的基礎上,聯合氣象研究和業務部門正開發利用GPS資料的四維同化業務系統,如日本氣象廳氣象研究所(MRI)正在發展一種用於中度數值模式的GPS數據變分同化系統,以提高數值天氣預報模式的模擬和預測水平.

GPS氣象學

1998～2003年,在GSI牽頭下日本實施了為期五年的日本GPS氣象學觀測和研究計劃(GPS/METJapan),特別是於2000年秋季和2001年春季在筑波地區202km的範圍內進行了2次GPS高密度觀測網試(TsukubaGPSDenseNetCampaign)目的是探測幾公里量級的小尺度水汽變化並用於短時雷暴,暴雨等災害性天氣的預報.試驗區域內集中設立了75個

GPS接收點和22個地面氣象觀測點,其GPS接收站點的間距達到空前的1～3km.

2002年8月北京氣象局在北京汛期降水的主要水汽輸入通道—房山區建成了由8個站組成的地基GPS水汽遙測站網,已用BerneseGPS數據分析軟件對解算大氣可降水量進行了初步試驗,並與傳統無線電探空資料計算的可降水量(SONDE2PWV)進行了對比.GPS技術的應用可加深對城市氣象基本特徵的認識,為開展城市精細化氣象服務提供技術保障.此外該局還參與了"數字北京"和"數字奧運"的相關計劃,應用由GPS,RS(遙感系統),GIS(地理信息系統)組成的3S技術來獲取各類實時的,歷史的氣象資料以及奧運場館實時氣象觀測資料.

2003年,廣東省也計劃用3a時間興建覆蓋全省的GPS網,可積累廣東甚至華南上空高意義精度高時空分辨率的可降水量實時資料,對監測,預報廣東及珠江三角洲的氣候演變具有重要意義.

中國科學院上海天文台的學者在我國較早開展了GPS氣象學及其在劇變天氣分析中的應用研究.從20世紀90年代起分別開展了地基GPS氣象學,空基GPS氣象學以及GPS無線電掩星反演大氣廓線的研究工作.在國內氣象界,北京大學的李成才,毛節泰等人最早將GPS/MET介紹到國內氣象界並將地基GPS遙感大氣水汽總量技術的分別應用於上海,武漢,北京等地區,並探索了求得適合中國東部地區特點的加權平均温度Tm的計算方法 ^[1]  .