GPS技术在气象测量中的应用

yifan-13103

一、前言

GPS技术经过20多年的发展，其应用研究及应用领域得到了极大的扩展，其中一个重 要的应用领域就是气象学研究。利用GPS理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论 和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，叫做GPS气象学（GPS/MET eorology, 简写为GPS/MET）。GPS气象学的研究于80年代后期最先在美国起步，在美国 取得理想的试验结果之后，其他国家如日本等也逐步开始GPS在气象学中的研究。

二、GPS气象学简介 　　

大气温度、大气压、大气密度和水汽含量等量值是描述大气状态最重要的的参数。 无线电探测、卫星红外线探测和微波探测等手段是获取气温、气压和湿度的传统手段。 但是它们与GPS手段相比，就可明显地看出传统手段的局限性。无线电探测法的观测值精 度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不均匀，在海洋上几乎没有数据。被动式的卫星遥 感技术可以获得较好的全球覆盖率和较高的水平分辨率，但垂直分辨率和时间分辨率很 低。利用GPS手段来遥感大气的优点是，它是全球覆盖的，费用低廉，精度高，垂直分辨 率高。根据1995年4月3日美国发射的用于GPS气象学研究的Microlab-1低轨卫星的早期结 果显示，对于干空气，在从5～7 km到35～40 km的高度上，所获得的温度可以精确到± 1.0℃之内。正是这些优点使得GPS/MET技术成为大气遥感的最有效最有希望的方法之一 。 　
　
当GPS发出的信号穿过大气层中对流层时，受到对流层的折射影响，GPS信号要发生 弯曲和延迟，其中信号的弯曲量很小，而信号的延迟量很大，通常在2.3 m左右。在GPS 精密定位测量中，大气折射的影响是被当作误差源而要尽可能将它的影响消除干净。而 在GPS/MET中，与之相反，所要求得的量就是大气折射量。通过计算可以得到我们所需的 大气折射量，再通过大气折射率与大气折射量之间的函数关系可以求得大气折射率。大 气折射率是气温T，气压P和水汽压力e的函数，通过一定关系，则可以求得我们所需要的量。

三、GPS气象学分类 　　

根据GPS/MET观测站的空间分布来分类，可以分为两大类：
　　
① 地基GPS气象学(Ground-based GPS/MET) 　
　
② 空基GPS气象学(Space-based GPS/MET) 　
　
地基GPS气象学就是将GPS接收机安放在地面上，象常规的GPS测量一样，通过地面布 设GPS接收机网络，来估计一个地区的气象元素。 　　

空基GPS气象学就是利用安装在低轨卫星（Low Earth Orbit,简称为LEO）上的GPS接 收机来接收GPS信号。当GPS信号与LEO卫星上GPS接收联线经过地球上空对流层时，GPS信号会发生折射。这一测量大气折射的方法叫做掩星法，该方法是20世纪60年代美国喷气 推进实验室JPL和Stanford 大学为研究行星大气和电离层而发展起来的。通过对含有折 射信息的数据进行处理，可以计算出大气折射量而估计出我们所需要的气象元素的大小 。
　　
但无论是地基GPS/MET还是空基GPS/MET，其目标都是一样，即计算出大气折射量。 其不同之处在于空基GPS/MET涉及的数据处理更麻烦一些，因为安装在低轨卫星上的GPS 接收机跟GPS卫星一样，也是运动的，而且在接收机接收到的所有卫星的信号中，并不像 地面上的接收机那样，所接收到的卫星信号中必定包含有大气折射信息。

四、GPS气象学的原理

在GPS数据处理时，一般是像对待基线向量一样，将大气折射量视为未知参数进行估 计的。在数据处理中通常是根据观测时间的长短、基线的长短、观测时的气象条件等因 素，来决定大气折射未知参数估计的个数。通过这种办法估计出来的大气折射量的精度 很高，一般可至毫米级。而大气折射量的大小是由GPS信号穿过对流层时沿经路径上的大 气折射率n决定的，某处的大气折射率n是该处的气压、温度和湿度的函数。因此可以建 立起大气折射量与气象元素之间的关系。为方便起见，定义折射数N=(n-1)×106。在处 理对流层大气折射时一般是将空气分为两部分，一部分是干空气，另一部分是湿空气。 GPS信号延迟中，湿空气所占的比重比干空气所占的比重要小得多，但湿空气这一部分的 变化要比干空气的变化要大，而且比干空气更不稳定。湿空气的变化难以估计，是造成 大气折射量估计不准的主要原因，这也影响着后来的气象元素的计算准确性。

五、GPS/MET的应用前景

GPS/MET探测数据具有覆盖范围广（全球）、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定的 特点。对它的研究将给天气预报、气候和全球变化监测等领域产生深刻的影响。
　　
1. 天气预报 　　

我们知道数值天气预报（NWP）模式必须用3维温、压、湿和风数据作为初值。目前 提供这些初始化数据的探测网络的时空密度极大地限制了预报模式的精度。无线电探空 资料一般只在大陆地区存在，而在重要的海洋区域，资料极为缺乏。即使在大陆地区， 探测一般也只是每隔12 h进行一次。虽然目前气象卫星资料可以反演得到温度轮廓线， 但这些轮廓线有限的垂直分辨率使得它们对预报模式的影响相当小。而GPS/MET观测系统 可以进行全天候的全球探测，加上观测值的高精度和高垂直分辨率，使得NWP精度的提高 成为可能。这样，可以提高数值天气预报的准确性和可靠性。
　　
2. 气候和全球变化监测 　　

全球平均温度和水汽是全球气候变化的两个重要指标。与当前的传统探测方法相比 ，GPS/MET探测系统能够长期稳定地提供相对高精度和高垂直分辨率的温度轮廓线，尤其 是在对流层顶和平流层下部区域。更重要的是，从GPS/MET数据计算得到的大气折射率是 大气温度、湿度和气压的函数，因此可以直接把大气折射率作为"全球变化指示器"。
　　
3. 其他应用 　　

GPS/MET观测数据有可能以足够的时空分辨率来提供全球电离层映像，这将有助于电 离层/热层系统中许多重要的动力过程及其与地气过程关系的研究。例如，重力波使中层 大气与电离层之间进行能量和动量交换，通过测量LEO卫星和GPS卫星之间信号路径上总 的电子含量（TEC）来追踪重力波可能是一种方法。 　
　
GPS/MET提供的温度轮廓线还可以用于其他的卫星应用系统中。如O3的遥感系统中需 要提供精确的温度轮廓线，利用GPS/MET数据可以很好地满足这一要求。

yoga2128