GPS技術(shù)在氣象觀測中的應(yīng)用

張玉源　劉宏旺　莊品　張放

一、前言

GPS技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，其應(yīng)用研究及應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的擴(kuò)展，其中一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是氣象學(xué)研究。利用GPS理論和技術(shù)來遙感地球大氣，進(jìn)行氣象學(xué)的理論和方法研究，如測定大氣溫度及水汽含量，監(jiān)測氣候變化等，叫做GPS氣象學(xué)（GPS/MET eorology，簡寫為GPS/MET）。GPS氣象學(xué)的研究于80年代后期最先在美國起步，在美國取得理想的試驗(yàn)結(jié)果之后，其他國家如日本等也逐步開始GPS在氣象學(xué)中的研究。

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。

當(dāng)GPS發(fā)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(fā)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(dāng)作誤差源而要盡可能將它的影響消除干凈。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(jì)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(shù)關(guān)系可以求得大氣折射率。大氣折射率是氣溫T，氣壓P和水汽壓力e的函數(shù)，通過一定關(guān)系，則可以求得我們所需要的量。

三、GPS氣象學(xué)分類

根據(jù)GPS/MET觀測站的空間分布來分類，可以分為兩大類：

①地基GPS氣象學(xué)（Ground-based GPS/MET）

②空基GPS氣象學(xué)（Space-based GPS/MET）

地基GPS氣象學(xué)就是將GPS接收機(jī)安放在地面上，象常規(guī)的GPS測量一樣，通過地面布設(shè)GPS接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)，來估計(jì)一個地區(qū)的氣象元素。

空基GPS氣象學(xué)就是利用安裝在低軌衛(wèi)星（Low Earth Orbit，簡稱為LEO）上的GPS接收機(jī)來接收GPS信號。當(dāng)GPS信號與LEO衛(wèi)星上GPS接收聯(lián)線經(jīng)過地球上空對流層時，GPS信號會發(fā)生折射。這一測量大氣折射的方法叫做掩星法，該方法是20世紀(jì)60年代美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL和Stanford大學(xué)為研究行星大氣和電離層而發(fā)展起來的。通過對含有折射信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以計(jì)算出大氣折射量而估計(jì)出我們所需要的氣象元素的大小。

但無論是地基GPS/MET還是空基GPS/MET，其目標(biāo)都是一樣，即計(jì)算出大氣折射量。其不同之處在于空基GPS/MET涉及的數(shù)據(jù)處理更麻煩一些，因?yàn)榘惭b在低軌衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)跟GPS衛(wèi)星一樣，也是運(yùn)動的，而且在接收機(jī)接收到的所有衛(wèi)星的信號中，并不像地面上的接收機(jī)那樣，所接收到的衛(wèi)星信號中必定包含有大氣折射信息。

四、GPS氣象學(xué)的原理

在GPS數(shù)據(jù)處理時，一般是像對待基線向量一樣，將大氣折射量視為未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的。在數(shù)據(jù)處理中通常是根據(jù)觀測時間的長短、基線的長短、觀測時的氣象條件等因素，來決定大氣折射未知參數(shù)估計(jì)的個數(shù)。通過這種辦法估計(jì)出來的大氣折射量的精度很高，一般可至毫米級。而大氣折射量的大小是由GPS信號穿過對流層時沿經(jīng)路徑上的大氣折射率n決定的，某處的大氣折射率n是該處的氣壓、溫度和濕度的函數(shù)。因此可以建立起大氣折射量與氣象元素之間的關(guān)系。為方便起見，定義折射數(shù)N=（n-1）×106。在處理對流層大氣折射時一般是將空氣分為兩部分，一部分是干空氣，另一部分是濕空氣。GPS信號延遲中，濕空氣所占的比重比干空氣所占的比重要小得多，但濕空氣這一部分的變化要比干空氣的變化要大，而且比干空氣更不穩(wěn)定。濕空氣的變化難以估計(jì)，是造成大氣折射量估計(jì)不準(zhǔn)的主要原因，這也影響著后來的氣象元素的計(jì)算準(zhǔn)確性。

五、GPS/MET的應(yīng)用前景

GPS/MET探測數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣（全球）、高垂直分辨率、高精度和高長期穩(wěn)定的特點(diǎn)。對它的研究將給天氣預(yù)報、氣候和全球變化監(jiān)測等領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。

1.天氣預(yù)報

我們知道數(shù)值天氣預(yù)報（NWP）模式必須用3維溫、壓、濕和風(fēng)數(shù)據(jù)作為初值。目前提供這些初始化數(shù)據(jù)的探測網(wǎng)絡(luò)的時空密度極大地限制了預(yù)報模式的精度。無線電探空資料一般只在大陸地區(qū)存在，而在重要的海洋區(qū)域，資料極為缺乏。即使在大陸地區(qū)，探測一般也只是每隔12h進(jìn)行一次。雖然目前氣象衛(wèi)星資料可以反演得到溫度輪廓線，但這些輪廓線有限的垂直分辨率使得它們對預(yù)報模式的影響相當(dāng)小。而GPS/MET觀測系統(tǒng)可以進(jìn)行全天候的全球探測，加上觀測值的高精度和高垂直分辨率，使得NWP精度的提高成為可能。這樣，可以提高數(shù)值天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.氣候和全球變化監(jiān)測

全球平均溫度和水汽是全球氣候變化的兩個重要指標(biāo)。與當(dāng)前的傳統(tǒng)探測方法相比，GPS/MET探測系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定地提供相對高精度和高垂直分辨率的溫度輪廓線，尤其是在對流層頂和平流層下部區(qū)域。更重要的是，從GPS/MET數(shù)據(jù)計(jì)算得到的大氣折射率是大氣溫度、濕度和氣壓的函數(shù)，因此可以直接把大氣折射率作為“全球變化指示器”。