GPS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用分析

陳東水

摘 要 GPS因其具有精度高、速度快、不受時(shí)間地點(diǎn)約束等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，目前已在氣象、定位、導(dǎo)航、測(cè)量、通信、授時(shí)等領(lǐng)域扮演著重要角色。GPS技術(shù)在氣象觀測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，是氣象研究領(lǐng)域的一次革命。本文對(duì)GPS定位技術(shù)的基本原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后在此基礎(chǔ)上全面闡述了GPS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了電離層監(jiān)測(cè)、對(duì)流層監(jiān)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、氣候變化等氣象應(yīng)用領(lǐng)域。本文的研究為GPS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個(gè)全新的視角。

關(guān)鍵詞 GPS；氣象觀測(cè)；天氣預(yù)報(bào)

GPS（Global Positioning System）一般指美國(guó)的全球定位系統(tǒng)，它產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，美好18顆衛(wèi)星按一定規(guī)律分布于6條不同的空間軌道而組成，最初是為軍事應(yīng)用而研發(fā)的，后來才逐漸走向民用。GPS目前已廣泛應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、測(cè)量、通訊、授時(shí)等領(lǐng)域。在氣象領(lǐng)域中，GPS主要應(yīng)用于溫度、氣壓、濕度等氣象參數(shù)的測(cè)量，可以對(duì)未來近期的天氣情況進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，尤其是對(duì)極端天氣的預(yù)報(bào)更是起到了關(guān)鍵作用。

1 GPS定位基本原理

要通過GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，需要一臺(tái)地面接收機(jī)用于接收空間衛(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)，該接收機(jī)至少需要同時(shí)收到4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)才有可能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。接收機(jī)在對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解碼時(shí)，需要C/A碼或P碼信號(hào)支持，以獲取衛(wèi)星軌道參數(shù)和時(shí)間，然后才能解算出接收機(jī)的當(dāng)前位置，從而完成一次定位過程[1]。其具體過程是，先通過衛(wèi)星軌道參數(shù)和時(shí)間計(jì)算出衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，得到4顆衛(wèi)星以地心為原點(diǎn)的坐標(biāo)后，由接收機(jī)自身的時(shí)鐘確定信號(hào)到達(dá)時(shí)間，再根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)中包含的發(fā)送時(shí)間，得出信號(hào)由空間發(fā)送至地面的總時(shí)間，再計(jì)算出4顆衛(wèi)星的距離?？紤]到信號(hào)傳播會(huì)受到大氣環(huán)境的影響以及時(shí)間誤差的影響，此時(shí)計(jì)算得到的只是GPS接收機(jī)的大致位置，需要更復(fù)雜的算法進(jìn)行修正后，才能得到接收機(jī)的準(zhǔn)確位置。在氣象觀測(cè)中，GPS信號(hào)的傳輸會(huì)受到對(duì)流層和電離層的影響，從而造成信號(hào)延遲現(xiàn)象，對(duì)這種延遲進(jìn)行的修正精度決定了GPS氣象觀測(cè)的精度[2]。

2 GPS在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

GPS技術(shù)在氣象觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，大大提高了觀測(cè)范圍，使觀測(cè)實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，在垂直分辨率上具有很高的精度，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定可靠，因此GPS技術(shù)的成功應(yīng)用是氣象觀測(cè)領(lǐng)域的一次革命，在電離層監(jiān)測(cè)、對(duì)流層監(jiān)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、氣候變化等領(lǐng)域有著十分深刻的影響[3]。

2.1 電離層監(jiān)測(cè)

電離層監(jiān)測(cè)是GPS技術(shù)在氣象觀測(cè)領(lǐng)域中的開端性應(yīng)用，它是GPS技術(shù)應(yīng)用于氣象領(lǐng)域的成功探索，為其他方面的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。電離層對(duì)氣象有著重要的影響，是氣象觀測(cè)的重要方面。眾所周知，電離層由于外層高空，受到太陽(yáng)輻射的影響十分強(qiáng)烈，而太陽(yáng)輻射會(huì)帶來許多帶電離子，其數(shù)量之大通常使地面生物無法接受，因此電離層起到了重要作用。電離層每時(shí)每刻都在與太空中的大量等離子體相互作用，并且這種作用的機(jī)理當(dāng)前并未完全得到解釋，因此成為氣象研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一?？紤]到電離層會(huì)對(duì)電波產(chǎn)生延時(shí)作用，因此GPS技術(shù)的引入使得這種延時(shí)可以得到精確的測(cè)量，從而可以對(duì)電離層構(gòu)建起一個(gè)更加完善的數(shù)學(xué)模型，大大推進(jìn)了氣象學(xué)在電離層方面的研究進(jìn)展。

2.2 對(duì)流層監(jiān)測(cè)

對(duì)流層是影響地面天氣的重要因素，通過對(duì)對(duì)流層的觀測(cè)，可以對(duì)地面天氣進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，因此對(duì)流層監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的重要應(yīng)用基礎(chǔ)。通過GPS系統(tǒng)，可以將穿越對(duì)流層的氣象數(shù)據(jù)以及電子濃度截面數(shù)值與地面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、融合，形成一個(gè)包含大量有用信息的氣象圖譜，為天氣的預(yù)測(cè)提供了重要參考依據(jù)。對(duì)流層監(jiān)測(cè)當(dāng)前已成為許多自動(dòng)氣象站的應(yīng)用功能之一，其精度和深度也在日益加深，成為推動(dòng)氣象業(yè)務(wù)不斷走向科技化、自動(dòng)化、數(shù)字化的重要?jiǎng)恿Α?/p>

2.3 天氣預(yù)報(bào)

天氣預(yù)報(bào)需要借助許多前沿科技手段，因此也形成了許多預(yù)測(cè)天氣的關(guān)鍵技術(shù)體系，其中包括傳統(tǒng)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)、無線電探空技術(shù)和氣象衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)需要嚴(yán)重依賴于三維空間的溫、壓、濕和風(fēng)等數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)要求較高，但當(dāng)前采集這些數(shù)據(jù)的各種探測(cè)網(wǎng)絡(luò)很難滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)這些參數(shù)的精度要求，因此其應(yīng)用有較大局限；無線電探空技術(shù)主要是采用高空氣象資料，但通常對(duì)于大陸上空區(qū)域比較有效，而在海洋上空區(qū)域一般應(yīng)用效率不高，無法得到有效數(shù)據(jù)，另外，無線電探空不能連續(xù)進(jìn)行，一般一天兩次；氣象衛(wèi)星技術(shù)是天氣預(yù)報(bào)中較前沿的專門化服務(wù)配套技術(shù)，通過氣象衛(wèi)星的回傳資料可以雖然目前氣象反扒溫廓線，但其垂直分辨率不高。在些背景下，GPS大氣觀測(cè)技術(shù)進(jìn)入了人們的研究視野。GPS探測(cè)具有全天候、全球覆蓋、高精度、高垂直分辨率等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，我國(guó)已建成全國(guó)綜合性GPS大氣探測(cè)業(yè)務(wù)網(wǎng)、地基GPS數(shù)字化大氣探測(cè)網(wǎng)、局域準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)化GPS氣象網(wǎng)，成為GPS在氣象領(lǐng)域應(yīng)用的重要里程碑。

2.4 氣候變化監(jiān)測(cè)

隨著工業(yè)的發(fā)展，人類生存環(huán)境日益惡化，全球氣候變化對(duì)人類生存的威脅不斷增加，因此對(duì)全球氣候變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)已成為各國(guó)全球合作的重要領(lǐng)域。GPS技術(shù)的應(yīng)用，使氣候變化監(jiān)測(cè)成為可能。當(dāng)前對(duì)氣候監(jiān)測(cè)主要依賴于全球平均溫度和水汽兩大指標(biāo)，而GPS對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的測(cè)量具有十分強(qiáng)大的能力。通過GPS技術(shù)，人們可以得到更高精度的更高垂直分辨率的溫廓線，特別對(duì)流層頂和平流層下部區(qū)域的溫度變化情況?，F(xiàn)代氣象研究結(jié)果表明，通過GPS觀測(cè)獲取的大氣折射率與全球大氣溫度、濕度和氣壓有著較明顯的函數(shù)關(guān)系，因此，大氣折射率成為全球氣候變化的重要指示器。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)氣象研究的逐漸深入，GPS技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，目前已成為自動(dòng)氣象站的核心組成部分之一，是關(guān)鍵的氣象參數(shù)采集設(shè)備。GPS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，必將帶來一次全新的自動(dòng)氣象信息系統(tǒng)革命性進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 張玉源，劉宏旺，莊品，等. GPS技術(shù)在氣象觀測(cè)中的應(yīng)用[J].科學(xué)與財(cái)富，2017，（9）：117.

[2] 杜明斌.GPS/MET在中尺度天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[D].南京：南京大學(xué)，2012.

[3] 王希，劉波，蘇寒松，等. 基于GPS/3G網(wǎng)絡(luò)的新型環(huán)境氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34（11）：4041-4045.