GPS气象学的昨天今天和明天

GPS气象学的昨天、今天和明天摘要本论文概述GPS气象学从诞生至今的研究主线，对GPS气象学基本原理进行简单的介绍。较为全面、系统地分析了国内外GPS在气象学研究及应用方面的过去、现今状况以及在此领域广阔的应用前景。关键词GPSGPS气象学气温观测水汽观测高空风观测资料综合引言GPS技术的快速发展和日益成熟的标准和应用使其成为对地球观测的一种新的、更加有力的手段，已成功地在地球科学领域得到广泛利用。例如：地壳形变与板块运动监测，火山预警与地震监测和预报，电离层监测以及大气元素的监测和天气预报。在气象学科研究和业务领域里，GPS技术通过其成熟稳定性展现出广阔的应用前景。尤其是通信与电子工程中GPS领域对信号的处理技术愈加成熟，人们可以利用它进行大气遥感。GPS定位由于大气带来的无线电信号干扰曾经出现了延迟与噪音现象，由于通过信号处理，我们可以分离出噪音，因此通过一系列逆向过程，现在GPS信号已经可以进行大气中水汽含量测量，由水汽等影响天气的重要因素，可以更好的监测恶劣天气和气候变化研究。目前GPS已被WMO(世界气象组织)认定为高空观测系统中的重要组成部分。由此，诞生了GPS气象学（GPSMeteorology）这一新兴的交叉学科。由于大气科学和GPS技术的迅猛发展，GPS气象学已经成为当下以重要领域。1GPS气象学原理1.1GPS观测水汽与气温传统上对大气探测中最为重要的探测参数无非是气温、气压及水汽含量、风量、能见度等物理量。而探测方法主要是利用光学探测、无线电探测、红外探测及微波探测。作为传统的高空大气探测手段，无线电探测的观测数据精读较高，但是受地表与大气分布影响，导致区域性覆盖不均匀，且在地球这一海洋面积较多的表面几乎没有观测数据。但卫星遥感技术刚好可以弥补这一缺陷，当然，是在忽略不能获得较高的垂直分辨率的情况下。而利用GPS技术来进行遥感大气的优点在于：全球覆盖率高、费用低廉、精度高、垂直分辨率高（1km）。目前，利用GPS进行气象探测研究方面的数据已经表明：对干空气，从5～7km到35～40km的高度上，大气温度探测数据误差能控制在±1.0℃之内；可以通过反演模型得到精度达1mm的降水量数据；同时在垂直方面的高密度可完整解析出目前全球大气模式无法揭示的中尺度现象。正由于种种优点，让GPS技术成为高空大气探测最有效和最有发展前景的方法之一。类似于激光探测，GPS发出的无线电信号在穿过大气层的对流层是，会受到对流层大气的折射影响，电信号同光信号一样会发生弯曲和延迟，虽然弯曲量小于光信号，但延迟量却大大增加。在GPS精密定位测量中，大气折射的影响被当做主要误差源而要设法消除掉，叫做电信号去噪。光信号主要是通过对光源获取物成像图片进行图像复原已到达目的，目前技术较为成熟。而大气折射对GPS信号的影响作为一对正逆问题，可以通过去噪过程求得大气折射量。因此诞生了GPS气象学，同时让GPS气象学成为一门前沿学科。由于电波在大气中的延迟△L与大气折射量有如下关系NdsdssL106]1)(n[其中CCsn/)(0称为折射指数,C是真实的波速，0C是真空中的光速。N称为折射率，并且610]1)([snN。GPS信号在大气中的总延迟是对流层大气延迟与电离层大气延迟之和，而后者通过GPS双频技术几乎可以完全消除，因此GPS软件解算的对流层天顶总延迟可求得大气折射率。而大气折射率主要影响参数是气温、气压和水汽压力，已有现成构造函数。如，0.5%精度的对流层大气折射率计算公式为）（TPTPN2v5/1073.3)/(6.77其中P为大气压（hPa),Pv为水汽分压（hPa），T为大气温度（K）。这样就可以通过一定处理方法得到我们所需要的大气物理量数据。1.2GPS测风GPS探空测风系统由GPS无线电探空仪、地面GPS接收机、GPS卫星观测网以及计算机数据处理系统四部分组成，其测风原理为：：在高空探测过程中，无线电探空仪和地面站均装有GPS天线，可接收由24颗GPS卫星组成的全球高精度定位导航系统中最少4颗卫星发出的信号。地面站接收到GPS信号后会选出所需数据，再加入有关卫星轨道的数据，便可计算出无线电探空仪的位置，从而计算出高空风向、风速以及气压、气温和湿度。与传统无线电探空仪相比，GPS测风系统的准确度极高，可探测到探空仪所在大气中更为准确的气象数据，并且不易受闪电及雷暴等恶劣天气影响，因此正成为下一代高空气象探测系统中新的重要的成员。2GPS气象学分类根据观测站设置的空间位置分布，可以将GPS气象学分为以下两类：2.1地基GPS气象学地基顾名思义是将GPS接收机安放在地面上，像常规通信基站类似，通过地面布设接收机系统、地面数据分析系统来估算某地区的气象要素。当然人工数据分析也是曾经GPS气象学的鼻祖。目前则更趋向于自动化。2.2空基GPS气象学空基则是将GPS接收机安装在低轨道微信商。当GPS信号与卫星上GPS接收机连线经过地球上空对流层大气时，GPS信号像前述一样发生折射。这种探测大气折射的技术被称为GPS无线电掩星探测法。空基则表现出了覆盖广、垂直分辨好、数据获取的时效性等优点，可以弥补地基GPS探测无法取得海洋资料的缺点。因此，在经过多年的发展后，GPS探测技术从最原始的地基人工采集数据到现在卫星实时传输、处理数据，对大气折射信息处理，已经对全球大气探测领域产生了举足轻重的影响。3GPS气象学诞生、研究现状以及展望3.1GPS气象学初露头角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。最初作为美国军方气象探测研究领域重要部分。在进20年的发展中，已经成功组织了数次较大规模的GPS观测试验，取得了一系列研究成果并且运用于大气研究和气象预报业务中。20世纪90年代中期以来，我国也逐步开展了地基GPS观测在气象学中应用的研究和业务试验工作。3.2GPS气象学研究现状地基GPS／MET技术已基本成熟，正由研究向业务应用转化，该类产品的业务应用正处于试验和评价阶段。近年来，地基GPS／MET技术也有新的发展，如开展斜向延迟量观测来获得斜向可降水量、采用水汽断层扫描成像技术揭示大气水汽场的三维分布特征、进行移动平台GPS观测试验(例如在远洋船舶上设置GPS接收站)。随着空基GPS／MET探测的发展以及人类了解外空气象的需要，空基GPS／MET将得到迅速发展，因此空基GPS／Mgr的试验和研究已成为GPS未来发展的一个重要的热门方向除了以上重点介绍的利用GPS遥感大气水汽含量和GPS高空测风系统之外，GPS还具有广阔的潜在应用前景。例如，由于GPS技术探测大气数据具有覆盖范围广、高垂直分辨率、高精度和长期稳定的诸多优点，这对恶劣天气、暴雨的监测和临近天气预报、数值天气预报、气候变化和全球变化的监测等都将产生重要的影响。在天气预报模式必须用三维温度、压力、湿度和风等资料作为求解大气控制方程的初值。目前GPS遥感的大气水汽含量在短期天气预报的时效性、准确性和可靠性还有待提高，正处于探索、评估阶段。其主要潜在的应用方向有：（1）天气预报和临近预报。作为地球局部环流、地形以及降水时段、强度和范围等因子的关系，将其直接用于剧烈天气过程。（2）资料同化。对天气资料的提取让变分同化分析使得GPS气象学资料有稳定来源。（3）模式校正。使用高时空分辨率的GPS水汽观测作为独立的数据源，可用于数值预报模式水汽场输出结果的校正。3.3GPS气象学前景展望在未来大气探测系统中，在地基GPS组网遥测水汽、GPS测风探空仪、GPS大气臭氧探空仪、LEO空基GPS技术、自动气象站GPS自动授时系统、人工影响天气过程中作业飞机的GPS轨迹以及GPS与其他探测手段相结合等诸多方面，GPS技术将广泛应用于大气探测业务，以获取更多、更高精度的气象信息。人造卫星与弹道导弹轨迹校正无一不通过一定气象资料进行。因此在这方面GPS技术可能在此发挥独特、重要的作用。大型野外气象科学实验。大气科学研究的是全球大气成份以及运动和变化。经常会需要组织区域性、全球性的科学观测试验，而GPS技术在通信、数据传输等方面仍可以发挥重要的作用。综上所述，GPS技术的发展只是刚刚展露头角。不远的将来，在全球气象业务观测系统和大型野外科学实验中，GPS将会对气象学添砖加瓦。通过优势互补，让气象学发展更进一步。