GPS气象学研究报告_gps气象学课件解析

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GPS气象学学习报告

摘要：GPS气象学是由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出的一门学科，是卫星导航与定位系统技术在地球大气探测中的最新应用。本文对GPS气象学的产生、分类、研究现状以及应用进行了详细介绍，并在最后对GPS气象学的发展前景进行了展望。

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引言

随着GPS技术的迅猛发展和日臻成熟，首先在美国兴起了一门新兴边缘学科——GPS气象学，该学科由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出，是卫星导航与定位系统技术在地球大气探测中的最新应用。GPS观测资料在大气探测、天气变化监测和数值天气预报模式中应用的优越性以及取得的初步成功，使GPS气象学在不到十年的时间内很快发展成为一个崭新的、极具应用潜力的GPS研究及应用的重要领域。本文主要对GPS气象学的产生、分类、研究现状以及应用进行了详细介绍。并在最后对GPS气象学的发展前景进行了展望。

一．GPS气象学分类

在气象科学研究和业务应用方面，GPS技术已展示出广阔的应用前景。20世纪90年代以来，人们已开始利用GPS理论和技术来遥感地球大气。例如多路径效应是GPS定位中的一种噪音，至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”，但人们从大气对GPS信号延迟的噪声处理的逆问题，发展出了利用GPS信号测定大气水汽含量及温度的一种新手段，从而为更好地监测恶劣天气和气候变化提供了新的技术支持。现在GPS气象探测已成为WMO(世界气象组织)21世纪新的全球综合高空观测系统的重要组成部分。由此，以GPS技术在气象学研究及应用为主要内容形成了一门新兴的交叉学科，称为GPS气象学(GPS/MET eorology，简写为GPS/MET)。

根据GPS/MET观测站的空间分布特点，可将GPS气象学分为以下两类： 1．地基GPS气象学

地基GPS气象学(Ground-based GPS/MET，也称地面GPS气象学)是将GPS接收机安放在地面上，像常规的GPS测量一样，通过地面布设GPS接收机网络，来估计某个地区的气象要素。

2．空基GPS气象学

空基GPS气象学(Space-borne GPS/ MET，也称星基GPS气象学)是利用安装在低轨卫星(Low Earth Orbit，简称LEO)上的GPS接收机来接收GPS信号。当GPS信号与LEO卫星上GPS接收机的连线经过地球上空对流层大气时，GPS信号会发生折射，把这种测量大气折射的技术称为GPS无线电掩星探测方法(Radio Occultation)，简称掩星法(RO)。该方法是20世纪60 年代美国JPL和斯坦福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数据的处理，可算出大气折射量从而得出我们所需要的气象要素值。空基GPS掩星法测定大气的技术具有覆盖面广、垂直分辨好、数据获取速度快等优点，可获得地基GPS/MET不易取得的海洋上的资料，对于改进区域及全球数值天气预报相当重要。

由此可见，无论是地基GPS/MET还是空基GPS/MET，其目标是一样的，即获得大气折射量。不同之处在于空基GPS/MET的数据处理过程更复杂一些，因为安装在LEO卫星上的GPS接收机跟GPS卫星一样也在运动，而且在接收机所接收到的所有卫星信号中，并不像地面上的接收机那样必定包含大气折射信息。

二．国内外GPS气象学研究现状

GPS气象学的研究于20世纪80年代后期，最先在美国起步，进行了多次试验。在美国取得较理想的试验结果后，其他发达国家如日本、德国、瑞典等也开始重视GPS气象学，已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开始应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相关研究。下面，主要从地基GPS气象学和空基GPS气象学两个方面来介绍GPS气象学的研究现状。

1．地基GPS气象学及GPS业务网

在区域性GPS连续运行站网和综合服务系统应用于气象方面，一些发达国家已取得了重要进展。美国布设了GPS“连续运行参考站系统”(CORS)，该系统主要目标之一就是确定大气中的水汽分布，另外还可利用此GPS网络系统获得、传输气象数据。美国NOAA(国家海洋和大气局)现已能够实时处理国内100多个GPS站点的资料，并计划将全国的GPS站点扩展到1000 个。

德国拥有密集的地基GPS网，在GPS/MET的研究方面也十分活跃。英国负责建立的“连续运行GPS参考站”(COGPS)系统的功能和目标类似于美国的CORS，但结合英国本土情况还增加了监测英伦三岛周围的海平面相对和绝对变化的任务。

日本在国土地理院(GSI)的组织下已建成近1200个GPS连续运行站网(GEONET，GPS Earth Observation Network)，站间距为15～30 km，这是目前世界上最大的、最密集的用于地球科学研究的GPS国家观测网。目前它在以监测地壳形变、预报地震以及计算大气可降水量、研究与大气水汽变化相关的天气变化为主要功能的基础上，联合气象研究和业务部门正开发利用GPS资料的四维同化业务系统，如日本气象厅气象研究所(MRI)正在发展一种用于中尺度数值模式的GPS 数据变分同化系统，以提高数值天气预报模式的模拟和预测水平。1998～2003 年，在GSI 牵头下日本实施了为期五年的日本GPS气象学观测和研究计划(GPS/MET Japan)，特别是于2000年秋季和2001年春季在筑波地区202km的范围内进行了2次GPS高密度观测网试验(Tsukuba GPS Dense Net Campaign)，目的是探测几公里量级的小尺度水汽变化并用于短时雷暴、暴雨等灾害性天气的预报。试验区域内集中设立了75个GPS接收点和22个地面气象观测点，其GPS接收站点的间距达到空前的1～3 km。

2．空基GPS气象学及相关技术

由美国大学大气科学研究联盟(University Corporation for Atmospheric Research，简称UCAR)主持、代号为GPS/MET的试验，通过发射一颗代号为Microlab-1的低轨卫星对GPS卫星进行掩星观测，可以决定5～45 km高度范围内高分辨率的温度廓线以及5km高度以下大气水汽压的垂直分布。美国2000年4月发射的CHAMP卫星也是利用GPS掩星法进行全球对流层折射(包括大气可降水量)的测定，还有阿根廷的SAC-C也是类似的掩星观测计划。

为了获得足够多的地面掩星点资料用于全球和局部天气预报和大气研究，美国UCAR、JPL和海军研究实验室与我国台湾太空计划办公室合作，与1997年联合制定并将于2005年实施的耗资1亿美元的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate，即气象、电离层及气候星座观测系统)计划由卫星、地面数据接受和卫星控制站数据分析中心和数字通讯网络等几个部分组成，这是继单颗LEO卫星进行GPS掩星探测大气试验(GPS/MET计划)后推出的一个星座观测计划。该计划将在2005年发射6颗LEO卫星，形成LEO卫星星座，预计每颗LEO可获得500个大气廓线观测数据，整个星座每天可产生全天候、覆盖全球的3000次掩星事件，这将有力增强目前的全球大气观测系统。

德国已为空基GPS/ MET的研究发射了两颗小卫星。在GPS/MET Japan计划于2003年结束之后，日本大地测量界和气象界目前也正酝酿着一个有关空基GPS气象学的观测计划。

3.国内GPS气象学的研究进展 20世纪90 年代，中国科学院上海天文台的王小亚等在我国较早开展了地基GPS气象学及其在恶劣天气分析中应用的研究。随后，在全国范围展开了广泛的研究。

在遥感大气水汽方面，我国的专家学者做了大量的研究。丁继新等人用GPS数据解算出对应的大气水汽总量。何平等进行了地基GPS长时间连续估测大气水汽总量的外场试验。梁丰等在我国气象界首次进行了区域性地基GPS网遥感大气水汽总量试验资料研究。程晓等利用GPS反演得到两极的水汽含量。宋淑丽等则通过GPS站网的资料，分析了GPS水汽监测在气象研究中的作用。杜瑞林等用地基GPS资料分析大气可降水汽总量，得出地基GPS遥感水汽量变化与地面降水有很好的相关性。陈俊平等对GPS监测的大气可降水量与水汽辐射计观测的水汽含量进行了对比研究。而中国科学院的王勇等也在大气可降水汽量和大陆水汽变化等方面进行了大量的研究，为我国气象研究和气象预报提供了很有价值的资料。

在卫星微波水汽和云水反演方面，陈洪滨等讨论了测水汽总量的最优波长，提出了云水总量的一个反演算法，还提出了利用接收星载微波发射机的辐射强度变化遥感云水总量的建议。曹云昌则将地基GPS水汽和延迟资料同化到数值预报模式中，评价了GPS观测资料对数值预报的影响。

在地基光学遥感方面，毛节泰等把地基气溶胶遥感和MODIS气溶胶产品相结合，分析了气溶胶区域变化特征。

在云量的遥感上，采用全天空成像辐射仪进行云和晴天辐射参数的遥感是一个必然的方向，我国的霍娟和吕达仁已得到初步结果。

在空基GPS气象研究方面，我国也在开展利用低轨卫星组网接收GPS卫星的掩星信号来反演全球温度与水汽廓线的研究，并在同化的优化算法研究中已取得了进展。刘经南等跟踪介绍了国外GPS空基探测应用的计划，蒋虎等则在反演方法、误差方面进行了比较深入的研究，王鑫等对GPS掩星进行了仿真研究，Li等开发了用于空基GPS资料同化的四维变分同化算子。

在GPS探测大气水汽应用于天气预报的业务工作方面，上海的GPS综合应用网(SCGAN)于2002年6月投入正式运行，大大提高模式对降雨量的预报能力。

另外，GPS探测的试验也被广泛地应用于气象研究的外场试验中，如中国气象科学研究院和中国地震局地壳运动观测网络中心在华南暴雨试验中进行了GPS观测。

三．GPS气象学应用

随着GPS气象学研究的深入和进一步发展，GPS气象学也在各个领域有个重要的应用，主要有以下几个领域：

1．水汽观测

中国科学院上海天文台的学者在我国较早开展了GPS气象学及其在剧变天气分析中的应用研究。从20世纪90年代起分别开展了地基GPS气象学、空基GPS气象学以及GPS 无线电掩星反演大气廓线的研究工作。由于折射指数和气象变量有一定关系，因此通过地基GPS气象学的一些最新观测手段和分析技术，如通过GPS 倾斜观测(即沿GPS卫星的方向)获得斜向路径延迟(SlantPath Delay，简称SPD)和斜向气象量，如斜向水汽量(Slant Water Vapor，简称SWV)，再采用断层扫描成像技术(Tomography，又译为层析成像)可反演出大气温度、水汽廓线的概貌，但由于受观测网几何形状及斜向延迟中噪声的制约，目前还不能捕获廓线的细节。因此，GPS倾斜观测及其斜向水汽的反演正成为地基GPS/MTE研究的一个新热点，美、日等国已在该领域进行了不少试验和研究。

2．GPS资料同化

为提高数值天气预报的能力，更具吸引力的应用是将大气折射角(Refraction Angle)、GPS数据反演的大气水汽总量(即GPS-PWV)等物理量直接同化到高分辨率的全球或中尺度天气预报模式中去，以提高数值天气预报的精确性。

因为对于通常情况下接收的天顶总延迟资料，虽然无法反演出大气温度和湿度的垂直廓线，但可利用折射指数或折射角的GPS观测值进行资料同化，即将GPS原始观测的折射角直接同化到数值天气预报系统中去，以便为数值预报模式提供更准确的初始场资料。

在GPS气象资料同化研究中，除大气折射角数据外，GPS-PWV也可作为一个强约束条件引入中尺度数值天气预报模式，以到达改进水汽场的分析质量、提高预报准确率的目的。德国与丹麦、芬兰合作，已建立了20多个GPS接收站获取GPS-PWV资料并用于数值模式的资料同化方案中。

3．GPS测风

利用GPS技术探测高空风也是一项极具潜力的应用。传统的无线电探空系统花费的人力、物力和时间都是巨大的。而应用GPS探空仪测风，其探测精度高、能实现自动跟踪，并易于进行资料采集及后期处理的全自动化，节省人力、物力。另外，GPS接收机体积小、重量轻、携带方便，可取代地面观测站庞大的测风雷达。另外，可方便地进行非常规的气象观测，如进行机载下投式探空观测或在原来无法设站的高原、海洋上用GPS探空进行特殊的实时加密观测。芬兰、英国等国已进行了GPS测风试验，并已研制出相应的样机，对比试验的结果证明：GPS 测风系统稳定、可靠并与风廓线雷达测风结果一致。因此，GPS探空测风系统将在未来的高空气象探测业务中扮演重要角色。

香港天文台从1997年开始在高空气象观测业务工作中使用了GPS测风技术。中国气象656气象科学25卷局也就GPS高空气象探测系统进行了技术论证并开始研制工作，已在“2001～2015年气象事业发展规划”中计划推进GPS新型探空系统的业务布点。信息产业部第20所也已研制出GPS气象数据探空仪。

4．GPS定位功能的气象应用

中国科技大学和中国气象科学研究院已联合开发、研制出单站GPS闪电定位系统。其利用GPS卫星提供的连续不断、高精度的时间信号，在大面积联网探测中确定不同站点测得的是否属于同一闪电，从而可更准确地确定出区域范围内闪电的空间分布，因此GPS技术在防御雷电灾害的工作中也有重要应用。在开发空中水资源的人工增雨以及防灾减灾的消雹等人工影响天气作业中，3S技术也可在业务指挥系统中发挥积极的作用。

江西省气象科学研究所1999年完成了“微型无人驾驶飞机气象探空系统”的研究，该成果融合了GPS、自动控制、数字通信及大气探测等高新技术，为我国高空气象观测提供了一种新的手段，同时在环境评价、地球环境遥感及空中监测等方面具有广泛的用途。

5．全球变化监测

为了更好地监测温室效应产生的全球暖化效应，现已利用GPS、测高雷达，结合传统的水准测量和验潮技术来监测海平面变化。美国、德国、西班牙在大西洋沿岸建立了16个GPS监测站对海平面变化进行监测;美国在南阿拉斯加建立了10个GPS测站监测冰川的变化;在南极、格陵兰人们已开始用GPS结合卫星测高、合成孔径雷达干涉测量技术来监测冰盖的变化。1994年我国也参加了由多个国家在南极的观测站参加的“国际南极GPS 会议”，研究南极板块运动及南极地形变化。我国还计划在沿海地区建立多个GPS监测站，结合卫星测高和验潮站，监测沿海地区海平面的变化。

另外，从GPS/MET数据计算的大气折射率是大气温度、湿度和压力的函数，因此大气折射数据也可作为“全球变化指示器”直接用于全球变化的监测和研究。

6．空间气象学

随着国际上一系列掩星观测计划(GPS/MET，Orsted，Sunsat，SAC-C，CHAMP)的实施和即将实施(COSMIC，ACE)，有望通过全天候、覆盖全球的大量掩星事件，获得更多、更详细的大气廓线观测数据，这些研究结果有望在气象监测、天气预报、空间天气预报等方面发挥重要作用，展现出利用GPS 掩星技术监测全球大气变化、开展空间天气预报的广阔应用前景。

作为COSMIC计划的组成部分，我国台湾“中华卫星三号”(简称华卫三号，ROCSA T-3/COSMIC)计划由6颗低轨道小卫星组成星座，并结合美国GPS卫星，探测涵盖全球的大气层及电离层，增强实时监测、预报地球天气和外空天气的能力。

在GPS 应用于对流层监测研究中，国际GPS 服务站(IGS)网的快速轨道和预报轨道信息对于空间天气预报有重要作用。而GPS 在监测电离层方面的应用，也极大地促进了GPS 空间气象学、空间天气预报的形成和发展。

四、总结与展望

通过对GPS气象学进行相关介绍，可以看出地基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)。对于地基GPS气象学的这些发展，无疑将会使GPS应用到更广泛的领域，促进交叉学科的深入发展。

对于空基GPS/MET技术来讲，随着空基GPS/MET探测的发展和人类了解外空气息的需要，空基GPS/MET的试验和研究也已经成为GPS/MET未来发展的一个重要方向，并将会取得更多的研究进展和应用价值。当然，任何技术都不是十全十美，目前GPS技术本身就还存在一些问题，如GPS和SLR(卫星激光测距)这两种独立的测量技术存在尺度上的系统误差，GPS卫星天线相位中心偏差的不确定性以及GPS 测量可能存在的周年变化效应等。这些问题都会对GPS气象学的研究和应用产生不良的影响。因此，在GPS气象学研究应用过程中，也需要注意与其它大气探测手段有机结合、优势互补。

综上所述，GPS气象学具有广阔的发展前景，它是交叉学科的产物，它的进一步发展既能够拓宽GPS的研究领域，又能够为气象学研究提供强有力的工具。虽然该项技术还有许多缺陷和问题，但是在不久的将来，在全球气象业务观测系统、大型野外试验计划等诸多应用中，GPS/MET 技术将占居重要地位。而且，随着GPS新的探测方式、更好的资料反演方法和资料同化技术的不断涌现，GPS气象学对大气温度、水汽及风场观测结果的可靠性也会不断提高，这都会促进GPS气象学的蓬勃发展。

参考文献：

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