GPS大氣水汽探測方法與應(yīng)用研究

■　龍志軍　黃茜

（保靖縣氣象局湘西保靖416500）

GPS大氣水汽探測方法與應(yīng)用研究

■龍志軍黃茜

（保靖縣氣象局湘西保靖416500）

隨著GPS氣象學(xué)研究的進(jìn)一步深入以及相關(guān)探測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，GPS大水汽探測正逐步向業(yè)務(wù)化過渡，在國內(nèi)外氣象領(lǐng)域受到了高度重視。本文基于地基GPS氣象學(xué)理論和特點，對GPS大氣水汽探測方法與應(yīng)用情況進(jìn)行分析和探討，以期對氣象監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)及現(xiàn)有技術(shù)問題的解決有所幫助。

GPS水汽探測數(shù)據(jù)處理對流層模型

近年來，全球氣候異常情況頻繁出現(xiàn)，我國國土幅員廣闊，橫跨多個氣候區(qū)，各地都有極端天氣及氣候事件出現(xiàn)，這給生產(chǎn)生活帶來了很大的負(fù)面影響，在這種情況下，氣象監(jiān)測的重要性逐漸顯現(xiàn)，對其也提出了更高要求，如何趨利避害，使天氣更好地服務(wù)于人們的生產(chǎn)和生活，成為氣象工作乃至全社會關(guān)注的重點問題。水汽是大氣熱量傳遞的基質(zhì)，更是成云致雨的關(guān)鍵因子，水汽變化是大氣監(jiān)測的重要內(nèi)容之一，利用GPS探測技術(shù)對氣象進(jìn)行全天候觀測，通過數(shù)據(jù)處理反演大氣水汽含量等要素信息，可促進(jìn)大氣水汽探測業(yè)務(wù)化的實現(xiàn)，對提高天氣監(jiān)測預(yù)警和服務(wù)水平具有重要的意義。

1　地基GPS大氣水汽探測

1.1氣象特點

地基GPS氣象學(xué)通過在地面上布設(shè)的GPS接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)來接收從GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，可由此獲得各氣象要素信息，與常規(guī)水汽探測方法相比，GPS衛(wèi)星信號覆蓋范圍廣、不受天氣條件限制，可全天候觀測大氣變化和不間斷傳送水汽要素信息，通過該技術(shù)手段反演示大氣水汽的精度和時空分辨率更高，能夠滿足不同地區(qū)用戶的使用需求。當(dāng)然，地基GPS也存在一定的不足，其在穿過大氣層時信號會受到電離層和對流層的干擾，存在信號延遲現(xiàn)象，在利用GPS探測大氣水汽時需對天頂總延遲解算、干延遲計算及濕延遲轉(zhuǎn)換呈PWV出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析，以降低誤差對探測結(jié)果的影響[1]。

1.2探測方法

通過地基GPS探測方法可獲取大氣的可降水量（PWV），其具體流程為：GPS觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星精密軌道、地球物理參數(shù)和測站信息經(jīng)GAMIT軟件處理后，再對獲取的ZTD、ZHD和ZWD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終得到PWV，即分為觀測數(shù)據(jù)獲取、GPS數(shù)據(jù)處理和可降水量分析三個環(huán)節(jié)。經(jīng)長期研究和實踐，大氣水汽含量的獲取已較為成熟，在此主要對對流程模型和加權(quán)平均溫度回歸模型進(jìn)行探究。對流層富含水汽，與水相變相關(guān)的現(xiàn)象多在對流層，GPS信號通過對流層會出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，為了進(jìn)一步提高GPS測量精度，需建立模型將這種延遲計算出來。目前常用的對流層模型有Hopfield模型、Saastamoinen模型、Black模型等，通過對信號延遲對比和探空結(jié)果的綜合分析，Saastamoinen模型標(biāo)準(zhǔn)差異最小，適應(yīng)性更好；同時將延遲量轉(zhuǎn)換為水汽含量，還需獲得地基GPS站點的加權(quán)平均溫度[2]。相比較而言，回歸分析方法獲取的時空分辨率高于探空數(shù)值積分法，在此基礎(chǔ)上建立線性模型，可保證信息獲取的實時性，其具體步驟為：先獲取地面溫度、大氣溫度、濕度等樣本數(shù)據(jù)，再利用探空數(shù)值積分法獲取溫度差值，病進(jìn)行線性回歸分析，最終得出結(jié)論，事實證明，利用高精度加加權(quán)平均溫度可提高水汽含量測定的精度。

2　地基GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

2.1處理流程

GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)處數(shù)據(jù)處理有明確的技術(shù)方案和流程，以GAMIT軟件為例，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，首先要做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，其核心內(nèi)容是建立GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)所需的參照目錄和以年積日命名的工作目錄，前者包含rinex、eph、tables等，并將與之相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)和測占信息納入目錄中，涉及到pole、gdetic.dat、station.info、sittbl等；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測和GAMIT數(shù)據(jù)處理三個步驟，其中在GAMIT數(shù)據(jù)處理，參數(shù)設(shè)置好后，需將RINEX數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為X文件再進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，具體步驟為：X-fie→are→model→autcln→cfmrg→再次 model、autcln→solve [3]。

2.2初步應(yīng)用

通過Saastamoinen對流層模型和本地化加權(quán)平均溫度計算模型對GPS信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠發(fā)現(xiàn)地基GPS方法取得的延遲量在變化趨勢上與探空結(jié)果基本一致，而直接利用GPS方法取得了的延遲量相對較大，其原因在探空觀測范圍小于GPS衛(wèi)星到接收機(jī)天線的范圍，可見利用地基GPS方法具有可行性。大氣中水汽量與降水量之間存在著緊密的聯(lián)系，當(dāng)水汽含量達(dá)到飽和狀態(tài)時，即會發(fā)生降水，而在降水后，大氣中水汽含量也會相應(yīng)下降，通常GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)中各站點除了要配置GPD接收機(jī)外，還需配置雨量計等設(shè)備，其目的在于監(jiān)測水汽變化的同時還能預(yù)測降水量，通過全網(wǎng)數(shù)據(jù)對比，可為天氣預(yù)報提供準(zhǔn)確、可靠的參照依據(jù)。

3　結(jié)論

綜上所述，隨著各地區(qū)GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)的不斷完善以及GPS大氣水汽探測的成熟化，通過對全網(wǎng)覆蓋下大氣中水汽的實時三維監(jiān)測，氣象監(jiān)測預(yù)警和服務(wù)水平將會越來越高，而就當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀來看，GPS站網(wǎng)建設(shè)、數(shù)據(jù)處理優(yōu)化仍是實現(xiàn)GPS氣象監(jiān)測業(yè)務(wù)化必須要解決的技術(shù)問題之一。

[1]張云濤，程伯輝，白征東，等.應(yīng)用GAMIT軟件處理衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)大氣水汽方法的研究[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2014，10（1）:30-33.

[2]萬蓉.地基GPS大氣水汽反演技術(shù)研究與資料應(yīng)用[D].南京信息工程大學(xué)，2012.

[3]李國平.地基GPS水汽監(jiān)測技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報，2011，12（4）:385-392.

P228.4[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-3-307-1