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、不受時間地點約束等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用，目前已在氣象、定位、導(dǎo)航、測量、通信、授時等領(lǐng)域扮演著重要角色。GPS技術(shù)在氣象觀測技術(shù)中的應(yīng)用，是氣象研究領(lǐng)域的一次革命。本文對GPS定位技術(shù)的基本原理進行了詳細分析，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，重點分析了電離層監(jiān)測、對流層監(jiān)測、天氣預(yù)報、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)用提供了一個全新的視角。

關(guān)鍵詞 GPS；氣象觀測；天氣預(yù)報

GPS（Global Positioning System）一般指美國的全球定位系統(tǒng)，它產(chǎn)生于20世紀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、測量、通訊、授時等領(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)的測量，可以對未來近期的天氣情況進行較準確的預(yù)報，尤其是對極端天氣的預(yù)報更是起到了關(guān)鍵作用。

1 GPS定位基本原理

要通過GPS系統(tǒng)實現(xiàn)目標定位，需要一臺地面接收機用于接收空間衛(wèi)星系統(tǒng)的信號，該接收機至少需要同時收到4顆以上的衛(wèi)星信號才有可能對目標進行定位。接收機在對衛(wèi)星信號進行解碼時，需要C/A碼或P碼信號支持，以獲取衛(wèi)星軌道參數(shù)和時間，然后才能解算出接收機的當(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)和時間計算出衛(wèi)星的空間坐標，得到4顆衛(wèi)星以地心為原點的坐標后，由接收機自身的時鐘確定信號到達時間，再根據(jù)衛(wèi)星信號中包含的發(fā)送時間，得出信號由空間發(fā)送至地面的總時間，再計算出4顆衛(wèi)星的距離?？紤]到信號傳播會受到大氣環(huán)境的影響以及時間誤差的影響，此時計算得到的只是GPS接收機的大致位置，需要更復(fù)雜的算法進行修正后，才能得到接收機的準確位置。在氣象觀測中，GPS信號的傳輸會受到對流層和電離層的影響，從而造成信號延遲現(xiàn)象，對這種延遲進行的修正精度決定了GPS氣象觀測的精度[2]。

2 GPS在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

GPS技術(shù)在氣象觀測領(lǐng)域的應(yīng)用，大大提高了觀測范圍，使觀測實現(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)用是氣象觀測領(lǐng)域的一次革命，在電離層監(jiān)測、對流層監(jiān)測、天氣預(yù)報、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

電離層監(jiān)測是GPS技術(shù)在氣象觀測領(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)用奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。電離層對氣象有著重要的影響，是氣象觀測的重要方面。眾所周知，電離層由于外層高空，受到太陽輻射的影響十分強烈，而太陽輻射會帶來許多帶電離子，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)域的熱點之一?？紤]到電離層會對電波產(chǎn)生延時作用，因此GPS技術(shù)的引入使得這種延時可以得到精確的測量，從而可以對電離層構(gòu)建起一個更加完善的數(shù)學(xué)模型，大大推進了氣象學(xué)在電離層方面的研究進展。

2.2 對流層監(jiān)測

對流層是影響地面天氣的重要因素，通過對對流層的觀測，可以對地面天氣進行準確的預(yù)測，因此對流層監(jiān)測是現(xiàn)代天氣預(yù)報技術(shù)的重要應(yīng)用基礎(chǔ)。通過GPS系統(tǒng)，可以將穿越對流層的氣象數(shù)據(jù)以及電子濃度截面數(shù)值與地面數(shù)據(jù)進行對比、融合，形成一個包含大量有用信息的氣象圖譜，為天氣的預(yù)測提供了重要參考依據(jù)。對流層監(jiān)測當(dāng)前已成為許多自動氣象站的應(yīng)用功能之一，其精度和深度也在日益加深，成為推動氣象業(yè)務(wù)不斷走向科技化、自動化、數(shù)字化的重要動力。

2.3 天氣預(yù)報

天氣預(yù)報需要借助許多前沿科技手段，因此也形成了許多預(yù)測天氣的關(guān)鍵技術(shù)體系，其中包括傳統(tǒng)的數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)、無線電探空技術(shù)和氣象衛(wèi)星探測技術(shù)。數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)需要嚴重依賴于三維空間的溫、壓、濕和風(fēng)等數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)要求較高，但當(dāng)前采集這些數(shù)據(jù)的各種探測網(wǎng)絡(luò)很難滿足數(shù)值天氣預(yù)報對這些參數(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)進行，一般一天兩次；氣象衛(wèi)星技術(shù)是天氣預(yù)報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大氣觀測技術(shù)進入了人們的研究視野。GPS探測具有全天候、全球覆蓋、高精度、高垂直分辨率等絕對優(yōu)勢，我國已建成全國綜合性GPS大氣探測業(yè)務(wù)網(wǎng)、地基GPS數(shù)字化大氣探測網(wǎng)、局域準實時業(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

隨著工業(yè)的發(fā)展，人類生存環(huán)境日益惡化，全球氣候變化對人類生存的威脅不斷增加，因此對全球氣候變化進行監(jiān)測已成為各國全球合作的重要領(lǐng)域。GPS技術(shù)的應(yīng)用，使氣候變化監(jiān)測成為可能。當(dāng)前對氣候監(jiān)測主要依賴于全球平均溫度和水汽兩大指標，而GPS對這兩個指標的測量具有十分強大的能力。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

隨著人們對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氣象信息系統(tǒng)革命性進步。

參考文獻

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

[2] 杜明斌.GPS/MET在中尺度天氣預(yù)報中的應(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)測系統(tǒng)[J].計算機工程與設(shè)計，2013，34（11）：4041-4045.