GPS大氣水汽探測方法與應用研究

■　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氣象學研究的進一步深入以及相關探測技術的廣泛應用，GPS大水汽探測正逐步向業務化過渡，在國內外氣象領域受到了高度重視。本文基于地基GPS氣象學理論和特點，對GPS大氣水汽探測方法與應用情況進行分析和探討，以期對氣象監測網建設及現有技術問題的解決有所幫助。

GPS水汽探測數據處理對流層模型

近年來，全球氣候異常情況頻繁出現，我國國土幅員廣闊，橫跨多個氣候區，各地都有極端天氣及氣候事件出現，這給生產生活帶來了很大的負面影響，在這種情況下，氣象監測的重要性逐漸顯現，對其也提出了更高要求，如何趨利避害，使天氣更好地服務于人們的生產和生活，成為氣象工作乃至全社會關注的重點問題。水汽是大氣熱量傳遞的基質，更是成云致雨的關鍵因子，水汽變化是大氣監測的重要內容之一，利用GPS探測技術對氣象進行全天候觀測，通過數據處理反演大氣水汽含量等要素信息，可促進大氣水汽探測業務化的實現，對提高天氣監測預警和服務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氣象學通過在地面上布設的GPS接收機網絡來接收從GPS衛星發射的信號，可由此獲得各氣象要素信息，與常規水汽探測方法相比，GPS衛星信號覆蓋范圍廣、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，能夠滿足不同地區用戶的使用需求。當然，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換呈PWV出現的誤差進行分析，以降低誤差對探測結果的影響[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觀測數據、衛星精密軌道、地球物理參數和測站信息經GAMIT軟件處理后，再對獲取的ZTD、ZHD和ZWD進行轉換，最終得到PWV，即分為觀測數據獲取、GPS數據處理和可降水量分析三個環節。經長期研究和實踐，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平均溫度回歸模型進行探究。對流層富含水汽，與水相變相關的現象多在對流層，GPS信號通過對流層會出現延遲現象，為了進一步提高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果的綜合分析，Saastamoinen模型標準差異最小，適應性更好；同時將延遲量轉換為水汽含量，還需獲得地基GPS站點的加權平均溫度[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值積分法，在此基礎上建立線性模型，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、濕度等樣本數據，再利用探空數值積分法獲取溫度差值，病進行線性回歸分析，最終得出結論，事實證明，利用高精度加加權平均溫度可提高水汽含量測定的精度。

2　地基GPS氣象監測網數據處理

2.1處理流程

GPS氣象監測網處數據處理有明確的技術方案和流程，以GAMIT軟件為例，在對數據進行處理之前，首先要做好數據準備工作，其核心內容是建立GPS氣象監測網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，并將與之相應的觀測數據和測占信息納入目錄中，涉及到pole、gdetic.dat、station.info、sittbl等；然后進行數據處理，包括數據格式轉換、數據質量檢測和GAMIT數據處理三個步驟，其中在GAMIT數據處理，參數設置好后，需將RINEX數據轉換為X文件再進行數據解算，具體步驟為：X-fie→are→model→autcln→cfmrg→再次 model、autcln→solve [3]。

2.2初步應用

通過Saastamoinen對流層模型和本地化加權平均溫度計算模型對GPS信息進行數據處理，能夠發現地基GPS方法取得的延遲量在變化趨勢上與探空結果基本一致，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衛星到接收機天線的范圍，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系，當水汽含量達到飽和狀態時，即會發生降水，而在降水后，大氣中水汽含量也會相應下降，通常GPS氣象監測網中各站點除了要配置GPD接收機外，還需配置雨量計等設備，其目的在于監測水汽變化的同時還能預測降水量，通過全網數據對比，可為天氣預報提供準確、可靠的參照依據。

3　結論

綜上所述，隨著各地區GPS氣象監測網的不斷完善以及GPS大氣水汽探測的成熟化，通過對全網覆蓋下大氣中水汽的實時三維監測，氣象監測預警和服務水平將會越來越高，而就當前應用現狀來看，GPS站網建設、數據處理優化仍是實現GPS氣象監測業務化必須要解決的技術問題之一。

[1]張云濤，程伯輝，白征東，等.應用GAMIT軟件處理衛星定位數據大氣水汽方法的研究[J].導航定位學報，2014，10（1）:30-33.

[2]萬蓉.地基GPS大氣水汽反演技術研究與資料應用[D].南京信息工程大學，2012.

[3]李國平.地基GPS水汽監測技術及氣象業務化應用系統的研究[J].大氣科學學報，2011，12（4）:385-392.

P228.4[文獻碼]B

1000-405X（2016）-3-307-1