GPS技術在氣象觀測中的應用

張玉源　劉宏旺　莊品　張放

一、前言

GPS技術經過20多年的發展，其應用研究及應用領域得到了極大的擴展，其中一個重要的應用領域就是氣象學研究。利用GPS理論和技術來遙感地球大氣，進行氣象學的理論和方法研究，如測定大氣溫度及水汽含量，監測氣候變化等，叫做GPS氣象學（GPS/MET eorology，簡寫為GPS/MET）。GPS氣象學的研究于80年代后期最先在美國起步，在美國取得理想的試驗結果之后，其他國家如日本等也逐步開始GPS在氣象學中的研究。

二、GPS氣象學簡介

大氣溫度、大氣壓、大氣密度和水汽含量等量值是描述大氣狀態最重要的的參數。無線電探測、衛星紅外線探測和微波探測等手段是獲取氣溫、氣壓和濕度的傳統手段。但是它們與GPS手段相比，就可明顯地看出傳統手段的局限性。無線電探測法的觀測值精度較好，垂直分辨率高，但地區覆蓋不均勻，在海洋上幾乎沒有數據。被動式的衛星遙感技術可以獲得較好的全球覆蓋率和較高的水平分辨率，但垂直分辨率和時間分辨率很低。利用GPS手段來遙感大氣的優點是，它是全球覆蓋的，費用低廉，精度高，垂直分辨率高。根據1995年4月3日美國發射的用于GPS氣象學研究的Microlab-1低軌衛星的早期結果顯示，對于干空氣，在從5-7 km到35-40 km的高度上，所獲得的溫度可以精確到±1.0℃之內。正是這些優點使得GPS/MET技術成為大氣遙感的最有效最有希望的方法之一。

當GPS發出的信號穿過大氣層中對流層時，受到對流層的折射影響，GPS信號要發生彎曲和延遲，其中信號的彎曲量很小，而信號的延遲量很大，通常在2.3 m左右。在GPS精密定位測量中，大氣折射的影響是被當作誤差源而要盡可能將它的影響消除干凈。而在GPS/MET中，與之相反，所要求得的量就是大氣折射量。通過計算可以得到我們所需的大氣折射量，再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數關系可以求得大氣折射率。大氣折射率是氣溫T，氣壓P和水汽壓力e的函數，通過一定關系，則可以求得我們所需要的量。

三、GPS氣象學分類

根據GPS/MET觀測站的空間分布來分類，可以分為兩大類：

①地基GPS氣象學（Ground-based GPS/MET）

②空基GPS氣象學（Space-based GPS/MET）

地基GPS氣象學就是將GPS接收機安放在地面上，象常規的GPS測量一樣，通過地面布設GPS接收機網絡，來估計一個地區的氣象元素。

空基GPS氣象學就是利用安裝在低軌衛星（Low Earth Orbit，簡稱為LEO）上的GPS接收機來接收GPS信號。當GPS信號與LEO衛星上GPS接收聯線經過地球上空對流層時，GPS信號會發生折射。這一測量大氣折射的方法叫做掩星法，該方法是20世紀60年代美國噴氣推進實驗室JPL和Stanford大學為研究行星大氣和電離層而發展起來的。通過對含有折射信息的數據進行處理，可以計算出大氣折射量而估計出我們所需要的氣象元素的大小。

但無論是地基GPS/MET還是空基GPS/MET，其目標都是一樣，即計算出大氣折射量。其不同之處在于空基GPS/MET涉及的數據處理更麻煩一些，因為安裝在低軌衛星上的GPS接收機跟GPS衛星一樣，也是運動的，而且在接收機接收到的所有衛星的信號中，并不像地面上的接收機那樣，所接收到的衛星信號中必定包含有大氣折射信息。

四、GPS氣象學的原理

在GPS數據處理時，一般是像對待基線向量一樣，將大氣折射量視為未知參數進行估計的。在數據處理中通常是根據觀測時間的長短、基線的長短、觀測時的氣象條件等因素，來決定大氣折射未知參數估計的個數。通過這種辦法估計出來的大氣折射量的精度很高，一般可至毫米級。而大氣折射量的大小是由GPS信號穿過對流層時沿經路徑上的大氣折射率n決定的，某處的大氣折射率n是該處的氣壓、溫度和濕度的函數。因此可以建立起大氣折射量與氣象元素之間的關系。為方便起見，定義折射數N=（n-1）×106。在處理對流層大氣折射時一般是將空氣分為兩部分，一部分是干空氣，另一部分是濕空氣。GPS信號延遲中，濕空氣所占的比重比干空氣所占的比重要小得多，但濕空氣這一部分的變化要比干空氣的變化要大，而且比干空氣更不穩定。濕空氣的變化難以估計，是造成大氣折射量估計不準的主要原因，這也影響著后來的氣象元素的計算準確性。

五、GPS/MET的應用前景

GPS/MET探測數據具有覆蓋范圍廣（全球）、高垂直分辨率、高精度和高長期穩定的特點。對它的研究將給天氣預報、氣候和全球變化監測等領域產生深刻的影響。

1.天氣預報

我們知道數值天氣預報（NWP）模式必須用3維溫、壓、濕和風數據作為初值。目前提供這些初始化數據的探測網絡的時空密度極大地限制了預報模式的精度。無線電探空資料一般只在大陸地區存在，而在重要的海洋區域，資料極為缺乏。即使在大陸地區，探測一般也只是每隔12h進行一次。雖然目前氣象衛星資料可以反演得到溫度輪廓線，但這些輪廓線有限的垂直分辨率使得它們對預報模式的影響相當小。而GPS/MET觀測系統可以進行全天候的全球探測，加上觀測值的高精度和高垂直分辨率，使得NWP精度的提高成為可能。這樣，可以提高數值天氣預報的準確性和可靠性。

2.氣候和全球變化監測

全球平均溫度和水汽是全球氣候變化的兩個重要指標。與當前的傳統探測方法相比，GPS/MET探測系統能夠長期穩定地提供相對高精度和高垂直分辨率的溫度輪廓線，尤其是在對流層頂和平流層下部區域。更重要的是，從GPS/MET數據計算得到的大氣折射率是大氣溫度、濕度和氣壓的函數，因此可以直接把大氣折射率作為“全球變化指示器”。