GPS-MET數據整合研究及實現

李濤 劉俊宏 李亞玲

摘? 要： GPS-MET探測精度較高，并且能進行全天候觀測，所以歷來受到氣象部門的高度重視。文章針對四川省氣象局現有GPS-MET站點和地震局共享的站點，根據四川的實際情況和數據處理流程，研究地震局站點數據和氣象部門站點數據在現有的氣象通信系統上統一數據整合和數據融合的方法，并提供上行傳輸和共享服務，為數據解碼應用和數值天氣預報研究提供可靠數據支持。

關鍵詞： GPS-MET; 氣象通信系統; 數據整合; 共享服務

中圖分類號：P413? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2018）12-01-02

Abstract： GPS-MET detection is highly accurate and can be observed in all-weather， so it has always been highly valued by the meteorological department. This paper focuses on the existing GPS-MET stations of Sichuan Meteorological Bureau and the stations shared by the Seismological Bureau. Based on the actual situation of Sichuan and the data processing， this paper studies the method of unified data integration and data fusion on the meteorological communication system， and provides uplink transmission and sharing services， which provides reliable data support for the data decoding application and numerical weather prediction research.

Key words： GPS-MET; meteorological communication system; data integration; shared services

0 引言

水汽在大氣能量循環和天氣系統演變中起著很重要的作用，它也是災害性天氣形成和發展的重要因素。雖然目前水汽探測手段有很多，但總是存在諸多限制。伴隨著GPS技術迅速發展和應用領域不斷擴大，研究人員也愈來愈關注GPS水汽數據在大氣研究和天氣預報中的應用。研究表明：GPS探測與其他探測手段相比，具有高時效性、時間分辨率高、易于維護和更新、費用較低、全天候觀測、受大氣中氣溶膠粒子影響較小等優點。因此GPS探測技術[1-3]的這些優點使其能對大氣進行有效監測，并且豐富了現有的大氣探測手段，對完善氣象預測系統以及加強短臨天氣預報系統的建設有積極意義，而且對重大天氣預報預警和氣候預測具有促進作用。

目前氣象部門的GPS站點建設很有限，但是地震部門和測繪部門也有站點建設，考慮到部門間的數據共享，就可以把這些GPS數據進行統一的整合和融合，然后在部門間進行數據共享。本文針對于地震部門和氣象部門的GPS-MET數據，把兩者在氣象通信系統上進行集中整合處理，形成規范的數據文件，提供給后端進行數據反演、解碼和共享應用，并且為數值天氣預報提供數據輸入。

1 GPS-MET的原理

GPS衛星的核心是一個高質量的振蕩發射器，發射的L波段無線電波信號，根據發射頻率不同有兩種：L1（1.575 42 GHz）和L2（1.227 6 GHz）。無線電波在穿過大氣層時受到電離層電子作用以及對流層大氣對電波的折射作用，引起電波速度減弱或者傳播路徑發生改變，從而造成電波信號的延遲。受到電離層影響的部分稱為電離層延遲，受到對流層大氣影響的部分稱為對流層延遲。對流層延遲的主要原因是：大氣中自由干燥氣體對電波的折射，且大氣中的水汽也可以引起電波傳播的延遲。因此，利用GPS處理軟件可以估計對流層延遲，然后通過對這種延遲的監測來反演大氣折射率情況，然后來實現遙感大氣中可降水量。

2 GPS-MET數據應用和整合

2.1 GPS數據的應用

數值天氣預報（Numerical Weather Prediction）越來越占有很大的分量，但是它在制作過程中必須用三維溫、壓、濕和風數據作為初始值，然后進行演算。目前，提供這些初始化數據探測網絡的時空密度限制了預報模式的精度。目前探空資料一天兩到三個時次，時空的密集程度遠不能滿足數值天氣預報的要求。氣象衛星的資料雖可以進行反演，但有限的分辨率使得它們難以對預報模式有較大的影響。借助于GPS-MET站點探測距離較遠的優勢，并可進行全天候的連續探測，加上觀測值的高精度和高垂直分辨率[4-5]，使得數值天氣預報的精度提高變為可能。

2.2 GPS數據的整合

由于氣象部門GPS站點較少，提供的數據很有限。考慮到綜合效益和數據共享，把地震部門共享的GPS數據也納入整合。首先，在共享服務器獲取地震局數據，然后把該數據和氣象局自建站數據在通信系統上進行統一整合處理，整合總體流程見圖1。

在設計中為了內網網絡安全，選擇DMZ區的共享服務器作為外網接入中間過渡，在相關網絡防火墻上進行訪問控制的設定，充分隔離外網，保證內網接入的安全。氣象部門站點網絡直接接入氣象通信系統，數據匯總后進行統一的文件規整處理。o文件即為觀測文件;m文件是數據文件（該文件需要和自動站數據文件進行匹配）;n文件為導航文件[6]。導航文件和觀測文件為站臺自動上傳，數據文件則需要根據該站點的溫度數據、氣壓數據和相對濕度數據進行生成，該文件生成有兩種方法：①通過解碼氣象站的Z文件，獲取溫度、氣壓和相對濕度數據，然后生成相應格式的數據文件;②通過讀取數據庫的數據表獲取相應數據，產生數據文件。本文使用第一種方法生成m文件，數據文件名命名格式是ccccdddl.yrm（注：cccc代表站臺代碼;ddd代表一年中的日數;l代表一天的小時，由A～X表示;yr表示年份后兩位）。生成m文件算法結構見圖2。

在整合目錄中對文件處理流程為：①判斷同一個站前一個時次的GPS上傳文件是否為空，如果某一個文件為空，則該文件不予整合，對不為空的文件進行整合。②判斷包中o文件、n文件和m文件是否齊全，齊全的包直接進入發送目錄并進行原始文件留底，三個文件不全的包則會等待缺失文件再進行追加打包，再走發送流程。整合流程見圖3。

2.3 整合數據的監控

通過對程序的充分測試和GPS數據進行比較，整合數據符合中國氣象局數據規范要求，經過后端系統一致性檢查和反演計算，數據完整性達到應用要求，整個數據整合試驗結果表明整合方案切實可行。GPS-MET數據整合監控顯示如圖4所示。

3 結束語

GPS技術在氣象學領域的研究目前還處于初步發展階段，隨著GPS技術發展和其他氣象探測資料的綜合利用，將會更有效地提高GPS數據的精確度。本文通過把氣象部門和地震部門的GPS資料進行整合和統一處理，提高數據共享及應用的能力，研究成果已經在四川省氣象局投入業務運行，為四川GPS數據反演解算及數值天氣預報研究提供較強的數據支持。

在高并發處理數據方面，本文方法還有需改進的方面。一是處理程序的并發流程有待優化;二是高并發中的數據精確度需要進一步提高。

參考文獻（References）：

[1] 李國平，黃丁發.GPS氣象學研究及應用的進展與前景[J].氣象科學，2005.25（6）：651-661

[2] 谷曉平，王長耀，吳登秀等.GPS水汽遙感中的大氣加權平均溫度的變化特征及局地算式研究[J].氣象科學，2005.25（1）：79-83

[3] 詹豐興，傅敏寧，劉熙明等.地基GPS/MET研究回顧與展望[J].氣象減災與研究，2009.32（43）：8-13

[4] 李國翠.華北地區地基GPS遙感可降水量及天氣學應用研究[D].蘭州大學，2007.

[5] 馮鵬，劉曉源，黃博.淺談GPS/MET數據處理方法[J].現代化農業，2018.3：9

[6] 杜明斌，尹球，劉敏，朱雪松，郭巍.地基GPS/MET探測水汽等相關參數精度分析[J].大氣與環境光學學報，2018.3：138-144