GNSS/MET站的發展應用與故障類型分析

馬林 苗傳海 孫艷云 朱明宇 康博識

摘要：GPS氣象學是近年來迅速發展的一項新型技術，它具有常規探測所沒有的探測精度高、時間分辨率高、經濟高效等特點，對提高天氣預報（特別是災害性天氣預報）準確性、研究全球大氣水汽和電離層電子濃度分布等有著十分重要的意義，因此，越來越多地被應用到氣候監測分析、空間天氣監測預警、人工影響天氣、中尺度數值預報等領域。為進一步了解和學習GPS氣象學，下面簡要介紹GNSS/MET的基本原理及其在氣象業務中的應用。

關鍵字：GNSS/MET;反演;水汽;氣象學

一、 引言

GPS氣象學的研究最先在80年代后期于美國起步，在美國取得了理想的試驗結果后，其他國家比如日本等，也全都開始研究GPS在氣象學中的應用。由于GPS觀測可以提供大氣層水汽精確的全天候測量結果，美國于1993年在中部地區布設了一個GPS網，探索GPS觀測結果在氣象學中的應用。將此網的GPS觀測結果同由水汽輻射儀（WVR）結果推算的可降水分作了比較，兩者之間的符合度是1-2m。在霧、露、雨等足以降低WVR性能的條件下，GPS觀測結果仍然可靠，其時間和空間尺度比目前無線電探空所能提供的要精細得多。

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。

三、 GNSS/MET 的基本原理

GNSS/MET根據GPS接收機所在空間位置，大致可分為地基和空基GNSS/MET，其探測原理不完全相同。通過測定GPS衛星和接收機間的距離來定位目標物的位置，而這一距離實際上是通過測定衛星發出的并傳輸至接收機的無線電信號傳播時間來求定的，這一傳輸時間，收到傳輸途徑上地球大氣折射率梯度和大氣密度變化的影響，與真空情況相比，就有差異，原因之一是大氣中水汽的影響。完成由GPS衛星至接收機的訊號傳輸的時間要比在真空條件中要長，這一時間增加也可以用增加傳輸路徑長度來等量表示，這就是GPS信號傳輸的時間延遲。對精確定位、導航應用來說，必須消除或者消弱地球大氣層對GPS信號傳播的種種影響，而當GPS應用到水汽測量中，正好與之相反，一旦精確求定這一延遲時間，可以通過這與時間延遲來對算大氣水汽含量和分布。

當GPS衛星發送的電磁波信號穿過地球大氣到達接收機時，地球大氣的各個部分都要與它發生相互作用。因此主要由于以下3個方面引起延遲：電離層對電磁波的折射;干空氣對電磁波的折射;對流層濕空氣對電磁波的折射。把各個部分相互作用的延遲量引入到解算模型中，考慮誤差來源并予以消除后對高精度的大氣延遲量與定位參數一起求解。然后，通過雙頻技術訂正電離層延遲到毫米量級，通過地面氣壓觀測量訂正干空氣的延遲到毫米量級，最后 得到毫米量級的濕空氣延遲， 由此提取大氣總的水汽含量。

目前，國際上通用的由GPS反演濕延遲DW，再計算大氣柱總水汽量IWV.

其中，IWV為大氣柱水汽總含量，DW 為濕延遲，ρ和Rv分別為濕空氣的密度和氣體摩爾質量，Tm為整個氣層的加權平均溫度，k2和k3為大氣折射率實驗常數。

四、GPS氣象學在氣象中的應用

水汽是大氣中十分重要的參數，電離層電子數密度的分布及其演變是空間天氣監測和預警中的重要內容，如何快速、有效地探測大氣中的水汽分布和電離層電子數密度分布是當代地球大氣探測系統中必須要解決好的問題之一，地基GPS的氣象探測可以發揮這方面的優勢， 氣象領域對地基GPS氣象應用的需求包括：

（1） 災害性天氣監測預報在暴雨、洪澇等災害性天氣分析預報中，水汽輸送、水汽輻合的分析至關重要，而水汽又是一個變化十分迅速的量。所以，高時效、高空間分辨率地獲取大氣水汽場是準確地分析天氣系統的演變、進行監測和預報的關鍵環節之一。

（2） 為中尺度數值預報模式提供初始場由于水汽場是一個變化迅速的物理量，尤其是在暴雨發生前，以常規探空資料為主的初始場常常捕捉不到“山雨欲來風滿樓”之時的水汽變化，從而導致對暴雨的數值預報準確率不高。可以做到每小時甚至每15分鐘獲取一次高精度水汽探測的GPS技術，是滿足這一需求的最佳選擇。

（3） 為人工影響天氣作業提供依據。人大氣中的水汽分布狀況、水汽的輸送和源、匯是云雨變化的重要背景條件，在實施人工影響天氣作業時，利用GPS技術及時而準確地了解作業點四周大氣中的水汽分布及其輸送，是提高人工影響天氣效率的一個重要環節。

（4） 氣候監測和分析地氣系統能量和水分循環的分析研究，利用地基GPS水汽總量探測技術，能很好地滿足這方面的需求。同時，由于GPS 探測的水汽精度高，通過長時期的資料分析，可用以監測水汽的長期變化趨勢，而水汽又是一個溫室氣體，從而可以從一個側面監測氣候的變化趨勢。

（5） 空間天氣監測和預警電離層電子濃度分布及其變化是影響電波傳播的重要參數，是空間天氣監測和預警的重要內容之一。地基GPS是探測電離層電子濃度總量的有效手段，它的高時、空分辨率和相位測量， 不需要定標等諸多優點，使利用這項技術探測電離層電子濃度是十分經濟、有效的。

（6） 提高對GPS 探空儀的跟蹤精度在綜合分析、統籌兼顧的原則下，可以盡可能地把GPS站點選在探空站附近。這樣，高精度的GPS站可以用作GPS探空儀的差分站，從而可大大提高地面對GPS探空儀的跟蹤精度，起到一站多用的效果。

（7） 作為未來空基GPS掩星探測的地面定軌站。

五、 結語

GNSS/MET的發展建設將使中國的氣象觀測系統上一個新的臺階。由此獲取高時間分辨率大氣水汽探測資料，將極大增強對暴雨和強對流等災害性天氣的監測能力，高時空分辨率的三維大氣水汽探測資料將提高中尺度數值預報模式的預報精度并延長其預報時效;長時間、高精度的大氣水汽的平均值和距平值監測是探討氣候變化的重要手段;實時的電離層電子濃度監測將為空間天氣預警提供重要手段;人工增雨作業已經成為改善水資源短缺的一個重要手段，實時的大氣水汽探測資料將為人工增雨作業區的選擇和增強作業效果提供依據。

參考文獻：

[1]俞炳，周媛，聞春華.江西省GPS/MET水汽監測系統設計[J].氣象與減災研究，2010，6

[2]馬林等.城市熱島對城市氣溫變化的影響[J].裝備環境工程，2019，6