1、34目录目录研究目的及意义地基GPS观测大气水汽星载GPS掩星观测山基与机载GPS掩星观测12u1.1.研研究究目目的的及及意意义义气象与人类生产生活息息相关，水汽则是气候变化的主要驱动力，大气水汽是重要的气象因子。传统的大气水汽探测技术缺点：（1）无线电探空技术：观测成本高，时间分辨率低，测站分布不均匀。（2）星载辐射计、红外辐射计：探测精度易受云层干扰。（3）雷达探测：探测成本高，难以应用于大范围、全天候、常规观测。（4）微波辐射计：观测成本高，需经常校正仪器，雨天精度低，难以业务化。GPS卫星发射的L1、L2双频无线电信号在穿过大气层时会产生时延与弯曲，从而造成信号传播延迟。空间大地测量
2、中，将这种延迟作为一种误差源进行研究并加以改正。随着GPS技术的不断发展，出现了研究大气可降水量的地基GPS气象学、研究无线电掩星观测技术的空基GPS气象学。与传统大气探测手段相比优点：（1）观测精度高、准实时、全天候、自动化、无需仪器校正、观测资料长期稳定成本低。（2）地基GPS探测：时间分辨率高。（3）无线电掩星观测（星载、山基、机载）：观测资料全球分布、高垂直分辨率。u GPS气象学的发展趋势及应用前景：地基GPS/MET技术已基本成熟，正由研究向业务应用转化，该类产品的业务应用正处于试验和评价阶段。随着天基GPS/MET探测的发展以及人类了解外空气象的需要，天基GPS/MET将得到迅速
3、发展，因此，天基GPS/MET试验和研究已成为GPS/MET未来发展的一个重要的热门方向。由于GPS技术探测大气数据具有覆盖范围广、高垂直分辨率、高精度和长期稳定等诸多优点，这对恶劣天气、暴雨的监测以及临近天气预报、数值天气预报、气候变化和全球变暖的监测、空间灾害性天气监测预报等都将产生重要的影响。2.2.地基地基GPSGPS观测大气水汽分布观测大气水汽分布2.12.1研究现状研究现状 国际研究现状：1992年M.Bevis等人提出用地面GPS测量资料来反演大气中的水汽含量,以改进气象预报的准确性。21世纪初，美国、日本与欧洲各国利用本国的GPS网进行地基GPS气象研究。目前，由地基GPS网所
4、获取的实时大气可降水量（PWV）的精度可达12mm。国内研究现状：90年代中期开始进行地基GPS气象学的研究工作。早起关注相关测量原理与算法的介绍及精度分析。此后上海GPS/STORM实验与华南暴雨实验进行了地基GPS探测水汽实验。一些地区的GPS气象服务网已经正式投入使用。在各相关实验的基础上，层析三维水汽场、构建水汽时空分布图及GPS资料在NWP模式中的研究取得了一定进展。2.1.GPS2.1.GPS反演可降水量的基本步骤反演可降水量的基本步骤 计算GPS可降水量的基本步骤为：1）由GPS分析软件（Bernese或GAMIT）根据原始观测数据解算出天顶总延迟量ZTD；2）根据天顶静力延迟模
5、型由地面气压测值计算出天顶静力延迟量ZHD；3）用天顶总延迟量减去天顶静力延迟量得到ZWD；4）由地面气温资料由经验公式算出加权平均温度Tm；或根据地面气温的观测资料和湿度的气象探空资料，用统计方法得出当地的Tm的经验公式后再代入地面气温资料算出Tm；5）根据Tm算出k，取定水汽密度Pv和实验系数k2、k3，则可算出水汽转换系数II；6）根据PWV=IWV/Pv;GPS卫星IGS产品：预报星历+精密星历接受数据：预报星历+观测数据上载预报星历全球跟踪站接收机数据非实时应用解算软件实时应用大气总延迟（ZTD）-大气湿延迟（ZWD）*大气可降水量PWV（）大气干延迟（ZHD）转换因子（II）SA模
6、型H模型地面气压P（）大气加权平均温度（Tm）地面温度（Ts）2.22.2基本原理与方法基本原理与方法 地球中性大气对GPS信号的传播会带来路径延迟。求GPS信号在大气中的延迟量L。GPS信号在对流层中的传播速度为V，真空光速C，大气折射率为n，大气折射指数为N，信号从卫星传播至接收机的时间为t，伪距为，对流层延迟改正为Vtrop。若则卫星至接收机的几何距离（不考虑电离层延迟与多路径误差）S为：)1)(1(1 C)1(1/C/CVnnn)3(1010-t)10-1(6-6t6tssNdsNdsCdtNCVdtS)2(10)1(N6 nstropNdsV)4(106 大气折射指数N与大气状态（温
7、度、气压和湿度）有关，不同的学者给出了不同形式的折射率计算公式。具体有Smith和Weintranb方案、Essen和Froome方案、Boudouris和Thayer方案。目前用的最多精度最好的是Thayer（1974）提出的折射率计算公式：式中，Pd为干空气分压（hPa），k1、k2、k3均是与折射指数有关的物理常数。实际应用中选用Boudouris或Thayer的，精度高。）（5321N2TPvkTPvkTPdk（5）式中N，T为对流层某处的折射指数与气温（K）。不易测量。现由气体的状态方程（T为气温，Pd和Pv分别为干空气和水汽的分压（百帕hPa）；d和v分别为干气和水汽密度；=d+v
8、；Rd和Rv分别为干气和水汽的气体常数；）：）（5321N2TPvkTPvkTPdk）（）（76TRvvPvTRddPd）（8dv23)12(1TPkTPRRkkRkNvvvdd将上式代入（4）式积分，得到干延迟（静力延迟）和湿延迟）（9)312(10110L66-dsTPTkRRkkdsRkvvdd令Lh0=则w0等于余下的式子。L=Lh0+Lw0；上式又可改写为 ZTD=ZHD+ZWD；如果信号传播的路径是倾斜路径，简称斜径订正公式：上式中，Mh、Mw分别为干映射和湿映射函数。）（9)312(10110L66-dsTPTkRRkkdsRkvvdddsRkd1106-）（）（10MLMLLw
9、0wh0h2.22.2映射函数映射函数 在GPS数据处理中，映射函数将天顶方向的延迟与斜路径方向的延迟联系起来，准确的映射函数是求得准确的中性大气延迟的前提。因此，对于映射函数的研究是地基GPS气象学的一个重要问题，这个方向上较为常用、精度较高的映射函数有CFA2.2、Hopfield与NMF。由Niell（1996）提出的NMF映射函数使用最为广泛。NMF与其他模型相比的特点：1）其他模型大多取决于地表参数，而NMF考虑了大气层分布随时间的周期性变化以及南北半球和季节的非对称性；2）其干映射函数还考虑了与测站高程有关的改正，反映了大气密度随高度增加而减少的变化率。下面对目前在GPS气象学中应
10、用最广泛的NMF干映射函数进行具体介绍。NMF干映射函数：式中，卫星高度角e，测站海拔高h（km），ha1、ha2、ha3为常数，a1、a2、a3是与地理纬度和观测时间t有关的参数。3)sin(2)sin(1)sin(312111)sin(13)sin(2)sin(1)sin(312111),(haehaehaehahahaehaeaeaeaaaethMNiellh3.23.2天顶干延迟天顶干延迟现介绍计算干延迟的三种著名的经验模型：SA模型、H模型、Black模型。1）SA模型（Saasamoinen模型）是1972年提出的计算天顶方向干延迟的公式；式中，为测站纬度，h0为测站海拔高（km）
11、，P（hPa）是测站地面气压，Lh0为天顶干延迟（cm）。2）H模型（Hopfield模型）式中，T（K）为测站绝对温度，h0为测站海拔高（km），P（hPa）是测站地面气压，Lh0为天顶干延迟（cm）。0000h h0.00028-)20.0026cos(-1)hF(),(22767.0L，hFPTPhT)16.273(14898.0082.40552.1L00h3）Black模型式中P、T同前。TP)12.4(2343.00TLh3.33.3转换因子及加权平均温度转换因子及加权平均温度由L中分离出干延迟量Lh0之后，就得到天顶湿延迟量Lw0。天顶湿延迟与大气可降水量PWV（mm）之间的关系
12、为：式中，II称为无量纲比例因子（湿延迟与可降水量的转换系数），它表示一种比例关系，其值随季节、地域在0.15附近变化。式中，水为液态水密度，k1、k2、k3均是与折射指数有关的物理常数，Rd和Rv分别为干气和水汽的气体常数；Tm为大气加权平均温度，0wLIIPWV)123(106RvRdkkTkRIImv水 Tm是一个积分量，与不同高度上的温度及水汽压有关。在实际应用中，根据Tm与地表温度T0之间的相关性，可以采用经验公式由T0计算Tm。Tm与T0高度线性相关，两者的回归关系式：0aTmbT020)/()/(hhdhTPwdhTPwTm3.43.4高精度高精度GPSGPS数据处理软件数据处理
13、软件 实际上，GPS水汽只是GPS定位的一个副产品，所以GPS反演水汽的精度与定位精度密切相关。要从GPS观测网中解算出高精度的水汽产品，要求经纬精度优于10-8-10-9m，因此必须使用用于科学研究目的高精度GPS定位软件。目前国际上常用的大范围高精度GPS数据解算软件有一下几种:1)瑞士伯尔尼大学天文研究所的Bernese GPS Software：即可在UNIX也可在DOS和Windows操作系统下运行。2）美国喷气推进实验室的GIPSY/OASIS-II：解算精度高，功能强大。3）美国麻省理工学院和加州大学圣地亚哥分校 斯克普斯海洋研究所合作研制的GAMIT/GLOBK:用户只要注册申
14、请并经过授权，就可免费使用。由（4）可知，通过GPS软件解算的对流层天顶总延迟可求得大气折射指数，N可直接用于天气预报，并且N又与气温、气压和水汽压力有关或可构造成这些量的函数，这样就可以通过一定技术方法求得水汽之外的其他大气量。因此，GPS技术遥感大气参数还有很大的潜力有待开发。stropNdsV)4(106u3.3.利利用用星星载载G GP PS S掩掩星星观观测测探探测测地地球球大大气气性性质质u3.3.1 1G GP PS S无无线线电电掩掩星星技技术术的的产产生生 掩星是一种天文现象，指一个天体在另一个天体与观测者之间通过而产生的遮蔽现象。或是指空间中原本两个直视可见的星体，被其他星
15、体或物质所掩盖，导致一个星体发射的电波/光波信号不能直接到达另一个星体。无线电掩星技术诞生于天文学领域，最初目的是为了探测行星的大气状态。后来GPS星座的建立使得GPS掩星观测快速发展。3.2.GNSS3.2.GNSS掩星任务的发展历史掩星任务的发展历史下表给出了各国各个时期的GPS掩星任务3.33.3研究现状研究现状3.3.1国际研究现状 随着各国掩星计划的陆续实施，全世界掀起了利用GNSS掩星探测地球大气的热潮。各研究机构都建立独立的掩星数据处理系统进行近实时数据处理，向全球用户免费提供各级数据产品。此外，各数据处理中心还进行掩星数据的后处理，提供更加高精度的产品，为全球气象服务。3.3.
16、2国内研究现状 国内在该领域的研究开始于20世纪90年代末期。目前已经在掩星数据反演方法的研究、实测GPS掩星数据的处理与分析、掩星观测模拟技术、掩星观测星座的模拟设计方面做了许多工作，并取得了大量成果。与国际上的发展现状相比较，目前国内的研究水平仍然存在一定差距。我国目前自己的掩星观测计划目前已经已在申请阶段，该计划的实施将进一步促进该领域的发展。3.4 3.4 基本原理与方法基本原理与方法掩星事件的定义掩星事件的定义 星载GPS掩星观测的基本思想：在低轨（LEO）卫星上安装一个高频采样的GPS接收机对GPS卫星进行观测。当信号穿过电离层和对流层时，信号路径发生弯曲。随着信号发射与接收机两端
17、卫星的运动，弯曲的信号路径会由高到低或者由低到高扫过整个大气层，持续约1min，这一过程被称作一次下降或者上升掩星事件。通过对一次掩星事件中信号相位及振幅变化量的测定，再加上GPS与LEO卫星的精密轨道信息，就能反演弯曲角的廓线，进而得到大气折射指数、气温、气压和大气湿度廓线。3.5 GPS3.5 GPS掩星观测数据处理流程掩星观测数据处理流程 GPS掩星观测数据到天气预报，整个数据处理流程可分为三大部分：1）LEO卫星的精密定轨与附加相位延迟的提取。2）掩星数据的反演。3）掩星数据产品在NWP模式中的同化。1 1）LEOLEO卫星的精密定轨与附加相位延迟的提取。卫星的精密定轨与附加相位延迟的
18、提取。当LEO卫星对某颗GPS卫星发生掩星事件时，会对该卫星及一颗参考卫星进行高频采样，同时，对未发生掩星的低频采样。如下图。2）掩星数据的反演。（1)精确确定低轨卫星的运行轨道。在进行掩星观测的同时,还可利用其他未发生掩星的 GPS 卫星来精确确定低轨卫星的瞬时位置和运行速度。为提高精度应在地面上布设若干个 G PS 基准站,与低轨卫星进行同步观测,然后组成载波相位双差观测值进行解算。在求得一系列离散点上的精确坐标和运动速度后,即可最终确定低轨卫星的运行轨道。由于低轨卫星中配备了双频 G PS 接收机,所以在定轨过程中电离层延迟可较完善地予以消除。（2）折射角廓线的计算。GPS卫星信号在大气
19、中传播时,路径将向折射率大的方向弯曲,在近地点 A 处折射率将达到最大值。随着GPS信号路径的逐渐向下横切,就能依次求得位于不同高度的近地点处的大气折射率和气象参数。（3）反演大气折射率。（4）根据折射率n反演大气参数。从前面的讨论可知,大气折射率n是气温T气压P及水汽压e的函数。在只有一颗低轨卫星的情况下,还无法从大气折射率n中同时分离出温度廓线和水汽廓线。发射多个低轨卫星后,就可能得以解决。另一种解决问题的方法是通过其他途径获得其中的一个量,然后就有可能解得另一分量。例如从探空资料中获得温度廓线,然后再利用掩星资料来反演水汽廓线。或者认为水汽只分布在低层,那么就能利用掩星资料反演出高层的温
20、度廓线。3）目前一些气象学家正在研究将大气折射率同化进数值天气预报模型的方法。即直接利用大气折射率来进行数值天气预报,而不再用大气折射率n进行反演求得气温T、气压P和水汽压e,然后再用这些大气参数来进行天气预报。研究结果表明,由于减少了中间环节,天气预报的精度能有所提高。应用：应用：一个由20颗低轨卫星组成的卫星星座可组成一个天气预报与气象研究的业务运行系统。该系统每天可在全球产生1万个掩星事件。根据这1万个廓线数据可对地球大气进行全天候的监测。这些资料将对天气预报、气候和全球变化研究产生深刻的影响。（1）天气预报 （2）气候及全球变化的研究 （3）其他应用4.4.利用山基与机载利用山基与机载
21、GPSGPS掩星观测探测大气性质掩星观测探测大气性质4.1研究现状 星载GPS掩星观测中，接收机高度为几百到一千公里。由于多路径、超折射效应的影响，低对流层的探测数据不够丰富。Zuffade（1999）提出了将GPS接收机至于山头或飞机上，两者模式相同，都是出于大气层内，不同之处机载是运动且高度更高。山基与机载是对星载的一种补充：1）信号衰减比星载低，有助于提高对低对流层的探测质量。2）可以选择感兴趣的特定区域，从而为区域天气和气象研究服务。4.2 反演原理基本反演过程与星载GPS掩星观测类似。不同之处在于，当接收机置于地球中性大气层内部时，信号路径上 rrR时也会发生大气折射，使得掩星切点两侧的路径弯曲程度不同。
