水汽天津联通测速

作者简介李国平男,1963年生,重庆铜梁人.
1983年7月毕业于成都气象学院天气学专业,获理学学士学位;1988年8月毕业于中国科学院大气物理研究所天气动力学专业,获理学硕士学位;2007年毕业于西南交通大学大地测量学与测量工程专业(GPS气象学方向),获工学博士学位.
现为成都信息工程学院大气科学学院教授、中国科学院大气物理研究所博士生导师、四川省学术和技术带头人.
主要研究方向:地基GPS气象学研究及应用、高原气象学.
在我国西部地区首先开展利用GPS技术反演可降水量并用于水汽变化及降水预报的研究.
在四川盆地和成都市首次开展了地基GPS遥感大气水汽总量的试验;并研究了日本关东平原和我国四川盆地(成都平原)GPS可降水量的日循环特征以及地形、辐射等背景条件对GPS水汽总量的影响;还研究了川渝、华北地区利用地基GPS技术反演水汽的局地建模及精度评定,将GPS反演的水汽资料用于四川盆地、华北平原不同云系、不同类型降水(暴雨、秋绵雨、夜雨、雨雪)和大雾天气、人工影响天气以及与新一代雷达资料集合应用等多方面的研究;研发出并已在多个省市气象部门投入业务应用的地基GPS数据解算及水汽反演的实时、自动化运行系统,并获得2010年四川省科技进步二等奖.
已在国内外期刊发表GPS气象学领域的研究论文30余篇.
地基GPS气象学Ground唱BasedGPSMeteorology李国平等著国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA12Z315)中国气象局西南区域气象中心区域重大科研业务项目(2007唱11,2010唱03)成都市气象局业务技术研究项目(2007唱10)成都信息工程学院科研基金项目(KYTZ201034)成都信息工程学院研究生教育教学改革项目(YJG2009001)联合资助出版北京内容简介本书全面阐述了GPS气象学的形成及国内外研究与应用的现状和最新发展.
内容包括GPS原理及GPS测量误差影响源分析,地基GPS水汽遥感的理论与方法,加权平均温度及其计算模型,GPS水汽反演的对比研究与精度评定,GPS水汽产品序列的插补等基本问题,并以日本关东平原、中国华北平原和四川盆地为例,详细介绍了几个地基GPS观测网水汽遥感的试验、研究及应用的主要成果,具体展示了地基GPS数据解算及水汽反演的业务化应用系统的建设及应用实例.
作为国内第一部专门系统论述地基GPS气象学的学术专著,本书总结了这一新兴交叉学科近十多年的发展历程,展望了其今后的发展方向,具有较强的理论性与实用性,有助于推进我国地基GPS气象学的理论研究及业务应用.
本书可作为气象学、大气物理学与大气环境学科的研究生课程教材或大气科学、应用气象学本科高年级学生专业选修课的教学参考书,也可供气象、测量(测绘)、地震、天文、空间、航天或其他相关专业的科研、教学和业务人员参考.
图书在版编目(CIP)数据地基GPS气象学/李国平等著畅—北京:科学出版社,2010ISBN978唱7唱03唱029322唱0Ⅰ畅地…Ⅱ畅①李Ⅲ畅①全球定位系统(GPS)应用气象学研究Ⅳ畅①P228畅4②P4中国版本图书馆CIP数据核字(2010)第207294号责任编辑:赵峰赵冰/责任校对:郑金红责任印制:钱玉芬/封面设计:耕者设计工作室科学出版社发行各地新华书店经销倡2010年11月第一版开本:787*10921/162010年11月第一次印刷印张:221/2印数:1—2000字数:512000定价:68畅00元(如有印装质量问题,我社负责调换)出版北京东黄城根北街16号邮政编码:100717http://www.
sciencep.
com印刷插页:1本书作者名单李国平黄丁发郭洁陈娇娜李国翠王皓前言GPS气象学是一门由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出的新兴边缘学科,是近20年来蓬勃兴起的卫星导航技术在地球大气探测中的全新应用,受到了天文、测绘、地震、电子、气象等不同学科的密切关注和极大重视,发展迅速并有向GNSS大气科学演变的趋势.
在我国,GPS技术测量中大气参数的应用虽然始于天文、测绘部门,但因其产品的最终用户是气象部门,所以近年来作为中国大陆构造环境监测网络(国家陆态网)和中国气象局综合气象观测系统中国家专业气象观测网的重要组成部分,GPS/MET监测网的建设(包括与地震、测绘、天文、勘察设计、国土资源、城市规划等单位的合建与共享)已在全国各气象部门得到普遍重视并得以大力推进,兴起了地基GPS气象观测网建设的热潮.
据不完全统计,全国超过2/3的省(区、市)已通过多种合作方式建立起了为数不少的局域地基GPS气象观测网.
截至2009年底,中国气象局已建成GPS/MET站428个,全国各行业可用于大气水汽监测的地基GPS站的总数估计已超过600个.
尽管国家、部门和地方为建设这些地基GPS监测网投入了大量的财力和物力,并已获取、积累了大量的GPS原始资料,但由于GPS气象学是一门多学科交叉的新兴、前沿学科,GPS大气探测这项工作具有原始观测数据不能直接应用、数据处理环节多、技术涉及面广、产品应用较为复杂等特点.
这造成目前气象业务部门尚存在以下问题亟待解决:①缺乏系统有效的处理、分析观测数据的技术与方法,连续观测积累的大量GPS原始数据无法及时转化为预报员可以直接运用的气象产品;②GPS大气监测系统与气象业务系统如何对接,如何将反演出的GPS气象产品变成一种预报员认为易用、常用、有用的重要参考资料;③GPS气象产品在天气预报中怎样具体应用,如何尽快发挥其在增强天气预报技术手段、促进天气预报准确率提高方面的重要作用;④如何拓展GPS气象产品的应用与服务领域,充分发挥其广阔的应用潜力.
正因为GPS气象学是多学科交叉形成的一门新兴学科,人们对其了解和应用的愿望十分迫切,但目前国内外相关专著寥寥无几,远远不能满足需求.
鉴于此,笔者于2002年在西南交通大学攻读大地测量学与测量工程学科GPS气象学方向的博士以及2004年作为访问教授赴日本筑波大学做GPS理论及气象应用的研究之后,于2005年在本校开始招收GPS气象学方向的硕士研究生,带领成都信息工程学院大气科学学院高原气象与GNSS大气研究室在地基GPS气象学方面开展了持续性、系统性的理论技术及业务应用研究,在这一新的研究方向逐步积累了一批成果,2010年通过了四川省科技厅组织的成果鉴定.
在本校段廷扬等教授的热情鼓励和研究室毕业及在读研究生的大力协助下,笔者冒才疏学浅之惟,以诚惶诚恐的心情自2008年4月动笔历时两年终于组织完成了本书的写作.
本书各章的编写人员为:第1章,李国平;第2章,黄丁发、李国平;第3章,黄丁发、李国平;第4章,李国平、王皓;第5章,郭洁、李国·ii·翠、李国平;第6章,李国平、李国翠、郭洁、王皓;第7章,李国平、郭洁;第8章,李国翠、李国平;第9章,李国平、郭洁、陈娇娜、谢娜;第10章,王皓、李国平;第11章,李国平、陈娇娜、郭洁.
全书统稿由李国平、郭洁负责.
本书较为全面地阐述了GPS气象学的形成及国内外GPS气象学研究与应用的现状和最新发展.
内容包括GPS原理及GPS测量误差影响源分析,地基GPS水汽遥感的理论与方法,GPS水汽监测中的加权平均温度计算,GPS水汽反演的对比研究与精度评定,GPS水汽产品序列的插补等基本问题,并以日本关东平原、中国华北平原和四川盆地为例,详细介绍了几个利用局域地基GPS观测网进行水汽遥感的试验、研究及应用的主要成果,具体展示了地基GPS数据解算及水汽反演的业务化应用系统的建设及应用实例.
希望本书能抛砖引玉,对从事GPS气象学(未来的GNSS大气科学)理论研究及业务实践的科技工作者有所帮助,同时我们也衷心期盼有更多、更好的这方面的著作问世,进一步推动这门新兴学科的发展.
由于作者水平有限,书中不足之处在所难免,诚望读者批评指正.
最后,向给予本研究宝贵支持的专家、领导表示衷心感谢,他们是:成都信息工程学院段廷扬教授、李燕凌副教授,成都市气象局林勇高工、陈祯烈高工、刘碧全高工,青岛市气象局赵广忠高工,四川省气象局彭广副研究员、马力研究员、钟晓平研究员、郝丽萍高工,贵州省气象局陈忠明研究员、李登文研究员,山东省气象局李振海高工,西南交通大学刘文熙教授、熊永良教授,日本筑波大学木村富士男教授,北海道大学佐藤友德博士等.
李国平2010年夏于蓉城锦江河畔地基GPS气象学目录前言第1章绪论11畅1地基GPS技术探测大气的意义11畅1畅1大气水汽的重要性11畅1畅2大气水汽常规探测手段及其特点11畅1畅3地基GPS技术探测大气的特点及优势31畅2国内外GPS水汽遥感的研究综述51畅2畅1国内外GPS水汽遥感的研究及应用51畅2畅2存在的主要问题131畅3国内外GPS气象学研究进展141畅3畅1GPS观测水汽和气温151畅3畅2GPS测风161畅3畅3国内外GPS气象学研究及应用现状与最新进展161畅3畅4GPS气象学的发展趋势及应用前景23第2章GPS原理262畅1全球导航卫星系统简介262畅1畅1美国GPS卫星导航系统262畅1畅2俄罗斯GLONASS卫星导航系统272畅1畅3欧洲伽利略卫星导航系统292畅1畅4中国北斗卫星导航系统302畅2GPS的组成332畅2畅1空间星座部分342畅2畅2地面跟踪控制部分352畅2畅3用户接收处理部分362畅2畅4GPS的特点362畅3GPS参考系统382畅3畅1坐标系统382畅3畅2时间系统432畅4GPS定位原理452畅4畅1GPS基本观测量462畅4畅2观测量的线性组合492畅4畅3相位与码伪距观测量的线性组合512畅4畅4GPS定位基本原理及方法52·iv·2畅4畅5卫星定位的数学模型532畅4畅6GPS测量数据的处理模型572畅4畅7中长距离相对定位582畅4畅8中长距离GPS相对定位模型602畅5GPS卫星接收机622畅6GPS应用现状与发展趋势652畅6畅1GPS技术发展趋势662畅6畅2GPS应用领域67第3章GPS测量误差影响源分析703畅1与GPS卫星有关的误差713畅1畅1卫星钟差713畅1畅2卫星轨道偏差723畅1畅3卫星天线相位偏差723畅2与GPS卫星信号传播有关的误差733畅2畅1电磁波的相速度与群速度733畅2畅2电离层折射理论基础753畅2畅3利用Klobuchar模型估算TEC的影响783畅2畅4利用双频伪距观测量计算TEC803畅2畅5利用双频相位观测量估计电离层延迟803畅2畅6电离层延迟及误差改正措施813畅2畅7对流层延迟及误差改正模型813畅3与接收设备有关的误差863畅3畅1接收机钟差863畅3畅2接收机天线相位中心偏差863畅3畅3周跳及整周模糊度873畅3畅4相对论的影响873畅4多路径的影响873畅4畅1单反射信号多路径影响873畅4畅2多个反射信号多路径影响893畅4畅3墙面反射信号路径延迟893畅4畅4地面反射信号路径延迟903畅5其他误差的影响913畅5畅1地球自转改正913畅5畅2潮汐的影响913畅6观测量的线性组合923畅6畅1双频相位线性组合通用公式923畅6畅2几种常用的组合观测值923畅6畅3相位观测量与伪距观测量的线性组合94地基GPS气象学·v·3畅6畅4其他的双频组合观测量95第4章地基GPS水汽遥感的理论与方法974畅1从大地卫星测量学到GPS气象学974畅2大气折射率与对流层天顶延迟974畅3映射函数1004畅4高精度GPS数据处理软件1024畅5影响天顶总延迟解算精度的因子1044畅6天顶静力延迟计算模型及其误差分析1064畅7天顶湿延迟及其计算方法1094畅8大气可降水量的反演1104畅8畅1加权平均温度1104畅8畅2水汽转换系数1114畅8畅3天顶湿延迟反演可降水量的误差分析1124畅9GPS反演可降水量的流程1144畅9畅1计算GPS可降水量的基本步骤1144畅9畅2加入IGS数据反演可降水量的解算过程1154畅10GPS数据处理前期准备与利用GAMIT反演可降水量1184畅10畅1GAMIT软件的安装与配置1194畅10畅2相关数据文件的准备1204畅10畅3文件编辑1234畅10畅4相关参数文件的设置1254畅10畅5解算天顶总延迟1274畅10畅6反演可降水量129第5章加权平均温度及其计算模型1305畅1对流层加权平均温度的局地计算模型1305畅1畅1加权平均温度的计算方案1305畅1畅2加权平均温度计算方案的比较1325畅2华北地区地基GPS水汽反演中加权平均温度模型研究1335畅2畅1加权平均温度的时空变化特征1345畅2畅2加权平均温度与地面气象要素的关系1355畅2畅3几种加权平均温度计算方法的对比1365畅2畅4加权平均温度本地化计算模型的建立1385畅3基于40年探空资料的川渝地区加权平均温度及其局地建模1415畅3畅1川渝地区的加权平均温度及其变化特征1425畅3畅2川渝地区加权平均温度计算的局地模型144第6章获取大气可降水量的其他方法1486畅1基于无线电探空资料的可降水量计算方法1496畅2地基水汽辐射计探测水汽含量的原理150目录·vi·6畅3多普勒雷达探测垂直累积液态水含量的原理1526畅4利用地面水汽压估算可降水量的方案1546畅4畅1地面水汽压和比湿的计算1556畅4畅2可降水量与地面水汽压的关系1556畅4畅3华北地区水汽总量特征及其与地面水汽压关系1566畅4畅4川渝地区大气可降水量的气候特征以及与地面水汽量的关系1656畅4畅5GPS/MET监测的可降水量资料的一种插补方案175第7章日本关东平原GPS可降水量的特征分析1827畅1日本关东平原GPS可降水量研究的意义1827畅2资料和分析方法1837畅3可降水量日循环的分析与讨论1857畅3畅1山区可降水量日循环特征1857畅3畅2盆地可降水量日循环的特征1927畅3畅3平原和海岸可降水量日循环的特征193第8章华北平原地基GPS水汽遥感及天气学应用1958畅1地基GPS反演大气可降水量的精度检验1958畅1畅1资料1958畅1畅2资料质量控制1968畅1畅3GPS反演可降水量的精度分析1978畅2地基GPS反演的大气可降水量及其特征2008畅2畅1资料及处理方法2008畅2畅2计算大气可降水量的两种方法2018畅3GPS大气可降水量的时空分布特征2038畅3畅1资料处理及质量控制2038畅3畅2月平均可降水量变化2038畅3畅3日平均可降水量变化2048畅3畅4可降水量的日变化2048畅4地基GPS水汽资料在石家庄一次暴雨过程中的应用2068畅4畅1过程降水实况及能量场分析2078畅4畅2基于地基GPS可降水量资料的暴雨过程分析2088畅5不同云系降水过程中GPS可降水量的特征2108畅5畅1GPS可降水量与实际降水2108畅5畅2积状云产生的对流性降水2118畅5畅3层状云产生的稳定性降水2158畅5畅4层积混合云产生的暴雨218第9章四川盆地GPS水汽遥感的试验及多领域应用2229畅1四川盆地地基GPS观测网水汽遥感的试验2229畅1畅1GPS资料和气象资料223地基GPS气象学·vii·9畅1畅2GPS遥感可降水量的方案2239畅1畅3气象探空资料计算可降水量的方案2249畅1畅4GPS可降水量的测量精度2259畅1畅5Bevis公式的适用性2269畅1畅6成都夏季GPS可降水量的日循环合成分析2279畅2成都地基GPS观测网反演大气可降水量的精度分析2329畅2畅1资料与方法2339畅2畅2大气可降水量的对比和误差分析2349畅3不同辐射强度下地基GPS唱PWV的日变化特征分析2399畅3畅1资料与方法2399畅3畅2不同辐射强度下大气可降水量的日变化特征2409畅3畅3强、弱辐射条件下GPS唱PWV与气温及局地水汽循环的综合分析244…………9畅4成都市秋、冬季地基GPS遥感的可降水量的时空变化分析2469畅4畅1资料和方法2469畅4畅2GPS唱PWV的时空分布特征2469畅5基于GPS唱PWV资料的成都暴雨个例分析2499畅6华西秋雨天气过程中GPS遥感的水汽总量的演变特征2509畅6畅1资料获取与处理方法2519畅6畅2GPS唱PWV与实际降水的关系2519畅6畅3不同类型秋雨过程中GPS唱PWV的变化特征2539畅7地基GPS网监测持续低温雨雪灾害中的水汽异常输送强信号2609畅7畅1雨雪天气中GPS唱PWV的时序变化2609畅7畅2雨雪天气中GPS唱PWV的日变化2629畅8基于GPS唱PWV的成都不同云系降水个例的综合分析2649畅8畅1资料与方法2649畅8畅2对流云降水2649畅8畅3层状云降水2689畅9不同类型降雨过程GPS可降水量的对比分析2729畅9畅1GPS可降水量在不同类型降雨天气过程中的演变特征2729畅9畅2不同类型降雨天气过程中GPS可降水量日变化的合成分析2779畅10GPS唱PWV与大雾天气关系的初步分析2799畅10畅1大雾天气特征2809畅10畅2大雾天气个例分析2819畅10畅3大雾天气的合成分析2849畅11GPS唱PWV及雷达VIL在人工增雨中的初步应用2879畅11畅1资料与方法2889畅11畅2人工增雨作业中GPS唱PWV和VIL演变特征的个例分析288目录·viii·第10章地基GPS气象网与水汽监测系统一体化建设29310畅1GPS网的基本组成29310畅2GPS网的布设原则29310畅3GPS基准站的建设29410畅3畅1GPS基准站设备29410畅3畅2GPS基准站选址29410畅3畅3GPS基准站基建29510畅4GPS站常见故障处理方法29610畅5解算GPS数据时映射函数的选择29710畅5畅1映射函数29710畅5畅2三种映射函数的对比分析29810畅6解算GPS数据时选取IGS站数的优化30010畅6畅1数据准备与计算30010畅6畅2计算结果比较30210畅7水汽产品可视化界面的制作30410畅7畅1GUI布局设置30410畅7畅2GUI控件代码的设置30610畅7畅3数据可视化显示30610畅8GPS水汽监测系统的一体化与自动化30810畅8畅1数据采集流程30810畅8畅2数据解算流程30910畅8畅3产品调用流程31010畅8畅4自动化流程31010畅9GPS气象网的运行与维护31110畅10GPS水汽监测系统的运行实例312第11章地基GPS水汽监测系统的业务化建设与应用展望31511畅1成都市地基GPS遥感水汽应用研究及业务化建设31511畅1畅1研发内容31511畅1畅2成都市地基GPS水汽监测应用系统31611畅1畅3性能指标要求、系统特点及应用领域31811畅2地基GPS水汽监测应用系统的研究进展31911畅3地基GPS水汽监测应用系统的设计原理32011畅3畅1地基GPS水汽监测系统的工作流程32011畅3畅2地基GPS水汽监测应用系统的组成32011畅4地基GPS水汽监测系统的业务应用32111畅4畅1我国GPS站网的建设32111畅4畅2我国GPS水汽监测系统的业务应用32311畅5地基GPS探测水汽技术的发展趋势展望324地基GPS气象学·ix·11畅5畅1技术完善32411畅5畅2站网建设及反演斜径水汽量32511畅5畅3资料处理32511畅5畅4产品在天气预报的应用32511畅5畅5数值天气预报模式的资料同化32611畅6地基GPS水汽监测系统的发展及潜在应用32611畅6畅1人工影响天气时机选择32611畅6畅2空中水资源评估及开发利用32711畅6畅3与雷达液态水含量探测资料的比较32711畅6畅4为中尺度数值模式提供初始场32711畅7地基GPS探测水汽的发展与气象业务应用32811畅7畅1GPS唱PWV用于灾害性天气监测分析预报32911畅7畅2GPS唱PWV为中尺度数值预报模式提供初始场33211畅7畅3GPS唱PWV用于全球气候变化的监测和分析33411畅7畅4GPS唱PWV为人工影响天气作业提供依据33511畅7畅5GPS唱SWV用于确定水汽三维分布336参考文献337目录第1章绪论1畅1地基GPS技术探测大气的意义1畅1畅1大气水汽的重要性水汽是大气的一种主要成分,也是一种温室气体,其空间分布极不均匀、时间变化很快,是大气中变化最大的一种成分,并且其变化尺度比风速、气温要精细得多.
尽管水汽在大气中的含量不高,但在大气的物理、化学过程中却具有重要作用.
水汽及其变化是天气、气候变化的主要驱动力,是灾害性天气形成和演变过程中的重要因子,气象学和天气预报的基本问题之一就是要精确测量大气水汽的分布及变化.
另外,水汽在地球气候系统的能量流动和水循环中也扮演着十分关键的角色,是气候变化乃至全球变化监测的重要对象.
水汽的作用具体表现为以下三个方面.
1)水汽相变过程中产生的凝结潜热加热可以明显改变大气的层结稳定度和强对流天气系统(如风暴)的结构及演变过程.
2)水汽不仅影响大气的垂直结构,而且对流层中的水汽也是复杂气象过程形成的载体,它是影响短期降水预报准确性的最关键因素.
3)作为大气中重要的长波辐射和吸收的物质,水汽对地球唱大气系统的辐射收支以及包括气候变化在内的全球变化具有重要作用.
最新的观点认为,水汽是一种最重要的温室气体,并且其变化与CO2关系密切,因此可通过监测水汽的变化间接监测CO2浓度的变化.
另外,由于空气中水汽的浓度比CO2高很多,所以温室效应产生的全球变暖现象与水汽有很大关系,CO2只是让地球变热,而水汽则会让地球变得闷热,其危害更加严重.
因此,大气水汽是监测及预测全球变化、气候变化以及包括暴雨在内的高影响(highimpact)天气或强天气的一个非常重要的气象因子.
1畅1畅2大气水汽常规探测手段及其特点大气中影响水汽含量和分布的因素较多,同时由于目前探测技术的局限性,测定大气湿度(包括水汽和云)仍然是一个困难的问题,尚缺乏充足的实时观测资料.
因此,水汽是人们了解和认识得不够充分的大气成分之一,如何应用新的技术手段精确地测定大气中的水汽含量,是当今气象学所面临的一项重要任务.
目前,气象学在探测对流层中大气水汽含量的方法主要有以下几种.
(1)无线电探空技术无线电探空仪(radiosonde或sonde)是目前气象业务中探测高空大气水汽含量最常用的工具.
虽然近年来在无线电信号传输及探空气球跟踪定位技术方面有所改进,但其探测原理自1928年苏联高空气象学家莫尔恰诺夫发明气球携带的无线电探空仪以来一直没有大的改变,即通过施放探空气球,收集高空大气的风、温度、气压、湿度等观测数据,然后通过一定方法算出探空高度之内的大气水汽总量及其垂直分布(廓线).
由于无线电探空成本较高,相对于地面观测站而言探空站的分布更加稀疏,并且一般每天仅进行早、晚两次探测,不足以分辨水汽的时空变化,因此不能很好地监测剧变天气过程(如雷雨、锋面和台风天气).
(2)卫星观测这是目前气象业务中观测大气水汽的主要辅助手段.
气象卫星上的红外分光计和微波辐射计也有探测水汽的能力,但探测垂直分辨率有限,目前的反演精度还不高,相对误差约30%.
红外技术仅在无云区(晴空区)才能反映水汽含量的垂直分布,不能得到云和云下大气中的水汽信息.
此外,微波探测的空间分辨率也达不到中尺度探测的要求.
(3)水汽辐射计水汽辐射计(watervaporradiometer,WVR)早在20世纪70年代就已用于测量对流层中的水汽含量,在GPS测量中广泛用于信号路径延迟修正.
目前水汽辐射计是探测大气水汽最为精确的一种基本设备.
但地基水汽辐射计在有浓云时穿透能力下降,特别是有降水发生时更会产生较大误差.
而星载(包括机载)水汽辐射计由于受背景温度影响较大,在海洋上的性能要好于陆地,例如,在海面上可降水量的探测精度为2~5mm,而在陆地上精度则下降为5~15mm.
同时水汽辐射计价格昂贵,也限制了它的广泛应用.
(4)雷达探测Raman激光雷达可探测大气中水汽的详细分布,新一代多普勒天气雷达也可以探测垂直积分液态含水量(verticallyintegratedliquidwater,VIL).
但由于雷达探测成本很高,难以应用于大范围、全天候、常规观测,并且还需经常标定.
(5)飞机探测飞机探测指由气象专用飞机携带水汽观测仪器进行特定任务、规定航线的观测,如台风监测、人工增雨作业准备.
但由于成本也很高,只能用于个别地区的特殊观测.
(6)激光探测通过先后向空中发射两束高频、高能激光,探测激光形成的特殊凝结核上的水滴情·2·地基GPS气象学况,了解大气水汽的饱和程度,进而可较准确地预报开始降雨的时间和降雨量.
但激光方法只能探测小范围的大气水汽状况,目前还处于实验室试验的探索阶段.
(7)太阳光谱分析仪该仪器探测大气水汽含量的精度可达到0畅75mm,湿路径延迟小于5mm,是一项很有发展前景的高精度水汽含量探测技术,并极有可能作为WVR和激光雷达的基准标定技术.
但其测量的是沿太阳方向的水汽含量,对气象预报的帮助有限.
(8)地面湿度计观测这是气象业务中观测地面大气水汽的一种常规方法.
由于测量的是近地层(2m以内)空气中水汽的状况,不能很好地反映高空大气以及整层大气的水汽含量,对预报剧变天气和降水的作用非常有限.
综上所述,水汽在天气分析和预报、微气象学、气候变化等领域具有非常重要的作用,特别是大气中水汽随时空的变化对气象预报特别是对水平尺度100km左右、生命史只有几小时的中小尺度灾害性天气(如暴雨、冰雹、雷雨、浓雾等)的监测、预报具有特别重要的指示作用.
但当前的地球大气业务探测系统中对大气中水汽含量的探测主要依靠常规的无线电探空观测,费用昂贵,并且一般只是在陆地上进行,而在全球70%以上的海洋及极地区域,水汽资料是极为缺乏的.
即使在陆地,探空观测的空间分辨率和时间分辨率仍远不能满足需要.
探空站网密度太稀,观测站点相隔200~300km;常规探空观测12h才进行一次,每天只有两个时次的资料,不能揭示一些重要的中尺度天气结构,离监测和预报中小尺度灾害性天气的要求尚有很大差距,因而这类灾害性天气容易漏报.
而目前利用气象卫星探测大气水汽的分辨率和反演精度还不高,相对误差较大,总体探测能力还不够理想,尚不能用于日常气象业务工作.
因此,迫切需要寻求新的大气水汽探测技术,以便可以获取30~10min高时间分辨率、探测精度为1~2mm并能提供垂直分布廓线等信息的水汽资料以有效弥补无线电探空资料在时间、空间分辨率上的不足,提供精细化气象预报所需要的高精度、大容量、近实时的大气水汽信息.
1畅1畅3地基GPS技术探测大气的特点及优势GNSS(globalnavigationsatellitesystem)是由GPS/GLONASS/INTMARSAT组合而成的目前正在发展的全球卫星导航系统,其中INTMARSAT(InternationalMaritimeSatelliteOrganization)是"国际海事卫星组织"的简称.
该组织计划通过所属的通信卫星转发GPS/GLONASS导航信息,为全球用户提供服务.
由于GNSS综合了全球定位系统(globalpositioningsystem,GPS)和GLONASS的卫星信号,增加了整个系统可视卫星的数目,改善了卫星的几何位置配置,在任何地方可有较大高度角的卫星提供选择,使得GNSS比GPS(或GLONASS)有更高的定位精度和更好的完整性状态,也具有很强的互补作用.
在同等组合方式下,运用先进的组合导航技术,以·3·第1章绪论GNSS与其他导航技术的组合导航将比GPS(或GLONASS)与其他导航技术的组合有更高的精度和可靠性.
因此,严格地讲,利用全球卫星导航系统探测地球大气的技术及学科应称为GNSS气象学(或GNSS大气科学).
但因为目前该技术应用于大气探测基本上都是基于美国的全球定位系统,故一般多称为GPS气象学(GPSMeteorology,简写为GPS/MET,业务部门也称之为GPS探测大气技术),其目前在综合气象观测系统的建设中多称为GPS/MET水汽(监测)站.
从发展历程来看,GPS气象学是一门由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出的新兴边缘学科,是近20年来蓬勃发展起来的,是卫星导航与定位系统技术在地球大气探测中的最新应用.
20世纪80年代后期,美国的Davis、Her唱ring、Askne、Nordius等在该领域做了许多基础理论研究,为其发展奠定了理论基础.
后来,Bevis和Businger等进行了较全面的研究,1992年提出了利用地基GPS技术探测大气水汽含量的原理和方法,并通过观测试验验证、理论完善和应用拓展,使GPS气象学的基础———地基GPS气象学迅速发展成为一门交叉性前沿学科,它融合了大地测量、天文、气象、卫星、信息处理等多种技术,其反演的水汽产品主要应用于气象研究及相关业务工作.
近年来,结合掩星技术通过对大气折射率的遥感来反演大气的温湿特性,又催生了天基(曾称为空基)GPS气象学,它是GPS气象学新的分支发展.
所以,按GPS接收机所在的空间位置,GPS/MET可分为地基(ground唱based)GPS/MET和天基(space唱borne)GPS/MET.
从GPS卫星发射的无线电信号在到达接收设备的过程中会受到大气折射的影响.
在原先的GPS计算方案中,开始就是将这项影响作为一主要误差源进行研究并加以改正(削弱)的,这称为正问题.
在近20年中,随着GPS观测精度的不断提高,GPS信号的大气延迟效应可以用于地球大气的探测之中,即GPS平差中求得的天顶延迟改正项可以用来计算测站上空的可降水量,这称为反问题,也正是地基GPS气象学的基本原理.
同样,一个安装在低轨道地球(LEO)卫星上的GPS接收机在观测一个正在掩星过程中的GPS卫星信号时,有可能用反演方法提供地球大气的压力、温度、湿度的详细剖面,这就是天基GPS气象学的原理.
GPS气象学领域非常广泛,目前包括对流层的水汽探测、对流层高层的温度廓线、电离层密度剖面探测、等压面的位势高度计算、通过地转或梯度风关系估计高纬地区的风等方面的研究.
也就是说,GPS气象学的主要任务是探测对流层大气的细致特征,如折射率、湿度(水汽含量)、温度、密度、压强和风.
但目前GPS气象学中理论和应用较为成熟的内容是GPS遥感大气水汽,它是20世纪90年代兴起并迅速发展、极具潜力和实用价值的新方法或新的大气探测技术,已成为GPS应用的热点方向之一.
其中地基GPS遥感大气水汽技术发展迅速,并且易于在业务中得到推广应用.
由于GPS技术探测大气水汽具有成本低、精度好、时间分辨率高(可根据天气分析的不同需要而设定,目前一般为30~60min)、垂直分辨率高(≤1km)、全球覆盖、全天候观测等优点,特别是GPS在任何天气条件下获得精确信号的能力较强,包括在有很厚的云层覆盖时(而此时雷达探测的灵敏度已大为降低).
因此,区域性密集的GPS网可监测几十千米到几百千米空间范围内较短时间间隔的水汽变化.
·4·地基GPS气象学综上所述,由于利用GPS/MET技术获取大气参数具有探测时空分辨率高、精度高、全天候、近实时、连续获取能力强、不需要对仪器进行标定以及经济、高效等诸多优点,这是当今其他各种探测技术所无法比拟的,使它显现出蓬勃生机,受到了天文、测绘、地震、气象科技工作者的密切关注和重视.
GPS/MET技术成为新一代大气遥感技术中最有效、最有发展前景的方法之一,被广泛应用于天气、气候、人工影响天气和空间天气的研究.
特别是GPS遥感大气水汽在国内外已作为一种新的遥感探测手段应用于大气水汽的研究、观测试验和业务(试)运行中,并且在未来高空气象探测、天气预报技术的发展中将扮演十分重要的角色.
1畅2国内外GPS水汽遥感的研究综述1畅2畅1国内外GPS水汽遥感的研究及应用1畅2畅1畅1GPS大气水汽遥感的技术原理GPS信号在穿越对流层大气时,会受其影响而产生信号延迟,与大气参数有关的折射率也将发生变化.
由于信号延迟和大气参数之间具有很好的相关性,因而可用GPS技术以遥感的方式来探测大气参数,研究对流层大气.
近年来,由于GPS软、硬件技术的飞速发展,GPS精密测量的精度越来越高,人们可求得较为精确的对流层延迟值,进而可算出较为精确的大气垂直积分水汽含量(intergratedwatervapor,IWV)或对流层大气可降水量(precipitablewatervapor,PWV,也称大气水汽总量).
现在,常把利用GPS技术测定的可降水量用GPS唱PWV或GPS唱PW来表示,这是目前GPS水汽遥感的最主要产品.
就测量大气水汽总量而言,GPS接收机是全球地学界所关注的一种新型遥感器,它可严密监测全球大气水汽含量,对于全球变化的研究也很重要.
研究表明,水汽作为一种温室气体,在全球变暖过程中具有明确的反馈效应,较高的大气温度会提高大气保持水汽的能力.
如前所述,由于GPS技术探测大气水分具有诸多优点,它已开始作为一种新的遥感探测手段应用于大气水汽的研究和业务应用试验中,并已开始或即将开始成为下一代高空大气观测系统重要的组成部分,在未来天气预报技术的发展中将扮演重要角色.
另外,GPS技术探测大气水汽的技术在水分平衡与水汽循环研究、空中水资源开发利用等领域也大有作为.
如前所述,根据GPS接收机的位置,GPS遥感大气水汽含量分为地基和天基两种技术.
地基GPS气象学的技术原理是将GPS接收机设置于地面,像常规的GPS测量一样,通过地面布设GPS接收机网来估计某个地区的气象要素.
地基GPS遥感技术目前已较为成熟,能以较高的水平分辨率测定大气水汽总量,其精度可达1~2mm.
地基GPS在遥感对流层大气时,具有覆盖全球、高垂直分辨率、高精度、高长期稳定性(时间连续)、硬件集成化程度高、成本低、设备消耗少、易于维护、不需校准、不受云中雨滴或冰相粒子干扰等诸多优点,可显著提高天气预报(包括数值天气预报)的准确性和可靠性.
在恶劣天气的监测和预报中,由于GPS气象学可以成功地从GPS信号中·5·第1章绪论提取大气水汽分布的信息,并且信号不受天气的影响,故可以24h不间断地监测大气的变化,这为气象预报提供了更为先进的手段.
对某些天气预报时间分辨率要求高或地面常规气象站分布稀疏的地区,应用GPS技术探测大气水分对短时临近天气预报(now唱casting)极有价值.
由地基GPS估计大气水汽总量的可行性和测定精度已在与同时段无线电探空观测结果和水汽微波辐射计观测结果的直接对比中得到肯定.
美国55个GPS网络工作站的测试表明:地基GPS遥感大气水汽总量不仅能真实反映大气湿度的分布情况,而且其精度明显高于其他类型的湿度观测系统,在大气相对湿度3h预报中具有绝对优势,可明显改进降水的3h预报效果.
目前全球连续观测的常设GPS大地测量阵列(PGGA)的规模和能力已可与全球无线电探空网(大约600个站)相当.
地基GPS/MET技术从20世纪80年代起步以来,伴随GPS的快速发展,得到广泛应用,技术日益成熟,已从科学研究领域迈入日常业务运行工作.
但也应看到,由于地基GPS只能遥感观测路径上的大气水汽总量,不能提供水汽的垂直分布信息,因此地基GPS水汽观测具有良好的时间覆盖率(近实时)而空间分辨率较低.
另外,由于海(船)基GPS/MET还在试验中,地基GPS/MET目前尚无法在广阔的海洋上实施测量.
正在兴起的天基GPS技术(也称无线电掩星技术,简称RO)恰恰具有良好的空间分辨率而时间覆盖率不高,适用于遥感大气温度、水汽的垂直分布廓线.
因此,在气象监测和预报中地基GPS和天基GPS技术的结合可更好地利用GPS技术获得更为全面的大气水汽信息.
1畅2畅1畅2GPS大气水汽遥感的起源为了达到GPS高精度定位的目标,天文、大地测量(测绘)、地震等部门的科技人员已经花费很大的精力做了许多研究工作,以扣除电离层、对流层干空气和对流层湿空气等对电波传播和测量精度的影响.
在此基础上,1992年美国Bevis等提出,如果接收机的精确位置已知,电离层的延迟已经扣除,则可以从GPS信号和地面温度、气压的观测推算接收机上空的垂直积分水汽总量.
为了验证和评估Bevis等提出的地基GPS探测大气积分水汽量的原理和方法,1993年5月,美国一些大学和研究机构的科学家在俄克拉荷马州进行了GPS/STORM试验.
试验结果表明,GPS得到的水汽总量与微波辐射计观测的水汽总量之间的均方根(RMS)误差为1畅5mm,二者之间的偏差则小于0畅5mm.
此后,美国国家海洋和大气局(NOAA)的环境研究实验室进行了GPS遥感的水汽、微波辐射计观测的水汽和无线电探空水汽三者之间的比较,结果表明GPS技术测量水汽的精度与微波辐射计相当.
1994年,美国建成了由24颗GPS卫星组成的全球卫星定位星座.
美国、日本和部分西欧国家利用测绘、地震和气象等部门建立的地基GPS站网,开展了利用GPS获取大气积分水汽含量的业务试验.
试验首先解决快速星历获取、通信、业务化资料处理软件等问题.
用获取的更多的样本比较了GPS水汽、探空水汽之间的观测结果,两者的均方根误差为1mm,相对误差5%~10%.
同时,利用业务试验阶段获取的大量数据和典型个例,研究了GPS水汽在气象业务和大气科学研究中的应用.
1994年,美国NOAA的预报系统实验室建成了世界上第一个用于遥感大气水汽的地基GPS观测网.
·6·地基GPS气象学1畅2畅1畅3国外研究现状及业务技术发展趋势1992年,美国Bevis等提出了基于地基GPS估算大气水汽含量的原理.
1992~1997年,美国经过多次地基GPS试验表明:GPS可作为具有高时间分辨率的动态测定大气水分的"气象站",以GPS估算水汽与水汽辐射计的对照精度为1~2mm(相对水汽总量法)和1~1畅5mm(绝对水汽总量法).
1998年又实施了GPS/MET计划,对地基GPS和天基GPS技术在遥感大气水汽含量方面的结合应用进行了试验.
此外,美国和加拿大的一些研究机构合作实施了Westford水汽试验(WWAVE),主要目的也是对应用地基GPS测定大气可降水量的方法进行评估.
该试验进一步证明了这一技术的可行性,在冬天,某些地区GPS唱PWV的精度从未低于1畅5mm,并且这种精度在与无线电探空系统的比较中不断得到肯定.
美国NASA/JPL(国家航空航天局喷气推进实验室)现已研究出几种准实时处理GPS数据并可算出较精确的大气水汽总量的方法,用于数值天气预报和短时临近天气预报.
并且美国等发达国家已经开始发展投入业务应用的地基GPS观测网.
日本地理测量院(GSI)自1994年起就开始布设全国PGGA,现已拥有约1200个测站.
该阵列的空间分辨率与日本气象厅(JMA)的气象数据自动获取系统(AMeDAS)的空间分辨率相当.
这种PGGA与气象观测系统的组合对大地测量学和气象学之间的交叉研究非常有利.
1997年4月至2002年3月,在日本科技厅资助和GSI组织下实施了日本地基GPS气象学计划(GPS/METJapan),该计划的一个重要目标就是建立由PGGA测定的大气水汽总量的数据库.
这些数据将被用于JMA数值天气预报模式的四维数据同化系统中,以改进中尺度天气系统(如锋面、台风)和局地恶劣天气(如暴雨、雷暴)的预报.
此外,该数据库也可供卫星遥感、大气污染、水分循环和洪水预报等研究工作使用.
由于日本拥有全球最密集的PGGA和地面气象观测网,加之又有现代化的数值天气预报系统,因此日本目前处于世界地基GPS/MET应用研究及业务应用的领先地位,同时也促使大地测量学、气象学和地球物理学之间的联系前所未有的紧密.
地基GPS永久跟踪站应用于天气预报已经历了多年的试验,特别在欧洲(以德国、瑞典为代表)现已将其作为大地测量学和气象学结合起来为社会服务的一个重大项目.
1999年开始,欧洲15个国家联合进行了将地基GPS永久跟踪站网的数据用于数值天气预报的研究,有近100个GPS站将其观测数据或天顶总延迟传输给数据中心,然后换算为气象学上的水汽总量.
欧洲已开发出了高精度、快速(近实时)GPS星历服务,这对保证从天顶总延迟计算大气水汽总量的精度至关重要.
1畅2畅1畅4国内研究现状及观测网建设进展GPS/MET技术在我国的研究及应用已经历了三个阶段:20世纪90年代中期为前期预研,20世纪90年代后期为科学试验,21世纪初开始建立业务试验网.
现在各方面条件已基本成熟,开始迈向地基GPS探测系统全面业务化的阶段.
我国有关单位早在20世纪90年代中期就把GPS/MET原理和方法介绍到国内并·7·第1章绪论开始了利用地基GPS接收机信号反演大气参数的试验.
20世纪90年代中期,中国科学院上海天文台朱文耀、严豪健等在我国较早开展了地基GPS气象学及其在恶劣天气分析中应用的研究.
利用国内分布的23个GPS网站及其周边地区的6个国际地球动力学服务系统(IGS)的GPS永久跟踪站,组成了一个区域性地面试验网,进行了我国首次GPS/MET试验.
与国内GPS网中具有无线电探空观测的4个高空气象站(上海、武汉、长春和西宁)的资料进行比较后发现:GPS可降水量(GPS唱PWV)和无线电探空可降水量(SONDE唱PWV)之间的平均误差为3~4mm.
此外,考虑到上海地区夏季天气变化剧烈、台风活动频繁等因素,选择1997年8月上旬和下旬两个观测时段,进行了国内第一个GPS风暴试验.
结果表明,地面GPS网可获得几乎实时、连续和高精度的可降水量值,并且可很好地与实时降雨量和降雨过程相对应(王小亚等,1999).
北京大学毛节泰和李成才(1998)等利用1997年夏季共3周的东亚地区GPS跟踪站数据和IGS星历,结合相应的地面气象资料反演了上海和武汉的大气水汽总量,与探空资料获得的水汽总量的对照均方根误差为5mm左右.
中国测绘科学研究院党亚民(1999)利用北京、上海和武汉三个GPS跟踪站的实际观测资料反演了相应的大气水汽含量.
该研究院的丁继新等也用我国沿海地区5个测站(大连、青岛、闸坡、坎门、厦门)的GPS数据解算出对应的大气水汽总量.
武汉测绘科技大学刘焱雄(1999)应用地基GPS技术遥感了香港地区大气水汽含量,提出了计算大气水汽含量的分段多项式方法,并结合无线电探空资料,得出GPS遥感水汽的精度为1~2mm.
在国防科工委卫星应用项目指南的支持下,从1995年起,国家卫星气象中心、北京大学等单位联合开展了利用地基高精度双频GPS接收机信号反演大气积分水汽含量的专题研究,得到精度为2mm左右的GPS大气可降水量和中层大气1K的温度反演廓线.
经详细验证,确认了利用GPS信号反演大气可降水总水汽含量PWV方法的可行性,即GPS获得的PWV与常规探空得到的PWV之间的相对误差小于10%.
1998~2000年,在国内的一些重大科学试验观测计划中,均把GPS水汽观测作为观测内容之一而加以实施,例如,中国气象科学研究院在海峡两岸及邻近地区暴雨试验(HUA唱MEX)、第二次青藏高原大气科学试验(TIPEX)中进行了GPS观测,得到我国华南和青藏高原地区的水汽变化情况(杨光林等,2002).
中国气象科学研究院何平(2002)等在汕头、阳江、海口进行了地基GPS长时间连续估测大气水汽总量的外场试验,探空资料与GPS反演结果的比较表明:两者随时间演变的趋势一致,但GPS反演的水汽总量比探空资料计算的结果平均偏低6畅5mm,偏差量的均方差为4畅3mm.
2000年,国家卫星气象中心、北京大学和北京市气象局又联合在北京地区开展了更大规模的我国第一次区域性的地基GPS/Vapor观测试验,共设置了6个站点,获取了北京地区面上GPS大气可降水量的分布和变化情况.
北京市气象局梁丰等(2003)利用2000年6月1日至8月11日在京津地区10个测站获得的我国气象界首次区域性地基GPS网遥感大气水汽总量试验资料,分析了北京地区夏季大气水汽总量的时间、空间变化,研究了大气水汽总量与日平均温度、地面水汽压和降水的关系.
近年来,北京大学、北京市气象局又开展了利用地基GPS反演三维水汽场的试验研究.
1998年、2005年中国气象科学研究院主持的前后两个"973"计划项目"中国长江暴雨"、"中国南方暴雨"在长江中·8·地基GPS气象学下游地区梅雨锋暴雨观测试验中,均在安徽、江苏进行了GPS反演水汽的外场试验,进一步完善了强暴雨系统的GPS观测和反演技术.
近年来,我国学者相继在西藏(杨红林等,2002)、安徽(毕研盟等,2004)、成都(李国平等,2006)、哈尔滨(刘旭春等,2006)、武汉(章红平等,2005)、乌鲁木齐(赵玲等,2006)和河北(李国翠等,2007)等地以及南极地区(程晓等,2002)开展了GPS遥感大气水汽的试验.
在应用研究方面,中国气象局2001年开展了GPS水汽观测技术推广项目的研究,建设了水汽观测的试验站点和网络,研究了水汽观测的业务化技术要求,为地基GPS业务化观测打下了基础.
国家卫星气象中心开发了同化GPS水汽和天顶延迟的中尺度变分同化系统,中国科学院大气物理研究所开发了同化GPS折射角的四维变分同化系统,证明了GPS观测在数值天气预报中的应用价值(王斌等,2002).
中国气象局气象探测中心、中国气象科学研究院牵头承担的公益性行业(气象)科研专项就有开展GPS探测技术及其资料在气象业务中的应用研究.
以上GPS水汽遥感的试验性工作极大地推动了我国地基GPS观测技术由研究、试验向业务应用方向发展.
21世纪初,国内GPS观测业务试验应用系统开始陆续建立.
逐步展开的GPS站网建设的前期工作或业务应用性的局地网建设都开始增加了GPS水汽探测的业务试验,为建设满足气象业务应用及服务要求的GPS水汽探测网打下了基础.
"九五"期间,在国家重大科学工程项目的支持下,由中国地震局牵头,总参测绘局、中国科学院、国家测绘局等多部门合作,在全国建设了国家地基GPS网一期工程———"中国地壳运动观测网络".
这是利用GPS高精度定位技术来监测地壳的形变,在全国主要地质断裂带上建设了25个GPS基准站,并实现了资料共享,每天传送一次前24h的观测资料.
这虽不是一个专供气象部门业务应用服务的GPS水汽观测网,而且站点较少、分布不均,但是可以利用这个持续运行的GPS基准站网的资料获取全国范围的水汽资料,以此为基础建立我国地基GPS/MET探测网.
因此,中国气象局与中国地震局签订了合作协议,参加了"中国地壳运动观测网络"的工作,对1999年以来的GPS资料进行了水汽反演及分析.
在上海市政府的支持下,2000年由中国科学院上海天文台牵头,联合上海市测绘院和上海市气象局等部门,共同建设上海地区GPS综合应用网.
在上海及其周边地区建成14个GPS观测站,其中,上海地区有5个站,在长江三角洲有9个站,GPS站都布设在当地气象部门.
布站的主要依据是影响上海地区强对流灾害性天气的水汽来源路径,故也称为"长江三角洲GPS气象网".
中心工作站设在中国科学院上海天文台,大地测量工作站设在上海市测绘院,GPS气象工作站设在上海市气象局.
开展了GPS综合应用试验,包括大地测量、地壳形变、地面沉降和地理信息系统(GIS)、水汽探测和电离层探测等多种GPS应用,并可推广到交通智能化管理、电离层变化监测和城市规划等方面.
此项目在2004年通过验收,已在上海市气象局上海市卫星遥感与测量应用中心业务运行.
在GPS探测大气水汽应用于天气预报的业务工作方面,已利用获得的2002年入梅前后长江三角洲地区高分辨率可降水量资料,分析出入梅过程中水汽变化空间分布的细微特征;并将GPS唱PWV资料同化到中尺度数值模式MM5的初始场中,通过优化初始场来提高模式对降雨量的预报能力(袁招洪等,2004;宋淑丽等,·9·第1章绪论2004).
在北京市发展和改革委员会的支持下,由北京市信息化办公室牵头建设的北京奥运GPS综合应用网,联合了几乎所有GPS应用单位,分设了气象、地震、测绘、交通、农业应用、水利、林业、园林和无线电管理9个子系统,服务面十分广泛,计划在北京地区建28个GPS基准站,多数建在有关气象局,中心处理功能设在北京市信息化办公室地基GPS数据管理中心.
在北京市科学技术委员会的支持下,北京市气象局2002~2005年进行了北京地区中小尺度地基GPS大气水汽的遥测研究.
在北京地区两个主要局地降水中心———房山和怀柔,分别建设了由8个站和6个站组成的中尺度地基GPS观测站(即地基GPS业务试验小网).
站间距为5~15km,以研究局地中尺度水汽的连续变化,并探索解决单、双频GPS信号接收的水汽测量精度与反演问题,以及进行应用层析技术反演大气水汽垂直分布廓线的试验,取得了初步成果并已开始转向准业务运行.
2003年初,广东省也提出兴建1个与长江三角洲类似的珠江三角洲GPS应用网.
这种区域GPS气象网的建立可近实时地提供水平空间密度100km左右、时间间隔30min、精度优于2mm的大气可降水量序列,这将大大提高监视和预报中小尺度灾害性天气的能力,减少漏报次数,对提高天气预报特别是灾害性天气的预报能力及其准确度具有重要意义,为更好地适应社会对气象预报"更早、更准、更细"的要求提供了高新技术支持.
天津2004年已开始GPS气象应用网的规划及建设.
安徽2005年开始布设地基GPS监测网,该网成为全国第一个以气象部门为主建设和管理的省级GPS应用基础网.
四川气象局2005年开始与四川省地震局共享已有的GPS观测资料,并配套建设相应的自动气象站,同时自建部分GPS接收站.
成都市气象局2007年与成都勘察设计院联合建成了成都市中尺度GPS水汽监测网.
2005年5月中旬,由国家测绘局、中国气象局、国家基础地理信息中心、国家卫星气象中心、西藏气象局共同建设的GPS连续运行站在珠穆朗玛峰地区海拔4300m的定日县气象站建成,并调试成功.
这是我国测绘和气象部门首度携手合作共建的示范项目.
这一系统建成后,气象部门将把大气水汽的观测频率提高到每小时一次,利用GPS信号通过大气层和电离层产生的变化来反演该地区高时空分辨率的大气水汽变化和空间电离层电子浓度变化的信息.
这些数据可用于研究珠穆朗玛峰地区的天气变化情况,进而将极大地提高该地区天气预报的准确度,更好地服务于高原地区的科学考察和登山活动.
中日气象灾害合作研究计划(JICA)中的水汽输送和水循环观测研究项目,2006年夏季开始在四川、西藏、云南、贵州和广西五省(区)布设"西南水汽大通道"GPS监测网,共有25个站(四川有6个),其中已建成投入运行的西藏那曲站海拔4500m,是世界上海拔最高的GPS水汽观测站.
为在全国建立GPS水汽探测业务系统积累建设经验,中国气象局在21世纪初安排了GPS工程试验项目,由国家卫星气象中心牵头在华北地区建立了GPS探测水汽的业务试验网.
首先在河北省的石家庄、张家口、秦皇岛建立地基GPS观测试验站,在北京南郊的中国大气探测试验基地建立地基GPS观测示范站,后又扩展到在山西太原再建一个GPS观测试验站.
GPS数据分析处理中心设在国家卫星气象中心,开展了GPS水汽探测业务系统建设和实时运行试验,包括站址选择、站基建设、设备选型、数据采集、信息传输、通信组网、远程监控、资料处理、产品生成和应用等各方面内容,取得·01·地基GPS气象学了初步成果,积累了GPS水汽探测业务系统建设和运行全流程各个环节的全面经验,由此制定了一批规范性的文件.
中国气象局同时鼓励各地气象部门积极参与当地政府支持的本地GPS综合服务网建设,或在当地防灾减灾、水资源开发、人工增雨等重点工程建设中增加GPS基准站建设项目,全国各地建站总数预计将超过400个.
GPS/MET观测网作为全国新的气象业务技术体制"三站四网"中"国家专业气象观测网"的一个重要组成部分,目前各地已开始兴起建设地基GPS综合应用网的热潮.
据不完全统计,全国有超过2/3的省(区、市)(如上海、北京、广东、天津、河北、湖北、安徽、四川、江苏、浙江、重庆、云南、西藏、贵州、广西、黑龙江、山东、山西、内蒙古、甘肃、青海、吉林、陕西、江西等)已通过多方、多种形式(自建、利用、合建)推进GPS综合应用网的建设,例如,与各地测绘、国土资源、地震、天文、规划、勘察设计、交通等部门合作建立了大批GPS观测站.
截至2009年10月,据不完全统计,全国各行业建成的地基GPS基准观测站已超过600个,其中,中国气象局已建成GPS/MET站428个,这些站网建设为国家级的GPS水汽探测业务网的建设打下了坚实的基础.
为加快气象综合探测系统的建设,全面推进我国气象部门地基GPS大气探测业务建设,加快建立覆盖全国的地基GPS大气电离层探测网,中国气象局监测网络司组织力量,编制了枟中国气象局全球导航卫星系统空间大气探测基准站网建设规划枠和枟GPS基准站网建设指南枠,并于2006年1月召开了GPS大气探测业务工作研讨会进行具体部署.
计划用5年左右时间建设国家级GPS水汽探测网,覆盖全国,平均站间距150km,主要监测天气尺度的水汽分布和变化以及电离层电子浓度分布.
第一批配合中国气象局探空站点和部分国家气候观象台,拟建120~150个GPS站.
同时,以国家级的天气尺度站网为依托,结合地方公用综合GPS站网,在一些经济发达的大城市、经济技术开发区周边建立站间距5~30km的区域性中尺度GPS水汽探测网,镶嵌在国家级的GPS网内.
GPS站网的信息传输,借鉴自动气象站的资料收集分发方式,依托气象部门联通国家、省、地、县各级的气象综合信息业务网络(VSAT)来实施.
各GPS站探测的原始信息每30s采样一次,每小时打一个数据包和同站的地面气压、地面气温的观测值一起,由省气象信息中心负责收集,并集中上传到国家气象信息中心分发共享,GPS原始观测数据传送到位于国家卫星气象中心的GPS数据分析处理中心.
GPS数据分析处理中心每小时生成一幅覆盖全国的GPS水汽图,并通过气象信息网络向用户提供服务.
同时,各省GPS中尺度网分析处理中心负责生成本区域的中尺度水汽场,并用层析技术做出中尺度水汽垂直分布廓线,更好地为中尺度强对流天气的监测以及短时临近天气预报和数值天气预报服务.
GPS水汽场的探测精度与探空资料相比,应达到均方根误差小于1畅5mm,相对误差为5%~10%.
2009年,总参测绘局、国家测绘局、中国气象局、中国地震局等六部委开始联合共建中国大陆环境构造监测网络(简称"陆态网"),其中中国气象局负责在国家气候观象台建设45个地基GPS站用于水汽监测.
陆态网是以全球卫星导航定位系统为主的国家级地球科学综合监测网络,是我国"九五"重大科学工程中地壳运动观测网络工程的延续,包括基准网、区域网、数据系统三大部分.
由原来接收24颗卫星的GPS连续运·11·第1章绪论行观测网络升级为可接收100颗卫星的GNSS连续运行观测网络,是我国12个"十一五"国家重大科技基础设施建设项目之一,可监测我国大陆岩石圈、近海、近地空间的物质结构和四维构造形态的变化,认知现今地壳运动和动力学的总体态势.
陆态网以服务于地震预测预报为主,同时服务于军事测绘保障、大地测量和气象预报,兼顾科学研究、教育发展、社会减灾和经济建设.
可为气象部门提供高时空分辨率、准时、连续的大气可降水量分布及其变化的图像和高空电离层电子总容量变化的精细图像,对气象预报和灾害性天气的预报、预警具有重要意义.
1畅2畅1畅5GPS/MET的天气学应用在GPS水汽遥感的天气学分析应用方面,上海地基GPS综合应用网提供了空间覆盖整个长江三角洲地区、时间每3min一次、估算精度优于2~3mm的可降水量(GPS唱PWV)的连续变化探测资料,在长江三角洲地区天气预报和研究中发挥了明显的作用.
上海中心气象台根据多年GPS唱PWV变化,分析出长江三角洲地区的区域气候变化特征,发现大气中水汽全年有明显的周期性变化,水平分布特点是水汽的经向差异明显大于纬向差异,长江三角洲地区夏半年和冬半年水汽输送通道也有差异,分为东南和西南两个主要方向.
基于上海地区GPS唱PWV资料对2004年8月31日至9月1日的一次暴雨过程的水汽输送特征进行了分析.
此次暴雨先后有西南方向和东南方向两条水汽输送路径,每30min一次的GPS唱PWV动态分布图能及时、精细、直观地反映大气中水汽的时间变化和空间变化,有效地弥补目前常规探测手段对大气中水汽测量的不足.
GPS唱PWV时间变化对于预报降水过程也很有帮助,利用上海浦东站2002年12个月的GPS唱PWV时序图,可以发现几乎每一次降水前GPS唱PWV都有一个急升过程,当GPS唱PWV达到一定的阈值后降水开始.
GPS唱PWV的峰点与降水过程有较好的超前对应关系.
75%的GPS唱PWV峰点的0~2h后出现降水峰值,48%的GPS唱PWV峰点的1~2h后出现降水峰值.
专门制作的GPS唱PWV的散度分布图清楚地表明:大气中强水汽辐合出现在短时强降水前2h,这有助于短时暴雨的监测和预报(丁金才等,2004).
水汽的季节性变化诊断可用于长江三角洲地区入梅时间的确定.
习惯上常根据雨日来定长江下游的入梅时间,由于雨日是不连续的,入梅诊断常有争议.
而GPS唱PWV是连续的,诊断信息明确.
连续4年入梅后大气中水汽都有季节性跳跃,入梅后GPS唱PWV的平均值比入梅前高20mm左右,并在较短时间内完成.
通过对上海地区多个测站2002年梅雨季节GPS唱PWV时间变化曲线的分析,可以看出在6月18日入梅前后GPS唱PWV有一个明显跃升,可作为监测长江三角洲地区入梅过程的有效指标.
地基GPS/MET观测资料通过变分同化引入数值预报模式对降水预报有较好的作用,特别对暴雨过程的落区和强度预报有很好的改进.
上海市气象局用2002年6月27日20时的可降水量资料,在中尺度数值模式MM5中通过三维变分同化预报28日2时至8时的6h累积雨量,各降水等级的预报特别是暴雨等级预报有很大改进.
GPS唱PWV同化后在GPS站密度较大的上海及浙东北地区和原来探空站间距较大的皖南、浙西北山地及江苏中东部地区等三个区域对雨量预报有明显改善(袁招洪等,2004).
·21·地基GPS气象学为进一步掌握上海地区上空大气水汽垂直分布的连续变化,上海天文台利用上海市区5个GPS站组成的中尺度网的观测资料,开展了大气可降水量层析研究和监测,给出了2002年8月7日上海地区大气水汽的三维结构,从地面到6km高空,垂直分辨率为500m.
监测结果表明,GPS唱PWV的层析结果与无线电探空的结果非常接近.
GPS唱PWV的层析监测可有效地提高MM5对上海地区上空可降水量垂直分布的预报精度(宋淑丽等,2004).
北京大学用武汉地基GPS站反演的每30min水汽资料分析了1998年7月18~24日特大暴雨过程,发现第一场暴雨恰好发生在水汽持续增加了大约3h后,具有很好的预报指标意义(李成才等,1999).
北京气象局目前在北京地区房山、怀柔两个地基GPS水汽监测中尺度小网上实现了GPS唱PWV的层析监测,以网页形式提供实时水汽产品,还开展了地基GPS大气水汽监测资料在人工影响天气和空中云水资源评估方面的研究.
中国气象局北京城市气象研究所对北京地区地基GPS大气水汽监测组网在北京强降水数值预报中的作用进行了同化评估.
强降水个例研究表明,通过变分同化在区域数值天气预报模式初始场中引入地基GPS大气水汽监测资料,明显改进了降水预报,可使6h和24h降水TS评分值在1mm、5mm、10mm和20mm预报检验阈值下分别提高1%~8%.
2008年实施的青海三江源人工增雨工程项目也计划建设12个GPS水汽探测站,用于天气分析预报和人工增雨作业.
在2008年冬季南方大范围持续性低温雨雪冰冻天气灾害中,中日气象灾害合作研究(JICA)项目在西南地区布设的25个GPS水汽监测网捕捉到水汽输送异常的强信号.
2010年中国气象局成都高原气象研究所规划在川西高原立项建设由30多个GPS观测站组成的监测网,可用于诸如九寨沟空中水汽资源监测与评价、西南低涡发生发展的研究及业务预报等.
香港天文台基于香港地区12个GPS站长时间的GPS唱PWV资料,建立了GPS水汽偏离系数,将站与站之间的系统性差异除掉,凸显大气水汽含量在短时间内与平均值的对比,并统计出暴雨临近预报必需条件的客观指标为:对于夏季每小时降水量大于30mm的暴雨,GPS唱PWV的偏离系数应大于1畅0.
通过实时GPS水汽分析,配合动力、热力条件,预测雷达回波的发展或衰减,对2004年5月4日暴雨个例的发生、发展、衰减的全过程作出了准确预报,及时发出黄色、红色、黑色又退回到红色、黄色的短时临近暴雨警报.
台湾从事测量和太空研究的学者也研究了锋面和台风过境时地基GPS监测的大气水汽含量的演变特征(刘说安和杨名,1999).
1畅2畅2存在的主要问题GPS技术在大气水汽探测中的研究及应用(特别是业务应用)还处于探索、试验阶段.
在以下几个方面尚需开展深入的研究:1)GPS反演大气水汽的数据处理模型(如映射函数、水平梯度)还需进一步改进;·31·第1章绪论2)GPS遥感低层大气水汽的误差源还较多(而水汽的90%集中在距地面3km的低层大气中);3)GPS遥感可降水量时,应建立适合当地特点的计算模型,即局地订正模型,如静力延迟计算模型、对流层加权平均温度的计算公式等;4)不同地形条件下或不同气候背景下GPS遥感的大气可降水量的特征;5)GPS可降水量序列在短时临近天气预报和数值天气预报中应用的方法和技术及其对预报效果改进的评价方法;6)目前GPS可降水量数据还不能满足天气预报员在作临近预报时期望每隔10~15min提供一次大气水汽资料的所谓"最新"或"第一时间"的要求;7)GPS水汽产品同化到中尺度数值模式,以改进数值天气预报效果的理论研究和业务试运行;8)拓展GPS可降水量在气象上的应用领域,如局地水汽循环与水汽输送研究、空中水资源评价、人工影响天气作业区的选择与效果评估等;9)GPS水汽产品用于业务工作的实时性、连续性和质量稳定性有待改进;10)如何最大限度地利用GPS探测信息以及与其他大气探测资料(如地面自动站观测、无线电探空、气象卫星遥感、雷达探测、水汽辐射计和再分析资料等)有效集成,从而进一步提高大气水汽探测的精度和分辨率;11)GPS水汽遥感属于多学科交叉的前沿性研究,涉及问题面广(观测站网布局、传输、解算、应用及改进),需要多部门共同参与、合力推进,使该项研究及应用能够不断深入.
1畅3国内外GPS气象学研究进展GPS技术的迅猛发展和日臻成熟使其成为对地观测的一种新的、更加有力的手段,已成功地在地球科学的许多领域得到应用,如地壳形变和板块运动监测、火山爆发和地震的监测及预报、地球自转及地心运动监测、电离层监测及空间灾害性天气预报、对流层大气监测及天气预报等.
在气象科学研究和业务应用方面,GPS技术已展示出广阔的应用前景.
20世纪90年代,人们已开始利用GPS理论和技术来遥感地球大气.
例如,多路径效应是GPS定位中的一种噪声,至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的"干扰",但人们从大气对GPS信号延迟的噪声处理的反问题中,发展出了利用GPS信号测定大气水汽含量及温度的一种新手段,从而为更好地监测恶劣天气、气候变化提供了新的技术支持.
现在GPS气象探测已成为世界气象组织(WMO)21世纪新的全球综合高空观测系统的重要组成部分.
由此,以GPS技术在气象学中的应用为主要内容形成了一门新兴的交叉学科,称为GPS气象学.
GPS观测资料在大气探测、天气变化监测和数值天气预报模式中应用的优越性以及取得的初步成功,使GPS气象学在不到10年的时间内很快发展为一个崭新的、极具应用潜力的GPS研究及应用的重要领域.
·41·地基GPS气象学1畅3畅1GPS观测水汽和气温气温、气压和水汽含量等物理量是描述大气状态最重要的因子,无线电探测、卫星探测和微波探测等是获取气温、气压和湿度的传统手段.
作为常规高空大气探测手段,无线电探测方法的观测值精度较高,垂直分辨率高,但地区覆盖非常不均匀,在地域广大的海洋上几乎没有观测数据.
被动式的卫星遥感技术虽可以获得较好的全球覆盖率和较高的水平分辨率,但垂直分辨率和时间分辨率却很低.
利用GPS手段来遥感大气的最大优点是:全球覆盖、费用低廉、精度高、垂直分辨率高(≤1km).
许多研究证实:对于干空气,利用GPS技术在从5~7km到35~40km的高度上所获得的大气温度可以精确到±1畅0℃之内,可反演出精度高达1mm的可降水量,可获得6km以下误差为10%~20%、而边界层(PBL)内误差只有5%的水汽廓线(剖面),并且GPS/MET资料在垂直方向上的高分辨率可完整解析出目前全球大气模式无法揭示的中尺度现象.
正是这些优点使得GPS/MET技术成为高层大气探测最有效、最具发展前途的方法之一.
当GPS发出的信号穿过大气层中的对流层时,会受到对流层大气的折射影响,信号要发生弯曲和延迟,其中,信号的弯曲量很小,而信号的延迟量却很大,通常为2畅3m左右.
在GPS精密定位测量中,大气折射的影响被当作主要误差源而要设法消除掉,这种情况下了解大气特征是为了订正大气对精密定位的影响,这就是GPS定位中将大气影响作为数据误差源("噪声")需要去除的所谓"正问题".
因此,GPS气象学在大地测量学和气象学中是一对正反问题,也可理解为从测量学噪声转变为气象学信号的一门学科,即大地测量学"去噪"问题的反问题,需要求得的量正是大气折射量.
因此,把大地测量学需要滤掉的"噪声"转换视角看作气象学中有意义、需要捕捉的大气"信号",就促成了一门新兴学科———GPS气象学的诞生,同时也极大地拓展了GPS的应用领域.
目前GPS气象学也成为大地测量学的前沿性研究领域之一.
根据接收到的GPS观测数据,通过GPS解算软件的分析可得到天顶总延迟(zen唱ithtotaldelay,ZTD)值.
目前国际上常用的GPS数据解算分析软件及其最新版本为:1)瑞士伯尔尼大学天文研究所开发的BerneseGPSSoftwareVersion5畅0;2)美国喷气推进实验室(JPL)开发的GIPSY/OASIS唱II(其全称为GPSinferredpositioningsystem唱orbitanalysisandsimulationsoftware);3)美国麻省理工学院(MIT)开发的GAMITGPSanalysissoftwareversion10畅35,其中GAMIT只要经过MIT许可,可免费获取和使用.
由于电波在大气中的延迟ΔL与大气折射量有如下关系:ΔL≈∫[n(s)-1]ds=10-6∫∞0Nds(1唱1)式中:n(s)=C0/C,为折射指数,其中,C为真实波速,C0为真空中的光速;N为折射率,并且N=[n(s)-1]*106.
GPS信号在大气中的总延迟是对流层大气(也称中性大气)延迟和电离层大气延迟之和,而后者通过GPS双频技术几乎可以完全消除,·51·第1章绪论因此,由GPS软件解算的对流层天顶总延迟可求得大气折射率.
大气折射率又与气温、气压和水汽压力有关或可构造成这些量的函数.
例如,0畅5%精度的对流层大气的折射率的计算公式为N=77畅6(P/T)+3畅73*105(Pv/T2)(1唱2)式中:P为大气压(hPa);Pv为水汽分压(hPa);T为大气温度(K).
这样就可以通过一定的处理方法最终求得我们所需要的大气物理量,如水汽总量以及水汽、气温的垂直分布(廓线).
1畅3畅2GPS测风GPS探空测风系统由GPS无线电探空仪、地面GPS接收机、GPS卫星观测网以及计算机数据处理系统四部分组成.
其测风原理为:在高空探测过程中,无线电探空仪和地面站均装有GPS天线,可接收由24颗GPS卫星组成的全球高精度定位导航系统中最少4颗卫星发出的信号;地面站接收到GPS信号后会选出所需数据,再加入有关卫星轨道的数据,便可计算出无线电探空仪的位置,从而计算出高空风向、风速以及气压、气温和湿度.
与传统的无线电探空仪相比,GPS探空测风系统的准确度极高,可探测到探空仪所在大气中更为准确的气象数据,并且不易受闪电及雷暴等恶劣天气影响,因此正成为下一代高空气象探测系统中的重要新成员.
1畅3畅3国内外GPS气象学研究及应用现状与最新进展GPS气象学的研究于20世纪80年代后期最先在美国起步,进行了多次试验.
在美国取得较理想的试验结果后,其他发达国家如日本、德国、瑞典等也开始重视GPS气象学,已成功组织了数次较大规模的GPS观测试验,取得了一系列研究成果并开始应用于大气研究和气象预报业务中.
20世纪90年代中期以来,我国也逐步开展了地基GPS观测在气象学中应用的研究和业务试验工作.
1畅3畅3畅1地基GPS气象学及GPS业务网在区域性GPS连续运行站网和综合服务系统应用于气象方面,一些发达国家已取得了重要进展.
美国布设了GPS"连续运行参考站系统"(CORS),该系统的主要目标之一就是确定大气中的水汽分布.
另外,还可利用此GPS网络系统获得、传输气象数据.
美国国家海洋和大气局(NOAA)现已能够实时处理国内100多个GPS站点的资料,并计划将其GPS站点扩展到1000个,且逐步实现地基GPS观测业务化.
德国拥有密集的地基GPS网,在GPS/MET的研究方面也十分活跃.
英国负责建立的"连续运行GPS参考站"(COGPS)系统的功能和目标类似于美国的CORS,但结合英国本土情况还增加了监测英伦三岛周围的海平面相对和绝对变化的任务.
日本在国土地理院(GSI)的组织下已建成近1200个GPS连续运行站网(GEO唱NET,GPSearthobservationnetwork),站间距为15~30km,这是目前世界上最大·61·地基GPS气象学