（大气物理学与大气环境专业论文）近实时gps水汽自动处理系统的初步研究.pdf

近实时g p s 永汽自动处理系统的初步研究摘要大气中的水汽含量是了解大气变化的一个十分重要的信息，许多气象学者一直将水汽及其变化作为重要研究课题；但目前传统的掇测手段存在许多局限性，严重制约了水汽资料在气象方面的应用。随着近几年g p s 技术的飞速发展，g p s 在水汽监测方面的研究引起越来越多科学家的关注，其作为一种新型的探测手段具有探测精度高，全天候，高时空分辨率，观测稳定，无需校正等优点，逐渐成为常规气象探测手段的有力补充。本文重点概述地基g p s 反演水汽的基本原理及近实时g p s 水汽含量自动处理系统的研究。通过本文的陈述和研究可以看出整个系统为自动采集g p s 观测数据和气象数据，自动下载星历文件，基于高精度处理软件，自动处理、存储、显示、报警的综合处理系统。针对实现近实时o p s 水汽自动处理系统的实际问题做出如下研究：1 、探讨利用北京市区域性地基g p s 网实时获取测站上空绝对p w v 的若干问题，根据北京g p s 综合应用网的具体情况，提出实现水汽自动处理方案。包括数据双差技术处理软件、精密预报星历的使用、网外辅助站确定等问题。2 、整个系统流程采用现代通信、高精度自动化后处理、w e b 网络发布等先进技术，解决基准站的数据采集后如何组织；如何集中处理和管理；如何发布；如何实现高实时性等问题。3 、利用该系统对2 0 0 4 年7 月1 0 日北京的一次强降水过程的大气水汽含量进行了反演，结果表明：在暴雨发生前3 4 小时左右，g p s 测量的气柱水汽含量在两小时内突增了6 - t r a m ，很好地预示了其后的降水过程。可见该系统反演的全天候大气水汽场，可为准确监测和预报突发性强降水提供有意义的指标。随着北京全球定位系统( g p s ) 综合网的建设，以及地基g p s 水汽反演技术的不断成熟，建立实时g p s 数据下载和水汽自动处理系统，可为气象科学研究提供所需的数据资料，促进地基g p s 气象学的业务化发展。关键词：g p s ，自动处理系统，水汽含量近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究a b s t r a c tw a t e rv a p o ri st h ev e r yi m p o r t a n tm e s s a g ef o ru st ou n d e r s t a n da t m o s p h e r i cc h a n g e s ，s om a n ym e t e o r o l o g i s t sp u tw a t e rv a p o ra n di t sv a r i a t i o na sa ni m p o r t a n ts u b j e c t h o w e v e rt h es c a r c i t yo ft r a d i t i o n a la t m o s p h e r i cs o u n d i n g sg r e a t l yr e s t r i c t st h ea p p l i c a t i o no fw a t e rv a p o rd a t ai nm e t e o r o l o g y w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to fg p st e c h n o l o g yi nt h er e c e n ty e a r s t h er e s e a r c ho nw a t e rv a p o ru s i n gg p sa t t r a c t sm o r em e t e o r o l o g i s t s w i t hi t sh i g hp r e c i s i o n , a l lw e a t h e r , h i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o n ,h i g hr e l i a b i l i t ya n dn oc a l i b r a t i o n g p sb e c a m eac o m p l e m e n t a r yt ot h er e g u l a ra t m o s p h e r i cs o u n d i n g sg r a d u a l l y t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o no fn e a r - r e a lt i m e ( 诤sw a t e rv a p o ra u t op r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h ep r o c e s sw h i c hr e t r i e v et h ea t m o s p h e r i cp r e c i f i i t a b l ew a t e rv a p o r t h es y s t e mw h i c hb a s i so nh i g l lp r e c i s i o np r o c e s ss o f tc a nc o l l e c tw e a t h e ra n do b s e r v a t i o nd a t a , a u t od o w n l o a de p h e m e r i sd a t a , a u t op r o c e s s ，s t o r e ，d i s p l a ya n dw a r n i n g a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mh o wt or e a l i z et h es y s t e m ，t h i sp a p e rm a k et h ef o l l o w i n gr e s e a r c h f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s ss o m ep r o b l e mh o wt or e t r i e v et h ea t m o s p h e r i cp r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o ro fe a c hs t a t i o ni nb e i j i n gr e g i o n a lg p sn e t w o r k a n db r i n gf o r w a r dt h ea u t op r o c e s ss c h e m e s e c o n d l y ，t h es y s t e ma d o p tm o d e mt e c h n o l o g yf o re x a m p l ec o m m u n i c a t e ，p o s t p r o c e s s i n g 、析也h i g hp r e c i s i o n ，w e bd i s p l a yt or e s o l v et h ep r o b l e ma ts t a t i o no nh o wt oo r g a n i z ec o l l e c t i n gd a t a d i s p l a yr e s u l ta n dc o m et r u ew i mn e a r - r e a lt i m e f i n a l l y , t h es y s t e ma n a l y s et h ea t m o s p h e r i cp r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o ra ts h i j i n g s h a na n dd a x i n gi nj u l y1 0 ，2 0 0 4 i ts u g g e s t st h a tt h ew a t e rv a p o rp r o d u c e db yt h i sa u t op r o c e s s i n gs y s t e mc a r lp r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c ef o rr a i n s t o r mm o n i t o r i n ga n df o r e c a s t w i t ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h eb e i j i n gg p sn e t w o r ka n dt h er e t r i e v e sa d v a n c e m e n to fg p s m e tt e c h n o l o g y ，w es e tu pa na u t op r o c e s s i n gs y s t e mt od o w n l o a dt h eg p sd a t aa n dr e t r i e v et h ep r e c i f i i t a b l ew a t e rv a p o r ，w h i c hw i l lb et h eg r e a tp o t e n t i a li nw e a t h e rf o r e c a s ta n da p p l i c a t i o ni nn u m e r i cw e a t h e rm o d e l a b o v ea l l ，t h er e a l i z a t i o no ft h en e a r - r e a lt i m ea u t op r o c e s s i n gs y s t e mc a na c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fg p s m e tb u s i n e s s k e yw o r d s ：g p s ，a u t op r o c e s s i n gs y s t e m ，p r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o r近实对g p $ 水汽自动处理系统的初步研究1 ，1 研究背景与意义1 1 1 研究背景第一章前言二十世纪以来，伴随着全球工业化进程，在经济快速发展的同时，自然环境不断恶化，全球气候变化导致的水资源短缺、大面积干旱、海平面上升、冰川退缩、土地荒漠化、粮食产量波动、流行病传播，以及地震、海啸等，对经济和社会安全的威胁越来越严重，造成的经济损失也呈明显上升趋势。各类自然灾害中绝大部分是气象灾害，对人类生存安全威胁最大的也是气象灾害。据统计，1 9 9 2 - 2 0 0 1 年的十年间，全球自然灾害导致超过6 2 2 0 0 0人死亡水文气象灾害造成的经济损失估计为4 4 6 0 亿美元，约占同期所有自然灾害总损失的6 5 以上。人类社会至今仍然没有足够的能力改变自然，影响自然灾害发生的时间、地点和规模，但是却可以充分利用现代科学技术手段，切实增强对大气、海洋、水文、地质的观测能力，掌握一些自然灾害发生发展的规律，预测一些自然灾害变化趋势，通过预防手段减轻气象灾害。在灾害性天气分析预测中，水汽输送，水汽辐合的分析至关蘑要。水汽是地球大气中一种重要成分，影响着辐射平衡、能量输送、云的形成和降水，水汽的潜能是大气从赤道向两极输送能量的重要机制，潜能的释放对大气的垂直稳定度、暴风雨的形成和演变以及地、气系统径向辐射能量平衡有显著的影响。水汽随时空的变化对气象预报特别是对水平尺度1 0 0 k m 左右、生命史只有几小时的中小尺度灾害性天气( 暴雨、冰雹、雷雨、大风、龙卷风等) 的监视和预报有特别重要的指示意义。目前水汽探测手段存在许多限制，如常规探空站网，其时间分辨率( 每日两次) 和空间分辨率( 站网密度) 都不够高，对快速生成、发展、消亡的暴雨等灾害性天气进行探测比较困难，成为这类灾害性天气漏报的重要原因之一：其他的探测手段如地基辐射计( w v r ) ，虽具有较高的时间分辨率，但其需要频繁校对，不能全天候工作，且降水发生时雨滴的存在对于辐射的影响以及雨滴打湿仪器天线的影响，使得微波辐射计这时很难提供可用的数据；气象卫星上的红外分光计和微波辐射计有探测水汽的能力，但红外技术不能得到云和云下大气中的水汽信息，微波探测的空间分辨率达不到中尺度探测的要求；雷达费用昂贵，不能全天候观测，难以实现观测业务化。近实对g p s 水汽自动处理系统的初步研究全球定位系统( g p s ) 作为导航卫星系统之一，从2 0 世纪7 0 年代出现以来得到迅速发展，目前已广泛应用于科学技术、交通导航、工程建设和社会减灾等国民经济的各个领域。最初目的是进行测量定位、导航和特殊需求的高精度动态定位( 定位精度达到毫米量级) 。但包围着地球的电离层和对流层对定位精度有很大的影响，尤其是对流层大气中的水汽对测量精度的影响十分明显，对它的处理又相当困难，于是大量测绘、地震等部门的科技人员花很大的精力研究扣除电离层和对流层大气对电波传播的影响，以期望达到高精度定位。但对大气科学的科技人员而言，这些要扣除的影响正是电离层和对流层大气对电波的作用，利用其中包含的电离层和大气层参数信息，可以达到获取相应大气参数的目的。1 1 。2 研究意义水汽是大气中十分重要的参数，直接影响着天气的晴、阴和降水。它既在地球气候系统的能量和水循环中扮演十分关键的角色，也是灾害性天气形成和演变中的重要因子。电离层电子数密度的分布及其演变是空间天气监测和预警中的重要内容。如何快速、有效地探测大气中的水汽分布和电离层电子数密度分布是当代地球大气探测系统中必须要解决好的问题之一。从1 9 9 2 年b e v i s 等提出采用地基g p s 技术探测大气水汽含量的原理以来，利用导航卫星测量大气成份对载波信号折射带来的信号延迟，探测大气参数成为气象领域的重要遥感应用。地基g p s 接收机探测大气整层水汽含量相对子传统探测手段具有探测精度高、时间分辨率高、不需要标定、设备可综合 用等诸多优点，因而受到了许多国家气象部门的高度重视，并得到了十分迅速的发展。g p s 技术提供全天候的可降水汽量变化信息，逐渐成为一种新型大气探测手段，且对完善气象预报预测业务系统，加强短时临近天气预报系统建设，做好灾害性、关键性、转折性重大天气预报警报和旱涝趋势气候预测具有极大的促进作用。g p s 探测数据具有覆盖范围广、实时连续性、不受天气状况影响、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定的特点。对它的研究将给天气预报、气候和全球变化监铡等领域产生深刻的影响。( 1 1 灾害性天气监测预报在暴雨、洪涝等灾害性天气分析预报中，水汽输送、水汽辐台的分析至关重要，而水汽又是一个变化十分迅速的量。在雷暴大风等强对流天气演变过程中，水汽场的分布、垂直输送和相变是制约其发展的动力机靠4 之一。所以，高时效、高空间分辨率她获取大气水2近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究汽场是准确地分析天气系统的演变、进行监测和预报的关键环节之- - 1 “。( 2 ) 为中尺度数值预报模式提供初始场对一个物理过程比较齐全、动力框架合理的中尺度数值预报模式，其预报的优劣在很大程度上取决于初始场的准确程度。水汽场空间分布不连续，存在较强的时空变化，具有陡梯度的变化特征f 3 】，尤其是在暴雨发生前，以常规探空资料为主的初始场常常捕捉不到“山雨欲来风满楼”之时的承汽变化，从而导致对暴雨的数值预报准确率不高。可以做到每小时甚至每1 5 分钟获取一次高精度水汽探测的g p s 技术，是满足这一需求的最佳选择。( 3 ) 为人工影响天气作业提供依据人工影响天气是在一定的大气状况、天气背景条件下，通过向云撒播催化剂等技术手段，促进或抑制云中水滴或冰晶的增长，从而达到增雨或消雹等目的。大气中的水汽分布状况、水汽的输送和源、汇是云雨变化的重要背景条件，在实施人工影响天气作业时，利用g p s 技术及时而准确地了解作业点四周大气中的水汽分布及其输送，是提高人工影响天气效率的一个重要环节。( 4 ) 气候监测和分析地气系统能量和水分循环的分析研究，水资源的研究分析和利用；水分收支计算及气候区划等工作均需要大气可降水量的资料，利用地基g p s 水汽总量探测技术，能很好地满足这方面的需求。同时，由于g p s 探测的水汽精度高，通过长时期的资料分析，可用以监测水汽的长期变化趋势，而水汽又是一个温室气体，从而可以从一个侧面监测气候的变化趋”o 势。( 5 ) 空间天气监测和预警电离层电子浓度分布及其变化是影响电波传播的重要参数，是空间天气监测和预警的重要内容之一f 5 1 f 6 1 。地基g p s 是探测电离层电子浓度总量的有效手段，它的高时、空分辨率和相位测量，不需要定标等诸多优点，使利用这项技术探测电离层电子浓度是十分经济、有效的。( 6 ) 提高对g p s 探空仪的跟踪精度在综合分析、统筹兼顾的原则下，可以尽可能地把g p s 站点选在探窆站附近。这样，高精度的g p s 站可以用作g p s 探空仪的差分站，从而可大大提高地面对g p s 探空仪的跟踪精度，起到一站多用的效果。综上所述，在当代的地球大气探铡系统中，有多种探测手段和工具，如常规的地面观测和高空探测：以地面为观测平台的地基遥感( 雷达、风廓线仪和闪电定位仪等) 和以卫星近实对g p s 水汽自动处理系统的初步研究为观测平台的空基遥感( 气象卫星、海洋卫星和其他对地观测卫星等) 。它们均具有探测某一个或某些地球物理参数的能力。但g p s 探测大气水汽的高时、空分辨率、高精度和不需要定标的能力，以及探测电离层电子数密度的能力是其他各种探测技术所不能比拟的，因此必须建设地基g p s 探测大气和电离层参数的控制网和处理系统来提高气象预报监测水平。1 2 研究内容和目的本论文主要介绍在北京地区建立由地面g p s 参考站组成的卫星连续观测网并基于目前g p s 水汽监测在气象方面的应用前景，利用采集的g p s 观测数据，基于高精度的定轨定位软件，开发了一套g p s 水汽自动处理系统，自动反演近实时的g p s 绝对p w v( p r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o r ) 估计产品。具体内容：( 1 ) 详细概括国内外g p s 气象学的理论研究和g p s 监测网的建设现状，指出我国至今尚无一个完整的、满足气象业务应用服务要求的g p s 水汽探测网建成，目前主要从事g p s 站网建设的前期工作，或业务试验应用性的局地网建设。( 2 ) 在总结前人研究成果基础上。详细推导g p s 反演水汽基本方程，为水汽自动处理系统的研制提供理论支持。并结合水汽观测方程误差分析，对系统实现中的关键问题作具体的分析处理，为实现水汽监测自动化完善前期理论准备。( 3 ) 重点介绍、整理、完善北京g p s 综合应用服务网及其水汽自动处理系统各个环节的流程：数据采集与传输、存储和管理、后期处理，输出和显示，实现我国自主研制的近实时g p s 水汽自动处理系统的开发运行。( 4 ) 将此系统进行可靠性的初步检验并结合北京市2 0 0 4 年7 月1 0 日的暴雨个例进行初步的应用分析，探讨其在强降水预报中的作用。g p s 水汽自动处理系统的研制降低了g p s 水汽归算软件的技术门槛，使得精确、连续的水汽监测成为可能，g p s 求汽监测技术已被列为奥运气象监铡预报服务项目，有利于我国g p s 反演水汽的应用发展，g p s 水汽监测还可为数值天气预报模式中的同化研究提供更完善的水汽资料，促进我国气象预报特别是强降水预报的研究。同时可为我国区域性g p s网的建设提供技术支持，进而为满足气象业务应用的国家级g p s 水汽探溅网的建设奠定基础。4近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究第二章g p 8 气象学的理论研究和业务化进展2 1 国外研究试验进展g p s 是1 9 7 3 年在美国国防部的领导下联合项目办公室( j p o ) 所建立、发展和试验的一种空间测量系统。经过一个阶段的论证和试验。已于1 9 9 4 年3 月整个g p s 星座布置完成，成为目前最成熟和已实际应用的卫星导航系统，其设计初衷是为导航定位和时间转换。此前，大地测量工作者已经就如何订正电离层、对流层干空气和对流层湿空气等对测量精度的影响做了许多研究工作，并发现大气中的水汽是影响精密大地测量的不易解决的主要因素之一，这促使人们去研究水汽对信号传播的影响。g p s 水汽探测技术起源于美国，是在过去测地和地球物理参数测定的基础上，利用大气折射率对气象参数的敏感性来研究大气状态，达到探测的目的。地基g p s 探测大气是j a s k n e 等口1 于1 9 8 7 年提出的，他们将大气湿延迟和可降水汽量联系起来，推导出它们之间的关系。僵直到9 0 年代b e v i s 等f 8 提出如果接收机的精确位置己知，电离层的时延已经扣除，则可以从g p s 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，该技术才得以迅速发展，逐渐成为目前g p s 前沿研究课题之一。最早由b e v i s 等人发展的方法是将g p s 观测的水汽和独立的w v r 值进行比照，利用w v r 值对g p s 的观测进行订正，称为“举托法”( l e v e r i n g ) ，也称、n ，r 约束法p j 。对于小于5 0 0 公里约g p s 接收机弼点，用来估算天顶延迟的最小平方法和卡尔曼滤波技术对相对时延的敏感性都高于绝对时延的敏感性。两个或者更多g p s 接收机所见的同一颗g p s卫星的高度角几乎相同，导致对时延的估计值高度相关因此，由小区域网得到的湿延迟在每一个取样期呈现一种未知的偏差，偏差的大小在整个网区上是常数。这样只能得到相对的p w v 值和辐射计观测相比有1 5 r a m 均方差误差和小于o 5 m m 的偏差。1 9 9 6 年，d u m a等【1 0 | 发展了对g p s 水汽进行绝对估计的方法，这种方法要求在估计小网点的g p s 水汽时可以利用大于5 0 0 公里，位置精度己知站点的g p s 接收机的同步观测，使整个观测网的尺度大于5 0 0 公里。d u a n 分析了g p s s t o r m 试验场和加拿大、加利福尼亚、法属圭亚那的g p s 资料，发现相应的误差比q 等托法”要低。这种技术的发展，使g p s 测量水汽的方法摆脱了w v r 的依赖，显示了g p s 技术在气象上的潜在应用价值。随着理论研究的发展，国外陆续开始开展大量的小规模验证试验。1 9 9 3 年由u n a v c o近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究和南加州大学联合进行了第一次具有较大规模的g p s 水汽验证试验g p s s t o r m 试验，以评估大气水汽的地基g p s 铡量。试验结果表明，g p s 得到的水汽量与镦波辐射计观测的水汽量之间的均方根误差为1 s m m ，二者之间的偏差则小于o 5 r a m “】。1 9 9 4 年以后，美国、日本和部分西欧国家，利用测绘、地震和气象等部门已有的和新建的g p s 站网，开展了地基g p s 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、通讯、业务化资料处理软件等问题。在此基础上，用更多的样本比较了g p s 水汽、探空水汽之间的观测结果，二者的均方根差为l m m ，相对误差5 1 0 。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g p s 水汽在气象业务和大气科学研究中的应用。1 9 9 4 年美国n o a a 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g p s 站网1 1 目，并由n o a a 和u n 埘o 进 亍了g p s - y v i s 9 4 试验，证明了利用g p s 可以连续监测大气可降水量，其肘间分辨率优于1 小时，精度达到毫米量级”g p s 水汽在气象预报中的潜在应用首先被北美和欧洲的早期试验所验证。随后美国n o a a 建立可操作的g p s 网近一步研究地基g p s 水汽在气象预报上的应用，指出g p s 能够成为数值天气预报模式的重要水汽数据源。美国、日本等国利用稠密的g p s 水汽监测网，将g p s 水汽同化到数值预报模式的多种实践表明，p w v ( 水汽含量) 、s w v ( 斜水汽含量) 和z t d ( 天顶对流层延迟) 能促进水汽场的反演和短期天气预报，并开始制作一个近实时的g p s 绝对p w v 估计产品。美国自1 9 9 5 年7 月开始，把估计p w v 作为每日快速处理的一部分，制作一个近实时的绝对p w v 估计产品f l q 。1 9 9 6 年，为满足国家预报系统的需耍，这个完全自动化的系统转为预报系统实验室设施，开始进行g p s 水汽在数值天气预报模式中的同化研究，为g p s 水汽进入下一代天气观测预报系统奠定基础。2 2 国外g p s 监测网的建设现状自2 0 0 0 年以来，美国、日本、德国等国家先后建立了由多部门站点组成的g p s 综合应用业务网。美国n o a a ( n a t i o n a lo c e a n i c a t m o s p h e r i ca d m i n i s t r a t i o n ) 预报系统实验室( n o a a f s l ) 的g p s 网，它目前由3 5 7 个站点组成。此外，美国n o a a 的国家地球观测实验室n a t i o n a l g e o d e t i cs u r v e y ( n g s ) 管理着连续业务运行的参考站网c o n t i n u o u s l yo p e r a t i n gr e f e r e n c es t a t i o n s ( c o i t s ) 。s a n m i n e t 是充分利用各大学g p s 研究资源建立的一个为科学研究和教育而实时运行的g p s 网络。s u o m i n e t 的目标是利用广泛分布的实时的6近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究g p s 数据来获取大气高低层的状态c g p s 水汽和电子浓度) ，促进g p s 气象学、气候学、水文学、地学和天文学等交叉学科的应用。美国长期连续稳定运行高精度地基g p s 基准站有1 0 0 0 个，它由国内1 8 个部门的g p s 站组成。这些部门包括气象观测、地壳形变观测、综合利用站、地学活动中心和地球动力学观测等。目前为准业务运行，2 0 0 8 正式运行( 见图2 - 1 ) 。其中n o a a f s l 网每小时提供一次g p s 水汽观测资料，并提供g p s 水汽与g o e s云图、g o e s 可降水量和g p s 水汽与雷达回波的迭加图等产品。图2 - 1 美国g p s 站同分布图日本是开展地基g p s 探测水汽较早，且站网密度较大的国家。日本的g p s 站网是由多个部门的观测站综合而成，称为g p s 地球观测网( g p s e a r t h o b s e r v a t i o n n e t w o r k ，缩写为g e o n e t ) 。1 9 9 6 年4 月，日本在全国建成了由6 1 0 个g p s 站组成的g e o n e t 。1 9 9 9年其站点增至1 0 0 0 个，并在2 0 0 2 2 0 0 3 年对g p s 接收机( 包括天线) 进行了更新，使观测的高度角由1 5 度降至5 度，提高了观测效率。目前，站网的站点数已增至1 2 0 0 个，实现了平均空间距离每2 0 k i n 就有一个g p s 站。日本g p s 连续运行站网综合服务系统在以监测地壳形变、预报地震为主功能的基础上，结合气象和大气部门开展g p s 大气学的服务，每3 小时提供一次可降水量图。图2 - 2 为日本全国g p s 站点分布示意图。7近实时g p s 水汽自动妊理系统的翻步研究图2 - 2 日本g p s 站点分布圈德国是西欧较早重视g p s 气象学的国家之一。地基g p s 和空基g p s 方面都作了许多方法探讨，开展了业务应用方面的实质性工作。在本世纪初，德国就提出了g p s 大气探测计划( g a s p - - - g p sa t m o s p h e r es o u n d i n gp r o j e c t ) 。该计划分两个部分，其中g a s p i 即地基g p s 鼹的水汽探测，g a p s 是空基g p s 的无线电临边探空。下面着重介绍地基g p s水汽探测方面的工作。如图2 - 3 所示的目前正在运行的g a s p g p s 网由2 1 1 个站组成。这仍然是一个综合应用网，其中的1 3 9 个站来自大地测量局的s a p o s 网，1 9 个站属于德国气象局和地学研究中心( g f i ) ，2 1 + 3 2 个站属予其它机构，整个网由2 1 1 个站组成。最终将实现在整个德国每5 0 k m 就有一个g p s 站的水平。这些站都有高质量的g p s 接收机，除用于大地测量导航之外，也用于气象观测。在资料分析中心，每l o 2 0 分钟完成一次资料处理和分析，每小时提供一幅反演的水汽分稚图。近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究圈2 - 3德国g p s 站点分布图此外，瑞士、挪威、法国、英国等都在进行观测网的建设和g p s 遥感资料用于数值模式的研究1 1 ”。2 3 国内研究试验进展随着国外大量g p s 网的建立，我国对g p s 水汽的研究也日益重视起来，但是我国g p s气象应用技术的发展起步较晚，到上世纪九十年代中期才开始利用地基g p s 接收机信号反演水汽含量的方法研究，并取得一些成果1 1 6 1 1 7 1 。1 9 9 6 年上海天文台利用国际g p s 服务基准站( i o s ) 的g p s 观测资料，进行了我国早期g p s 气象学的实验。采用覆盖全国的2 3 个站和我国周边6 个i g s 站为期6 天的g p s观测资料，组成了g p s 气象学的区域地面试验网，进行了我国g p s 气象学实验。实验结果初步验证了用地面g p s 空间信息开发水汽数据的可行性和可靠性【i 。1 9 9 7 年香港理工大学选用了国内5 个l o s 站和香港差分g p s 站，观测数据历时一个月，进行g p s 气象学研究f 1 9 】。1 9 9 8 年5 月“月，在周秀骥院士的主持下，在华南的汕头和阳江开展了第一次“g p s 暴雨观测试验”1 2 。】。1 9 9 9 年2 0 0 0 年期间，在国内的一些重大科学试验观测计划中，均把g p s 水汽观测作为观测内容之一而加以实旋，如海峡两岸暴雨观测试验研究计划，国9近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究家重大基础研究项目计划之一的我国重大天气灾害形成机理和预测理论研究项目中的长江中下游梅雨暴雨观测试验研究等，均有g p s 水汽观测的内容。2 0 0 0 年，国家卫星气象中心和北京大学联合北京市气象局进行了我国第一次北京地区地基g p s v a p o r 试验田j 。2 0 0 2 年，在9 7 3 暴雨项目的观测试验的课题中在安徽进行了g p s 的外场试验，进一步完善了g p s 观测和反演的技术，得到精度为2 毫米左右的g p s 大气可降水量1 2 2 1 1 2 3 1 。所有这些工作，均大大推动了我国地基g p s 观测技术由研究、科学试验向业务应用服务方向发展。2 4 国内6 p $ 监测网的建设现状我国至今尚无一个完整的、满足气象业务应用服务要求的g p s 水汽探测网建成，但已有不少g p s 站网建设的前期工作，或业务试验应用性的局地网建设。“九五”期间，在国家重大科学工程项目的支持下，由地震、测绘等多部门合作，在全国建设了资料共享服务的地壳形变监测网络，由图2 - 4 可见，此网络在全国范围的站点十分有限，共有2 7 个站( 圆圈标出) ，且分布极不均匀，全国共2 7 个，但在北京地区就有3 个，且每天仅传送一次前2 4 小时的观测资料。所以，这不是一个供气象部门业务应用服务的g p s 水汽观测网。但是，若在通讯上加以改造，仍然可将其成为国家g p s 水汽探测网的组成部分之一。图2 - 4中目g p s 站点分布圈近实时g p s 术汽自动处理系统的初步研究中国气象局的局地业务试验g p s 网，为在全国建设g p s 水汽探测网积累经验。中国气象局己在河北省的石家庄、张家口、秦皇岛和北京市的大气探测试验基地( 图2 _ 4 上的五角星所示) 建立了g p s 探测水汽的业务试验网。2 0 0 1 年上海地区建立了第一个集气象服务、大地测量、地壳形变、地面沉降和地理信息系统( g i s ) 多种应用的g p s 综合网络，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。上海市的天文、测绘和气象等部门联合上海及其周边地区建成了由1 6个g p s 观测站( 图2 4 左下方框图) 组成的g p s 网此项目在2 0 0 4 年通过验收已进行业务试验运行。本论文讨论的北京市g p s 网( 图2 4 右上方框图) 计划由北京市及河北省境内的2 8 个连续运行g p s 站组成的基准站系统、管理系统、监测系统、服务系统及用户系统五部分组成。涉及各种硬件、管理控制软件、通信传输、网络系统、数据库、数据处理等众多领域，是集设计、开发、集成为一体的综合应用服务系统。此外，深圳、四川、昆明、天津、香港等地区已有g p s 台站网【2 4 】，河北、湖北、安徽、山东等省市也己开始了地方投资的g p s 综合应用网建设。2 5 本章小结随着g p s 星座的布置完成，特别从9 0 年代开始将g p s 应用于气象领域，气象工作者进行了广泛的研究，目前地基g p s 探测技术己基本成熟，正在向业务化方面发展。美国、日本、德国及欧盟各国都有各自的地基g p s 综合应用网络，而我国虽然也进行了大量g p s水汽方面的研究和试验，但由于起步比较晚，我国至今尚无一个完整的、满足气象业务应用服务要求的g p s 水汽探测网建成。所以目前从事g p s 站网建设的前期工作，以及实现水汽自动化处理的研究，对于其他区域性网站甚至国家级气象网的建设有很强的借鉴和合作作用，并对后期水汽层析及q p s 水汽资料在数值预报模式中的应用等领域的发展有较大的摆动作用。近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究第三章地基g p s 水汽反演的基本理论3 1g p s 气象学3 1 1 全球定位系统( g p s ) 简介全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m - g p s ) 是美国从本世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。g p s 系统原本设计为导航和时间转换系统，但现已被许多学科领域的科学工作者作为研究本学科的有力工具。如大地澜量、电离层物理、地球物理、气象等。全球定位系统( g p s ) 主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监测部分和用户设备部分。全球定位系统的空间星座部分，由2 4 颗卫星组成，工作卫星分布在6 个轨道面内，每个轨道面上分布有4 颗卫星，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为5 86 ，各轨道平面升交点的赤经相差6 0 。，轨道平均高度约2 0 2 0 0 k r n ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。因此，同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4 分钟，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4 颗，最多为l l 颗( 见图3 - 1 ) 。g p s 为精密的微波系统，卫星连续发射2 个波段的载波信号，载波频率分别为1 5 7 5 4 2 m h z ( l 1 ) 和1 2 2 7 6 0 m h z ( l 2 ) ，能在全球范屡内向用户提供高精度的全天候的连续、实时的三维测速、三维定位和授时服务。地面监控部分主要由1 个主控站，5 个监控站，3 个注入站组成( 见图3 。2 ) ，负责g p s 卫星跟踪定轨并把推算和编制导航文件和其他指令注入相应的卫星。用户设备部分主要包括g p s 接收机和天线，主要提供给用户进行g p s 数据采集，从而进行后期的应用研究。1 2近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究圈3 - 1g p s 卫星的星座图3 1 2 g p s 与气象学0 t 控蛄注入站主控站图3 - 2 地面蔽控系统的地理分布图随着g p s 导航定位技术的不断发展，g p s 大地测量学家们发现大气对电波传播的影响是定位误差的重要来源，从而进行大量的研究设法将其作为噪音排除，气象学家们却正是利用这个影响，将g p s 系统作为研究大气，特别是对流层大气特征( 如折射率和温、湿、压、风1 的工具。气象学家和g p s 专家一起设计了一些用来描述对流层详细特征的方法，逐渐形成了一门新的学科一一g p s 气象学，其主要分为两大类：空基g p s 气象学和地基g p s 气象学。空基g p s 气象学就是利用安装在低轨卫星c o we a r t ho r b i t ，简称为l e o ) 上的g p s 接收机，当g p s 信号在大气层中被折射，星载g p s 接收机可以观测到d o p p l e r 频移，加上接收机的位置和速度信息，可反演得到g p s 信号路经近地点高度处的大气折射率，进而导出密度、气压、温度、湿度等大气参数陋 。地基g p s 气象学就是在标准大气测量的分析中，要估算从g p s 卫星向地面的o p s 接收机传送的信号在大气层中的累计延迟，这种延迟对沿信号路径的总水汽量非常敏感。连续工作的地基o p s 网可用来估算每个测站上空的水汽总含量。本章主要针对地基g p s 水汽自动处理的研究，总结前人研究成果的基础上，简述地基g p s 气象学，即地基g p s 水汽反演的基本原理“。3 2 地基g p s 水汽反演基本原理g p s 卫星发射的无线电信号在穿过大气层时，受到电离层电子和中性大气的折射产生延近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究迟，其中因频散大气造成的延迟i s p e r s i v ed e l a y ) 主要集中在电离层，一般被称为“电离层延迟”( i o n o s p h e r i c d e l a y ) ，这部分延迟变化较大，在天顶方向约1 1 5 m 。它的一阶改正和电磁渡的辐射频率的平方成反比，具体的大小依赖于电子数密度总量( t e c ) 。在精密测量时采用双频技术消除，消除精度可达到毫米精度。由此可见g p s 气象遥感最好采用双频接收机，可有效消除电离层延迟。由非电离大气的折射造成的部分可称为“中性延迟”( n e u t r a ld e l a y ) ，由于这部分的大气主要集中在对流层，因此有人也称它为“对流层延迟( t r o p o s p h e r i cd e l a y ) ”，这部分延迟在数量上达2 5 0c m 左右。水汽反演主要就是利用水汽与对流层延迟之间的关系建立起的水汽反演方程，下面介绍水汽反演方程的建立过程。3 2 1 对流层延迟造成对流层延迟的原因有二，一是射线弯曲效应，其值一般小于1 c m ，可忽略不计：二是与电波在真空中传播速度c 相比，其传播速度的减慢效应，与大气折射率n 的分布有关。其传播速度表示为：v = c n = c 1 + ( n - 1 ) 】zc 1 一( n - 1 ) ( 3 1 )由于一1 ) 是一个微小量，为方便起见常将其乘以1 0 6 ，并用符号( 大气折射指数)来表示，即：n = m 一1 ) x 1 0 6( 3 ，2 )若信号从卫星传播至接收机的时间为f ，则卫星至接收机闻的几何距离( 此处仅顾及对流层延迟而暂不考虑电离层延迟和多路径误差等大气传播误差) s 为：s = v d t = 如一x 1 0 。妙= 卅1 0 “d s ( 3 - 3 )从( 3 3 ) 式可知，第一项为采用真空中的光速c 来计算的伪距p ，一般像进行水汽反演这样高精度处理时，需要将载波作为测距码信号来使用，进行载波相位测量，其精度要比伪距测量高2 3 个数量级。载波相位测的伪距可表示为：p = 五= 五( + o ) = 五( 乃( ) 十z n t ( ) + n o )( 3 - 4 )在求得的伪距p 上应加上改正数即对流层延迟改正值，才得到真实距离s 。则对流层延迟改正为：t d ：一】o 一6f n d s( 3 5 )1 4近实时g p s 水汽自动处理系统的初步研究3 2 2 天顶对流层延迟在球对称大气假设和忽略地形不规则情况下，任一方向的对流层延迟t d 可分为“静力延迟”和“湿延迟”两项且可写为天顶方向对流层延迟z t d 与映射函数的乘积，目前主要的映射函数有c f a 2 2 投影函数j 、c h a o 投影函数 2 9 1 、i f a d i s 投影蠡数1 3 0 1 、m t t 投影函数【3 1 】，n m f 投影函数【3 等，映射函数模型( 包括干、湿分量) 基本上在0 1 5 。情况下映射函数差异很小，用同一形式扰描述：t d = m - 拗= m i z f 加+ 研z w d( 3 - 6 )1 9 8 5 年d a v i s 给出了如下形式的投影函数：m = 1 s i n e + a i m n e + b l ( s i n e + c ) 式中a = o 0 0 1 1 8 5 【1 + o 6 0 7 1 x l o “( 只一1 0 0 0 ) 一0 1 4 7 1 x 1 0 3 p ，+ o 3 0 7 2 1 0 2 ( 正一2 0 )+ 0 1 9 6 5 1 0 。( + 6 5 ) - 0 5 6 4 5 x 1 0 。( 砗一11 2 3 1 ) 】b = 0 0 0 1 1 4 4 1 + o 1 1 6 4 x 1 0 。4 ( 只一1 0 0 0 ) 一0 2 7 9 5 1 0 e ；+ o 3 1 0 9 x 1 0 。( i 一2 0 )+ 0 3 0 3 8 x 1 0 。( 卢+ 6 5 ) - 0 1 2 1 7 x 1 0 。( 一1 1 2 3 1 ) c = - 0 0 0 9 0式中，只为测站的总大气压，以m b a r 为单位；t 为测站的气温，用绝对温度( k ) 表示