预报员培训讲稿gps气象学简介

GPS气象学简介

魏鸣2011.12.9主要内容一、GPS气象学（GPS/MET）概述二、地基GPS遥感反演水汽的原理三、GPS水汽在降水预报中的应用四、GPS水汽反演的业务应用一、GPS气象学（GPS/MET）

概述

1.1GPS气象学的定义GPS——GlobalPositioningSystem全球定位系统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。它是近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。属3S（GIS、RS、GPS）之一GNSS-GlobalNavigationSatelliteSystem全球导航卫星系统目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧盟的Galileo系统，可用的卫星数目达到100颗以上。1.2GPS技术发展简介

20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

GPS星座参数卫星：24颗轨道：面6个长半轴：26609km偏心率：0.01轨道面相对赤道面的倾角：55°各轨道面升交点赤经相差：60°相邻轨道卫星升交距角相差：30°卫星高度：20200km卫星运行周期：11小时58分钟源自2010年3月24日参考2011-6-26参考消息

2011年3月7日参考消息伽利略卫星导航系统是由欧盟主导的全球卫星导航系统。耗资30亿欧元，共发射30颗卫星。包括韩国、中国在内，日本、阿根廷、澳大利亚、俄罗斯等国也在参与该计划。当初的完成目标是2008年，由于技术等问题，延长到2011年-2014年。中国也向伽利略计划投资了296万美元。伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：GNSS。当前除了GPS外，就是欧盟和我国合作的“伽利略”导航卫星系统。战略需求，独立于GPS。

我国成功发射第十颗北斗导航卫星

中新网西昌2011年12月2日电北京时间12月2日清晨5时07分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，将中国第十颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。这是中国北斗卫星导航系统组网的第五颗倾斜地球同步轨道卫星，此次第十颗北斗导航卫星的成功发射，标志着中国北斗区域卫星导航系统建设又迈出重要一步。据悉，中国北斗区域卫星导航系统目前已完成基本系统建设，正在进行全面系统试验评估工作，将于2011年年底前为中国及周边部分地区提供连续无源定位、导航、授时试运行服务，满足交通运输、渔业、林业、气象、电信、水利、测绘等行业以及大众用户的应用需求。按照中国北斗导航系统“三步走”发展战略，2012年年底前，中国还将陆续发射多颗北斗导航组网卫星，不断扩大覆盖区域，提升系统服务性能，提供北斗卫星导航系统区域服务。2020年左右，中国将建成由30余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。我国GPS/MET监测网GPS/MET地基监测网建设（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作与共享）中国气象局2009年底已建成GPS/MET站428个，全国可用于监测大气水汽的地基GPS站已超过600个。

GPS基准站设备

GPS接收机、接收天线、连接天线与自动气象仪。

图

常用的GPS接收机

GPS技术经过20多年的发展，应用领域得到了极大扩展（民用：GPS导航等），其中一个重要的应用领域就是气象学研究。利用GPS理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，叫做GPS气象学（GPS/METeorology,简写为GPS/MET）。GPS气象学的研究于80年代后期先在美国起步，之后GPS在气象学中的研究在全球开展。1.3GPS/MET简介在卫星大地测量中，在GPS定位时，大气中的水汽是影响精密大地测量的主要因素之一。因此，人们开始研究水汽对卫星信号传播的影响，并从消除测量学噪声转变为提取气象学信号，从而发展出一门新型学科—GPS气象学。GPS技术的探测过程：当GPS发出的信号穿过大气对流层时，受到对流层的折射影响，GPS信号发生弯曲和延迟，其中信号的弯曲量很小，而信号的延迟量较大。在GPS精密定位测量中，大气折射的影响是被当作误差源，需要消除。相反，在GPS/MET中，大气折射量正是需要的参数。通过大气折射率与大气折射量之间的关系，可以求得大气折射率N。大气折射率N是气温T，气压P和水汽压力e的函数，通过一定关系可以求得所需的温度、气压、湿度GPS气象学主要包括三方面内容：

1、利用GPS的空间定位能力测量高空风分布，发展GPS探空设备。（如：GPS下投式探空仪）

2、利用地基GPS接收机测量整层大气的水汽含量。

3、利用低轨卫星上的GPS接收机（空基）探测大气折射率廓线，进一步计算温度或湿度的垂直分布。

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、垂直分辨率强、全球覆盖性好、能全天候观测等优点，特别是GPS在任何天气条件下获得精确信号的能力较强。因此，可以利用区域性密集的GPS网监测几十千米到几百千米范围内较短时间中水汽的变化。1.4地基GPS技术探测大气的意义大气水汽的重要性-水汽是大气的主要成分，也是一种温室气体，空间分布不均匀，时间变化快。天气预报的一个基本问题就是精确测量大气的水汽分布及变化。水汽的作用如下：1水汽相变过程中，产生的凝结潜热加热，可明显改变大气的层结稳定度和强对流天气系统的结构与演变；2对流层水汽是复杂气象过程形成的载体，是影响短期降水预报的关键因素；3作为大气中重要的长波辐射和吸收的物质，水汽对地球-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。因此，水汽是监测与预测全球气候变化以及强天气的一个重要因子。利用GPS手段来遥感大气水汽的优点是：全球覆盖；费用低；精度高；垂直分辨率高。根据1995年4月3日美国发射的用于GPS气象学研究的Microlab-1低轨卫星的早期结果显示，对于干空气，在从5～7km到35～40km的高度上，所获得的温度可以精确到±1.0℃之内。

大气温度、大气压、大气密度和水汽含量等是描述大气状态最重要的的参数。

无线电探测（探空）、卫星红外、雷达和微波探测等手段是获取气温、气压和湿度的传统手段。但是它们与GPS手段相比，就可明显地看出传统手段的局限性：-探空的观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不均匀，在海洋上几乎没有数据，时间分辨2次/天。-被动式的卫星遥感：可以获得较好的全球覆盖率和较高的水平分辨率，但极轨卫星垂直分辨率低。-雷达：探测范围有限。正是这些特点，使GPS/MET技术成为大气遥感的最有效最有希望的方法之一。二、地基GPS遥感反演水汽的原理

当GPS信号穿过大气层到地基接收机时，受到大气中各种成分折射并产生延迟,其中包括电离层延迟和对流层延迟。通过计算与对流层延迟相关联的折射率从而计算出温度、湿度等气象要素。A(x,y,z,t)B(x,y,z,t)C(x,y,z,t)D(x,y,z,t)K(x,y,z,t)P=1,2,3,4（即A,B,C,D）卫星——

P接收机——

k为卫星P到接收机k的伪距水汽反演原理为卫星P到接收机k的真实距离最不确定因子电离层中电磁波传播速度（s为传播路径）：使用双频接收机时，两个频率的伪距之差：对流层大气折射延迟kP实际大气的影响因素：干空气、水汽云、雨、雪、霜（液态、固态）气溶胶（尘埃、火山灰）电离层电波在大气中传播时，大气分子折射产生的延迟为：N：大气折射指数N单位静力延迟天顶：近似用：gm为本地重力加速度，Ps为地面气压，λ为地理纬度，H为海拔高度km对于0.5hPa的地面气压测量精度，静力延迟的计算误差小于1mm。湿延迟-水汽湿项延迟仅有0~30cm，湿项延迟虽然总量不大，但随时间和地理位置变化，即使在数小时内，湿项天顶延迟也可能有5~10cm的变化。

天顶延迟对地面气压、温度、相对湿度的敏感性分别为：2mm/hPa,5-20mm/ºC,1-3mm/%西安：其标准方差为3.11K，由于一般Tm的数值在250K以上，因此，用地面温度代替水汽加权温度带来的湿延迟误差不大于2%。

长春加权温度 昆明加权温度与地面温度散点图 与地面温度散点图上海加权温度 西安加权温度 乌鲁木齐加权温度与地面温度散点图 与地面温度散点图 与地面温度散点图解算实现精密定位软件：美国MIT：GAMIT瑞士BERNE大学Bernese美国宇航局（NASA）喷气推进实验室（JPL）：GIPSYGAMIT数据准备观测文件：本站，基准站；表格文件：IGS站下载，更新；太阳、月亮、进动、章动、潮汐等气象文件：本站地面温、压、湿；卫星星历：超快星历、精密星历；利用GAMIT软件反演大气可降水量三、GPS水汽在降水预报中的应用春季对流性降水梅雨期降水取自杨露华等，2008

夏季对流天气

台风降水预报评分观测有降水，预报结果也有降水,这类样本的总数计为PQ；观测有降水，预报结果没有降水，这类样本的总数计为PD；观测没有降水，预报结果有降水，这类样本的总数计为CQ；观测没有降水，预报结果也没有降水，这类样本的总数计为CD；探测概率POD=PQ/(PQ+PD) （1）虚警率

FAR=CQ/(PQ+CQ) （2）临界成功指数

CSI=PQ/(PQ+PD+CQ) （3）2004、2005年GPS与探空水汽对比散点图

应用：北京地区水汽的变化特征北京地区2004-2007年7、8月份平均的水汽日变化

BJT北京地区2004-2007年各月的水汽平均值

北京地区2004-2006年7、8月份PW和风矢量的对比图

GPS的可降水量（PWV）与气象要素的关系2010年3月23日～3月24日PWV与降雨量关系图

GPS-PWV演变特征

成都、蒲江30min可降水量和30min实况雨量的对应关系

GPS-PWV演变特征从图中可以发现：(1)水汽总量达到基准值45mm后,产生降水的概率较大；(2)水汽总量维持在高值阶段的时间越长,降水时段越长,反之则越短；(3)降水强度极大值与可降水量极大值出现的时间不一定吻合,但强降水通常出现在可降水量的高值阶段或之后,即可降水量的高值阶段往往对应着较高的降水量；(4)暴雨前后,可降水量会呈显著的递增和递减阶段性特征；(5)第四阶段降水发生在可降水量开始上升阶段,并不同于前面的高值对应降水关系。这除了因为降水来自云中的液态水,GPS测得的是大气中总的水汽含量,作为一种全天候的观测方法,它对云中的液态水是不敏感的。此外,水汽梯度值、水汽辐合辐散及天气系统等也对降水的大小和维持的时间有重要影响。GPS-PWV演变特征30min可降水量对比关系一般情况下大气中的水汽含量是随高度递减分布的,且主要分布在500hPa以下的大气中,因而海拔较高的地区的总水汽量要低于海拔低的地区。四、GPS水汽反演的业务应用GPS星历轨道精度卫星时钟精度时间延迟/滞后更新周期广播星历~160cm~7ns实时----超快星历(预报部分)~10cm~5ns实时每天4次超快星历(实测部分)<5cm~0.2ns3hours每天4次快速星历<5cm0.1ns17hour每天1次最终星历<5cm<0.1ns13days每周1次云南腾冲站近实时GPS水汽30分钟处理与精密轨道后处理方式时间序列对比图时间范围:2007.1.6~2007.1.10云南腾冲站近实时GPS水汽15分钟处理与精密轨道后处理方式时间序列对比图时间同上偏差/mm塔克拉玛干沙漠地区水汽特征2008年SON2008～2009年DJF2009年MAM2009年JJA2008年SONmax=14.83mm2008～2009年DJFmax=9.4mm2009年MAMmax=12.15mm2009年JJAmax=22.35mm月平均(左)与月分布(周边)12345876200910天平均2009.151～2009.206水汽总量5天平均分布莎车的水汽变化均早于塔中，平均约1天时间。上述特征表明夏季塔克拉玛干沙漠地区，受西风气流影响，水汽主要由西向东传输

若羌和塔中两站的水汽变化一致，塔中的水汽变化平均比若羌早12小时，但若羌的水汽总量平均比塔中多0.42mm

和田与塔中的水汽变化基本同步，两者的相关系数达到0.89，且没有明显的相位差，和田的水汽总量平均比塔中高2.81mm

夏秋季节，主要的水汽量从西向东输送，但由于本地蒸发和其他方向的输送等，东部沙漠边缘的若羌水汽量大于塔中，小于和田

1996～2001年昆明探空～地面水汽压水汽总量的垂直分解从水汽热扩散平衡方程导出：水汽总量：得到比湿廓线与水汽总量的关系：乌鲁木齐1～12月份q/IWV多年平均廓线乌鲁木齐1～12月份q/IWV平均廓线模型标准差GPS斜路径水汽应用掩星探测大气MarinerIVatMarsJuly1965Planetary

RadioOccultationRadiooccultationwasfirstappliedtoPlanetaryatmospheresbyteamsatStanfordU.andNASA/JPL大气折射对雷达测量的影响测距速度慢造成的距离误差路径弯折造成的定位误差测角方位仰角射线曲率、等效地球半径、订正折射指数由曲率K定义：单位弧长倾角的变化由折射定律得到GPS掩星探测原理由阿贝变换：干空气-温度廓线反演ρ（z）P（z）T（z）GPSSignalCoverageTwoL-bandfrequencies:L1:1.58GHzL2:1.23GHz~3000kmT.YunckCOSMIC

Radiosondes

COSMICSoundingsin1DayCoverageofpossiblefutureconstellations

12ROconstellation28GPSAdd24GLONASSAdd30GalileoOccultationSoundingStatistics#ofLEO’sTransmittersTotalnumberofsoundingsAveragehorizontalspacing[km]Averagenumberofsoundingsin500km/500kmbox[#]6GPS3112404.81.56GPS+GLO5959292.62.96GPS+GLO+GAL9307234.14.612GPS6267285.33.112GPS+GLO11954206.65.912GPS+GLO+GAL18645165.49.124GPS12506201.96.124GPS+GLO23905146.111.724GPS+GLO+GAL37320116.918.348GPS25012142.812.348GPS+GLO47761103.323.448GPS+GLO