浅议地基GPS遥感水汽探测.docx

浅议地基 GPS 遥感水汽探测1 引言随着全球的快速发展，自然环境的破坏越来越严重，同时导致水资源短缺、土地荒漠化等一系列问题的出现，对社会造成了不可估量的损失各类自然灾害中绝大多数是气象灾害，对人类威胁最大的也是气象灾害人类虽然现在不能改变自然，但是可以利用现代的科学技术手段来预测一些自然灾害的变化趋势，以达到预防及减轻灾害损失的目的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在大气物理、大气化学和气候变化等诸多过程中起着关键作用，也是影响短期降水预报的关键因子因此，历来气象学者都十分重视对水汽含量及其分布的探测目前，气象部门探测水汽的时空分布手段很多，如无线电探空、微波辐射计或卫星遥感，但获取数据精度并不理想，从而限制了对水汽时变特性的深入了解探空站每天只放两次探空气球，而且一般相邻的探空站之间的距离为 300 km 左右，时空分辨率都很低地基微波辐射计在有浓云时穿透能力下降，特别是在有降水时，难以提供可靠的资料，而且成本很高。

水汽是大气成分中变化较大的因素，其时空变化尺度比温度和风精细得多，因而使得上述探测手段的广泛应用均有一定的局限性GPS 的出现对各个领域的影响都比较大，其应用范围已经远远超过了其设计初衷，利用地基 GPS 遥感大气水汽就是 GPS 在气象中的重要应用之一GPS 大地测量学家们将大气对电波传播的影响作为噪音而设法去排除, 气象学家们恰恰相反, 开发 GPS 正是利用这个影响, 从而将 GPS 系统作为研究大气, 特别是研究对流层大气特征( 如折射率和温、湿、压、风) 的工具 GPS 具有高精度( 精度 1~ 2 mm) 、全球性、价格低和时空分辨率高等优点使其成为遥感大气中水汽含量及分布的一种很有前途的探测手段利用 GPS 技术遥感大气积分水汽含量，自 20 世纪 90 年代 Bevis 和 Businger 提出基本原理和方法后，国内外专家学者、科研机构纷纷投入到该项研究中，并取得了良好的效果2 GPS 遥感大气水汽含量基本原理2.1 基本原理GPS 信号在传播过程中会受到地球大气电离层与中性大气层两种不同性质的延迟影响，其中中性大气层延迟 80%以上发生在对流层，因此又称对流层延迟。

电离层延迟为色散性延迟，可以通过多频 GPS 数据组合加以消除，而对流层延迟为非色散性延迟，在高精度数据处理中，一般将测站天顶对流层延迟（zenith tropospheric delay, ZTD）作为待估参数与位置参数一起解算1992 年，Bevis 等第一次提出了 GPS 气象学的概念，指出天顶干延迟（zenith hydrostatic delay, ZHD）可以由地面气压观测结合延迟模型精确确定，进而从总延迟中分离得到天顶湿延迟（zenith wet delay, ZWD） ，根据天顶湿延迟和大气加权平均温度Tm 就可计算出天顶可降水量（precipitable water vapor, PWV） 简要的原理如图 1 所示图 1 GPS 探测 PWV 原理图目前天顶干延迟 ZHD 改正多采用 Saastamoninen 模型，该模型的精度可达几个毫米，但是在区域 GPS 水汽探测网中 , 该模型可能需要进一步订正订正的方法可以以无线电探空仪实测的天顶干延迟为真值，利用探空值与模型计算值长时间序列之间的差异进行逐步回归分析加权平均温度 Tm 对于 GPS 反演 PWV 精度影响显著，目前常用的精度较高的Tm 确定方法主要有两种：（ 1）由气象资料沿垂直方向积分，气象资料可以是探空资料，也可以是数值分析资料等。

该方法精度最高，但是由于气象资料的获取需要耗费一定的时间，难以满足 GPS 遥感水汽的实时性要求，因此一般用于事后处理分析；（2）由地面温度观测值通过经验公式计算得到Bevis 等人利用美国无线电探空资料统计建立了回归经验模型，该公式基本成为通用公式，其他学者也针对各自研究区域的特点对该模型进行了验证与调整这种方法只需要得到地面温度，便于实现实时快速计算，因此也成为最常用的方法2.2 Saastamoinen 模型Saastamoinen 模型公式如下：（1）20.2715[(0.)]()sintansssBSPeWHRETEA式中： ，其中 为测站纬度，h s为测站高().6co.8sWHhA程（以千米为单位） ，P s, Ts, es分别为测站的气压、温度和水汽压（气压和水汽压均已毫巴为单位，温度采用绝对温度，以度为单位） ，E 为高度角（以度为单位） B 是 hs的列表函数， 是 E 和 hs的列表函数𝛿𝑅经数值拟合后，上述公式可以表示为： （2）2'3320.2715[(0.)]sin' tan'648()cot1.050.716ssssssSPeETEahh3 研究进展经过二十多年的研究发展，地基 GPS 遥感天顶水汽技术取得的巨大进步，通过与其他各类水汽探测手段（如 RS、微波探测等）的比较，其探测精度已经得到众多研究验证，充分证明了该技术完全满足气象监测与预报的精度，并且由于其独特的优点，正逐步在气象业务中扮演着越来越重要的角色。

地基 GPS 遥感天顶水汽技术的研究与应用主要有：（1）地基 GPS 天顶水汽含量计算模型研究地基 GPS 遥感天顶水汽含量大致可先后分为 GPS 解算得到 ZTD，以及由 ZTD 结合各类气象资料转换得到 PWV 两个步骤，两个步骤中的误差因素不尽相同，有必要研究各类来源的误差影响及改正方法比如有的研究显示电离层延迟并非 GPS-PWV 主要误差来源，而大洋潮汐对于 GPS-PWV 的影响可达 2 毫米等2）地基 GPS 天顶水汽产品在数值天气预报模式中的同化研究地基 GPS 可以以较高的时空分辨率提供高精度天顶水汽观测产品，这也为数值天气预报（numerical weather prediction, NWP）模式增加了可靠的数据来源，如何将地基 GPS 天顶水汽产品在 NWP 模式中进行同化也成为该领域研究的热点之一有学者以法国南部的西地中海地区的两次不同的降雨过程为研究对象，在 3D-Var 系统中对期间欧洲地区两百多个 GPS 测站的 GPS-ZTD 进行了同化，结果表明两对两次降雨的改善并不一致，并认为同化效果与天气过程的可预测性成反比等4 结语地基 GPS 水汽探测技术是利用中性大气层对 GPS 信号产生的延迟来反演大气的水汽信息，其产品主要有天顶水汽含量和信号传播路径水汽含量两种。

天顶方向水汽反演技术已经基本成熟，目前研究主要集中在计算模型的精化、产品的运用和探测范围的扩展等随着北斗、伽利略在内的多个导航定位系统的发展以及地基 GPS 网站的逐级加密，地基 GPS 探测水汽将会成为未来大气探测的重要手段，其产品也会在天气监测与预报、气候研究、水文学、遥感等领域得到广泛应用参考文献[1] 王艳秋,刘旭春,潘华盛.基于 GPS 技术的大气可将水反演方法[J].气象科技, 2007,3(35):407-410.[2] 江鹏,叶世榕. 地基 GPS 水汽探测若干研究进展[J].自然杂志 ,2013,4(35):251-257.[3] 蒋光伟.基于地基 GPS 的实时遥感水汽的理论与应用[D].西安:长安大学,2010.[4] 王威.实时 GPS 遥感水汽技术的理论研究[D]. 郑州:解放军信息工程大学,2006.[5] 谷晓平,王长耀,蒋国华.地基 GPS 遥感大气水汽含量及在气象上的应用[J]. 气象科学, 2005,5(25):543-550.。