地基GPS遥感大气水汽含量.doc

成都信息工程大学课题： 无线电探空探测下地基 GPS 遥感大 气水汽含量的精度分析报告姓名：蒋 伟 学号：2012045004 班级：测绘工程 121 班 导师：李剑锋科目：GPS气象学时间： 2015 年 6 月 22 日摘要摘要：准确掌握地球大气中的水汽分布 , 了解水汽变化趋势 对天气现象、全球气侯变化、 数值预报有重要的理论研究 及实用价值 . 文章论述了利用地基 GPS 方法观测大气中水 汽含量的原理 . 论述了在地基 GPS 技术中观测站遥测大气 中水汽含量的理论基础本，并利用 2004 年 6 月哈尔滨 GPS 跟踪站的观测资料和气象资料，对哈尔滨地区的大气综合水 汽含量进行了反演，数据显示 GPS 水汽遥感结果与无线电探 空计算结果相比可以达到毫米级的精度关键词:地基GPS，无线电探空探测，可降水量，大气水引言在大气运动中水汽是一个多变参数，它的相位变化与降水直接相 关，在大气能量传输和天气系统演变中起着非常重要的作用由于水 汽的时空多变性，水汽也是较难描述的气象参数之一目前应用于气象业务的水汽数据主体来源于无线电探空仪，其可 提供大气中水汽的垂直分布信息，但其工作量大，时空分辨率低，对 于解决与严重天气相关的小尺度区域特征是不够的。

其它探测手段如 地基辐射计（WVR）虽然有较高的时间分辨率，但价格昂贵，需要频繁 校对，不能全天候工作；卫星遥感（红外和微波）虽然可提供大面积观 测，但是精度不够，而且红外遥感只适用于无云天气，微波遥感虽不 受云的限制，但精度低于红外遥感因此正在兴起的地基 GPS 遥感水 汽探测技术由于自动、快速、精确，价格便宜，时间、水平分辨率高， 不受天气条件影响等优势，愈来愈受到有关部门的重视 一． 研究的目的及意义GPS气象学的主要任务是探测对流层大气的细致特征，例如折射率、湿度、水汽含量、温度、密度、压力和风目前 GPS 气象 学中理论和应用较成熟的内容是遥感大气水汽，它是一项 20世纪 90 年代兴起并迅速发展，极具潜力、实用价值很大的大气探测新 技术，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分钟）、 垂直分辨率高、全球覆盖、全天候观测，易于在业务应用中普及 等优点，特别是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，已成为 GPS 应用的热点方向之一通 常区域性密集的 GPS 网可监测几十千米到几百千米的空间范围内 较短时间间隔的水汽变化［141。

综上所述，由于 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，这是当今其它各种 探测技术所不能比拟的，使它显现出了蓬勃生机，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、最有希望的方法之一，被广 泛应用于天气、气候、人工影响天气和空间天气的研究二．研究的方法或技术路线2.1 GPS 遥感水汽原理全球定位系统(GPS)包含24星座，发射2个L 一波段频率信号(L1,1 575. 42 MHz和L2, 1 227. 6 MHz)GPS目前广泛用于航海、相对 定位、和时间转换上在传输过程中， GPS 信号会受到多方因素的干 扰，引起 GPS 测量误差在 GPS 观测数据联网求解时，需要建立精 确的随机参数模型以消除大气天顶湿延迟的影响模型估计的参数作 为GPS解的副产品，为地基GPS遥感大气可降水量(PwV)提供了可能 在过去若干年里，人们利用 GPS 测地噪音转化为气象信号的思想发展 了 GPS 气象学，并极大地丰富了水汽信息GPS 卫星信号到达接收机前穿过大气层时，由于电磁波与大气介 质发生相互作用，产生折射效应。

导致信号延迟，通常分为电离层延 迟和对流层延迟相对于真空而言，路径延迟的大小取决于大气折射 率电离层延迟可用双频机观测消除；对于单频机观测，只可部分消 除电离层的影响（约50%）对流层对GPS信号的两种影响表现在：一 是降低信号传输的速度，取决于大气的厚度和折射率，二是导致信号 的弯曲对流层延迟，不能利用双频观测消除，但可利用模式模拟出 来利用GPS卫星发射的两个L波段不同频率的信号可以消除电离层 的影响这样就可以利用复杂的数据处理方法,通过对GPS观测数据、 GPS卫星星历、和GPS测站坐标进行处理，计算出对流层对GPS信号 的天项方向总延迟量再利用传统的经验模型计算出对流层中 GPS 信号的干延迟分量ALd,从而得到对流层中GPS信号的湿延迟分量△Lw 通过转化函数,将其转化为可降水量.转换对流层延迟0AL图头】可降水量计算流程图天頂静力学碰迟可降水量GPS观测数据GPS卫星星历GPSil站坐标2.2 天顶湿延迟及水汽含量的计算大气中的水汽含量的计算取决于湿延迟的大小,之所以被称为“湿 延迟”,是因为它主要由水汽极化分子对大气折射率的影响而产生对天顶方向的乖直路径,湿延迟可写为：zira = 昵耳朋十舒令也］“ o% g +細Pwdh其中 Tm 代表大气加权平均温度，它与对流层温度廓线和水汽垂直 分布有关。

经统计发现T.与地而气温T成良好的线性关系，所以 在实际计算时一般采用通用的 Bevis 模型获取大气加权平均温度乙 的数值：九二 70, 2 T 0” 721；式中：Ts温度设 PW 为整层大气积分总水汽量（也称可降水量），以单位面积空气柱 中所有水汽都凝结成液态水式所具有的厚度表示：式中 p 液态水密度所以积分总水汽量为：PW 二 匹 ZWD = n-ZWD耳&仗厂灯7J该公式是目前网际上通用的由GPS反演湿延迟再计算总水汽量的 公式，总水汽量与湿延迟的比例系数H〜0. 15这就足说，对垂直大气路径而言，lmm的积分水汽量可以产生约6mm的湿延迟2.3 哈尔滨地区水汽含量的反演实例哈尔滨地处我国北方，冬季气候寒冷，一年四季温度变化显著， 在我国我气候研究工作当中具有一定的代表性因此研究利用 GPS 技术遥感哈尔滨地区大气可降水量具有一定的现实意义2.3.1 利用 GPS 数据反演哈尔滨地区的大气可降水量的流程因已经对 GPS 技术遥感大气可降水量的原理进行了介绍，所以在 此仅以下图说明利用 GPS 技术遥感大气可降水量的过程GPS^ 据 处理GPS接收机丑面气|大气参数图1 GPS遥感大气可降水量的流程*对涼层大气总延迟大气干项延迟＞位置伯息匕目小—*大气涅项延迟可降水量 *1 GPS卫星卫屋星历按照上图的流程即可利用 GPS 观测数据以及相应的地面气象参数 求得最后的 2004 年 6 月哈尔滨地区的大气综合水汽含量值。

计算过 程中，利用美国麻省理工大学开发的 GAMIT 软件消除电离层延迟并 解算出对流层天顶总延迟，对流层天顶静力延迟由式(14)给出由于 难以获取 T、e 等气象参数沿高度分布的数值，所以湿延迟的积分值 无法获取，在实际应用中湿延迟可从总延迟中扣除静力延迟后得到即：ZWD=ZTD—ZHD得到对流层天顶湿延迟后，即可利用式(18)计算由 GPS 反演的水 汽含量的大小2.4探空含水量(PW)的计算为比较 GPS 反演的水汽含量的精度，本文对无线电探空仪探测的 水汽含量利用上式也进行了计算，因为高空探测资料只提供上层温度 露点和气压的离散观测序列，简写为：沏=£仏-也铮+斗2 +D式中：hi , hi+1,ei ,ei+1,Ti,Ti+1分别表示各离散层底部和项部的高程、水汽压和温度水汽压可由露点求得：…°xlO瓦式中：e为常数，其值等于6. 1078hPa, a, b也为常数，但其 取值与气温有关当气温大于零度时a=7. 5, b=237. 3；当气温小 于零度时a=9. 5, b=265. 5； t为露点温度(°C)三．预期成果及精度分析3.1水汽含量的对比及分析本文将 GPS 反演的水汽含量和无线电探空计算的水汽含量进行了 统计分析，若将利用探空气象资料计算的水汽含量视为真值，贝U GPS 反演水汽含量的精度334为：m-±2. 70mm。

该值说明GPS水汽遥 感具有很高的精度， I 司时由于其具有全天候、全球分布等特点可以 弥补现有水汽监测手段时空分辨率低的局限性美罔在2001 年所进 行的ARM计划中，对CART站点1996-1999年晴天的GPS反演降水结 果和探空计算得到降水结果进行过比较，得到降水结果的标准差大约 在2mm左右，本文的实验结果与ARM计划的结果相比，虽然在同一 数量级上，但稍微偏大其原因在于本文所采用的资料中包含有降雨 天气的结果，所以精度略有降低；另外由于哈尔滨GPS跟踪站没有进 行气象观测，而静力延迟和水汽含量等均是采用探空站的气象观测数 据计算的，两站相距 5km 左右，这样会造成一定的气象代表性误差， 影响了水汽反演的精度4D30201025303515 20tiime:24ri图2各种水汽含量的比较图中实线划代表GPS反演的大气可降水量，虚线划代表探空资料JL计算的水汽含量，底部长条为实际降水量由上图和计算后得出的数据（因数据量较大，故数据表格在此没有 列出）对照可以看出 GPS 反演的大气综合水汽含量和探空资料计算的 水汽含量以及实际降水情况吻合的很好，如果将 25mm 作为阈值的话 GPS 反演的大气可降水量如果超出此阈值则发生实际降水的可能性 比较大，尤其足相邻的时间内如果 GPS 反演的大气综合水汽含量值大 于25ram，并且伴随着5mm以上的跳跃，就基本对应这一次地面降 水过程，以哈尔滨 2004 年 6 月与实际降水的对比来看，这种情况对 应的降水概率约为 50％。

四．结论根据上述讨论，对本文总结如下：⑴与探空水汽含量相比，GPS遥感的水汽含量的误差约为2nun, 具有较高的精度；(2) 由于 GPS 具有全球分布、全天候观测、精度高等特点可以极 大的改善现有水汽监测手段的局限性，提高水汽监测的时空分辨率；⑶气象代表性误差将会给GPS水汽遥感结果带来很大的影响，所 以在GPS测站选取时应避开如水域附近、山的南北坡等具有显著局域 性气候的地带⑷对于哈尔滨地区如果反演的水汽含量大于25mm，并且并且伴 随着 5mm 以上的跳跃，就基本对应这一次地而降水过程，其降水概 率约为 50％五．参考文献1．刘旭春．利用 GPS 技术遥感哈尔滨地区大气可降水量的分 析.【J】.测绘通报，2006, 4： 10—122. 章红平.利用地荩.-GPS数据估计大气可降水分.【D】.武汉 大学，学位论文．20035： 20—253. 谷晓平.GPS水汽反演及降雨预报方法研究.【D】.中国农业 大学学位论文．2004， 5-56．724. 陈渭民编著•卫星气象学•【M】.气象出版社.2003, 2： 37-565 沈桐立等编著 数值天气预报 【M】 气象出版社 2003， 9：5-186 盛裴轩，毛节泰等编著 大气物理学 【M】 北京大学出版 社 2003， 5： 476—4987 郭志梅 利用地恭 GPS 资料反演大气可降水量的初步研。