上海天文台gps地面气象学研究和试验结果.pdf

上海天文台G P S 地面气象学研究和试验结果 朱文雄王小亚熊永清程宗颐 中国科学院上海天文台 摘共:介绍了上海天文合G P S 气象学的背景、进展和研究成果.从 9 0 年代起，上海天文合鱿开 展了 地基 C P S气象学的研究工作.在地墓C P S气象学研究中，利用国内分布的2 3 个G P S网站及周边 地区的6 个 I C S台站，利用1 9 9 6 年7 月2 6日 到3 1日“天) 的C P S 观测资料，首先求得中性大气天 顶廷迟改正序列，然后推出测站上空可降水汽t积分;采样翔串分别取为 3 0 分钟和 2 小时.得到的 天顶延迟改正的精度好于l c m ，反演出可降水汽舍t的内 部精度约1 - 2 m m .把国内G P S网中具有探空 气球观测的4 个台站:上海、武汉、长春和西宁的资料进行比 较，发现C P S 和探空气球的可降水汽含 t之间的系统差小于 l m m .考虑到上海地区 在台风和气候交化较剧烈的季节因素，选择了 1 9 9 7年 8 月2日 到，日( 8 天) 和8 月1 7日 到2 7日( 1 1 天) 的两个观测时段，做了国内第一个C P S / s t o r m 实脸 实验结果表明，地面C P S网有可能获得几乎实时的、连续的和高精度的可降水汽含t位.它的结果很 好地与实时降雨t和降雨过程相对应.实脸还证明，利用经处理后的G P S 卫星预报轨道可以获得与精 密轨道几乎相同的结果，这为地面G P S 监测和预报中尺度强对流天气 ( 基雨，冰!。

雨大风等) 的 实用性提供了 保证.以 此为签础，我 们正在建立上海地区 的G P S 气象应 用服务网.此网由 分布在以上 海为中心、硬盖整个长江三角州的 1 4个墓准站组成，它将为上海的气象预报提供全方位、时空分变 率密集、近实时连续的可降水t的变化序列，以 提高监洲和预报上海地区中尺度对流天气 ( 早雨、冰 甩、雷雨大风) 的能力. 、引言 在大地测量学中，信息处理的噪声常常是地球物理学研究的信号G P S是全球定位系统 的英文缩写它在定位、导航和授时等领域中的应用，通常总是将大气的影响作为噪声予以 改正和消除9 0年代起，随着 G P S应用和测量精度的提高，这个噪声已 成为探测可降水童 的有用信号，由此形成了一门新兴的学科: G P S 气象学地面G P S 探测大气是A s k a n c e 等于 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， 推导出了它们之间的关系 到9 0 年代该技术才得以迅速发展成为目 前G P S 前沿研究课题之一地面G P S 探测大气是通过获 得天顶湿延迟 Z W D ( Z e n i t h W e t D e l a y ) ，将其转换为可降水汽量 P W V ( P e r c e p t i b l e W a t e r V a p o r ) ， 对它进行研究来探测大气中水汽含量的变化。

由于水汽的时变性和空间分布的不均 匀性，它不能用地面气象资料较精确地估计，但可用地面G P S 观铡的分段参数估计或随机模 型而得到较好的估计天顶湿延迟几乎正比于水汽的垂直积分，而水汽的垂直积分等价于气 象学 上的 可降 水 量( P F P V ) 在 气 象学 上， 它 有 着 重要的 作 用: 它 所 代表的 大 气 潜 热总 量与 水的相变有直接的关系，因而对天气预报特别是恶劣天气的预报有着重要的作用水汽在气 象中的重要作用使得水汽探测技术的提高对降水和恶劣天气预报的准确性和对气候及其变化 的理解力的提高有不可估量的作用我国又是多自 然灾害的国家灾害的预报和防治是我国 政府面临的一个重要问题用G P S 技术监测地球大气的设想在我国无疑有很大的潜力，也是 我国G P S 工作者应该考虑的研究课题之一作为我国参加的工 G S 观测网络之一和G P S 观测资 料处理中心的上海天文台从 9 0年代中期就开始注意到 G P S技术在气象学上的应用，并进 行了地面G P S 气象学的试验试验结果表明，地面G P S网有可能获得几乎实时的、连续的和 高精度的可降水汽含量值它的结果很好地与实时降雨量和降雨过程相对应。

实验还证明， 利用经处理后的预报轨道可以获得与精密轨道几乎相同的结果在此基础上，我们正在建立 一个由 1 4个基准站组成的以 上海为中心，覆盖整个长江三角州的上海地区的 G P S气象应用 服务网 2 、地面G P S 观测探测大气的原理 与8 0 年代的G P S 研究不同，地面 G P S 探测大气的基本原理是用各种新技术综合求得的 精确站坐标和 I G S 分析中心解算出的精密G P S卫星轨道反过来求原来 8 0年代 G P S 研究认为 是噪声的大气效应( 其中主要是湿大气影响) ，将它作为在气象研究中的有用信号，与气象参 数联系起来，就可给出在气候研究和天气预报中很重要的参数一可降水汽量( P W V ) 在 G P S 卫星发射的无线电信号经过大气传播到地面被G P S 接收机接收的过程中，信号经过电离层、 中性大气的折射发生了延迟由于电离层对无线电波有色散性，它的一阶改正与电 磁波的辐 射频率的平方成反比故大气中的电离层延迟可通过双频基本消除对于中性大气，它的延 迟可以分为干、湿两个分量且每个分量都可写为它的天顶延迟与映射函数的乘积， A a = A a z d “ m d ( z , P ) + A a _ “ m( z , P ) ( 1 ) 其 中 o a .d , 码和 e Q - , 巩分 别 是 干 大 气 的 夭 顶 延 迟 、 映 射 函 数 和 湿 大 气 的 天 顶 延 迟 、 映 射函数，z为天顶角，P为气象参数。

由于干大气较符合理想气体及方位对称性，因而干大 气延迟改正可用表面气象资料通过S a a s t a m o i n e n或D a v i s 等提出的天顶干延迟计算公式精 确算出但在截止高度角较小时，可选用 Y a n等发展的映射函数湿延迟可以由大气延迟 e 6 减去 干 延 迟得 到， 再 通 过 湿 映 射函 数 就可 转 换为 天 顶 湿延 迟目 前， 湿 映 射函 数同 干 映 射函数一般取为一样而根据气象学中可降水汽量( P W V ) 的定义和所推导的天顶湿延迟的表 达式可得: P叮 厂 = nx △ 口 ， ( 2 ) 其 中 II 是 大 气 折 射 率 实 验 常 数 ( 人 和 暇 ) 、 水 汽 气 体 常 数 4 和 大 气 平 均 温 度 毛 的 函 数 ， 是 随 季节变化的 其值近似等于0 . 1 5 ， 相对误差为: n = (T + k2)一 (聋 一‘; zz ? T ) 2 (3)3 TA“, ) ____‘Y T ___、 .，. _ _ k __ _左_ . 其中 n , - s , a, } T 分别为1 仁 -5, - 2 ,、的相对误差。

在相对士价 忍峪一 ， 坷，上 才 价 式写成: 口 6 ? 下一 厦 Ts 嘴a 2 k ; .2 、 1a T , 2 ， r竺二;1 T ,, ( 4 ) 从 上 式 可 以 看 出 ， 如 果 ‘ T 较 大 时 ， I I 的 相 对 误 差 主 要 来 自 毛 的 相 对 误 差 ， 即 Z W D 到 P W V 的 转 换 精 度 取 决 于 毛 的 精 度 毛 主 要 有 三 种 求 法 : ① 常 数 法 取 集2 8 1 8 ， 其 精 度 较 低 : ② 通 过 表 面 温 度 求 T一 7 i' 2 十 0 .7 2， 这 时 转 换 误 差 小 于 士 2 % a ; ③ 用 数 值 天 气 预 报 模 型 估 计 每 个G P S 站 的 毛 时 间 序 列 ， 此 时 转 换 误 差 小 于 士 1 % 目 前 ， 加确度 可 以 达 到 亚 厘 米 A 级 ， 这样P W V 的精度就可达毫米量级水汽的时变性及方位不对称性使得天顶延迟湿分量很难用 表面气象资料来精确模拟有人曾用单参数、多参数估计的统计模型和随机过程来估计对流 层天顶湿延迟，发现随机估计结果较好，它的 z m ) 估计值与水汽辐射计( W V R ) 的结果一致性 一般好于2 c m ( 除了资 料两端和坏天气) 。

地面GPs 探测大气的方法就是用G P S 相位观测资料 ( 伪距观测量的精度太低，因而不宜在这里采用) 减去卫星到接收机距离的理论值， 用双频消 除电离层延迟，用理论模型模拟对流层干延迟再用两站的单差消除卫星钟误差，最后将相 位模糊度的组合、接收机钟误差和天顶湿延迟作为参数，通过最小二乘参数估计或卡尔曼滩 波随机估计模型得出Z W D 的时间序列:也可用双差法将模糊度组合和Z W D 作为参数进行估计 求出 Z W D时间序列再通过( 2 ) 式求出 P W V时间序列在应用中需要考虑多路径效应和两站 湿大气的相关性， 合理选择最低高度角和基线长一般最低高度角取为 巧 ，基线长选为 5 0 0 - 1 0 0 0 k m 但对基线短于5 0 0 k m 也可通过将其最低高度角取为小于1 0 0 来减小 相关性进行 天顶湿大气延迟估计 GPs 气象学实验3 、上海天文台的地墓 1 在地基G P S 网的观测中，天顶距改正参数中包含了两个分量:千延迟和湿延迟其中千 延迟分量不仅在空间域和时间域上都相对比较稳定，而且利用理想气体方程、流体静力学方 程和大气折射指数公式，能用地面气象参数较精确地描述。

但是湿延迟分t却不仅在空间域 和时间域上都是显著变化的，而且不能用一个简单的数学方程来描述在气象学中虽然可以 用探空气球、探空雷达等方法得到大气水汽含量，但是存在着费用高或精度低等缺陷而地 面G P S 观测网络却给我们提供了一个高精度、低费用的大气水汽含量的观侧方法作为上海 天文台第一次地基G P S 气象学实验，我们利用 1 9 9 6 年7 月2 6日~7 月3 1 日6 天G P S 局域 网的观测资料来估计测站上空的水汽含量，并把它们与可能得到的探空气球资料进行比 较 观测网络包括2 3 个国内G P S 站和6 个周边地区的I G S 站归算软件用的是作了一些改正后 的G A M I T 为了检验地面G P S 观测网对水汽含量的灵敏度，归算弧段的采样频率分别取为3 0 分钟和2 小时也尽可能地同时收集地面气象记录用以 校正和比较从这次实验，我们有以 下结论: ( 1 )如图 1所示，对两种不同的采样频率，上海站和长春站中性大气天顶距改正的精 度均在 l c 左右;从而得到的可降水汽量的精度大约在 1 -2 二 的水平由于地面 G P S网可 能提供高精度、几乎连续和实时的水汽序列，它在气象学上的应用价值是不可低估的。

( 2 )在实验过程中，所有的工 G S 站都保持2 4 小时的连续观测，而其它非I G S 站则进行 1 2 小时的观测 )从图1 和图2 中，我们发现:从这两种观侧方案求得的天顶延迟改正湿分 量不存在显著的差别这说明地面C P S 水汽量估计与观测的连续性相关不大 ( 3 ) 从图3 和图4 中，3 0 分钟采样和2 小时采样求得的天顶距改正基本一致因此可 以 认为每 3 0分钟一次的采样频率是可行的由此可获得较密集的测站上空的可降水汽量的 变化序列 ( 4 )把具有探空气球观测的 4 个站的结果进行比 较发现 C P S 可降水汽估计与探空气 球资料的系统偏离为 l m m 在图5 的4 个台站中，上海和武汉两个站的符合较为好一些:而 在其它两个站的资料中，长春站有一个点以 及西宁站有两个点出现较大的偏离从城市气象 记录中， 我们发现西宁在第2 0 9 天附近有降雨过程 因此地面C P S 水汽测量反映了这一过程: 而探空气球的观测却没。