利用地基GPS反演可降水量的研究

东华理工大学测绘工程学院 刘思宇

1.概述

目前气象学在探测对流层中大气水汽含量的方法主要有以下几种：无线电探空技术，卫星观测，水汽辐射计等技术，但是相比较利用地基GPS技术获取大气参数，这种技术具有探测时空分辨率高，高精度，全天候，近实时，连续获取能力强，不需要对仪器进行标定及经济，高效等诸多的有点。这些都是其他各种探测技术所无法比拟的，使它成为新一代大气遥感技术中最有效、最有发展前景的方法之一。

2.利用地基GPS反演大气可降水量的基本原理

GPS卫星位于20000余千米的高空中，它同时向地面发射两种频率的无线电信号(L1和L2)，这两种信号依次穿过大气中的电离层和对流层后被地面或低轨卫星上的GPS接收机接收。当GPS发出的信号穿过大气层时，要受到电离层和对流层的折射影响，GPS信号发生弯曲和延迟，其中弯曲量很小，延迟量很大，这与大气参数相关联的折射率也会发生变化。在GPS精密定位测量中，这种大气折射的影响被当作主要的误差源而要尽可能将它的影响消除干净。而在我们此次研究中正与之相反，所要求得的量就是大气对GPS卫星信号的折射量，再通过大气折射率与大气折射量之间的函数关系就可以求得大气折射率。大气折射率是气温、气压和水汽压力的函数，通过一定的数学模型关系，则可以求得我们所需要的气象信息，如水汽总量，这对于研究对流层的大气问题十分重要。

3.地基GPS反演大气可降水量实例

我们此次解算使用的数据是“香港卫星定位参考站网”中的香港沙田站（HKST）站在2012年第248天00-02时段采集的数据。

3.1 数据的准备工作

使用的高精度GPS数据处理软件为美国麻省理工学院和斯克里普斯海洋研究所联合开发的GAMIT软件。在解算前我们先要进行数据准备，主要分为以下四个部分：首先是参数表文件的准备，我们首先建立一个工作文件夹work，进入GAMIT安装文件下的tables文件夹，把所需要的参数表文件拷贝到work文件夹中。其中参数表文件主要包括：极移参数、天线高及相位中心偏移模式参数、摄动历表、TAI-UTI国际时间系统表、太阳星历表、月亮星历表、大地水准面参数表、接收机及天线类型信息表、纬向数目编号表、跳秒表、坏卫星信息文件和周跳的自动弹出和修改命令表。然后是配置文件的准备工作。用GAMIT处理GPS数据还需要反映所有测站(香港沙田站和所选用的IGS跟踪站)信息、大气模型、延时模型等的配置文件，对这些文件进行编辑，之后一并放入到work文件夹下。这些文件包括测站初始坐标L文件(lfile.)，测段中各测站信息文件(station.info)，大气模型及先验坐标约束文件(sittbl)，测段分析策略、先验测量误差以及卫星约束文件(sestbl.)第三个是观测数据的准备。为了提高计算精度，有必要加入一定数量(3-10个)的长基线站。可选取位于香港地区东、北、西方向上的上海(SHAO)、武汉(WUHN)、泰国的曼谷(CUSV)3个国际IGS跟踪站。IGS跟踪站的数据都能在网站(http：//igscb.jpl.nasa.gov/）下载。最后是星历文件的准备。这个也是通过上述网络就能获取。

3.2 计算天顶对流层总延迟的解算

下面以香港沙田地基GPS气象站在2012年的第248天00-02时采集的数据为例，介绍天顶对流层总延迟解算的流程(如图1所示)。

图1 天顶对流层总延迟解算流程

运行完以上步骤后，会在work的工作目录下生成该站点天顶延迟数据的结果文件ogppsa.248。对于这个结果文件，还需要对他做可靠性检测。用sh_nrms程序可以查询ogppsa.248的均方根残差nrms，一般情况下这个值应该小于0.5，若是大于0.5则这个解算结果是不可靠的，我们本次试验中nrms的平均值为0.1845，符合解算标准。

3.3 地基GPS可降水量的反演

在已得到气象数据文件的情况下，我们利用sh_metuil程序就可以完成大气水汽含量的反演，在终端输入：sh_metutil-f ogppsa.248-m*2480.12m-i 900。其中-i表示时间间隔参数，即900表示为15分钟。成功运行后就可以得到包含大气水汽含量的met文件。以香港沙田站为例，解算得到的met文件格式如表1所示，其中PW列即表示对应时间点GPS站上的可降水量。

表1 沙田站2012年9月5日00-02时的GPS解算结果

4.结语

本次实验通过GPS卫星信号经过大气时会产生延迟的现象，利用地基GPS接收机测得的GPS卫星信号延迟量来反演出大气可降水量。由于它具有全天候、高精度、高时空分辨率和成本低等优点，可有效地弥补目前常规观测手段对大气中水汽测量的不足，对提高灾害性天气的监测和预报能力，改进数值天气预报精度有广阔的应用前景。并且利用此项新技术的研究结论可以进一步扩大地基GPS在气象中的应用范围，例如：可应用在高空气象探测中，进一步提高测风精度；还能应用于灾难性天气的监测与预报(如干旱、暴雨、雷暴等气象)；并利用GPS反演的水汽资料结合多普勒天气雷达探测的液态水资料来指导人工影响天气作业(如人工降雨等)等等实际应用之中。

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