GPS-MET数据整合研究及实现

李涛 刘俊宏 李亚玲

摘  要： GPS-MET探测精度较高，并且能进行全天候观测，所以历来受到气象部门的高度重视。文章针对四川省气象局现有GPS-MET站点和地震局共享的站点，根据四川的实际情况和数据处理流程，研究地震局站点数据和气象部门站点数据在现有的气象通信系统上统一数据整合和数据融合的方法，并提供上行传输和共享服务，为数据解码应用和数值天气预报研究提供可靠数据支持。

关键词： GPS-MET; 气象通信系统; 数据整合; 共享服务

中图分类号：P413          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2018）12-01-02

Abstract： GPS-MET detection is highly accurate and can be observed in all-weather， so it has always been highly valued by the meteorological department. This paper focuses on the existing GPS-MET stations of Sichuan Meteorological Bureau and the stations shared by the Seismological Bureau. Based on the actual situation of Sichuan and the data processing， this paper studies the method of unified data integration and data fusion on the meteorological communication system， and provides uplink transmission and sharing services， which provides reliable data support for the data decoding application and numerical weather prediction research.

Key words： GPS-MET; meteorological communication system; data integration; shared services

0 引言

水汽在大气能量循环和天气系统演变中起着很重要的作用，它也是灾害性天气形成和发展的重要因素。虽然目前水汽探测手段有很多，但总是存在诸多限制。伴随着GPS技术迅速发展和应用领域不断扩大，研究人员也愈来愈关注GPS水汽数据在大气研究和天气预报中的应用。研究表明：GPS探测与其他探测手段相比，具有高时效性、时间分辨率高、易于维护和更新、费用较低、全天候观测、受大气中气溶胶粒子影响较小等优点。因此GPS探测技术[1-3]的这些优点使其能对大气进行有效监测，并且丰富了现有的大气探测手段，对完善气象预测系统以及加强短临天气预报系统的建设有积极意义，而且对重大天气预报预警和气候预测具有促进作用。

目前气象部门的GPS站点建设很有限，但是地震部门和测绘部门也有站点建设，考虑到部门间的数据共享，就可以把这些GPS数据进行统一的整合和融合，然后在部门间进行数据共享。本文针对于地震部门和气象部门的GPS-MET数据，把两者在气象通信系统上进行集中整合处理，形成规范的数据文件，提供给后端进行数据反演、解码和共享应用，并且为数值天气预报提供数据输入。

1 GPS-MET的原理

GPS卫星的核心是一个高质量的振荡发射器，发射的L波段无线电波信号，根据发射频率不同有两种：L1（1.575 42 GHz）和L2（1.227 6 GHz）。无线电波在穿过大气层时受到电离层电子作用以及对流层大气对电波的折射作用，引起电波速度减弱或者传播路径发生改变，从而造成电波信号的延迟。受到电离层影响的部分称为电离层延迟，受到对流层大气影响的部分称为对流层延迟。对流层延迟的主要原因是：大气中自由干燥气体对电波的折射，且大气中的水汽也可以引起电波传播的延迟。因此，利用GPS处理软件可以估计对流层延迟，然后通过对这种延迟的监测来反演大气折射率情况，然后来实现遥感大气中可降水量。

2 GPS-MET数据应用和整合

2.1 GPS数据的应用

数值天气预报（Numerical Weather Prediction）越来越占有很大的分量，但是它在制作过程中必须用三维温、压、湿和风数据作为初始值，然后进行演算。目前，提供这些初始化数据探测网络的时空密度限制了预报模式的精度。目前探空资料一天两到三个时次，时空的密集程度远不能满足数值天气预报的要求。气象卫星的资料虽可以进行反演，但有限的分辨率使得它们难以对预报模式有较大的影响。借助于GPS-MET站点探测距离较远的优势，并可進行全天候的连续探测，加上观测值的高精度和高垂直分辨率[4-5]，使得数值天气预报的精度提高变为可能。

2.2 GPS数据的整合

由于气象部门GPS站点较少，提供的数据很有限。考虑到综合效益和数据共享，把地震部门共享的GPS数据也纳入整合。首先，在共享服务器获取地震局数据，然后把该数据和气象局自建站数据在通信系统上进行统一整合处理，整合总体流程见图1。

在设计中为了内网网络安全，选择DMZ区的共享服务器作为外网接入中间过渡，在相关网络防火墙上进行访问控制的设定，充分隔离外网，保证内网接入的安全。气象部门站点网络直接接入气象通信系统，数据汇总后进行统一的文件规整处理。o文件即为观测文件;m文件是数据文件（该文件需要和自动站数据文件进行匹配）;n文件为导航文件[6]。导航文件和观测文件为站台自动上传，数据文件则需要根据该站点的温度数据、气压数据和相对湿度数据进行生成，该文件生成有两种方法：①通过解码气象站的Z文件，获取温度、气压和相对湿度数据，然后生成相应格式的数据文件;②通过读取数据库的数据表获取相应数据，产生数据文件。本文使用第一种方法生成m文件，数据文件名命名格式是ccccdddl.yrm（注：cccc代表站台代码;ddd代表一年中的日数;l代表一天的小时，由A～X表示;yr表示年份后两位）。生成m文件算法结构见图2。

在整合目录中对文件处理流程为：①判断同一个站前一个时次的GPS上传文件是否为空，如果某一个文件为空，则该文件不予整合，对不为空的文件进行整合。②判断包中o文件、n文件和m文件是否齐全，齐全的包直接进入发送目录并进行原始文件留底，三个文件不全的包则会等待缺失文件再进行追加打包，再走发送流程。整合流程见图3。

2.3 整合数据的监控

通过对程序的充分测试和GPS数据进行比较，整合数据符合中国气象局数据规范要求，经过后端系统一致性检查和反演计算，数据完整性达到应用要求，整个数据整合试验结果表明整合方案切实可行。GPS-MET数据整合监控显示如图4所示。

3 结束语

GPS技术在气象学领域的研究目前还处于初步发展阶段，随着GPS技术发展和其他气象探测资料的综合利用，将会更有效地提高GPS数据的精确度。本文通过把气象部门和地震部门的GPS资料进行整合和统一处理，提高数据共享及应用的能力，研究成果已经在四川省气象局投入业务运行，为四川GPS数据反演解算及数值天气预报研究提供较强的数据支持。

在高并发处理数据方面，本文方法还有需改进的方面。一是处理程序的并发流程有待优化;二是高并发中的数据精确度需要进一步提高。

参考文献（References）：

[1] 李国平，黄丁发.GPS气象学研究及应用的进展与前景[J].气象科学，2005.25（6）：651-661

[2] 谷晓平，王长耀，吴登秀等.GPS水汽遥感中的大气加权平均温度的变化特征及局地算式研究[J].气象科学，2005.25（1）：79-83

[3] 詹丰兴，傅敏宁，刘熙明等.地基GPS/MET研究回顾与展望[J].气象减灾与研究，2009.32（43）：8-13

[4] 李国翠.华北地区地基GPS遥感可降水量及天气学应用研究[D].兰州大学，2007.

[5] 冯鹏，刘晓源，黄博.浅谈GPS/MET数据处理方法[J].现代化农业，2018.3：9

[6] 杜明斌，尹球，刘敏，朱雪松，郭巍.地基GPS/MET探测水汽等相关参数精度分析[J].大气与环境光学学报，2018.3：138-144