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GPS气象学学习报告摘要：GPS气象学是由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出的一门学科，是卫星导航与定位系统技术在地球大气探测中的最新应用。本文对GPS气象学的产生、分类、研究现状以及应用进行了详细介绍，并在最后对GPS气象学的发展前景进行了展望。关键字：GPS气象学产生分类研究现状展望中图分类号：P412文献标识码：A引言随着GPS技术的迅猛发展和日臻成熟，首先在美国兴起了一门新兴边缘学科——GPS气象学，该学科由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出，是卫星导航与定位系统技术在地球大气探测中的最新应用。GPS观测资料在大气探测、天气变化监测和数值天气预报模式中应用的优越性以及取得的初步成功，使GPS气象学在不到十年的时间内很快发展成为一个崭新的、极具应用潜力的GPS研究及应用的重要领域。本文主要对GPS气象学的产生、分类、研究现状以及应用进行了详细介绍。并在最后对GPS气象学的发展前景进行了展望。一．GPS气象学分类在气象科学研究和业务应用方面，GPS技术已展示出广阔的应用前景。20世纪90年代以来，人们已开始利用GPS理论和技术来遥感地球大气。例如多路径效应是GPS定位中的一种噪音，至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”，但人们从大气对GPS信号延迟的噪声处理的逆问题，发展出了利用GPS信号测定大气水汽含量及温度的一种新手段，从而为更好地监测恶劣天气和气候变化提供了新的技术支持。现在GPS气象探测已成为WMO(世界气象组织)21世纪新的全球综合高空观测系统的重要组成部分。由此，以GPS技术在气象学研究及应用为主要内容形成了一门新兴的交叉学科，称为GPS气象学(GPS/METeorology，简写为GPS/MET)。根据GPS/MET观测站的空间分布特点，可将GPS气象学分为以下两类：1．地基GPS气象学地基GPS气象学(Ground-basedGPS/MET，也称地面GPS气象学)是将GPS接收机安放在地面上，像常规的GPS测量一样，通过地面布设GPS接收机网络，来估计某个地区的气象要素。2．空基GPS气象学空基GPS气象学(Space-borneGPS/MET，也称星基GPS气象学)是利用安装在低轨卫星(LowEarthOrbit，简称LEO)上的GPS接收机来接收GPS信号。当GPS信号与LEO卫星上GPS接收机的连线经过地球上空对流层大气时，GPS信号会发生折射，把这种测量大气折射的技术称为GPS无线电掩星探测方法(RadioOccultation)，简称掩星法(RO)。该方法是20世纪60年代美国JPL和斯坦福大学为研究行星大气和电离层而发展起来的。通过对含有折射信息数据的处理，可算出大气折射量从而得出我们所需要的气象要素值。空基GPS掩星法测定大气的技术具有覆盖面广、垂直分辨好、数据获取速度快等优点，可获得地基GPS/MET不易取得的海洋上的资料，对于改进区域及全球数值天气预报相当重要。由此可见，无论是地基GPS/MET还是空基GPS/MET，其目标是一样的，即获得大气折射量。不同之处在于空基GPS/MET的数据处理过程更复杂一些，因为安装在LEO卫星上的GPS接收机跟GPS卫星一样也在运动，而且在接收机所接收到的所有卫星信号中，并不像地面上的接收机那样必定包含大气折射信息。二．国内外GPS气象学研究现状GPS气象学的研究于20世纪80年代后期，最先在美国起步，进行了多次试验。在美国取得较理想的试验结果后，其他发达国家如日本、德国、瑞典等也开始重视GPS气象学，已成功组织了数次较大规模的GPS观测试验，取得了一系列研究成果并开始应用于大气研究和气象预报业务中。20世纪90年代中期以来，我国也逐步开展了地基GPS观测在气象学中应用的相关研究。下面，主要从地基GPS气象学和空基GPS气象学两个方面来介绍GPS气象学的研究现状。1．地基GPS气象学及GPS业务网在区域性GPS连续运行站网和综合服务系统应用于气象方面，一些发达国家已取得了重要进展。美国布设了GPS“连续运行参考站系统”(CORS)，该系统主要目标之一就是确定大气中的水汽分布，另外还可利用此GPS网络系统获得、传输气象数据。美国NOAA(国家海洋和大气局)现已能够实时处理国内100多个GPS站点的资料，并计划将全国的GPS站点扩展到1000个。德国拥有密集的地基GPS网，在GPS/MET的研究方面也十分活跃。英国负责建立的“连续运行GPS参考站”(COGPS)系统的功能和目标类似于美国的CORS，但结合英国本土情况还增加了监测英伦三岛周围的海平面相对和绝对变化的任务。日本在国土地理院(GSI)的组织下已建成近1200个GPS连续运行站网(GEONET，GPSEarthObservationNetwork)，站间距为15～30km，这是目前世界上最大的、最密集的用于地球科学研究的GPS国家观测网。目前它在以监测地壳形变、预报地震以及计算大气可降水量、研究与大气水汽变化相关的天气变化为主要功能的基础上，联合气象研究和业务部门正开发利用GPS资料的四维同化业务系统，如日本气象厅气象研究所(MRI)正在发展一种用于中尺度数值模式的GPS数据变分同化系统，以提高数值天气预报模式的模拟和预测水平。1998～2003年，在GSI牵头下日本实施了为期五年的日本GPS气象学观测和研究计划(GPS/METJapan)，特别是于2000年秋季和2001年春季在筑波地区202km的范围内进行了2次GPS高密度观测网试验(TsukubaGPSDenseNetCampaign)，目的是探测几公里量级的小尺度水汽变化并用于短时雷暴、暴雨等灾害性天气的预报。试验区域内集中设立了75个GPS接收点和22个地面气象观测点，其GPS接收站点的间距达到空前的1～3km。2．空基GPS气象学及相关技术由美国大学大气科学研究联盟(UniversityCorporationforAtmosphericResearch，简称UCAR)主持、代号为GPS/MET的试验，通过发射一颗代号为Microlab-1的低轨卫星对GPS卫星进行掩星观测，可以决定5～45km高度范围内高分辨率的温度廓线以及5km高度以下大气水汽压的垂直分布。美国2000年4月发射的CHAMP卫星也是利用GPS掩星法进行全球对流层折射(包括大气可降水量)的测定，还有阿根廷的SAC-C也是类似的掩星观测计划。为了获得足够多的地面掩星点资料用于全球和局部天气预报和大气研究，美国UCAR、JPL和海军研究实验室与我国台湾太空计划办公室合作，与1997年联合制定并将于2005年实施的耗资1亿美元的COSMIC(ConstellationObservingSystemforMeteorology，IonosphereandClimate，即气象、电离层及气候星座观测系统)计划由卫星、地面数据接受和卫星控制站数据分析中心和数字通讯网络等几个部分组成，这是继单颗LEO卫星进行GPS掩星探测大气试验(GPS/MET计划)后推出的一个星座观测计划。该计划将在2005年发射6颗LEO卫星，形成LEO卫星星座，预计每颗LEO可获得500个大气廓线观测数据，整个星座每天可产生全天候、覆盖全球的3000次掩星事件，这将有力增强目前的全球大气观测系统。德国已为空基GPS/MET的研究发射了两颗小卫星。在GPS/METJapan计划于2003年结束之后，日本大地测量界和气象界目前也正酝酿着一个有关空基GPS气象学的观测计划。3.国内GPS气象学的研究进展20世纪90年代，中国科学院上海天文台的王小亚等在我国较早开展了地基GPS气象学及其在恶劣天气分析中应用的研究。随后，在全国范围展开了广泛的研究。在遥感大气水汽方面，我国的专家学者做了大量的研究。丁继新等人用GPS数据解算出对应的大气水汽总量。何平等进行了地基GPS长时间连续估测大气水汽总量的外场试验。梁丰等在我国气象界首次进行了区域性地基GPS网遥感大气水汽总量试验资料研究。程晓等利用GPS反演得到两极的水汽含量。宋淑丽等则通过GPS站网的资料，分析了GPS水汽监测在气象研究中的作用。杜瑞林等用地基GPS资料分析大气可降水汽总量，得出地基GPS遥感水汽量变化与地面降水有很好的相关性。陈俊平等对GPS监测的大气可降水量与水汽辐射计观测的水汽含量进行了对比研究。而中国科学院的王勇等也在大气可降水汽量和大陆水汽变化等方面进行了大量的研究，为我国气象研究和气象预报提供了很有价值的资料。在卫星微波水汽和云水反演方面，陈洪滨等讨论了测水汽总量的最优波长，提出了云水总量的一个反演算法，还提出了利用接收星载微波发射机的辐射强度变化遥感云水总量的建议。曹云昌则将地基GPS水汽和延迟资料同化到数值预报模式中，评价了GPS观测资料对数值预报的影响。在地基光学遥感方面，毛节泰等把地基气溶胶遥感和MODIS气溶胶产品相结合，分析了气溶胶区域变化特征。在云量的遥感上，采用全天空成像辐射仪进行云和晴天辐射参数的遥感是一个必然的方向，我国的霍娟和吕达仁已得到初步结果。在空基GPS气象研究方面，我国也在开展利用低轨卫星组网接收GPS卫星的掩星信号来反演全球温度与水汽廓线的研究，并在同化的优化算法研究中已取得了进展。刘经南等跟踪介绍了国外GPS空基探测应用的计划，蒋虎等则在反演方法、误差方面进行了比较深入的研究，王鑫等对GPS掩星进行了仿真研究，Li等开发了用于空基GPS资料同化的四维变分同化算子。在GPS探测大气水汽应用于天气预报的业务工作方面，上海的GPS综合应用网(SCGAN)于2002年6月投入正式运行，大大提高模式对降雨量的预报能力。另外，GPS探测的试验也被广泛地应用于气象研究的外场试验中，如中国气象科学研究院和中国地震局地壳运动观测网络中心在华南暴雨试验中进行了GPS观测。三．GPS气象学应用随着GPS气象学研究的深入和进一步发展，GPS气象学也在各个领域有个重要的应用，主要有以下几个领域：1．水汽观测中国科学院上海天文台的学者在我国较早开展了GPS气象学及其在剧变天气分析中的应用研究。从20世纪90年代起分别开展了地基GPS气象学、空基GPS气象学以及GPS无线电掩星反演大气廓线的研究工作。由于折射指数和气象变量有一定关系，因此通过地基GPS气象学的一些最新观测手段和分析技术，如通过GPS倾斜观测(即沿GPS卫星的方向)获得斜向路径延迟(SlantPathDelay，简称SPD)和斜向气象量，如斜向水汽量(SlantWaterVapor，简称SWV)，再采用断层扫描成像技术(Tomography，又译为层析成像)可反演出大气温度、水汽廓线的概貌，但由于受观测网几何形状及斜向延迟中噪声的制约，目前还不能捕获廓线的细节。因此，GPS倾斜观测及其斜向水汽的反演正成为地基GPS/MTE研究的一个新热点，美、日等国已在该领域进行了不少试验和研究。2．GPS资料同化为提高数值天气预报的能力，更具吸引力的应用是将大气折射角(RefractionAngle)、GPS数据反演的大气水汽总量(即GPS-PWV)等物理量直接同化到高分辨率的全球或中尺度天气预报模式中去，以提高数值天气预报的精确性。因为对于通常情况下接收的天顶总延迟资料，虽然无法反演出大气温度和湿度的垂直廓线，但可利用折射指数或折射角的GPS观测值进行资料同化，即将GPS原始观测的折射角直接同化到数值天气预报系统中去，以便为数值预报模式提供更准确的初始场资料。在GPS气象资料同化研究中，除大气折射角数据外，GPS-PWV也可作为一个强约束条件引入中尺度数值天气预报模式，以到达改进水汽场的分析质量、提高预报准确率的目的。德国与丹麦、芬兰合作，已建立了20多个GPS接收站获取GPS-PWV资料并用于数值模式的资料同化方案中。3．GPS测风利用GPS技术探测高空风也是一项极具潜力的应用。传统的无线电探空系统花费的人力、物力和时间都是巨大的。而应用GPS探空仪测风，其探测精度高、能实现自动跟踪，并易于进行资料采集及后期处理的全自动化，