GPS層析水汽在四川地區(qū)應(yīng)用的研究課題

1、 GPS層析水汽在四川地區(qū)應(yīng)用的研究2015年6月GPS層析水汽在四川地區(qū)應(yīng)用的研究課題一、 引言GPS氣象學(xué)（GPS Meteorology，簡(jiǎn)稱GPS/MET）是通過(guò)測(cè)量GPS信號(hào)在大氣傳播中的延遲量來(lái)獲得溫度、氣壓、濕度含量及分布等信息的一門新興交叉科學(xué)。近些年，隨著美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）的成熟發(fā)展，促進(jìn)了許多科學(xué)的進(jìn)步，GPS技術(shù)反演大氣水汽就是GPS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)應(yīng)用方面。常規(guī)觀測(cè)大氣的手段在時(shí)空分辨率上存在嚴(yán)重的不足，嚴(yán)重限制了水汽觀測(cè)在氣象學(xué)中的應(yīng)用。GPS技術(shù)探測(cè)水汽與常規(guī)手段相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它具有精度高、時(shí)效性強(qiáng)、時(shí)空分辨率高、可全天候檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)大氣觀測(cè)方法的

2、有力補(bǔ)充。近些年，GPS氣象學(xué)是大地測(cè)量學(xué)與氣象學(xué)研究的前沿課題。二、 研究目的及意義水汽是大氣中最活躍的部分，而且水汽分布是動(dòng)態(tài)變化的，它和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性降水，熱帶氣旋，中緯度氣旋風(fēng)暴，雷電暴雨等氣象現(xiàn)象密切相關(guān)。這些災(zāi)害性的天氣現(xiàn)象可能給社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。目前地基GPS作為一種新興的技術(shù)應(yīng)用于探測(cè)水汽的領(lǐng)域擁有精確，自動(dòng)，快速的優(yōu)勢(shì)，價(jià)格便宜，不受氣候情況的影響并且可全天候觀測(cè)。四川位于我國(guó)西南內(nèi)陸地區(qū)，天氣復(fù)雜多變，水汽信息豐富，本文提出利用四川地區(qū)構(gòu)建部分GPS網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上空的水汽三維信息進(jìn)行研究，包括獲取天頂對(duì)流層延遲，計(jì)算斜路徑延遲，層析水汽的三維分布等的研究課題，為四川地區(qū)的

3、大氣水汽研究提供了重要的基礎(chǔ)資料。三、 研究方法與技術(shù)3.1 天頂對(duì)流層延遲的解算方法對(duì)流層延遲包括兩個(gè)部分:靜力學(xué)延遲(又稱對(duì)流層干延遲)和對(duì)流層濕延遲。靜力學(xué)延遲由于具有規(guī)律性，可以根據(jù)模型來(lái)準(zhǔn)確的確定，對(duì)流層濕延遲是由大氣中的水汽成分引起的，影響因素比較多，較難根據(jù)模型準(zhǔn)確的計(jì)算，所以可以通過(guò)間接的方法來(lái)計(jì)算，即從對(duì)流層總延遲中除去靜力學(xué)延遲得到對(duì)流層濕延遲。所以準(zhǔn)確的獲取對(duì)流層總延遲至關(guān)重要。地基GPS獲得的測(cè)站對(duì)流層延遲的方法有雙差法和非差法兩種技術(shù)。雙差技術(shù)得到的是測(cè)站的相對(duì)對(duì)流層延遲，想要得到測(cè)站的絕對(duì)延遲必須要引入長(zhǎng)距離參考站，如此便會(huì)增加解算數(shù)據(jù)的時(shí)間和難度，不利于水汽的實(shí)時(shí)

4、預(yù)報(bào)。Bevis在1992年做過(guò)相關(guān)方面的研究工作。非差技術(shù)得到的是測(cè)站的絕對(duì)延遲，不需要引入長(zhǎng)距離觀測(cè)數(shù)據(jù)，模型簡(jiǎn)單，可以直接得到測(cè)站絕對(duì)坐標(biāo)，接收機(jī)鐘差和天頂對(duì)流層延遲，測(cè)站與測(cè)站之間相對(duì)獨(dú)立。精度方面可獲得亞cm級(jí)的的水汽含量，相當(dāng)于水汽輻射計(jì)的測(cè)量精度，因此非差技術(shù)在水汽方面的應(yīng)用具有很高的實(shí)用價(jià)值和重要意義。3.2 斜路徑延遲的計(jì)算方法在經(jīng)典的GPS氣象學(xué)中，我們計(jì)算天頂對(duì)流層總延遲，然后把它轉(zhuǎn)換為可降水量。然而，不管是天頂對(duì)流層總延遲還是可降水量都不能提供水汽垂直分布或者水汽密度三維分布的信息，這個(gè)信息可以通過(guò)GPS層析技術(shù)獲得。將GPS網(wǎng)絡(luò)上空劃分成一系列網(wǎng)格，重構(gòu)每個(gè)網(wǎng)格里的水

5、汽。GPS層析的基礎(chǔ)是獲得斜路徑延遲。GPS斜路徑延遲的精度影響著層析結(jié)果，因此選擇最佳的策略來(lái)得到斜路徑延遲很重要。目前國(guó)際上計(jì)算GPS斜路徑水汽的方法主要有:直接法和投影法。直接法又分為后擬合雙差殘差法和直接非差法。1997年，Ware等人采用雙差解算法研究了，GPS斜路徑延遲的獲取，驗(yàn)證了雙差法獲取斜路徑延遲的可行性。2000年，ALbe:等研究了雙差殘差法獲取GPS信號(hào)的斜路徑延遲，推動(dòng)了該技術(shù)的發(fā)展。Bender等在2008年對(duì)基于非差方法獲取的斜路徑延遲和水汽輻射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。2004年，宋淑麗等采用消電離層的LG組合觀測(cè)法直接計(jì)算斜路徑延遲水汽量，其精度可達(dá)mm級(jí)。畢研盟，曹

6、云昌等在雙差的基礎(chǔ)上也驗(yàn)證了利用GPS數(shù)據(jù)獲取斜路徑水汽的可行性。3.3 水汽三維層析的原理與方法GPS信號(hào)通過(guò)大氣層到達(dá)接收機(jī)，由于大氣折射，使得信號(hào)路徑產(chǎn)生彎曲，而且信號(hào)在大氣中的傳播速度比真空中的傳播速度要小，所以GPS信號(hào)在大氣中會(huì)發(fā)生延遲。式中L 一GPS信號(hào)延遲L 一 GPS衛(wèi)星到接收機(jī)的距離c一信號(hào)的真空速度c一信號(hào)的大氣速度s一信號(hào)路徑。n(s) 一折射率，n(s)=c。/c(s-L) 一信號(hào)路徑彎曲產(chǎn)生的距離差由于s-L的值一般小于1 cm，可忽略不計(jì)，于是有:每條GPS信號(hào)傾斜路徑上的濕延遲是GPS衛(wèi)星和測(cè)站之間濕折射率的積分，所以:式中一測(cè)站i與衛(wèi)星n之間的濕延遲ant一

7、接收機(jī)天線sat一GPS衛(wèi)星ds一積分信號(hào)路徑N(w) 一濕折射率地基GPS層析水汽三維分布示意圖從不同路徑的積分觀測(cè)量中提取參數(shù)估計(jì)值，將GPS網(wǎng)絡(luò)上空的對(duì)流層大氣劃分成三維立體網(wǎng)格，我們假設(shè)一定時(shí)間段內(nèi)(1h)網(wǎng)格內(nèi)的水汽量是一常數(shù)且是均勻的，把每個(gè)網(wǎng)格的水汽量作為估計(jì)值。則GPS信號(hào)所穿過(guò)網(wǎng)格的水汽量的總和等于這條信號(hào)斜路徑上的水汽量:式中一 第m個(gè)GPS信號(hào)斜路徑上的水汽含量一 第m個(gè)GPS信號(hào)穿過(guò)的第(i, j, k)個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度一 第(i, j, k)個(gè)網(wǎng)格的水汽密度N1一 東西方向網(wǎng)格數(shù)N2一南北方向網(wǎng)格數(shù)N3一垂直方向?qū)訑?shù) 由于GPS衛(wèi)星分布不均勻，導(dǎo)致GPS信號(hào)不能均勻的穿過(guò)

8、層析網(wǎng)格，再加上層析網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，不能保證每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)都有GPS信號(hào)穿過(guò)，于是得到的上述層析方程是秩虧的，無(wú)法求得唯一解，需要加約束條件才能得到有效解。一般附加的約束條件包括水平約束條件和垂直約束條件。水平約束條件一般采用加入距離相關(guān)的加權(quán)函數(shù)加以約束，垂直約束條件一般將模式預(yù)報(bào)結(jié)果或者無(wú)線電探空得到的水汽廓線作為先驗(yàn)信息加以約束。四、 預(yù)期成果利用地基GPS數(shù)據(jù)對(duì)層析水汽三維分布的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行一系列的研究。包括天頂對(duì)流層延遲的獲取，映射函數(shù)的選擇，斜路徑延遲的計(jì)算，最后層析得到水汽的三維分布。在相關(guān)系數(shù)都很高的情況下，垂直不均勻分層得到的層析結(jié)果要好于垂直均勻分層得到的層析結(jié)果，與探空水汽結(jié)

9、果更吻合，而且垂直不均勻分層得到的層析結(jié)果更能反映出對(duì)流層低層大氣水汽的變化特征。在四川地區(qū)構(gòu)建的GPS網(wǎng)絡(luò)的水汽三維分布層析圖，可以得到：水汽主要集中3km以下區(qū)域，中低層水汽量大，分布不均勻，高層水汽量較小，分布也較為均勻，3km以上總體上隨著高度增加水汽量逐漸減少，但其中也可能會(huì)出現(xiàn)逆濕的反復(fù)現(xiàn)象。五、 可行性分析5.1 數(shù)據(jù)來(lái)源用于天頂延遲計(jì)算的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)白四川綜合GPS服務(wù)網(wǎng)(Sichuan Integrated GPS Network，簡(jiǎn)稱SIGN）;導(dǎo)航星歷通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)從國(guó)際GPS服務(wù)中心下載獲得5.2 解算軟件采用精密定位與定軌軟件 Precise Location And Or

10、bit Determination（PLAOD)作為解算軟件。5.3 研究流程1.天頂對(duì)流層延遲解算2.斜路徑延遲的計(jì)算：選擇NMF映射函數(shù)作為研究斜路徑延遲的映射函數(shù)；利用濕延遲映射函數(shù)作為水平梯度的映射函數(shù)，選擇使用PLAOD軟件中的梯度模型；采用呂戈培提出的適合于四川地區(qū)的加權(quán)平均溫度來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)換因子；分析比較斜路徑延遲量計(jì)算方法。3.利用地基GPS數(shù)據(jù)層析水汽三維分布：建立層析方程組和系數(shù)矩陣，解算層析方程組，計(jì)算探空水汽密度。5.4 可行性總結(jié)GPS層析技術(shù)可以用來(lái)探測(cè)水汽量，其使用的模型依靠非GPS測(cè)量的先驗(yàn)信息和約束條件。地基GPS層析水汽的可行性得到了國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的驗(yàn)證。六、 參考文獻(xiàn)1 姜建,彭軍還.地基GPS技術(shù)遙測(cè)大氣可降水量的研究,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2015.3.2 陳宏斌 地基GPS層析水汽三維分布研究,西南交通大學(xué)出版社，2014.4.3 陳澎，熊永良，張緒豐，等GPS水汽反演技術(shù)在四川地區(qū)的應(yīng)用研究J.全球定位系統(tǒng)，2011.4 王洪，曹云昌，郭啟云，等.利用探空資料計(jì)算水汽壓J.氣象科技，