GPS在氣象信息測量中的應(yīng)用與研究

GPS在氣象信息測量中的應(yīng)用地理信息科學(xué)系

第四組乘天地之正，而御六氣之辯，以游無窮者GPS在氣象信息測量中的應(yīng)用前言GPS技術(shù)的概述GPS氣象學(xué)GPS在氣象信息測量中的實(shí)例總結(jié)前言1957年10月，世界上第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射成功，標(biāo)志著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展跨入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。隨著人造地球衛(wèi)星的不斷發(fā)射，利用衛(wèi)星進(jìn)行定位測量及導(dǎo)航成為現(xiàn)實(shí)。為滿足軍事及民用部門對連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航的需求，1973年美國國防部開始建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即目前的“授時(shí)與測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”，通常稱為全球定位系統(tǒng)（GPS）。GIS與大氣探測結(jié)合？GPS技術(shù)的概述一.定義GPS是通過接收和解譯人造衛(wèi)星所發(fā)射的電波信號來確定測站點(diǎn)位置的測量定位系統(tǒng)。二.GPS定位的特點(diǎn)定位時(shí)間短。定位精度高。野外觀測時(shí)不受天氣條件以及作業(yè)時(shí)間的限制。無需考慮觀測點(diǎn)之間的通視情況。應(yīng)用范圍廣。缺點(diǎn)——（1）.在地下（如隧道、礦井內(nèi)）、海底及建筑物內(nèi)不能應(yīng)用；（2）.在高大建筑物近旁會受到干擾。三.系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)主要由三大部分組成：衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)測系統(tǒng)（地面部分）和GPS接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）。GPS氣象學(xué)GPS氣象學(xué)：

GPS技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，其應(yīng)用研究及應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的擴(kuò)展，其中一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是氣象學(xué)研究。利用GPS理論和技術(shù)來遙感地球大氣，進(jìn)行氣象學(xué)的理論和方法研究，如測定大氣溫度及水汽含量，監(jiān)測氣候變化等，叫做GPS氣象學(xué)（GPS/METeorology,簡寫為GPS/MET）。GPS氣象學(xué)的研究于80年代后期最先在美國起步，在美國取得理想的試驗(yàn)結(jié)果之后，其他國家如日本等也逐步開始GPS在氣象學(xué)中的研究。GIS在氣象研究中能做什么？氣象資料數(shù)據(jù)庫管理GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射的訊號（電磁波）在達(dá)到接收點(diǎn)前要穿過大氣層.而電磁波在大氣中要降低速度。所以衛(wèi)星訊號要經(jīng)過訂正才符合實(shí)際.這種訂正不僅與干空氣有關(guān)，還與大氣中的電子濃度、水汽的含量有關(guān)。在20世紀(jì)90年代初，就提出了一個(gè)反問題：利用GPS接收點(diǎn)收到的訊號反算出大氣中的電子濃度、水汽含量。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這樣得到的大氣中水汽含量（也稱為可降水量）對氣象預(yù)告和氣候分析十分有價(jià)值，而GPS又可以隨時(shí)進(jìn)行觀測。所以用位置固定點(diǎn)的GPS接收設(shè)備測量大氣的水汽量就成為新型的氣象儀器.在世紀(jì)之交，用GPS測量大氣水汽的觀測網(wǎng)逐步形成.GPS氣象學(xué)就是利用GPS接收訊號測量分析大氣狀況的知識體系。GIS在氣象研究中能做什么？呈現(xiàn)氣象要素的空間變化GPS氣象學(xué)內(nèi)容：

1、利用GPS的空間定位能力測量高空風(fēng)的分布，并發(fā)展為GPS探空設(shè)備。

2、利用地基GPS接受機(jī)測量整層大氣的水汽含量。

3、利用低軌衛(wèi)星上的GPS接受機(jī)探測大氣折射率廓線，并進(jìn)一步計(jì)算溫度或濕度的垂直分布。GIS在氣象研究中能做什么？圖層化分析不同來源的資料GIS在氣象研究中能做什么？結(jié)合模型進(jìn)行預(yù)測分析和屬性剖切分析大氣溫度、大氣壓、大氣密度和水汽含量等量值是描述大氣最重要的的參數(shù)。無線電探測、衛(wèi)星紅外線探測和微波探測等手段是獲取氣溫、氣壓和濕度的傳統(tǒng)手段。但是它們與GPS手段相比，具有明顯的局限性。無線電探測器法雖然觀測值精度較好，垂直分辨率高，但地區(qū)覆蓋不均勻，在海洋上幾乎沒有數(shù)據(jù)。而被動式的衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然可以獲得較好的全球覆蓋率和較高水平的分辨率，但垂直分辨和時(shí)間分辨率很低。利用GPS手段來探測大氣的優(yōu)點(diǎn)是：它可以覆蓋全球、費(fèi)用低廉、精度高、垂直分辨率高。根據(jù)1995年4月3日美國發(fā)射的用于GPS氣象學(xué)研究的Microlabl低軌衛(wèi)星的早期結(jié)果顯示，對于干空氣，在從57km至3540km的高度上，所獲得的溫度可以精確到±1.0℃之內(nèi)。正是這些優(yōu)點(diǎn)使得GPS/MET技術(shù)成為了大氣遙感最有效的方法之一。GPS氣象學(xué)分類：

1.地基GPS氣象學(xué)（ground-basedGPS/MET）地基GPS氣象學(xué)是將GPS接收機(jī)安放在地面上，就同常規(guī)的GPS測量一樣，通過地面布設(shè)GPS接收機(jī)網(wǎng)的測量結(jié)果來估計(jì)一個(gè)地區(qū)的氣象元素。

2.空基GPS氣象學(xué)（space-basedGPS/MET）空基GPS氣象學(xué)就是利用安裝在低軌衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)來接受GPS信號，當(dāng)GPS信號與LEO衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)天線經(jīng)過地球上空對流層時(shí)GPS信號會發(fā)生折射，這一測量大氣折射的方法叫做掩星法。該方法是通過對含有折射信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可計(jì)算出大氣折射量，從而估計(jì)出氣象元素的大小。GPS/MET的應(yīng)用前景：

GPS/MET探測數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、垂直分辨率高、數(shù)據(jù)精度高和長期穩(wěn)定的特點(diǎn)，對它的研究將對天氣預(yù)報(bào)、氣候和全球變化監(jiān)測領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。天氣預(yù)報(bào)由于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）模式必須用溫、壓、濕和風(fēng)的三維數(shù)據(jù)作為初值，而目前提供這些這些初始化數(shù)據(jù)的探測網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空密度極大限制了預(yù)報(bào)模式的精度。無線電探空資料一般只在大陸地區(qū)存在，而在重要的海洋區(qū)域，資料極為缺乏。即使在大陸地區(qū)，探測一般也只是間隔12小時(shí)進(jìn)行一次。雖然目前氣象衛(wèi)星資料可以反演得到溫度輪廓線，但這些輪廓線有限的垂直分辨率使得它們對預(yù)報(bào)的影響相當(dāng)小。而GPS/MET觀測系統(tǒng)可以全天候的全球探測，加上觀測值的高精度和高垂直分辨率，使得NWP精度提高成為可能。這樣，可以提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性。氣候的全球變化監(jiān)測全球平均溫度和水汽是全球氣候變化的兩個(gè)重要指標(biāo)。與傳統(tǒng)的探測方法相比，GPS/MET按測系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定地提供相對高精度和高垂直分辨率的溫度輪廓線，尤其是對流層頂部和平流層下部區(qū)域。特別應(yīng)該指出的是，從GPS/MET數(shù)據(jù)計(jì)算得到的大氣折射率是大氣溫度、濕度和氣壓的函數(shù)，因此可以直接利用大氣折射率來監(jiān)測全球的氣候變化。其他應(yīng)用由于GPS/MET觀測數(shù)據(jù)可以足夠的時(shí)空分辨率來提供全球電離層映像，這將有助于大氣動力過程及其與地氣過程關(guān)系的研究。例如，重力波使中層大氣與電離層之間進(jìn)行能量和動量交換，通過測量LEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星之間信