GPS技术在水汽观测中的应用及前景

　　0　引言

　　准确可靠的气象探测资料,是提高天气预报准确率的基础。水汽是降水天气过程的重要条件之一,如果能客观定量反映大气中的水汽变化,将为预报工作提供重要参考。目前测站主要使用无线电探空仪、卫星红外线探测和微波探测等手段来获取空间水汽,但是它们都有明显的局限性。无线电探测法的观测值精度较好,垂直分辨力高,但地区覆盖不均匀,在海洋上几乎没有数据,在实际业务应用中不能满足监测和预报中小尺度灾害性天气的需要;被动式的卫星遥感技术可以获得较好的全球覆盖率和较高的水平分辨力,但垂直分辨力和时间分辨力很低;GPS技术具有全球覆盖,精度高,垂直分辨率高等优点,利用GPS技术来遥感大气可以补充探空资料在时间分辨力上的不足,提供快速变化的信息。

　　1　GPS探测水汽的原理

　　GPS(全球卫星导航技术)是一种应用于定位、导航的技术。通过测定GPS卫星和接收机间的距离来定位目标物的位置,而这一距离实际上是通过测定卫星发出的并传输至接收机的无线电信号传播时间来求定的,这一传输时间,受到传输途径上地球大气折射率梯度和大气密度变化的影响,与真空情况相比,就有差异,原因之一是大气中水汽的影响。完成由GPS卫星至接收机的讯号传输的时间要比在真空条件中要长,这一时间增加也可以用增加传输路径长度来等量表示,这就是GPS信号传输的时间延迟。对精确定位、导航应用来说,必须消除或消弱地球大气层对GPS信号传播的种种影响,而当GPS应用到水汽测量中,正好与之相反,一旦精确求定这一延迟时间,可以通过这与时间延迟来推算大气水汽含量和分布。大气延迟量可分为电离层延迟、静力延迟和湿延迟,电离层延迟、静力延迟分别通过双频技术、地面气象要素订正可得出,对推算大气水汽有用的延迟是GPS的湿延迟部分,它主要反映了大气中水汽分布对无线电信号传播的影响。以往研究[4]表明大气可降水量和湿延迟有如下关系:

　　PWV的定义就是单位面积上从地面到大气层顶的垂直空气柱内的水汽总量,它的度量单位通常处理成雨量单位mm,利用GPS卫星信号的湿延迟量可以反演出PWV。一般来说,相对湿度受温度、气压、地面及海陆差异影响,有明显的日变化特征。而PWV值日变化不如相对湿度明显,更能反映水汽变化,有效地弥补目前常规观测手段对大气中水汽测量的不足,可以提高对灾害性天气的监测和预报能力。

　　2　实际应用

　　广东省在应用GPS技术获取探测资料方面在全国是比较早的,在1998年海峡两岸华南暴雨试验中,分别在汕头、阳江气象局临时布设了2个GPS地基观测点。目前,广东省气象局与省国土资源厅合作建设连续运行卫星定位、大气水汽监测服务系统,形成一个由78个GPS基准站构成的、覆盖全省的大气水汽监测系统。建成后将可以实时地提供广东省水平空间密度50 km左右(其中珠三角30 km)、时间间隔30 min一次的几乎连续的、精度优于2 mm的大气可降水汽量序列,将会大大提高监视和预报广东省中小尺度灾害性天气的能力,减少漏报次数,更好地为广东的经济社会服务。2002年建成的“上海地区GPS综合应用网”是GPS气象学研究比较成功的案例。该网由14个GPS基准站组成,分布于上海市和苏、浙、皖三省。GPS设备采用美国的Uz-CGRS型12频道双频接收机,接收天线选用扼流圈天线,以改善多路径效应,天线安装在视野宽阔的水泥基座上,旁边安装1台Met-3气象仪用于采集计算所需的同步P和T资料。