利用GPS技术推算大气水汽含量的原理和方法

闽爱荣 徐桂荣 陈波
[1]中国气象局武汉暴雨研究所，武汉430074 [2]中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉430071

文章摘要:本文简要介绍了GPS技术推算大气水汽含量的研究成果及应用前景，解释了利用GPS技术推算大气水汽含量的原理和方法，简要介绍了求解干延迟的三种经验公式，对GPS观测数据推算大气水汽总量Wp时存在的几种误差进行了分析。
文章主题:GPS技术 大气水汽含量 干延迟 湿延迟

文章内容：2003年1月暴雨?灾害?利用技术推算大气水汽含量的原理和方法①闽爱荣(中国气象局武汉暴雨研究所,武汉430074)徐桂荣(中国科学院武汉物理与数学研究所,武汉430071)陈波(中国气象局武汉暴雨研究所,武汉430074)摘要本文简要介绍了技术推算大气水汽含量的研究成果及应用前景,解释了利用技术推算大气水汽含量的原理和方法,简要介绍了求解干延迟的三种经验公式,对观测数据推算大气水汽总量.时存在的几种误差进行了分析.关键词:技术水汽含量干延迟湿延迟水汽是自由大气中极重要的一部分,关系着区域和全球大气水分,能量循环.它的观测对于天气,气候研究和业务天气预报都至关重要.目前世界各国的对流层大气水汽观测资料主要依靠每天两次的常规气球探空观测,这一资料的主要局限性是_1]测站密度过稀,相邻两次探测之间间隔时间过长,且维持这一观测系统的成本也在不断增加.已有的替代方法中,双通道微波辐射计和激光雷达观测水汽的手段,不但费用昂贵,而且不能全天候观测,难以大范围密集设置站网和实现观测业务化,且还须经常标定.卫星红外辐射计可以观测大气亮温,估箅大气积分可降水分(),能覆盖全球范围,但也只能局限于晴空区域的监测.因此寻求更新,更好,更节省的水汽观测方法仍然是迫切需要的.利用技术来探测大气水汽含量具有传统探测手段所不具有的优点,它是全球覆盖的,费用低廉,精度高,垂直分辨率高等特点,这也就是近年来美,加等国家进行了一系列地基观测水汽试验的原因所在.美国和加拿大的一些大学,研究机构于1995年8月在地区组织了水汽观测试验,在水汽试验中设置了站间距离0.5～4的11个接收站网,可以获取该局地25范围积分可降水分()的时间,空间变率.他们从美国国家天气局()获得全美国70个陆地探空站的每天两次记录和卫星资料,搜集了在阿拉斯加,夏威夷,德国,瑞典和挪威等地的6站长基线干涉仪(1)站网的观测资料,以期用多种独立方法获取的积分可降水分资料,供相互比较.另外,美国国家海洋大气局()于1993,1994两年也先后组织了/和—两次类似试验.我国的气象应用技术的发展起步较晚,成果也比较少[4].但我国科学家已经进行了①初稿时间2003年5月18日,修改稿时间2003年7月25日.暴雨?灾害(六)2003年月地基气象探测应用的研究,并参加了掩星观测资料反演方法的国际合作.毛节泰,李成才等研究了测量大气柱积分可降水分的方法,用该方法决定了1997年7月31日至8月20日东亚地区台风和强风暴通过时随时间的变化曲线,并与探空资料推算的记录比较,均方偏差5,证明了测量大气柱积分可降水分方法的可行性和应用价值,也指出了改进这一方法精度的途径.程晓,徐冠华等[6]用对流层顶延迟来反演大气中的可降水量,得出结论:用技术可以精确测量大气层中的可降水量,可降水量的变化与降水密切相关,可降水量增大是降雨的必要条件,可降水量连续递增是降水孕育的过程,可降水量的连续递减将结束降雨.可降水量的增大,只是产生降水的必要条件,不是充分条件.1998年气象学家在华南进行了一次"暴雨观测试验",何平[7],李延兴[8],杨红梅[等开展了应用地基技术反演大气水汽总量的试验研究,采用双频接收机在地面固定点收集卫星信号数据,利用试验中获取的与气象资料进行了反演水汽总量的对比分析.暴雨试验的结果表明:反演的大气水汽总量与探空计算的大气水汽总量,两者随时间演变的趋势一致.反演的水汽总量与地面实测的逐小时累积降水量资料进行的比较表明,两者存在较好的对应关系,地面降水大多发生在反演的水汽总量处于相对高值且变化较大的时候.暴雨试验的结果同时也证明,用技术可以精确测量大气柱中的总水汽量,为降雨预测开创了新的技术途径.地基技术用于大气水汽总量的探测具有很突出的优点,不受外界天气条件,天气现象的影响,获取资料的时间间隔可根据天气形势或特殊需要确定,随意性相对强,是一项很有潜力的探测技术.本文简要地介绍技术推算大气水汽含量原理与误差分析,为进一步的分析与应用提供参考.2利用技术推算大气水汽含量原理信号对大气的折射率是敏感的,当发出的信号穿过大气层中对流层的时候,受到对流层的折射影响,信号的传播路径要发生弯曲和延迟,其中信号路径的弯曲量很小,而信号的延迟量很大.信号的延迟量与信号的高度角有关,当在天顶方向(高度角为90.),其值为2.3;当在地面方向(高度角为10.),其值可达20.在精密定位测量中,大气折射的影响是被当作误差源而要尽可能将它的影响消除干净.而在/中,与之相反,所要求得的量就是大气折射量.通过计算可以得到我们所需的大气折射量,再通过大气折射率与大气折射量之间的函数关系可以求得大气折射率.大气折射率是气温71,气压尸和水汽压力的函数,通过一定关系,则可以求得我们所需要的量.本文主要介绍通过大气折射量来推算大气水汽含量的原理和方法.利用技术推算大气水汽含量时,接收站必须是基准站点,有精确的地理经纬度.利用卫星星历可以通过一些后处理技术推算出卫星的精密轨道.有了卫星和接收机的精确位置就可以求出两点间的真实几何距离,这也是卫星信号在这两点间传播走过的真实距离.利用一般的定位技术(如载波相位测量定位法等)可以求出信号在卫星和接收机之间传播走过的伪距,则信号传播的总时延距离差就闵爱荣等:利用技术推算大气水汽含量的原理和方法111是～.造成信号传播时延的因素有电离层影响,中性大气影响和其他误差,其中电离层和中性大气是主要影响源.用双频接收机可以求出电离层的时延,则信号传播时延减掉电离层的时延就可近似看成大气总时延.从信号延迟量中分离得到的大气延迟量是中性大气的总延迟量,它应由干延迟和湿延迟5ⅳ两部分组成.干延迟可以通过经验公式进行求解.曲建光1叩等利用,的公式,徐绍铨等利用公式等来求解干延迟.下面我们分别介绍这几种经验公式.2.1公式5———(+6.25)专其中55?2旷(1)一40136十148.72(丁一273.16)式中了为测站的绝对温度,以为单位;为测站的气压,以为单位;^为对流层外边缘的高度,以为单