SC I EN T IA M E T EO R OL O GICA S IN ICA Dec . , 2005 2005 年12 月
李国平1 ,2黄丁发1
( 1 西南交通大学地理空间信息工程中心，成都610031)
强捻纱
( 2 成都信息工程学院地球环境科学系，成都610041)
摘要概述了GPS 气象学的形成、发展过程及其主要研究内容，对GPS 气象学基本原理作了简单介绍。比较全面、系统地分析了国内外GP S 技术在气象学
研究及应用方面的现状及最新进展，展望了G P S 气象学潜在的应用领域以及广阔
的应用前景。
关键词GP S GP S 气象学水汽观测高空风观测资料同化 分类号P458 文献标识码 C
引言
GPS 技术的迅猛发展和日臻成熟使其成为对地球观测的一种新的、更加有力的手段，已成功地在地球科学的许多领域得到应用，如地壳形变和板块运动监测，火山爆发、地震的监测及预报，地球自转监测，电离层监测及空间天气预报，对流层监测及天气预报等。
在气象科学研究和业务应用方面, GP S 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GP S 定位中一个很不容易解决的“干扰”，但人们从大气对GP S 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GP S气象学( GP S Me2 t eo rolo gy ，简写为GP S/ M E T) 。GP S 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GP S 气象学在不到十年的时间内很快发展为一个崭新的、极具应用潜力的GPS 研究及应用的重要领域。 1 GPS 气象学原理
1 . 1 G PS 观测水汽和气温
气温、气压和水汽含量等物理量是描述大气状态最重要的参数，无线电探测、卫星红外探
收稿日期:2004203217 ; 修改稿日期:2004206202胡兰贵
基金项目：本文由国家自然科学基金项目(编号:NO. 40271091) 和西南交通大学博士生创新基金项目(编号:2003) 共同资助第一作者简介：李国平(19632)，男(汉)，四川重庆，教授，现在西南交通大学地理空间信息工程中心，主要从事陆面物理过程与气候变化、高原天气系统动力学、G PS 气象学的研究
测和微波探测等手段是获取气温、气压和湿度的传统手段。作为常规高空大气探测手段，无线
电探测方法的观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖非常不均匀，在地域广大的海洋上几乎没有观测数据。被动式的卫星遥感技术虽可以获得较好的全球覆盖率和较高的水平分辨率，但垂直分辨率和时间分辨率却很低。利用GPS 手段来遥感大气的最大优点是：全球覆盖、
成长日记纸尿裤费用低廉、精度高、垂直分辨率高( ≤1 k m) 。利用GP S 技术，许多研究[ 1 - 3 ] 证实：对于干空气,
在从5～7 k m 到35～40 k m 的高度上，所获得的大气温度可以精确到±1 . 0 ℃之内; 可反演出精度高达1 mm 的可降水量; 可获得6 k m 以下误差为10～20 % 、而边界层( PBL )内只有5 %误差的水汽廓线(剖面) ; GPS/ M E T资料在垂直方向的高密度可完整解析出目前全球大气模式无法揭示的中尺度现象。正是这些优点使得GPS/ M E T技术成为高层大气探测最有效、
最具发展前途的方法之一。
当GP S 发出的信号穿过大气层中的对流层时，会受到对流层大气的折射影响，信号要发生弯曲和延迟，其中信号的弯曲量很小，而信号的延迟量却很大，通常在2 . 3 m 左右。在GPS 精密定位测量中，大气折射的影响被当作主要误差源而要设法消除掉，这种情况下了解大气特征是为了订正大气对精密定位的影响，这就是GPS 定位中将大气影响作为数据误差源“(噪声”) 需要去除的所谓正问题。因此, GPS 气象学在大地测量学和气象学中是一对正逆问题，也可理解为从测量学噪声转变为气象学信号的一门学科，即作为大地测量学“去噪”问题的逆问题，需要求得的量正是大气折射量。因此把大地测量学需要滤掉的“噪声”转换视角看作气象学中有意义、需要捕捉的大气“信号”，就促成了一门新兴学科- GP S 气象学的诞生，同时也极大地拓展了GPS 的应用领域，目前GPS 气象学已成为大地测量学的前沿性研究之一。
根据接收到的GPS 观测数据，通过GPS 解算软件的分析可得到天顶总延迟( Ze n it h To2 t a l Delay ，简称Z T D) 值。目前国际上常用的GP S数据解算分析软件及其最新版本为:
(1) 瑞士伯尔尼大学天文研究所开发的Ber n e s e GPS Sof t wa r e Ve r s io n 4 . 2 ;
(2) 美国喷气推进实验室(J PL ) 开发的GIP S Y/ OA S IS2I I (其全称为GPS Inf e r r ed Po s itio2 ni n g Syst e m2O r b it A n al y si s a n d Si mulatio n Sof t w a r e) ;
(3) 美国麻省理工学院( M I T) 开发的G A M I T GP S A n al y s i s Sof t wa r e Ve r s io n9 . 7 ，其中
G A M I T是免费软件。
由于电波在大气中的延迟ΔL 与大气折射量有如下关系
ΔL≈∫[ n(s) - 1 ] ds = 10 - 6 ∫N ds(1)其中n(s) = C0 / C 称为折射指数, C 是真实波速, C0 是真空中的光速。N 称为折射率，并且N = [ n ( s) - 1 ] ×106 。G PS 信号在大气中的总延迟是对流层大气( 也称中性大气) 延迟和电离层大气延迟之和, 而后者通过G PS 双频技术几乎可以完全消除, 因此由G PS 软件解算的对流层天顶总延迟可求得大气折射率。而大气折射率又与气温、气压、和水汽压力有关或可构造成这些量的函数[ 1 - 2 ] 。例如,0 . 5 %精度的对流层大气的折射率计算公式为
N = 77 . 6 ( P/ T) + 3 .73 ×105 ( P v / T2 )(2)其中P 为大气压( h Pa) , P v 为水汽分压( h Pa ), T 为大气温度( K) 。这样就可以通过一定的处理方法最终求得我们所需要的大气物理量，如水汽总量也称可降水量( Precipit a b le Wat e r Vapo r ，简称P W V 或用GP S2P W V 表示) 以及水汽、气温垂直分布的廓线。
1 .
2 G PS 测风
GPS 探空测风系统由GPS 无线电探空仪、地面GPS 接收机、GPS 卫星观测网以及计算机
数据处理系统四部分组成，其测风原理为：在高空探测过程中，无线电探空仪和地面站均装有GPS 天线，可接收由24 颗GPS 卫星组成的全球高精度定位导航系统中最少4 颗卫星发出的信号。地面站接收到GP S 信号后会选出所需数据，再加入有关卫星轨道的数据，便可计算出无线电探空仪的位置，从而计算出高空风向、风速以及气压、气温和湿度。与传统无线电探空仪相比, GPS 测风系统的准确度极高，可探测到探空仪所在大气中更为准确的气象数据，并且不易受闪电及雷暴等恶劣天气影响，因此正成为下一代高空气象探测系统中新的重要的成员。
2 GPS 气象学分类
根据GPS/ M E T观测站的空间分布特点，可将GPS 气象学分为以下两类雅美
2 . 1 地基G PS 气象学
地基GPS 气象学( Gro u nd2ba s e d GPS/ M E T ，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 . 2 空基G PS 气象学
空基GP S 气象学( Sp a ce2bo r n e GPS/ M E T ，也称星基GPS 气象学) 是利用安装在低轨卫星(Lo w Ea r t h O r b it ，简称L EO) 上的GPS 接收机来接收GPS 信号。当GP S 信号与L EO 卫星上GP S 接收机的连线经过地球上空对流层大气时, GP S 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( Ra d io Occult a tio n) ，简称掩星法( RO) 。该方法是20 世纪60 年代美国J PL 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/ M E T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/ M E T还是空基GPS/ M E T ，其目标是一样的，即获得大气折射量。不同之处在于空基GPS/ M E T的数据处理过程更复杂一些，因为安装在L EO 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。
3国内外GPS 气象学研究及应用现状与最新进展
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[ 1～2 ] 。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[ 3～5 ] 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GP S观测在气象学中应用的研究和业务试验工作[ 6 ] 。
3 . 1 地基G PS 气象学及G PS 业务网
cnki数据库
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GP S“连续运行参考站系统”( CO R S) ，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N O A A( 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。还计划在2005 年将其地基GPS 观测实现业务化。
德国拥有密集的地基GP S 网，在GPS/ M E T的研究方面也十分活跃。英国负责建立的“连续运行GP S 参考站”( CO GPS) 系统的功能和目标类似于美国的CO R S ，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。
郑超麟日本在国土地理院( GS I) 的组织下已建成近1200 个GP S 连续运行站网( GEON E T , GPS Ea r t h O b s er v atio n Net w o r k) ，站间距为15～30 k m ，这是目前世界上最大的、最密集的用于地球科学研究的GP S 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GP S 资料的四维同化业务系统，如日本气象厅气象研究所( M R I) 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GP S 气象学观测和研究计划( GPS/ M E T J a p a n) [ 7 ] ，特别是于2000 年秋季和2001 年春季在筑波地区202 k m 的范围内进行了2 次GP S 高密度观测网试验( Ts uk uba GP S De n se Net Ca mp ai gn) [ 8 ] ，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1～3 k m 。
通过基于地面GP S 遥感技术，可以获得很高时空分辨率、达到mm 精度的水汽资料，以补充常规探空资料在时间分辨率上的不足，提供快速变化的信息。气象部门结合GPS 技术可更早、更准确地预报未来天气状况。一个由14 个GP S基准站组成、以上海为中心覆盖整个长江三角洲地区的上海地区GP S综合应用网( SC G A N) 于2000 年开始兴建并在2002 年6 月投入正式运行。该网可为上海地区提供高精度、高时空分辨率、全天候、近实时的、几乎连续的可降水汽量变化序列，并由此逐步形成一个新的上海地区灾害性天气监测预报系统，这将大大提高上海地区中小尺度灾害性天气监视和预报能力, GPS 网提供的水汽资料还可以优化数值天气预报模式的初始场分析和四维资料同化的质量，改进该地区数值预报的效果。同时高精度高时空分辨率的可降水汽量实时资料的长期积累，对监测预报上海及
长江三角洲地区天气和环境的气候演变也有深远意义。该网可每半小时为气象预报员提供一次长江三角洲地区天气地区的可降水资料，并实现华东地区资料共享，已逐渐与雷达、卫星观测资料一样成为预报员制作天气预报的重要依据。同时在利用GPS 资料预报降水过程、季节转换诊断以及GPS - P W V 同化到数值天气预报模式中也进行了试验并取得初步成果，例如利用2002 年入梅前后长江三角洲地区高分辨率可降水量资料，分析出入梅过程中水汽变化空间分布的细微特点，以及将GPS - P W V 资料同化到中尺度数值模式M M5 的初始场中，通过优化初始场从而提高了模式对降雨量的预报能力[ 9 ] 。
2002 年8 月北京气象局在北京汛期降水的主要水汽输入通道—房山区建成了由8 个站组成的地基GP S水汽遥测站网，已用Be r n e s e GP S 数据分析软件对解算大气可降水量进行了初步试验，并与传统无线电探空资料计算的可降水量( S O ND E2P W V ) 进行了对比。GP S 技术的应用可加深对城市气象基本特征的认识，为开展城市精细化气象服务提供技术保障。此外该局还参与了“数字北京”和“数字奥运”的相关计划，应用由GP S 、RS ( 遥感系统) 、GIS ( 地理信息系统) 组成的3 S 技术来获取各类实时的、历史的气象资料以及奥运场馆实时气象观测资料。
2003 年，广东省也计划用3 a 时间兴建覆盖全省的GP S 网，可积累广东甚至华南上空高精度高时空分辨率的可降水量实时资料，对监测、预报广东及珠江三角洲的气候演变具有重要
意义。还可与个人数字助理和移动通信紧密结合，将使野外作业、海上驾帆、登山、丛林探险及外出旅游的人们，渴望了解所在位置的当前和未来天气信息及咨询意见成为可能。另外，广东受台风侵袭的频率很高。通过GP S 网可以对台风的风向、影响的区域和等级进行精确的实时监测，以便及时采取相应的防护措施，最大程度地减轻台风所造成的灾害。
3 . 2 空基G PS 气象学及相关技术
由美国大学大气科学研究联盟( U n ive r s it y C o rpo r atio n fo r A t m o s p h e r ic Re s ea r ch ，简称U CA R) 主持、代号为GPS/ M E T的试验, 通过发射一颗代号为Microla b - 1 的低轨卫星对GPS 卫星进行掩星观测，可以决定5～45 k m 高度范围内高分辨率的温度廓线以及5 k m 高度以下大气水汽压的垂直分布。美国2000 年4 月发射的C HA M P 卫星也是利用GP S 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SA C - 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U CA R 、J PL 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CO SM IC ( C o n s t e llatio n O b s er v i n g Syst e m fo r Met e o r olo g y , Io n o2 sp h e r e a n d Cli mat e ，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L EO 卫星进行GPS 掩星探测大气试验( GP S/
M E T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L EO 卫星，形成L EO 卫星星座，预计每颗L EO 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3 000 次掩星事件, 这将有力增强目前的全球大气观测系统[ 10 - 11 ] 。
德国已为空基GP S/ M E T的研究发射了两颗小卫星。在GP S/ M E T J a p a n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GP S气象学的观测计划。
中国气象局计划大力发展小卫星应用技术，建设地基GPS 大气遥感探测网，利用国内对地遥感卫星和国内外小卫星开展GPS 掩星探测大气的试验及业务应用工作，将于2006 年发射的“风云三号”气象卫星也可进行GP S观测试验。最近，上海天文台在GPS/ L EO 空基气象学研究中也取得了进展，采用通约L EO/ GPS 轨道方法，实现了掩星地面观测点控制的新思路。作为应用实例，针对东中国海洋上空大气状况对中国东部经济发达地区特别是上海地区的天气具有重要影响的特点，提出利用通约L EO/ GPS 卫星对该地区大气实时监测，并将与国内外一些合作单位共同开发处理GPS/ L EO 掩星观测数据的软件。作为空基GPS 气象学的推广，还计划进行山基和机载掩星观测试验，论证用这些方法监测局部大气廓线的可行性以及在国民经济和科学研究中的应用[ 12 ] 。
3 . 3 G PS 资料在气象中的应用
3 . 3 . 1 G PS 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GP S气象学以及GPS 无线电掩星反演大气廓线的研究工作[ 13 ] 。在国内气象界，北京大学的李成才、毛节泰等人最早将GPS/ M E T介绍到国内气象界[ 14 ] 并将地基GP S 遥感大气水汽总量技术的分别应用于上海、武汉、北京等地区, 并探索了求得适合中国东部地区特点的加权平均温度T m 的计算方
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