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GPS气象学的昨天、今天和明天
摘要 本论文概述 GPS气象学从诞生至今的研究主线,对 GPS气象学基本原理进行
简单的介绍。 较为全面、 系统地分析了国内外 GPS在气象学研究及应用方面的过去、
现今状况以及在此领域广阔的应用前景。
关键词 GPS GPS气象学 气温观测 水汽观测 高空风观测 资料综合
引言
GPS技术的快速发展和日益成熟的标准和应用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领域得到广泛利用。例如:地壳形变与
板块运动监测,火山预警与地震监测和预报,电离层监测以及大气元素的监测和天
气预报。
世
在气象学科研究和业务领域里, GPS技术通过其成熟稳定性展现出广阔的应用
前景。尤其是通信与电子工程中 GPS领域对信号的处理技术愈加成熟,人们可以利
用它进行大气遥感。 GPS定位由于大气带来的无线电信号干扰曾经出现了延迟与噪
音现象,由于通过信号处理,我们可以分离出噪音,因此通过一系列逆向过程,现
在 GPS信号已经可以进行大气中水汽含量测量,由水汽等影响天气的重要因素,可
以更好的监测恶劣天气和气候变化研究。目前 GPS已被 WMO( 界气象组织 ) 认定为
高空观测系统中的重要组成部分。由此,诞生了 GPS气象学( GPSMeteorology )这
一新兴的交叉学科。由于大气科学和 GPS技术的迅猛发展, GPS气象学已经成为当
下以重要领域。
1 GPS 气象学原理
 GPS 观测水汽与气温
传统上对大气探测中最为重要的探测参数无非是气温、 气压及水汽含量、 风量、
能见度等物理量。而探测方法主要是利用光学探测、无线电探测、红外探测及微波
探测。作为传统的高空大气探测手段,无线电探测的观测数据精读较高,但是受地
表与大气分布影响,导致区域性覆盖不均匀,且在地球这一海洋面积较多的表面几
乎没有观测数据。但卫星遥感技术刚好可以弥补这一缺陷,当然,是在忽略不能获
得较高的垂直分辨率的情况下。而利用 GPS技术来进行遥感大气的优点在于:全球
覆盖率高、费用低廉、精度高、垂直分辨率高( <1km)。目前,利用 GPS进行气象探
测研究方面的数据已经表明:对干空气,从 5~7km到 35~40km的高度上,大气温
度探测数据误差能控制在±  ℃之内;可以通过反演模型得到精度达 1mm的降水
量数据;同时在垂直方面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。正由于种种优点,让 GPS技术成为高空大气探测最有效和最有发展前景的
方法之一。
类似于激光探测, GPS发出的无线电信号在穿过大气层的对流层是,会受到对流层
大气的折射影响, 电信号同光信号一样会发生弯曲和延迟, 虽然弯曲量小于光信号,
但延迟量却大大增加。在 GPS精密定位测量中,大气折射的影响被当做主要误差源
而要设法消除掉,叫做电信号去噪。光信号主要是通过对光源获取物成像图片进行
图像复原已到达目的,目前技术较为成熟。而大气折射对 GPS信号的影响作为一对
正逆问题, 可以通过去噪过程求得大气折射量。 因此诞生了 GPS气象学,同时让 GPS
气象学成为一门前沿学科。
由于电波在大气中的延迟△ L 与大气折射量有如下关系
L
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