利用GPS探测水汽

利用GPS探测水汽
来源：计算机与信息技术作者：发表时间：
2009-12-08 22:24:45 计算机与信息技术
摘要 GPS探测水汽是一种新的水汽遥感方法，GPS卫星信号向地基GPS接收
机传播过程中受大气水汽的影响产生延时，信号的延时又是和大气的结构相关的，而延时又对降水产生影响。

本文从几个方面分析了影响GPS探测水汽的因素。

关键词 GPS、延时、降水
1 引言
水汽是大气的基本参量。

卫星探测水汽含量的基本方法是用微波辐射计 (如NOAA的AMSU)，近红外和热红外波段探测,而地基GPS遥感大气水汽技术是九十
年代发展起来的一种全新的大气观测手段。

它利用地基高精度GPS 接收机，通
过测量GPS信号在大气中湿延迟量的大小来遥感大气中水汽总量。

下面首先介绍
一下其原理
2 探测水汽的原理和方法
GPS技术通过观测GPS卫星信号传输到GPS接收机的时间来测量接收机天线
的位置，卫星信号经过大气层时，要受到大气的折射而延迟，将该延迟量作为待
定参数引入到观测模型和解算方案中，逐项考虑误差来源和消除办法，精密的
大气延迟量（毫米级）可以与定位参数一同求解出来。

大气延迟量可划分为电离
层延迟、静力延迟和湿项延迟。

通过采用双频技术，可以将电离层延迟几乎完
全消除。

静力延迟与地面观测量（气压）具有很好的相关，可以订正到毫米量级。

这样就得到了毫米量级的湿项延迟。

湿项延迟与水汽总量（PW）可建立严格的
正比关系，精确的水汽总量就求解出来。

应用MIT的GAMIT软件进行解算。

软件
要求试验采用双频载波相位观测，应用差分法以消除源于卫星钟和接收机钟的
误差，同时可采用“轨道松弛法”，以对轨道的准确度进行修正和调整。

此外还
有反演方法即：利用接收更高空之GPS卫星发出来的讯号，强度与路径的变化，反推出电离层电浆密度的三维空间分布“照片”，以及大气的水汽的三维空间分布。

采用载波相位观测产生的主要难题是载波相位的整周未知数N0的出现。

N0
一般采用“三差法”来确定，即不仅通过同一接收机对两颗卫星求差来消除接收
机钟差和同一卫星对不同的接收机求差来消除卫星钟差，还通过连续观测历元
的求差来确定整周未知数N0。

这就要求不同观测历元的卫星仰角要有一定的变化，而在这个变化期内（如15～30 min），假设大气特性或变化率保持定常，
在观测站局地上空水平均一或球面分层均一，大气延迟未知量大致依照secθ
（θ为卫星天顶角）的映射函数而变化。

这决定了GPS遥感大气的时间分辨率。

通过地面GPS水汽遥感监测，可以获得很高时空分辨率、达到毫米精度的水
汽资料，以填补探空资料在时间空间分辨率上的不足，提供快速变化的信息。

这
种信息通过资料的四维同化，对改进中尺度数值预报模式精度，提高预报准确
率有很好的应用前景。

而要了解GPS探测水汽的原理和方法，要了解一下大气结构、延时以及延时和降水的关系：
3 大气的结构
地球大气按温度随高度的变化，由地表向上，依次分为对流层、平流层、中流层和热层。

对流层紧邻地表，其中温度随高度增加而降低，平均每升高1公里约减少6.5℃，至对流层顶温度降到极小值。

对流层中的对流运动显著，是热量铅直输送的主要控制因子，云和降水主要发生在这一层。

对流层顶的高度在赤道地区约 18公里，中纬度地区约12公里，极地地区约8公里。

平流层位于对流层之上，平流层顶高离地表约50公里。

平流层中的臭氧层吸收太阳紫外辐射，是使这层大气温度随高度增加而上升的主要因子。

这层大气温度层结非常稳定，其中的热量输送以辐射传输为主。

中流层位于平流层之上，中流层顶离地表约85公里，层内温度随高度增加而下降。

热层位于中流层之上，热层顶离地表约500公里。

这层大气由于吸收太阳紫外辐射，温度随高度增加而上升。

热层顶以上为外逸层，那里大气已极稀薄，每立方厘米不到一千万个原子(海平面处每立方厘米约一百亿亿个原子)。

地球大气按组分状况可分为匀和层和非匀和层。

高地表约35公里高度以下为匀和层，层内的大气组分比例相同，平均分子量为常数。

约110公里高度以上为非匀和层，层内大气组分按重力分离后，轻的在上，重的在下，平均分子量随高度增加而减小。

离地表95～110公里为匀和层到非匀和层的过渡层。

地球大气按电磁特性可分为中性层、电离层和磁层。

由地表向上到60公里高度为中性层。

离地表60公里到 500～1000公里高度为电离层。

离地表500—1000公里以上为磁层。

电离层能反射无线电波，对电波通信极为重要。

磁层是地球大气的最外层，磁层顶是太阳风动能密度和地磁场能密度相平衡的曲面。

4 天顶方向的延时
电离层和中性大气都会造成GPS信号的传播延时。

电离层可以确定并加以消除，通常把水汽折射率的偶极分量从水汽和大气中其他成分的折射率的非偶极分量中分开来单独处理，较大的部分与地面气压有关称为“流体静力学延时”，较小的部分与水汽分布有关称为“湿延时”。

静力延迟在自上传输至1000 hPa时大约有230 cm。

假设静力平衡，地面气压观测有0.5 hPa的精度，这项延迟可被估计到好于1mm(见公式(1))。

由于静力平衡引入的误差依赖于实际的风场和地势，一般为正常情况的0.01%，对应0.2 mm的天顶距极端情况也只能引起几毫米的误差。

采用Elgered等人的天顶流体静力学延迟公式：
Zh=[(2.2779+0.0024mmhpa-1)]
P0/f(λ,H) （1）
其中P0为地面气压, f(λ, H)=(1-0.002 66cos(2λ)-0.000 28H), λ为地理纬度，H为测站海拔高度。

由于气象观测站和GPS观测站有一定距离和海拔高度差，将气象站的气压按实际探空观测的压高变率订正为GPS站的气压。

从中性天顶延迟中减去静力天顶延迟项而得到湿项天顶延迟，其数值大约为0～40 cm，湿延时主要是大气水汽极化作用造成的，但是它不是水汽造成的唯一的延时。

对流层站了整个流体静力学延时的75%，整个延时的第二部分为湿延时△LW,天顶方向湿延时为：
△L0W=ZWD=10-6[k2’∫(Pv/T)dz+k3∫(Pv/T2)dz]
（2）
其中k2’=（17+10）Kmbar-1沿天顶方向路径积分，延时单位为z，近似等于下式
△L0W=（0.382+0.004）
k2mbar-1∫(Pv/T2)dz (3)
湿延时几乎全部发生在对流层，大部分发生在对流层低层。

测量湿延时的时候必须施放探空仪或使用水汽辐射仪，或通过GPS、甚长基线干涉仪本身的数据的随机的或其它形式的参数推导出来。

垂直方向水汽总含量与天顶方向湿延时之间的近似关系可以推导出来，大气加权“平均温度”Tm定义为
Tm=[∫(Pv/T)dz ]/
[∫(Pv/T2)dz]（4）
考虑（2）、（4）式和水汽状态方程可得水汽总含量：
IWV=∫ρv dz=K△L0W
(5)
其中△L0W为天顶湿延时，K为常数：
1/K=10-6(k3/Tm+k2’)Rv
（6）
Rv是水汽的比气体常数。

使用随机滤波和其它统计技术可以从GPS数据中提取天顶湿延时，而从天顶湿延时又可以估计水汽总含量（IWV），（见式5）这种方法从给定的GPS接受机记录数据中提取出来的水汽总含量，可用于该GPS站附近地区，如果有足够密集的接收机网络，就可以得到水汽总含量的分布图。

5 延时和降水的关系
接收机上方垂直方向水汽总量表示为可降水分（PW），即等效液体水柱的高度，这个量和接收机位置的ZWD有关，因此有：
Pw=П*ZWD (7)
这里ZWD单位为长度，П为比例系数。

ρ是水的密度，Rv是水汽的气体常数，Tm是大气的温度加权平均，其定义见式（4），
П=106/ρ*Rv[k3/ Tm +
k2’]（8）
k2’=k2-mk1 (9)
m为Mw/Md是水汽质量与空气干质量之比，k1、k2、k3是常用的大气折射率N表达式中的三个物理常量
N= k1Pd/T+k2 Pv/T+ k3
Pv/T (10)
Pd、Pv分别为干空气和水汽的气压，T为绝对温度。

在理论上可以综合以上的式子推导出降雨量但实际上常常存在一定的误差的，由GPS资料确定综合水汽或可降水份时，其误差主要来源于三个方面：一是测定天顶湿延迟的误差；二是转换因子的误差；三是转换模型本身的误差。

为
了确定大气中的水汽含量，对转换因子的求定是非常关键的，而转换因子的相对精度等同于平均温度Tm的相对精度。

因此利用地面气象参数来推算适用于相应地区、相应时间的精确的Tm是GPS气象学一项重要的工作。

而且当GPS发出的信号穿过大气层中对流层时，受到对流层的折射影响，GPS信号要发生弯曲和延迟，其中信号的弯曲量很小，而信号的延迟量很大，通常在2.3 m左右。

因此在GPS 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。

6 结束语
众所周知，全球平均温度和水汽是全球气候变化的两个重要指标，与当前传统探测方法相比，GPS气象观测系统可以稳定地提供高精度和高垂直分辨率的温度轮廓线。

由于利用GPS技术遥感大气中的水汽含量费用低廉，时效性好，如果与传统的气象学手段相结合，其应用前景将是非常广阔的。