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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),山東,科技大學(xué)測繪學(xué)院,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),山東,科技大學(xué)測繪學(xué)院,GPS,氣象學(xué),主講人,:,韓超偉,山東科技大學(xué)測繪學(xué)院,GPS氣象學(xué)主講人:韓超偉,3,4,目錄,研究目的及意義,地基,GPS,觀測大氣水汽,星載,GPS,掩星觀測,山基與機(jī)載,GPS,掩星觀測,1,2,34目錄研究目的及意義12,1.,研究目的及意義,氣象與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)，水汽則是氣

2、候變化的主要驅(qū)動(dòng)力，大氣水汽是重要的氣象因子。,傳統(tǒng)的大氣水汽探測技術(shù)缺點(diǎn)：,（,1,）無線電探空技術(shù)：,觀測成本高，時(shí)間分辨率低，測站分布不均勻。,（,2,）星載輻射計(jì)、紅外輻射計(jì)：,探測精度易受云層干擾。,（,3,）雷達(dá)探測：,探測成本高，難以應(yīng)用于大范圍、全天候、常規(guī)觀測。,（,4,）微波輻射計(jì)：,觀測成本高，需經(jīng)常校正儀器，雨天精度低，難以業(yè)務(wù)化。,1.研究目的及意義,GPS,衛(wèi)星發(fā)射的,L1,、,L2,雙頻無線電信號(hào)在穿過大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延與彎曲，從而造成信號(hào)傳播延遲?？臻g大地測量中，將這種延遲作為一種誤差源進(jìn)行研究并加以改正。,隨著,GPS,技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了研究大氣可降水量的

3、地基,GPS,氣象學(xué)、研究無線電掩星觀測技術(shù)的空基,GPS,氣象學(xué)。,與傳統(tǒng)大氣探測手段相比優(yōu)點(diǎn)：,（,1,）,觀測精度高、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、全天候、自動(dòng)化、無需儀器校正、觀測資料長期穩(wěn)定成本低。,（,2,）,地基,GPS,探測：時(shí)間分辨率高。,（,3,）,無線電掩星觀測（星載、山基、機(jī)載）：,觀測資料全球分布、高垂直分辨率。,GPS衛(wèi)星發(fā)射的L1、L2雙頻無線電信號(hào)在穿過大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn),GPS,氣象學(xué)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景：,地基,GPS/MET,技術(shù)已基本成熟，正由研究向業(yè)務(wù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，該類產(chǎn)品的業(yè)務(wù)應(yīng)用正處于試驗(yàn)和評價(jià)階段。,隨著天基,GPS/MET,探測的發(fā)展以及人類了解外空氣象的需要，天基,GPS/

4、MET,將得到迅速發(fā)展，因此，天基,GPS/MET,試驗(yàn)和研究已成為,GPS/MET,未來發(fā)展的一個(gè)重要的熱門方向。,由于,GPS,技術(shù)探測大氣數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、高垂直分辨率、高精度和長期穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，這對惡劣天氣、暴雨的監(jiān)測以及臨近天氣預(yù)報(bào)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候變化和全球變暖的監(jiān)測、空間災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)等都將產(chǎn)生重要的影響。,GPS氣象學(xué)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景：,2.,地基,GPS,觀測大氣水汽分布,2.1,研究現(xiàn)狀,國際研究現(xiàn)狀：1992年M.Bevis等人提出用地面GPS測量資料來反演大氣中的水汽含量,以改進(jìn)氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。,21,世紀(jì)初，美國、日本與歐洲各國利用本國的,GPS,網(wǎng)進(jìn)

5、行地基,GPS,氣象研究。目前，由地基,GPS,網(wǎng)所獲取的實(shí)時(shí)大氣可降水量（,PWV,）的精度可達(dá),12mm,。,國內(nèi)研究現(xiàn)狀：,90,年代中期開始進(jìn)行地基,GPS,氣象學(xué)的研究工作。早起關(guān)注相關(guān)測量原理與算法的介紹及精度分析。此后上海,GPS/STORM,實(shí)驗(yàn)與華南暴雨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了地基,GPS,探測水汽實(shí)驗(yàn)。,一些地區(qū)的,GPS,氣象服務(wù)網(wǎng)已經(jīng)正式投入使用。在各相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，層析三維水汽場、構(gòu)建水汽時(shí)空分布圖及,GPS,資料在,NWP,模式中的研究取得了一定進(jìn)展。,2.地基GPS觀測大氣水汽分布,2.1.GPS,反演可降水量的基本步驟,計(jì)算,GPS,可降水量的基本步驟為：,1,）由,GPS

6、,分析軟件（,Bernese,或,GAMIT,）根據(jù)原始觀測數(shù)據(jù)解算出天頂總延遲量,ZTD,；,2,）根據(jù)天頂靜力延遲模型由地面氣壓測值計(jì)算出天頂靜力延遲量,ZHD,；,3,）用天頂總延遲量減去天頂靜力延遲量得到,ZWD,；,4,）由地面氣溫資料由經(jīng)驗(yàn)公式算出加權(quán)平均溫度,Tm,；或根據(jù)地面氣溫的觀測資料和濕度的氣象探空資料，用統(tǒng)計(jì)方法得出當(dāng)?shù)氐?Tm,的經(jīng)驗(yàn)公式后再代入地面氣溫資料算出,Tm,；,5,）根據(jù),Tm,算出,k,，取定水汽密度,Pv,和實(shí)驗(yàn)系數(shù),k2,、,k3,，則可算出水汽轉(zhuǎn)換系數(shù),II,；,6,）根據(jù),PWV=IWV/Pv;,2.1.GPS反演可降水量的基本步驟,GPS,衛(wèi)星

7、,IGS,產(chǎn)品：預(yù)報(bào)星歷,+,精密星歷,接受數(shù)據(jù)：預(yù)報(bào)星歷,+,觀測數(shù)據(jù),上載預(yù)報(bào)星歷,全球跟蹤站接收機(jī)數(shù)據(jù),非實(shí)時(shí)應(yīng)用,解算軟件,實(shí)時(shí)應(yīng)用,大氣總延遲（,ZTD,）,-,大氣濕延遲（,ZWD,）,*,大氣可降水量,PWV,（）,大氣干延遲（,ZHD,）,轉(zhuǎn)換因子（,II,）,SA,模型,H,模型,地面氣壓,P,（）,大氣加權(quán)平均溫度（,Tm,）,地面溫度（,Ts,）,GPS衛(wèi)星IGS產(chǎn)品：預(yù)報(bào)星歷+精密星歷接受數(shù)據(jù)：預(yù)報(bào)星歷+,2.2,基本原理與方法,地球中性大氣對,GPS,信號(hào)的傳播會(huì)帶來路徑延遲。求,GPS,信號(hào)在大氣中的延遲量,L,。,GPS,信號(hào)在對流層中的傳播速度為,V,，真空光速

8、,C,，大氣折射率為,n,，大氣折射指數(shù)為,N,，,信號(hào)從衛(wèi)星傳播至接收機(jī)的時(shí)間為t，偽距為，對流層延遲改正為,V,trop,。若則衛(wèi)星至接收機(jī)的幾何距離（不考慮電離層延遲與多路徑誤差）,S,為：,2.2基本原理與方法,大氣折射指數(shù),N,與大氣狀態(tài)（溫度、氣壓和濕度）有關(guān)，不同的學(xué)者給出了不同形式的折射率計(jì)算公式。具體有,Smith,和,Weintranb,方案、,Essen,和,Froome,方案、,Boudouris,和,Thayer,方案。目前用的最多精度最好的是,Thayer,（,1974,）提出的折射率計(jì)算公式：,式中，,Pd,為干空氣分壓（,hPa,），,k1,、,k2,、,k3,

9、均是與折射指數(shù)有關(guān)的物理常數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中選用,Boudouris,或,Thayer,的，精度高。,大氣折射指數(shù)N與大氣狀態(tài)（溫度、氣壓和濕度）有關(guān)，不同的,（,5,）式中,N,，,T,為對流層某處的折射指數(shù)與氣溫（,K,）。不易測量?，F(xiàn)由氣體的狀態(tài)方程（,T,為氣溫，,Pd,和,Pv,分別為干空氣和水汽的分壓（百帕,hPa,）；,d,和,v,分別為干氣和水汽密度；,=d+v,；,Rd,和,Rv,分別為干氣和水汽的氣體常數(shù)；）：,將上式代入（,4,）式積分，得到干延遲（,靜力延遲,）和濕延遲,（5）式中N，T為對流層某處的折射指數(shù)與氣溫（K）。不易測量,令,L,h,0,=,則,w,0,等于余下的

10、式子。,L=,L,h,0,+,L,w,0,；,上式又可改寫為,ZTD=ZHD+ZWD,；,如果信號(hào)傳播的路徑是傾斜路徑，簡稱斜徑訂正公式：,上式中，,M,h,、,M,w,分別為干映射和濕映射函數(shù)。,令Lh0=,2.2,映射函數(shù),在,GPS,數(shù)據(jù)處理中，映射函數(shù)將天頂方向的延遲與斜路徑方向的延遲聯(lián)系起來，準(zhǔn)確的映射函數(shù)是求得準(zhǔn)確的中性大氣延遲的前提。因此，對于映射函數(shù)的研究是地基,GPS,氣象學(xué)的一個(gè)重要問題，這個(gè)方向上較為常用、精度較高的映射函數(shù)有,CFA2.2,、,Hopfield,與,NMF,。由,Niell,（,1996,）提出的,NMF,映射函數(shù)使用最為廣泛。,NMF,與其他模型相比的

11、特點(diǎn)：,1,）其他模型大多取決于地表參數(shù)，而,NMF,考慮了大氣層分布隨時(shí)間的周期性變化以及南北半球和季節(jié)的非對稱性；,2,）其干映射函數(shù)還考慮了與測站高程有關(guān)的改正，反映了大氣密度隨高度增加而減少的變化率。,2.2映射函數(shù),下面對目前在,GPS,氣象學(xué)中應(yīng)用最廣泛的,NMF,干映射函數(shù)進(jìn)行具體介紹。,NMF,干映射函數(shù)：,式中，衛(wèi)星高度角,e,，測站海拔高,h,（,km,），,ha1,、,ha2,、,ha3,為常數(shù)，,a1,、,a2,、,a3,是與地理緯度和觀測時(shí)間,t,有關(guān)的參數(shù)。,下面對目前在GPS氣象學(xué)中應(yīng)用最廣泛的NMF干映射函數(shù)進(jìn)行,3.2,天頂干延遲,現(xiàn)介紹計(jì)算干延遲的三種著名的

12、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?SA,模型、,H,模型、,Black,模型。,1,）,SA,模型（,Saasamoinen,模型）是,1972,年提出的計(jì)算天頂方向干延遲的公式；,式中，為測站緯度，,h,0,為測站海拔高（,km,），,P,（,hPa,）是測站地面氣壓，,L,h,0,為天頂干延遲（,cm,）。,2,）,H,模型（,Hopfield,模型）,式中，,T,（,K,）為測站絕對溫度，,h,0,為測站海拔高（,km,），,P,（,hPa,）是測站地面氣壓，,L,h,0,為天頂干延遲（,cm,）。,3.2天頂干延遲,3,）,Black,模型,式中,P,、,T,同前。,3）Black模型,3.3,轉(zhuǎn)換因子及加

13、權(quán)平均溫度,由,L,中分離出干延遲量,L,h,0,之后，就得到天頂濕延遲量,L,w,0,。天頂濕延遲與大氣可降水量,PWV,（,mm,）之間的關(guān)系為：,式中，,II,稱為無量綱比例因子（濕延遲與可降水量的轉(zhuǎn)換系數(shù)），它表示一種比例關(guān)系，其值隨季節(jié)、地域在,0.15,附近變化。,式中，,水,為液態(tài)水密度，,k1,、,k2,、,k3,均是與折射指數(shù)有關(guān)的物理常數(shù)，,Rd,和,Rv,分別為干氣和水汽的氣體常數(shù)；,Tm,為大氣加權(quán)平均溫度，,3.3轉(zhuǎn)換因子及加權(quán)平均溫度,Tm,是一個(gè)積分量，與不同高度上的溫度及水汽壓有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù),Tm,與地表溫度,T,0,之間的相關(guān)性，可以采用經(jīng)驗(yàn)公式由,

14、T0,計(jì)算,Tm,。,Tm,與,T0,高度線性相關(guān)，兩者的回歸關(guān)系式：,Tm是一個(gè)積分量，與不同高度上的溫度及水汽壓有關(guān)。在實(shí)際應(yīng),3.4,高精度,GPS,數(shù)據(jù)處理軟件,實(shí)際上，,GPS,水汽只是,GPS,定位的一個(gè)副產(chǎn)品，所以,GPS,反演水汽的精度與定位精度密切相關(guān)。要從,GPS,觀測網(wǎng)中解算出高精度的水汽產(chǎn)品，要求經(jīng)緯精度優(yōu)于,10,-8,-10,-9,m,，因此必須使用用于科學(xué)研究目的高精度,GPS,定位軟件。目前國際上常用的大范圍高精度,GPS,數(shù)據(jù)解算軟件有一下幾種,:,1),瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所的,Bernese GPS Software,：即可在,UNIX,也可在,DOS,

15、和,Windows,操作系統(tǒng)下運(yùn)行。,2,）美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的,GIPSY/OASIS-II,：解算精度高，功能強(qiáng)大。,3,）美國麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校 斯克普斯海洋研究所合作研制的,GAMIT/GLOBK:,用戶只要注冊申請并經(jīng)過授權(quán)，就可免費(fèi)使用。,3.4高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件,由（,4,）可知，通過,GPS,軟件解算的對流層天頂總延遲可求得大氣折射指數(shù)，,N,可直接用于天氣預(yù)報(bào)，并且,N,又與氣溫、,氣壓和水汽壓力有關(guān)或可構(gòu)造成這些量的函數(shù)，這樣就可以通過一定技術(shù)方法求得水汽之外的其他大氣量。因此，,GPS,技術(shù)遙感大氣參數(shù)還有很大的潛力有待開發(fā)。,由（4）可知，通過GP

16、S軟件解算的對流層天頂總延遲可求得大氣,3.,利用星載,GPS,掩星觀測探測地球大氣性質(zhì),3.1GPS,無線電掩星技術(shù)的產(chǎn)生,掩星是一種天文現(xiàn)象，指一個(gè)天體在另一個(gè)天體與觀測者之間通過而產(chǎn)生的遮蔽現(xiàn)象。,或,是指空間中原本兩個(gè)直視可見的星體，被其他星體或物質(zhì)所掩蓋，導(dǎo)致一個(gè)星體發(fā)射的電波/,光波,信號(hào)不能直接到達(dá)另一個(gè)星體,。無線電掩星技術(shù)誕生于天文學(xué)領(lǐng)域，最初目的是為了探測行星的大氣狀態(tài)。后來,GPS,星座的建立使得,GPS,掩星觀測快速發(fā)展。,3.利用星載GPS掩星觀測探測地球大氣性質(zhì),3.2.GNSS,掩星任務(wù)的發(fā)展歷史,下表給出了各國各個(gè)時(shí)期的,GPS,掩星任務(wù),3.2.GNSS掩星任務(wù)的發(fā)展歷史,3.3,研究現(xiàn)狀,3.3.1,國際研究現(xiàn)狀,隨著各國掩星計(jì)劃的陸續(xù)實(shí)施，全世界掀起了利用,GNSS,掩星探測地球大氣的熱潮。各研究機(jī)構(gòu)都建立獨(dú)立的掩星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，向全球用戶免費(fèi)提供各級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。,此外，各數(shù)據(jù)處理中心還進(jìn)行掩星數(shù)據(jù)的后處理，提供更加高精度的產(chǎn)品，為全球氣象服務(wù)。,3.3.2,國內(nèi)研究現(xiàn)狀,國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究開始于,20,世紀(jì),90,年代末期。目前已