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GPS气象学课件要点
GPS气象学 主讲人:韩超伟 山东科技大学测绘学院 3 4 目录 研究目的及意义 地基GPS观测大气水汽 星载GPS掩星观测 山基与机载GPS掩星观测 1 2 1.研究目的及意义 气象与人类生产生活息息相关,水汽则是气候变化的主要驱动力,大气水汽是重要的气象因子。 传统的大气水汽探测技术缺点: (1)无线电探空技术:观测成本高,时间分辨率低,测站分布不均匀。 (2)星载辐射计、红外辐射计:探测精度易受云层干扰。 (3)雷达探测:探测成本高,难以应用于大范围、全天候、常规观测。 (4)微波辐射计:观测成本高,需经常校正仪器,雨天精度低,难以业务化。 GPS卫星发射的L1、L2双频无线电信号在穿过大气层时会产生时延与弯曲,从而造成信号传播延迟。空间大地测量中,将这种延迟作为一种误差源进行研究并加以改正。 随着GPS技术的不断发展,出现了研究大气可降水量的地基GPS气象学、研究无线电掩星观测技术的空基GPS气象学。 与传统大气探测手段相比优点: (1)观测精度高、准实时、全天候、自动化、无需仪器校正、观测资料长期稳定成本低。 (2)地基GPS探测:时间分辨率高。 (3)无线电掩星观测(星载、山基、机载): 观测资料全球分布、高垂直分辨率。 GPS气象学的发展趋势及应用前景: 地基GPS/MET技术已基本成熟,正由研究向业务应用转化,该类产品的业务应用正处于试验和评价阶段。 随着天基GPS/MET探测的发展以及人类了解外空气象的需要,天基GPS/MET将得到迅速发展,因此,天基GPS/MET 试验和研究已成为GPS/MET未来发展的一个重要的热门方向。 由于GPS技术探测大气数据具有覆盖范围广、高垂直分辨率、高精度和长期稳定等诸多优点,这对恶劣天气、暴雨的监测以及临近天气预报、数值天气预报、气候变化和全球变暖的监测、空间灾害性天气监测预报等都将产生重要的影响。 2.地基GPS观测大气水汽分布 2.1研究现状 国际研究现状:1992年M.Bevis等人提出用地面GPS测量资料来反演大气中的水汽含量,以改进气象预报的准确性。21世纪初,美国、日本与欧洲各国利用本国的GPS网进行地基GPS气象研究。目前,由地基GPS网所获取的实时大气可降水量(PWV)的精度可达1~2mm。 国内研究现状:90年代中期开始进行地基GPS气象学的研究工作。早起关注相关测量原理与算法的介绍及精度分析。此后上海GPS/STORM实验与华南暴雨实验进行了地基GPS探测水汽实验。 一些地区的GPS气象服务网已经正式投入使用。在各相关实验的基础上,层析三维水汽场、构建水汽时空分布图及GPS资料在NWP模式中的研究取得了一定进展。 2.1.GPS反演可降水量的基本步骤 计算GPS可降水量的基本步骤为: 1)由GPS分析软件(Bernese或GAMIT)根据原始观测数据解算出天顶总延迟量ZTD; 2)根据天顶静力延迟模型由地面气压测值计算出天顶静力延迟量ZHD; 3)用天顶总延迟量减去天顶静力延迟量得到ZWD; 4)由地面气温资料由经验公式算出加权平均温度Tm;或根据地面气温的观测资料和湿度的气象探空资料,用统计方法得出当地的Tm的经验公式后再代入地面气温资料算出Tm; 5)根据Tm算出k,取定水汽密度Pv和实验系数k2、k3,则可算出水汽转换系数II; 6)根据PWV=IWV/Pv; GPS卫星 IGS产品:预报星历+精密星历 接受数据:预报星历+观测数据 上载预报星历 全球跟踪站接收机数据 非实时应用 解算软件 实时应用 大气总延迟(ZTD) - 大气湿延迟(ZWD) * 大气可降水量PWV() 大气干延迟(ZHD) 转换因子(II) SA模型 H模型 地面气压P() 大气加权平均温度(Tm) 地面温度(Ts) 2.2基本原理与方法 地球中性大气对GPS信号的传播会带来路径延迟。求GPS信号在大气中的延迟量ΔL。 GPS信号在对流层中的传播速度为V,真空光速C,大气折射率为n,大气折射指数为N,信号从卫星传播至接收机的时间为Δt,伪距为ρ,对流层延迟改正为Vtrop。若则卫星至接收机的几何距离(不考虑电离层延迟与多路径误差)S为: 大气折射指数N与大气状态(温度、气压和湿度)有关,不同的学者给出了不同形式的折射率计算公式。具体有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)提出的折射率计算公式: 式中,Pd为干空气分压(hPa),k1、k2、k3均是与折射指数有关的物理常数。实际应用中选用Boudouris或Thayer的,精度高。 文献 K1/(K/hPa) K2/(K/hPa) K3/(K/
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