GPS遥感水汽含量的检测与解的可靠性分析

2022-09-10

GPS遥感大气水汽技术是上世纪90年代发展起来的一种全新大气观测手段。自上世纪Bevis提出利用GPS测量水汽的想法后, 相关的原理和探测方法逐渐发展。朱继文、王明爽[1]利用H op f i e ld模型和Saastamoinen模型, 对GPS遥感大气综合水汽含量进行分析得出一些有益的结论。周国君和潘雄[2]采取加权平均温度方法, 利用地基GPS进行大气水汽遥感遥感结果与实际对比发现, 与通用加权平均温度模型的精度相比平均温度模型可比提高近6倍。本文从GPS监测水汽的原理出发, 探讨了单站GPS监测范围的确定问题, 并对解的可靠性进行重点分析。结果表明GPS遥感水汽含量的检测具有较高的定位精度, 合理应用能够提高预报中小尺度灾害性天气的能力。

1 单站GPS监测范围的确定

利用地基高精度GPS接收机, 通过测量GPS卫星信号在大气中的延迟量来反演大气中的水汽信息。地基GPS水汽遥测技术恰好在这方面提供了一种较理想的探测手段。我国在地基GPS天顶方向大气柱水汽含量、水汽遥感探测技术方法与其应用方法方面已有大量的成果成功应用。但在单双频地基GPS接收机混合组网监测大气水汽技术;GPS地面接收机与GPS卫星信号传输路径间的斜路径大气水汽反演技术;高分辨率四维大气水汽层析技术;地基GPS大气水汽监测资料在数值天气预报模式中的变分同化应用技术等当今地基GPS气象国际前沿方面, 与欧美相比还有差距。

另一个值得重要研究的问题是如何进行单站GPS监测范围的确定。GPS站所能测定水汽含量的有效范围, 主要受地心张角和对流层高度的影响。用公式r=h/tan (E) 表示, 有效区域半径为r, 对流层高度为h, 卫星高度角为E。当E足够小时, 水汽结果不准确。观测时对流层高宜为8~11km, 高度角宜为3~14°, 检测的有效半径约为34~35km。同时将基线长度进一步缩小, 可保证预报精度和准确度。

2 单站GPS测量水汽的试验研究

对地基GPS大气水汽监测资料在强降水预报中的作用开展天气学分析, 利用三维变分同化技术和中尺度数值预报业务模式, 评估地基GPS水汽监测网探测资料在综合气象立体监测网中的作用。强降水个例研究表明, 引入地基GPS大气水汽监测网资料, 可使3小时和24小时降水TS评分值在1、5、1 0和2 0 m m预报检验阈值下分别提高2%~10%;基于先进的地基GPS数值同化分析与预报结果揭示:地形对降水地理分布特征的重要作用。地基GPS大气水汽监测资料对分析空中云水资源分布状况与未来中、小尺度高影响天气发展关系, 对提高天气预测准确率有重大的实用价值。 (图1地

表1基GPS水汽测量图)

3 单站水汽解的可靠性分析

表1单站GPS测量水汽的水汽解的可靠性分析给出了水汽解结果, 对单站地基GPS监测数据解算方法、安装与运行环境、层析反演地基GPS大气水汽的方法进行研究, 结合同期地面自动气象站温、压观测资料, 对天气过程中大气可降水量解算进行对比分析。研究表明用双频站电离层延迟改正参数, 修正单频站遥测误差的区域性电离层延迟改正模型, 可将单频站水汽测量精度提高到实用水平。单频GPS接收机价格低于双频GPS接收机, 单双频GPS混全建网性价比明显比全采用双频地基GPS接收系统组网得到提高。与双频地基GPS水汽监测技术相比, 单双频地基GPS组网是充分发挥地基GPS水汽遥测技术优势的新方法。这种区域混合地基GPS-MET组网层析大气水汽方法, 对我国地基GPS水汽监测网建设及其应用具有推广与参考价值。 (表1)

4 结语

实践研究表明两方案均具有对地基GPS气象站基建环境要求低。建议在进行GPS气象监测网布设及小范围或单站水汽遥感时为保证精度, 每台GPS控制的有效半径范围为37km, 且截至高度角不易低于15°。

摘要：本文通过统计大气水汽含量与高度的关系, 确定了单站GPS给出的水汽廓线。证明GPS遥感水汽含量的检测具有较高的定位精度, 其可靠性分析结果对于预报、观测和科学研究具有重要参考意义, 合理应用GPS系统能在较短时间间隔内对较小区域内的水汽进行探测, 经过分析应用于天气数值预报能提高预报中小尺度灾害性天气的能力。

关键词：GPS遥感,单站水汽含量解,解的可靠性分析