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摘要：GPS气象学是近年来迅速发展的一项新型技术，它具有常规探测所没有的探测精度高、时间分辨率高、经济高效等特点，对提高天气预报（特别是灾害性天气预报）准确性、研究全球大气水汽和电离层电子浓度分布等有着十分重要的意义，因此，越来越多地被应用到气候监测分析、空间天气监测预警、人工影响天气、中尺度数值预报等领域。为进一步了解和学习GPS气象学，下面简要介绍GNSS/MET的基本原理及其在气象业务中的应用。
关键字：GNSS/MET;反演;水汽;气象学
一、 引言
GPS气象学的研究最先在80年代后期于美国起步，在美国取得了理想的试验结果后，其他国家比如日本等，也全都开始研究GPS在气象学中的应用。由于GPS观测可以提供大气层水汽精确的全天候测量结果，美国于1993年在中部地区布设了一个GPS网，探索GPS观测结果在气象学中的应用。将此网的GPS观测结果同由水汽辐射仪（WVR）结果推算的可降水分作了比较，两者之间的符合度是1-2m。在雾、露、雨等足以降低WVR性能的条件下，GPS观测结果仍然可靠，其时间和空间尺度比目前无线电探空所能提供的要精细得多。
二、GPS气象学简介
大气温度、大气压、大气密度和水汽含量等量值是描述大气状态最重要的的参数。无线电探测，卫星红外线探测和微波探测等手段是获取气温，气压和湿度的传统手段。但是它们与GPS手段相比，就可明显地看出传统手段的局限性。无线电探测法的观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不均匀，在海洋上几乎没有数据。被动式的卫星遥感技术可以获得较好的全球覆盖率和较高的水平分辨率，但垂直分辨率和时间分辨率很低。利用GPS手段来遥感大气的优点是，它是全球覆盖的，费用低廉，精度高，垂直分辨率高。根据1995年4月3日美国发射的用于GPS气象学研究的Microlab-1低轨卫星的早期结果显示，对于干空气，在从5～7 km到35～40 km的高度上，所获得的温度可以精确到±1.0℃之内，正是这些优点使得GPS/MET技术成为大气遥感的最有效最有希望的方法之一。
三、 GNSS/MET 的基本原理
GNSS/MET根据GPS接收机所在空间位置，大致可分为地基和空基GNSS/MET，其探测原理不完全相同。通过测定GPS卫星和接收机间的距离来定位目标物的位置，而这一距离实际上是通过测定卫星发出的并传输至接收机的无线电信号传播时间来求定的，这一传输时间，收到传输途径上地球大气折射率梯度和大气密度变化的影响，与真空情况相比，就有差异，原因之一是大气中水汽的影响。完成由GPS卫星至接收机的讯号传输的时间要比在真空条件中要长，这一时间增加也可以用增加传输路径长度来等量表示，这就是GPS信号传输的时间延迟。对精确定位、导航应用来说，必须消除或者消弱地球大气层对GPS信号传播的种种影响，而当GPS应用到水汽测量中，正好与之相反，一旦精确求定这一延迟时间，可以通过这与时间延迟来对算大气水汽含量和分布。
当GPS卫星发送的电磁波信号穿过地球大气到达接收机时，地球大气的各个部分都要与它发生相互作用。因此主要由于以下3个方面引起延迟：电离层对电磁波的折射;干空气对电磁波的折射;对流层湿空气对电磁波的折射。把各个部分相互作用的延迟量引入到解算模型中，考虑误差来源并予以消除后对高精度的大气延迟量与定位参数一起求解。然后，通过双频技术订正电离层延迟到毫米量级，通过地面气压观测量订正干空气的延迟到毫米量级，最后 得到毫米量级的湿空气延迟， 由此提取大气总的水汽含量。
目前，国际上通用的由GPS反演湿延迟DW，再计算大气柱总水汽量IWV.
其中，IWV为大气柱水汽总含量，DW 为湿延迟，ρ和Rv分别为湿空气的密度和气体摩尔质量，Tm为整个气层的加权平均温度，k’2和k3为大气折射率实验常数。
四、GPS气象学在气象中的应用
水汽是大气中十分重要的参数，电离层电子数密度的分布及其演变是空间天气监测和预警中的重要内容，如何快速、有效地探测大气中的水汽分布和电离层电子数密度分布是当代地球大气探测系统中必须要解决好的问题之一，地基GPS的气象探测可以发挥这方面的优势， 气象领域对地基GPS气象应用的需求包括：
（1） 灾害性天气监测预报在暴雨、洪涝等灾害性天气分析预报中，水汽输送、水汽辐合的分析至关重要，而水汽又是一个变化十分迅速的量。所以，高时效、高空间分辨率地获取大气水汽场是准确地分析天气系统的演变、进行监测和预报的关键环节之一。
（2） 为中尺度数值预报模式提供初始场由于水汽场是一个变化迅速的物理量，尤其是在暴雨发生前，以常规探空资料为主的初始场常常捕捉不到“山雨欲来风满楼”之时的水汽变化，从而导致对暴雨的数值预报准确率不高。可以做到每小时甚至每15分钟获取一次高精度水汽探测的GPS技术，是满足这一需求的最佳选择。
（3） 为人工影响天气作业提供依据。人大气中的水汽分布状况、水汽的输送和源、汇是云雨变化的重要背景条件，在实施人工影响天气作业时，利用GPS技术及时而准确地了解作业点四周大气中的水汽分布及其输送，是提高人工影响天气效率的一个重要环节。
（4） 气候监测和分析地气系统能量和水分循环的分析研究，利用地基GPS水汽总量探测技术，能很好地满足这方面的需求。同时，由于GPS 探测的水汽精度高，通过长时期的资料分析，可用以监测水汽的长期变化趋势，而水汽又是一个温室气体，从而可以从一个侧面监测气候的变化趋势。
（5） 空间天气监测和预警电离层电子浓度分布及其变化是影响电波传播的重要参数，是空间天气监测和预警的重要内容之一。地基GPS是探测电离层电子浓度总量的有效手段，它的高时、空分辨率和相位测量， 不需要定标等诸多优点，使利用这项技术探测电离层电子浓度是十分经济、有效的。
（6） 提高对GPS 探空仪的跟踪精度在综合分析、统筹兼顾的原则下，可以尽可能地把GPS站点选在探空站附近。这样，高精度的GPS站可以用作GPS探空仪的差分站，从而可大大提高地面对GPS探空儀的跟踪精度，起到一站多用的效果。
（7） 作为未来空基GPS掩星探测的地面定轨站。
五、 结语
GNSS/MET的发展建设将使中国的气象观测系统上一个新的台阶。由此获取高时间分辨率大气水汽探测资料，将极大增强对暴雨和强对流等灾害性天气的监测能力，高时空分辨率的三维大气水汽探测资料将提高中尺度数值预报模式的预报精度并延长其预报时效;长时间、高精度的大气水汽的平均值和距平值监测是探讨气候变化的重要手段;实时的电离层电子浓度监测将为空间天气预警提供重要手段;人工增雨作业已经成为改善水资源短缺的一个重要手段，实时的大气水汽探测资料将为人工增雨作业区的选择和增强作业效果提供依据。
参考文献：
[1]俞炳，周媛，闻春华.江西省GPS/MET水汽监测系统设计[J].气象与减灾研究，2010，6
[2]马林等.城市热岛对城市气温变化的影响[J].装备环境工程，2019，6
关键字：GNSS/MET;反演;水汽;气象学
一、 引言
GPS气象学的研究最先在80年代后期于美国起步，在美国取得了理想的试验结果后，其他国家比如日本等，也全都开始研究GPS在气象学中的应用。由于GPS观测可以提供大气层水汽精确的全天候测量结果，美国于1993年在中部地区布设了一个GPS网，探索GPS观测结果在气象学中的应用。将此网的GPS观测结果同由水汽辐射仪（WVR）结果推算的可降水分作了比较，两者之间的符合度是1-2m。在雾、露、雨等足以降低WVR性能的条件下，GPS观测结果仍然可靠，其时间和空间尺度比目前无线电探空所能提供的要精细得多。
二、GPS气象学简介
大气温度、大气压、大气密度和水汽含量等量值是描述大气状态最重要的的参数。无线电探测，卫星红外线探测和微波探测等手段是获取气温，气压和湿度的传统手段。但是它们与GPS手段相比，就可明显地看出传统手段的局限性。无线电探测法的观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不均匀，在海洋上几乎没有数据。被动式的卫星遥感技术可以获得较好的全球覆盖率和较高的水平分辨率，但垂直分辨率和时间分辨率很低。利用GPS手段来遥感大气的优点是，它是全球覆盖的，费用低廉，精度高，垂直分辨率高。根据1995年4月3日美国发射的用于GPS气象学研究的Microlab-1低轨卫星的早期结果显示，对于干空气，在从5～7 km到35～40 km的高度上，所获得的温度可以精确到±1.0℃之内，正是这些优点使得GPS/MET技术成为大气遥感的最有效最有希望的方法之一。
三、 GNSS/MET 的基本原理
GNSS/MET根据GPS接收机所在空间位置，大致可分为地基和空基GNSS/MET，其探测原理不完全相同。通过测定GPS卫星和接收机间的距离来定位目标物的位置，而这一距离实际上是通过测定卫星发出的并传输至接收机的无线电信号传播时间来求定的，这一传输时间，收到传输途径上地球大气折射率梯度和大气密度变化的影响，与真空情况相比，就有差异，原因之一是大气中水汽的影响。完成由GPS卫星至接收机的讯号传输的时间要比在真空条件中要长，这一时间增加也可以用增加传输路径长度来等量表示，这就是GPS信号传输的时间延迟。对精确定位、导航应用来说，必须消除或者消弱地球大气层对GPS信号传播的种种影响，而当GPS应用到水汽测量中，正好与之相反，一旦精确求定这一延迟时间，可以通过这与时间延迟来对算大气水汽含量和分布。
当GPS卫星发送的电磁波信号穿过地球大气到达接收机时，地球大气的各个部分都要与它发生相互作用。因此主要由于以下3个方面引起延迟：电离层对电磁波的折射;干空气对电磁波的折射;对流层湿空气对电磁波的折射。把各个部分相互作用的延迟量引入到解算模型中，考虑误差来源并予以消除后对高精度的大气延迟量与定位参数一起求解。然后，通过双频技术订正电离层延迟到毫米量级，通过地面气压观测量订正干空气的延迟到毫米量级，最后 得到毫米量级的湿空气延迟， 由此提取大气总的水汽含量。
目前，国际上通用的由GPS反演湿延迟DW，再计算大气柱总水汽量IWV.
其中，IWV为大气柱水汽总含量，DW 为湿延迟，ρ和Rv分别为湿空气的密度和气体摩尔质量，Tm为整个气层的加权平均温度，k’2和k3为大气折射率实验常数。
四、GPS气象学在气象中的应用
水汽是大气中十分重要的参数，电离层电子数密度的分布及其演变是空间天气监测和预警中的重要内容，如何快速、有效地探测大气中的水汽分布和电离层电子数密度分布是当代地球大气探测系统中必须要解决好的问题之一，地基GPS的气象探测可以发挥这方面的优势， 气象领域对地基GPS气象应用的需求包括：
（1） 灾害性天气监测预报在暴雨、洪涝等灾害性天气分析预报中，水汽输送、水汽辐合的分析至关重要，而水汽又是一个变化十分迅速的量。所以，高时效、高空间分辨率地获取大气水汽场是准确地分析天气系统的演变、进行监测和预报的关键环节之一。
（2） 为中尺度数值预报模式提供初始场由于水汽场是一个变化迅速的物理量，尤其是在暴雨发生前，以常规探空资料为主的初始场常常捕捉不到“山雨欲来风满楼”之时的水汽变化，从而导致对暴雨的数值预报准确率不高。可以做到每小时甚至每15分钟获取一次高精度水汽探测的GPS技术，是满足这一需求的最佳选择。
（3） 为人工影响天气作业提供依据。人大气中的水汽分布状况、水汽的输送和源、汇是云雨变化的重要背景条件，在实施人工影响天气作业时，利用GPS技术及时而准确地了解作业点四周大气中的水汽分布及其输送，是提高人工影响天气效率的一个重要环节。
（4） 气候监测和分析地气系统能量和水分循环的分析研究，利用地基GPS水汽总量探测技术，能很好地满足这方面的需求。同时，由于GPS 探测的水汽精度高，通过长时期的资料分析，可用以监测水汽的长期变化趋势，而水汽又是一个温室气体，从而可以从一个侧面监测气候的变化趋势。
（5） 空间天气监测和预警电离层电子浓度分布及其变化是影响电波传播的重要参数，是空间天气监测和预警的重要内容之一。地基GPS是探测电离层电子浓度总量的有效手段，它的高时、空分辨率和相位测量， 不需要定标等诸多优点，使利用这项技术探测电离层电子浓度是十分经济、有效的。
（6） 提高对GPS 探空仪的跟踪精度在综合分析、统筹兼顾的原则下，可以尽可能地把GPS站点选在探空站附近。这样，高精度的GPS站可以用作GPS探空仪的差分站，从而可大大提高地面对GPS探空儀的跟踪精度，起到一站多用的效果。
（7） 作为未来空基GPS掩星探测的地面定轨站。
五、 结语
GNSS/MET的发展建设将使中国的气象观测系统上一个新的台阶。由此获取高时间分辨率大气水汽探测资料，将极大增强对暴雨和强对流等灾害性天气的监测能力，高时空分辨率的三维大气水汽探测资料将提高中尺度数值预报模式的预报精度并延长其预报时效;长时间、高精度的大气水汽的平均值和距平值监测是探讨气候变化的重要手段;实时的电离层电子浓度监测将为空间天气预警提供重要手段;人工增雨作业已经成为改善水资源短缺的一个重要手段，实时的大气水汽探测资料将为人工增雨作业区的选择和增强作业效果提供依据。
参考文献：
[1]俞炳，周媛，闻春华.江西省GPS/MET水汽监测系统设计[J].气象与减灾研究，2010，6
[2]马林等.城市热岛对城市气温变化的影响[J].装备环境工程，2019，6