GPS技术经过20多年的发展，其应用研究及应用领域得到了极大的扩展，其中一个重要的应用领域就是气象学研究。利用GPS理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论 和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，叫做GPS气象学（GPS/MET eorology, 简写为GPS/MET）。GPS气象学的研究于80年代后期最先在美国起步，在美国取得理想的试验结果之后，其他国家如日本等也逐步开始GPS在气象学中的研究。

简介(名词解释 主要内容)

应用与发展(应用 发展 应用事例)

简介

名词解释

GPS气象学

GPS 系统的卫星发射的讯号（电磁波）在达到接收点前要穿过大气层.而电磁波在大气中要降低速度。所以卫星讯号要经过订正才符合实际.这种订正不仅与干空气有关，还与大气中的电子浓度、水汽的含量有关。在20世纪90年代初，就提出了一个反问题：利用GPS接收点收到的讯号反算出大气中的电子浓度、水汽含量。实验证实，这样得到的大气中水汽含量（也称为可降水量）对气象预告和气候分析十分有价值，而GPS又可以随时进行观测。所以用位置固定点的GPS接收设备测量大气的水汽量就成为新型的气象仪器.在世纪之交，用GPS 测量大气水汽的观测网逐步形成. GPS气象学就是利用GPS接收讯号测量分析大气状况的知识体系..

主要内容

GPS气象学包括三方面内容：

1、利用GPS的空间定位能力测量高空风的分布，并发展为GPS探空设备。2、利用地基GPS接受机测量整层大气的水汽含量。

3、利用低轨卫星上的GPS接受机探测大气折射率廓线，并进一步计算温度或湿度的垂直分布。

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 。

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。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。而 在GPS/MET中，与之相反，所要求得的量就是大气折射量。通过计算可以得到我们所需的 大气折射量，再通过大气折射率与大气折射量之间的函数关系可以求得大气折射率。大 气折射率是气温T，气压P和水汽压力e的函数，通过一定关系，则可以求得我们所需要的量。

应用与发展

应用

GPS技术的迅猛发展和日臻成熟使其成为对地球观测的一种新的,更加有力的手段,已

成功地在地球科学的许多领域得到应用,如地壳形变和板块运动监测,火山爆发,地震的监测

及预报,地球自转监测,电离层监测及空间天气预报,对流层监测及天气预报等.

发展

20世纪90年代以来,人们已开始利用GPS理论和技术来遥感地球大气.例如多路径效应是GPS定位中的一种噪音,至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的"干扰",但人们从

大气对GPS信号延迟的噪声处理的逆问题,发展出了利用GPS信号测定大气水汽含量及温度的一种新手段,从而为更好地监测恶劣天气和气候变化提供了新的技术支持.现在GPS气象探测已成为WMO(世界气象组织)21世纪新的全球综合高空观测系统的重要组成部分.由此,以GPS技术在气象学研究及应用为主要内容形成了一门新兴的交叉学科,称为GPS气象学(GPSMe2eorology,简写为GPS/MET).GPS观测资料在大气探测,天气变化监测和数值天气预报模式中应用的优越性以及取得的初步成功,使GPS气象学在不到十年的时间内很快发展为一个崭新的,极具应用潜力的GPS研究及应用的重要领域. GPS气象学的研究于20世纪80年代后期最先在美国起步,进行了多次试验[1～2].在美国取得较理想的试验结果后,其他发达国家如日本,德国,瑞典等[3～5]也开始重视GPS气象学,已成功组织了数次较大规模的GPS观测试验,取得了一系列研究成果并开始应用于大气研究和气象预报业务中.20世纪90年代中期以来,我国也逐步开展了地基GPS观测在气象学中应用的研究和业务试验工作.

应用事例

英国负责建立的"连续运行GPS参考站"(COGPS)系统的功能和目标类似于美国的CORS,但结合英国本土情况还增加了监测英伦三岛周围的海平面相对和绝对变化的任务.

日本在国土地理院(GSI)的组织下已建成近1200个GPS连续运行站网(GEONET,GPSEarthObservationNetwork),站间距为15～30km,这是目前世界上最大的,最密集的用于地球科学研究的GPS国家观测网.目前它在以监测地壳形变,预报地震以及计算大气可降水量,研究与大气水汽变化相关的天气变化为主要功能的基础上,联合气象研究和业务部门正开发利用GPS资料的四维同化业务系统,如日本气象厅气象研究所(MRI)正在发展一种用于中度数值模式的GPS数据变分同化系统,以提高数值天气预报模式的模拟和预测水平.

GPS气象学

1998～2003年,在GSI牵头下日本实施了为期五年的日本GPS气象学观测和研究计划(GPS/METJapan),特别是于2000年秋季和2001年春季在筑波地区202km的范围内进行了2次GPS高密度观测网试(TsukubaGPSDenseNetCampaign)目的是探测几公里量级的小尺度水汽变化并用于短时雷暴,暴雨等灾害性天气的预报.试验区域内集中设立了75个

GPS接收点和22个地面气象观测点,其GPS接收站点的间距达到空前的1～3km.

2002年8月北京气象局在北京汛期降水的主要水汽输入通道—房山区建成了由8个站组成的地基GPS水汽遥测站网,已用BerneseGPS数据分析软件对解算大气可降水量进行了初步试验,并与传统无线电探空资料计算的可降水量(SONDE2PWV)进行了对比.GPS技术的应用可加深对城市气象基本特征的认识,为开展城市精细化气象服务提供技术保障.此外该局还参与了"数字北京"和"数字奥运"的相关计划,应用由GPS,RS(遥感系统),GIS(地理信息系统)组成的3S技术来获取各类实时的,历史的气象资料以及奥运场馆实时气象观测资料.

2003年,广东省也计划用3a时间兴建覆盖全省的GPS网,可积累广东甚至华南上空高意义精度高时空分辨率的可降水量实时资料,对监测,预报广东及珠江三角洲的气候演变具有重要意义.

中国科学院上海天文台的学者在我国较早开展了GPS气象学及其在剧变天气分析中的应用研究.从20世纪90年代起分别开展了地基GPS气象学,空基GPS气象学以及GPS无线电掩星反演大气廓线的研究工作.在国内气象界,北京大学的李成才,毛节泰等人最早将GPS/MET介绍到国内气象界[并将地基GPS遥感大气水汽总量技术的分别应用于上海,武汉,北京等地区,并探索了求得适合中国东部地区特点的加权平均温度Tm的计算方法.