引言

全球定位系统(GPS)作为导航卫星系统之一, 从20世纪70年代出现以来得到迅速发展, 目前已广泛应用于科学技术、交通导航、工程建设和社会减灾等国民经济的各个领域, 利用导航卫星探测大气参数则是它在气象领域的重要的遥感应用。

GPS气象应用大体包括以下3方面内容:(1)利用地面的GPS接收机测量整层大气的水汽含量和电离层电子数密度; (2)利用低轨道卫星上的GPS接收机, 在GPS卫星、地球和低轨卫星之间发生掩星事件时, 探测大气折射率廓线, 进而反演电离层电子数密度、大气温度、气压或湿度的垂直分布。(3)利用GPS的空间定位功能, 确定探空气球的位置, 测量高空风分布, 进而发展成为GPS探空设备的一个支撑。这里主要介绍利用地基GPS技术探测大气参数的应用。

由于地基GPS探测大气参数具有探测精度高、时间分辨率高、不需要标定、设备可综合利用等诸多优点, 因而受到了许多国家的气象部门的高度重视, 并得到了十分迅速的发展。

1 发展GPS气象应用的意义和需求

水汽是大气中十分重要的参数, 它既在地球气候系统的能量和水循环中扮演十分关键的角色, 也是灾害性天气形成和演变中的重要因子。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。在雷暴大风等强对流天气演变过程中, 水汽场的分布、垂直输送和相变是制约其发展的动力机制之一。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

对一个物理过程比较齐全、动力框架合理的中尺度数值预报模式, 其预报的优劣在很大程度上取决于初始场的准确程度。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

人工影响天气是在一定的大气状况、天气背景条件下, 通过向云撒播催化剂等技术手段, 促进或抑制云中水滴或冰晶的增长, 从而达到增雨或消雹等目的。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, 水资源的研究分析和利用, 水分收支计算及气候区划等工作均需要大气可降水量的资料, 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探空仪的跟踪精度, 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

2 我国GPS气象应用情况

利用地基GPS进行大气的遥感探测始于20世纪90年代。目前, 通过这种方法测定大气垂直气柱的水汽含量———大气可降水量, 测量精度可达1~2mm^{[1, 2]}。进入本世纪以来, 美国、日本和西欧等发达国家相继建成了由多部门的地面GPS接收站组成的GPS综合应用网, 气象应用也从研究试验、业务试验走向业务运行, 很多国家的气象服务部门如美国海洋大气署的预报系统实验室、德国气象局等和国际性组织如国际GPS服务局已在提供区域和全球各站点近实时的大气可降水量产品^{[3, 4]}。

国内早在20世纪90年代中期就开始了利用地基高精度双频GPS接收机信号反演大气积分水汽含量的方法研究^[5]。2000年在北京地区开展了GPS/VAPOR水汽观测试验^[6]。1999—2002年, 在国内的一些重大气象科学试验观测计划中, 均把GPS水汽观测作为观测内容之一而加以实施, 如海峡两岸暴雨观测试验研究计划, 国家重大基础研究项目计划之一的我国重大天气灾害形成机理和预测理论研究项目中的长江中下游梅雨暴雨观测试验研究等, 均有GPS水汽观测的内容^{[7, 8]}。所有这些工作, 均大大推动了我国地基GPS观测技术由研究、科学试验向业务应用服务方向发展。

2.1 我国GPS观测业务试验应用网建设

尽管我国至今尚无一个完整的、满足气象业务应用服务要求的GPS水汽探测网建成, 但已有不少GPS站网建设的前期工作, 或业务试验应用性的局地网建设, 这些均为国家级的站网建设打下了基础。

地壳形变观测网络项目下的GPS基准站网^[9]。“九五”期间, 在国家重大科学工程项目的支持下, 由地震、测绘等多部门合作, 在全国建设了资料共享服务的地壳形变监测网络, 图 1上的实圆圈标出了这些站点的位置。由图可见, 此网络在全国范围的站点十分有限, 共有27个站, 且分布极不均匀, 全国共27个, 但在北京地区就有3个, 且每天仅传送一次前24小时的观测资料。所以, 这不是一个供气象部门业务应用服务的GPS水汽观测网。但是, 若在通讯上加以改造, 它仍然可以成为国家GPS水汽探测网的组成部分之一。

在上海市政府的支持下的上海地区局地GPS网^{[10, 11]}。上海市的天文、测绘和气象等部门联合上海及其周边地区建成了由16个GPS观测站(图 1的方框符号所示)组成的GPS网, 此项目在2004年通过验收, 已进行业务试运行。

中国气象局的局地业务试验GPS网。为在全国建设GPS水汽探测网积累经验, 中国气象局已在河北省的石家庄、张家口、秦皇岛和北京市的大气探测试验基地(图 1的五角星所示)建立了GPS探测水汽的业务试验网, 其中河北省的3个站主要试验数据采集、信息传输、资料处理方法和应用; 北京的示范站则试验站址选择、站基建设、设备选型、通讯及远程监控等方面内容。

此外, 天津、河北、湖北、安徽、山东等省市也已开始了地方投资的GPS综合应用网建设。所有上述工作的完成, 均为国家级的GPS水汽探测业务网的建设打下了坚实的基础。

2.2 我国GPS水汽探测的业务技术发展

我国尚未建成全国范围内分布比较均匀的GPS水汽探测网, GPS站网建设、通讯和资料处理等有关的建设和技术问题仍然是目前要解决的主要业务技术问题之一。

随着局地GPS网的建成, 如何利用这类稠密的站网资料获取大气水汽垂直分布的问题就提上了议事日程。目前, 国内一部分从事GPS遥感水汽反演的科技人员, 正努力研究倾斜路径水汽的计算方法。在此基础上, 通过层析技术, 得到中尺度GPS站网的水汽三维分布, 从而极大地支持中尺度天气分析和数值预报。

在GPS水汽资料的应用方面, 主要在以下3个方面开展工作, 一是天气分析预报中的应用; 二是水汽的气候分析, 如均值、月际变化、年变化和演变趋势; 三是数值预报中的应用, 通过最优插值、3DVAR和4DVAR等方式把GPS探测的水汽或直接把GPS信号的时延同化到数值预报模式中去, 期望通过模式初值的改进和高频次水汽探测信息的输入, 改进数值预报的结果。

3 我国GPS气象应用的展望 3.1 气象应用基准网建设的思路

(1) 综合应用、资源共享

与其他的大气探测技术相比, GPS技术的多用途特点更加明显, 国家和部分省、区、市均有建设共用GPS网的计划和规划。中国气象局的国家级GPS水汽探测网和中尺度GPS水汽探测网, 均应与公用的GPS网和其他部门GPS网通过共建、数据共享等手段, 相互补充, 资源共享, 逐步完善前述两种类型的GPS大气水汽探测网。对于包括GPS接收机和与接收机配套的地面温压湿三要素气象仪, 如站点在气象台站, 三要素气象仪可以考虑与自动气象站公用, 防止重复建设。

(2) 统一规划、分类建设、分步实施

国家级的天气尺度网应在中国气象局的统一规划下, 根据天气尺度的特点, 配合中国气象局的探空站点和部分气候观象台来规划布局。其主要任务是提供全国范围的天气尺度的大气可降水量场和电离层电子密度分布。地方的中尺度GPS站网则在各省区市的、为地方服务的建设项目规划下, 以地方投资的GPS综合应用网为依托, 在各自的省区范围内建成站间距10~40km的GPS网, 以提供高时空分辨率的层析GPS水汽场为主要目标。上述两类GPS网均要在国家和地方的项目支持下, 分步实施, 逐步建成。

(3) 设备先进、可靠、兼容性好

作为我国GPS大气探测业务系统的重要部分, 两级GPS网建设所采用的设备必须达到先进、可靠的要求。GPS是一项迅速发展的先进技术, 且不同的国家和国家集团均在建设自已的全球定位、导航和授时系统(如:美国的GPS, 俄罗斯的GLO-NASS、欧共体的Galileo和中国的北斗一代、二代导航卫星系统等)。当在一些重大突发事件发生时, 为使建成的地面GPS接收系统及相应的处理系统, 能适应不断变化的国际空间技术状态、使自己不被动受制和尽可能多地获取导航定位信息, 必须采用先进的、稳定可靠的接收系统。从长远来说, 还应达到能兼容接收多个全球定位卫星星座的要求。

(4) 兼顾GPS探空的需求

GPS探空仪的高精度和简单的地面系统将使他成为未来探空仪系统的主体。在GPS探空仪中为了得到高精度的气球定位, 需要一个双频高精度GPS接收机作为参考站。作为大气水汽探测的地基GPS接收机完全能满足参考站的要求。在地基GPS水汽探测的站点确定中, 应尽可能地兼顾GPS探空仪的需求。

3.2 未来GPS气象应用的展望

未来基准站网气象应用的主要功能是生成全国范围的高时间分辨率大气可降水量场和电离层电子密度分布场。对局地中尺度GPS网, 则通过层析技术得到高时空分辨率的三维中尺度水汽场。

3.2.1 站点布局

(1) 天气尺度站点的布局是:国家级的天气尺度GPS网应作到站间平均距离约150km一个站点, 东部的站间平均距离约在100km; 西部的站间距离应不大于200km; 南海季风、印度季风和东部海上回流等水汽通道上的站网密度和一些特殊区域的站网密度应大于平均密度。

(2) 中尺度站点的布局是:中尺度GPS水汽监测站网主要服务于地方经济, 其建设也应以地方为主。各省、区、市应在地方的GPS综合应用服务网的基础上, 筹建本地区的中尺度网。为了实现水汽的层析探测, 中尺度GPS网的站间平均距离应小于40km, 有条件的地方尽可能做到站间平均距离10km。

3.2.2 数据的通讯传输

GPS站网各站的观测数据应实时或准实时地集中到省、区、市和国家的资料处理中心, 经过处理生成全国范围的大气可降水量场、电离层电子密度分布和中尺度三维水汽场, 然后再传输给中央和地方的各级气象业务部门和各方用户, 供天气分析、数值预报、灾害性天气监测、空间天气监测和大气科学研究等方面使用。此外, 根据GPS数据处理的需求, 在计算中还要引入远端站以提高解算精度。因此, 国家气象信息中心还应向各省GPS资料处理中心下发约10个左右特征站的GPS观测资料, 以供省级GPS资料处理中心选取引用。

3.2.3 GPS水汽、电离层产品的生成和应用服务

由GPS观测站点网络传到数据处理中心的观测数据, 经过数据处理软件, 生成用户需要的各种产品, GPS数据处理系统的功能是:GPS数据自动获取、数据转换及存储、GAMIT(或其他专用软件)软件数据处理、大气水汽和电离层电子浓度的计算和作业调度。其中, 数据获取模块的主要任务是收集GPS数据处理所必须的观测数据和星历及星表文件。数据转换的任务是将观测文件和气象文件进行格式转换, 变成GPS数据处理常用的RINEX格式。GAMIT等数据处理软件的任务是生成GPS信号在电离层的时间延迟和在对流层的时间延迟。应用产品生成软件的任务是根据得到的电离层延迟和天顶对流层延迟, 以及地面气象站辅助文件, 计算电离层电子密度和大气柱的水汽总量(即大气可降水量)。

以上各项任务均通过系统的时间调度作业软件, 进行资料收集、处理和存档。文件将数据按照原始文件、资料产品(包括重要处理状态文件)和产品加工图表进行三级存档。

4 结语

气象部门GPS遥感大气参数系统的建成将是我国大气探测技术现代化的标志之一, 将使我国的地球大气探测系统上升一个新的台阶。由此系统获取的高时间分辨率大气水汽探测资料将极大地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我国的空间天气预警提供重要手段; 人工增雨作业已经成为我国改善水资源短缺的一个重要手段, 实时的大气水汽探测将为我国人工增雨作业区的选择和增强作业效果提供依据。GPS遥感技术在上述诸方面的应用将使我国的防灾减灾、可持续发展上升到一个新的台阶, 从而取得重要的经济效益和社会效益。