GPS水汽反演在暴雨预报中的应用进展.docxVIP

成都信息工程大学《GPS气象学》研究报告GPS 水汽反演在暴雨预报中的应用进展姓 名： 杜 香 霖学 号： 2012045001班 级: 测 绘121 指 导 老 师：李 剑 锋摘　要加密的地基ＧＰＳ全球定位系统网具备监测中小尺度天气水汽变化的功能。利用对流层延迟与水汽之间的关系,可以建立地基ＧＰＳ水汽反演方法以获取大气可降水汽总量ＰＷＶ和斜路径水汽含量ＳＷＶ,并通过层析算法得到三维水汽分布。ＰＷＶ的时间变率、ＰＷＶ水平梯度变率和区域ＰＷＶ水汽辐合辐散量定量反映了水汽输送以及区域水汽增减,ＰＷＶ时间序列的初始峰值在暴雨临近预报中有重要的指示意义,地基ＧＰＳ网的ＰＷＶ可以作为数值天气预报模式的重要资料。不同指向的ＳＷＶ可以表征测站周围水汽的非均匀性质,ＳＷＶ和三维水汽层析可有效用于中小尺度天气的湿度分析和降水的定量预测。结合掩星ＧＰＳ和其他探测信息,ＧＰＳ/ＭＥＴ可以在暴雨监测预报中发挥更重要的作用。关键词：　ＧＰＳ　水汽　暴雨　数值预报1 引言近年来,随着GPS技术的迅猛发展,地基GPS水汽反演作为一门新兴技术取得了长足进步。GPS遥测大气的设想最早由美国学者Askne于1987年提出[1]。在随后的几年里Bevis等人进行了多次试验,证明了地基GPS水汽反演技术的可行性[2-4]。之后,其他发达国家如日本、德国、瑞典等也开始重视GPS水汽反演技术,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[5-7]。我国从20世纪90年代起开展了地基GPS气象学的研究工作,在上海、北京、香港、广州、武汉[8-12]都取得了较好的成果。在四川地区,李国平、吕弋培、殷海涛等人也做了相关的试验[13-14]。许多国家建立了GPS连续运行网络来监测大气水汽变化情况,例如美国的CORS、德国的COGPS、日本的GEONET、中国上海的SCGAN。四川地区也建立了自己的GPS网络,但此网络缺少气象观测仪器,不能提供站点的气压、温度信息,同时天顶静力学延迟模型和加权平均温度与水汽反演精度关系密切,基于上述存在的问题,进行了试验分析。确定了适合四川地区的计算ZHD模型,建立了四川地区Tm计算公式,并说明了此公式的质量,使用GPT模型(全球气压和温度模型)代替实测气象数据进行试验分析,讨论了利用GPT模型反演水汽以及预报降水的可行性。2 GPS水汽反演的计算 当确定 GPS 接收机天线位置的精密坐标时，可反向计算出 GPS 卫星信号在大气中的延迟量；此外，由于 GPS 信号在大气中的延迟量与大气的温度、湿度、气压等气象条件密切相关，因此，可以根据大气延迟量以及温度、湿度、气压等气象参数确定大气中的水汽的含量，本文的 GPS 水汽反演正是基于这一思路进行的。在 GPS 水汽反演过程中，最主要的两步： 1.大气总延迟的计算；2.大气综合水汽总量及可降水量的计算。2.1 大气总延迟的计算 GPS信号延迟分为电离层延迟和对流层延迟，相对于真空而言，路径延迟的大小取决于大气折射率。电离层延迟可用双频观测完全消除，而单频机用户只能部分消除；对流层延迟则不能利用单、双频观测消除，但可以通过模型模拟。对流层对GPS信号的两种影响表现在：一是降低信号传输的速度，其取决于大气的厚度和折射率，二是导致信号的弯曲。电磁波信号在对流层中的延迟量 ? L可用公式表示 其中：N为电磁波在大气中的折射率；H为电磁波在天顶方向经过的路径。在实际应用中，由于上述方程的参数值较难得到，为此，Saastimoinen将信号在对流层大气的总延迟分为静力学延迟和湿项延迟两个部分，前者是由于水汽分子的非极性成分对折射率的贡献，后者是由水汽分子的极性成分对折射率的贡献。即式中： 0d?L为天顶静力学延迟； 0w?L为天顶湿延迟。静力学延迟隐含着水汽的贡献，其描述模型分为理论模型和经验模型两种。对理论模型而言，靜力学天顶延迟的形式比较简单，主要是受折射率的影响。实际上不同常数的影响并不显著，如AN模型（Askne，1987），其将靜力学天顶延迟表示为： 式中：?Ld为大气干延迟；h为从测站高程Hs到GPS卫星高度其中；P为大气压（hPa）；T为大气温度（K）。经验模型主要是依赖于用纬度和高度模拟的重力加速度， Hofield将静力学天顶延迟表示为：Nd为地面干空气折射率，可用一个多项式来模拟； edH为等效高度，是地面温度的函数； Hs为站点海拔高度。 Saastamoinen则将静力学天顶延迟表示为：其中： Ps为测站表面大气压； 0f ( ?, h)是纬度和高度的函数，反映重力加速度的变化所产生的影响，可表示为： 其中：φ为接收站的纬度；h0为相对于旋转椭球体的GPS测站高度（km）。由于高空资料稀少，计算实际的静力学天顶延迟需要大气廓线资料，这是难以满足的。因此，在实际计算中多