1、引言

水汽是大氣的基本參量。衛(wèi)星探測水汽含量的基本方式是用微波輻射計(jì)(如NOAA的AMSU)，近紅外和熱紅外波段探測,而地基GPS遙感大氣水汽技能是九十年代發(fā)展起來的一種全新的大氣觀測手腕。它應(yīng)用地基高精度GPS接管機(jī)，通過測量GPS信號(hào)在大氣中濕延遲量的大小來遙感大氣中水汽總量。下面首先介紹一下其原理。

2、探測水汽的原理和方式

GPS技能通過觀測GPS衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)紾PS接管機(jī)的時(shí)間來測量接管機(jī)天線的地位，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過大氣層時(shí)，要受到大氣的折射而延遲，將該延遲量作為待定參數(shù)引入到觀測模型和解算方案中，逐項(xiàng)斟酌誤差起源和肅清法子，精密的大氣延遲量（毫米級(jí)）可以與定位參數(shù)一同求解出來。大氣延遲量可劃分為電離層延遲、靜力延遲和濕項(xiàng)延遲。通過采納雙頻技能，可以將電離層延遲幾乎完整肅清。靜力延遲與地面觀測量（氣壓）具有很好的相干，可以訂正到毫米量級(jí)。這樣就得到了毫米量級(jí)的濕項(xiàng)延遲。濕項(xiàng)延遲與水汽總量（PW）可創(chuàng)造嚴(yán)格的正比關(guān)系，準(zhǔn)確的水汽總量就求解出來。應(yīng)用MIT的GAMIT軟件進(jìn)行解算。軟件請(qǐng)求試驗(yàn)采納雙頻載波相位觀測，應(yīng)用差分法以肅清源于衛(wèi)星鐘和接管機(jī)鐘的誤差，同時(shí)可采納“軌道松弛法”，以對(duì)軌道的準(zhǔn)確度進(jìn)行修改和調(diào)解。此外還有反演方式即：應(yīng)用接管更高空之GPS衛(wèi)星發(fā)出來的訊號(hào)，強(qiáng)度與路徑的變化，反推出電離層電漿密度的三維空間散播“照片”，以及大氣的水汽的三維空間散播。

采納載波相位觀測產(chǎn)生的重要難題是載波相位的整周未知數(shù)N0的出現(xiàn)。N0一般采納“三差法”來判斷，即不僅通過同一接管機(jī)對(duì)兩顆衛(wèi)星求差來肅清接管機(jī)鐘差和同一衛(wèi)星對(duì)不同的接管機(jī)求差來肅清衛(wèi)星鐘差，還通過繼續(xù)觀測歷元的求差來判斷整周未知數(shù)N0。這就請(qǐng)求不同觀測歷元的衛(wèi)星仰角要有必然的變化，而在這個(gè)變化期內(nèi)（如15～30min），假設(shè)大氣特點(diǎn)或變化率堅(jiān)持定常，在觀測站局地上空水平均一或球面分層均一，大氣延遲未知量大致遵守secθ（θ為衛(wèi)星天頂角）的映射函數(shù)而變化。這決定了GPS遙感大氣的時(shí)間辨別率。

通過地面GPS水汽遙感監(jiān)測，可以獲得很高時(shí)空辨別率、達(dá)到毫米精度的水汽資料，以補(bǔ)充探空資料在時(shí)間空間辨別率上的不足，供應(yīng)快速變化的信息。這種信息通過資料的四維同化，對(duì)改進(jìn)中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式精度，進(jìn)步預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有很好的應(yīng)用遠(yuǎn)景。而要了解GPS探測水汽的原理和方式，要了解一下大氣構(gòu)造、延時(shí)以及延時(shí)和降水的關(guān)系。

3、大氣的構(gòu)造

地球大氣按溫度隨高度的變化，由地表向上，依次分為對(duì)流層、平流層、中流層和熱層。對(duì)流層緊鄰地表，其中溫度隨高度增長而降低，平均每升高1公里約減少6.5℃，至對(duì)流層頂溫度降到極小值。對(duì)流層中的對(duì)流運(yùn)動(dòng)顯著，是熱量鉛直輸送的重要把持因子，云和降水重要產(chǎn)生在這一層。對(duì)流層頂?shù)母叨仍诔嗟赖赜蚣s18公里，中緯度地域約12公里，極地地域約8公里。

平流層位于對(duì)流層之上，平流層頂高離地表約50公里。平流層中的臭氧層吸收太陽紫外輻射，是使這層大氣溫度隨高度增長而上升的重要因子。這層大氣溫度層結(jié)非常穩(wěn)固，其中的熱量輸送以輻射傳輸為主。

中流層位于平流層之上，中流層頂離地表約85公里，層內(nèi)溫度隨高度增長而下降。熱層位于中流層之上，熱層頂離地表約500公里。這層大氣由于吸收太陽紫外輻射，溫度隨高度增長而上升。熱層頂以上為外逸層，那里大氣已極稀薄，每立方厘米不到一千萬個(gè)原子(海平面處每立方厘米約一百億億個(gè)原子)。

地球大氣按組分狀況可分為勻和層和非勻和層。高地表約35公里高度以下為勻和層，層內(nèi)的大氣組分比例相同，平均分子量為常數(shù)。約110公里高度以上為非勻和層，層內(nèi)大氣組分按重力辨別后，輕的在上，重的在下，平均分子量隨高度增長而減小。離地表95～110公里為勻和層到非勻和層的過渡層。

地球大氣按電磁特點(diǎn)可分為中性層、電離層和磁層。由地表向上到60公里高度為中性層。離地表60公里到500～1000公里高度為電離層。離地表500—1000公里以上為磁層。電離層能反射無線電波，對(duì)電波通訊極為重要。磁層是地球大氣的最外層，磁層頂是太陽風(fēng)動(dòng)能密度和地磁場能密度相平衡的曲面。

4、天頂方向的延時(shí)

電離層和中性大氣都會(huì)造成GPS信號(hào)的傳布延時(shí)。電離層可以判斷并加以肅清，通常把水汽折射率的偶極分量從水汽和大氣中其他成分的折射率的非偶極分量中離開來單獨(dú)處理，較大的部分與地面氣壓有關(guān)稱為“流體靜力學(xué)延時(shí)”，較小的部分與水汽散播有關(guān)稱為“濕延時(shí)”。

靜力延遲在自上傳輸至1000hPa時(shí)大約有230cm。假設(shè)靜力平衡，地面氣壓觀測有0.5hPa的精度，這項(xiàng)延遲可被估計(jì)到好于1mm(見公式(1))。由于靜力平衡引入的誤差依賴于實(shí)際的風(fēng)場和地勢，一般為正常情形的0.01%，對(duì)應(yīng)0.2mm的天頂距極端情形也只能引起幾毫米的誤差。采納Elgered等人的天頂流體靜力學(xué)延遲公式：

Zh=[(2.2779+0.0024mmhpa-1)]P0/f(λ,H)（1）
其中P0為地面氣壓,f(λ,H)=(1-0.00266cos(2λ)-0.00028H),λ為地理緯度，H為測站海拔高度。由于天氣觀測站和GPS觀測站有必然距離和海拔高度差，將天氣站的氣壓按實(shí)際探空觀測的壓高變率訂正為GPS站的氣壓。

從中性天頂延遲中減去靜力天頂延遲項(xiàng)而得到濕項(xiàng)天頂延遲，其數(shù)值大約為0～40cm，濕延時(shí)重要是大氣水汽極化作用造成的，但是它不是水汽造成的唯一的延時(shí)。對(duì)流層站了整個(gè)流體靜力學(xué)延時(shí)的75%，整個(gè)延時(shí)的第二部分為濕延時(shí)△LW,天頂方向濕延時(shí)為：

△L0W=ZWD=10-6[k2’∫(Pv/T)dz+k3∫(Pv/T2)dz]（2）
其中k2’=（17+10）Kmbar-1沿天頂方向路徑積分，延時(shí)單位為z，近似等于下式
△L0W=（0.382+0.004）k2mbar-1∫(Pv/T2)dz(3)
濕延時(shí)幾乎整個(gè)產(chǎn)生在對(duì)流層，大部分產(chǎn)生在對(duì)流層低層。測量濕延時(shí)的時(shí)候必須施放探空儀或應(yīng)用水汽輻射儀，或通過GPS、甚長基線干涉儀本身的數(shù)據(jù)的隨機(jī)的或其它情勢的參數(shù)推導(dǎo)出來。垂直方向水汽總含量與天頂方向濕延時(shí)之間的近似關(guān)系可以推導(dǎo)出來，大氣加權(quán)“平均溫度”Tm定義為

Tm=[∫(Pv/T)dz]/[∫(Pv/T2)dz]（4）
斟酌（2）、（4）式和水汽狀況方程可得水汽總含量：
IWV=∫ρvdz=K△L0W(5)
其中△L0W為天頂濕延時(shí)，K為常數(shù)：
1/K=10-6(k3/Tm+k2’)Rv（6）
Rv是水汽的比氣體常數(shù)。

應(yīng)用隨機(jī)濾波和其它統(tǒng)計(jì)技能可以從GPS數(shù)據(jù)中提取天頂濕延時(shí)，而從天頂濕延時(shí)又可以估計(jì)水汽總含量（IWV），（見式5）這種方式從給定的GPS接管機(jī)記錄數(shù)據(jù)中提取出來的水汽總含量，可用于該GPS站鄰近地域，如果有足夠密集的接管機(jī)網(wǎng)絡(luò)，就可以得到水汽總含量的散播圖。

5、延時(shí)和降水的關(guān)系

接管機(jī)上方垂直方向水汽總量表示為可降水分（PW），即等效液體水柱的高度，這個(gè)量和接管機(jī)地位的ZWD有關(guān)，因此有：
Pw=П*ZWD(7)
這里ZWD單位為長度，П為比例系數(shù)。
ρ是水的密度，Rv是水汽的氣體常數(shù)，Tm是大氣的溫度加權(quán)平均，其定義見式（4），
П=106/ρ*Rv[k3/Tm+k2’]（8）
k2’=k2-mk1(9)
m為Mw/Md是水汽質(zhì)量與空氣干質(zhì)量之比，k1、k2、k3是常用的大氣折射率N表達(dá)式中的三個(gè)物理常量
N=k1Pd/T+k2Pv/T+k3Pv/T(10)
Pd、Pv辨別為干空氣和水汽的氣壓，T為絕對(duì)溫度。

在理論上可以綜合以上的式子推導(dǎo)出降雨量但實(shí)際上常常存在必然的誤差的，由GPS資料判斷綜合水汽或可降水份時(shí)，其誤差重要起源于三個(gè)方面：一是測定天頂濕延遲的誤差；二是轉(zhuǎn)換因子的誤差；三是轉(zhuǎn)換模型本身的誤差。為了判斷大氣中的水汽含量，對(duì)轉(zhuǎn)換因子的求定是非常癥結(jié)的，而轉(zhuǎn)換因子的相對(duì)精度等同于平均溫度Tm的相對(duì)精度。因此應(yīng)用地面天氣參數(shù)來推算實(shí)用于相應(yīng)地域、相應(yīng)時(shí)間的準(zhǔn)確的Tm是GPS天氣學(xué)一項(xiàng)重要的工作。而且當(dāng)GPS發(fā)出的信號(hào)穿過大氣層中對(duì)流層時(shí)，受到對(duì)流層的折射影響，GPS信號(hào)要產(chǎn)生曲折和延遲，其中信號(hào)的曲折量很小，而信號(hào)的延遲量很大，通常在2.3m左右。因此在GPS精密定位測量中，大氣折射的影響是被當(dāng)作誤差源而要盡可能將它的影響肅干凈凈。

6、停止語

眾所周知，全球平均溫度和水汽是全球天氣變化的兩個(gè)重要指標(biāo)，與當(dāng)前傳統(tǒng)探測方式相比，GPS天氣觀測系統(tǒng)可以穩(wěn)固地供應(yīng)高精度和高垂直辨別率的溫度輪廓線。由于應(yīng)用GPS技能遙感大氣中的水汽含量費(fèi)用低廉，時(shí)效性好，如果與傳統(tǒng)的天氣學(xué)手腕相聯(lián)合，其應(yīng)用遠(yuǎn)景將是非常寬闊的。