GPS在气象信息测量中的应用.ppt

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1、GPS在气象信息测量中的应用在气象信息测量中的应用GPS在气象信息测量中的应用在气象信息测量中的应用n n前言n nGPS技术的概述n nGPS气象学n nGPS在气象信息测量中的实例n n总结前前 言言 1957年10月，世界上第一颗人造卫星的发射成功，标志着空间科学技术的发展跨入了一个崭新的时代。随着人造地球卫星的不断发射，利用卫星进行定位测量及导航成为现实。为满足军事及民用部门对连续实时三维导航的需求，1973年美国国防部开始建立新一代卫星导航系统，即目前的“授时与测距导航系统/全球定位系统”，通常称为全球定位系统（GPS）。GPS技术的概述技术的概述一一.定义定义n nGPS是通过接收

2、和解译人造卫星所发射的电波信号来确定测站点位置的测量定位系统。二二二二.GPS.GPS定位的特点定位的特点定位的特点定位的特点1.1.定位时间短。定位时间短。2.2.定位精度高。定位精度高。3.3.野外观测时不受天气条件以及作业时间的限制。野外观测时不受天气条件以及作业时间的限制。4.4.无需考虑观测点之间的通视情况。无需考虑观测点之间的通视情况。5.5.应用范围广。应用范围广。n n缺点缺点缺点缺点（1 1）.在地下（如隧道、矿井内）、海底及建筑物在地下（如隧道、矿井内）、海底及建筑物内不能应用；内不能应用；（2 2）.在高大建筑物近旁会受到干扰。在高大建筑物近旁会受到干扰。三三.系统组成系

3、统组成n nGPS系统主要由三大部分组成：卫星星座（空间部分）、地面监测系统（地面部分）和GPS接收机（用户设备部分）。GPS气象学气象学n nGPSGPS气象学：气象学：气象学：气象学：GPS GPS技术经过技术经过技术经过技术经过2020多年的发展，其应用研究及多年的发展，其应用研究及多年的发展，其应用研究及多年的发展，其应用研究及应用领域得到了极大的扩展，其中一个重要的应应用领域得到了极大的扩展，其中一个重要的应应用领域得到了极大的扩展，其中一个重要的应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。利用用领域就是气象学研究。利用用领域就是气象学研究。利用用领域就是气象学

4、研究。利用GPSGPS理论和技术来理论和技术来理论和技术来理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论遥感地球大气，进行气象学的理论遥感地球大气，进行气象学的理论遥感地球大气，进行气象学的理论 和方法研究，和方法研究，和方法研究，和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，叫做叫做叫做叫做GPSGPS气象学（气象学（气象学（气象学（GPS/MET eorology,GPS/MET eorology,简写为简写为简写为简写为GPS/METGPS/MET）。）。）。

5、）。GPSGPS气象学的研究于气象学的研究于气象学的研究于气象学的研究于8080年代后期最年代后期最年代后期最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，先在美国起步，在美国取得理想的试验结果之后，先在美国起步，在美国取得理想的试验结果之后，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其他国家如日本等也逐步开始其他国家如日本等也逐步开始其他国家如日本等也逐步开始GPSGPS在气象学中的在气象学中的在气象学中的在气象学中的研究。研究。研究。研究。n nGPS GPS 系统的卫星发射的讯号（电磁波）在达到接收点前要系统的卫星发射的讯号（电磁波）在达到接收点前要穿

6、过大气层穿过大气层.而电磁波在大气中要降低速度。所以卫星讯号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要经过订正才符合实际.这种订正不仅与干空气有关，还与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。在大气中的电子浓度、水汽的含量有关。在2020世纪世纪9090年代初，年代初，就提出了一个反问题：利用就提出了一个反问题：利用GPSGPS接收点收到的讯号反算出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气中水汽含量（也称为可降水量）对

7、气象预告和气候分析十分有价值，而十分有价值，而GPSGPS又可以随时进行观测。所以用位置固又可以随时进行观测。所以用位置固定点的定点的GPSGPS接收设备测量大气的水汽量就成为新型的气象接收设备测量大气的水汽量就成为新型的气象仪器仪器.在世纪之交，用在世纪之交，用GPS GPS 测量大气水汽的观测网逐步形成测量大气水汽的观测网逐步形成.GPS.GPS气象学就是利用气象学就是利用GPSGPS接收讯号测量分析大气状况的知接收讯号测量分析大气状况的知识体系。识体系。n nGPS气象学内容：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

8、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。n n大气温度、大气压、大气密度和水汽含量等量值是描述大大气温度、大气压、大气密度和水汽含量等量值是描述大气最重要的的参数。无线电探测、卫星红外线探测和微波气最重要的的参数。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。但是它们与们与GPSGPS手段相比，具有明显的局限性。无线电探测器法手段相比，具有明显的局限性。无线电探测器法虽然观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不均匀，虽然观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不

9、均匀，在海洋上几乎没有数据。而被动式的卫星遥感技术虽然可在海洋上几乎没有数据。而被动式的卫星遥感技术虽然可以获得较好的全球覆盖率和较高水平的分辨率，但垂直分以获得较好的全球覆盖率和较高水平的分辨率，但垂直分辨和时间分辨率很低。利用辨和时间分辨率很低。利用GPSGPS手段来探测大气的优点是：手段来探测大气的优点是：它可以覆盖全球、费用低廉、精度高、垂直分辨率高。根它可以覆盖全球、费用低廉、精度高、垂直分辨率高。根据据19951995年年4 4月月3 3日美国发射的用于日美国发射的用于GPSGPS气象学研究的气象学研究的MicrolablMicrolabl低轨卫星的早期结果显示，对于干空气，在从低

10、轨卫星的早期结果显示，对于干空气，在从57km57km至至3540km3540km的高度上，所获得的温度可以精确到的高度上，所获得的温度可以精确到1.01.0之内。正是这些优点使得之内。正是这些优点使得GPS/METGPS/MET技术成为了大气遥感技术成为了大气遥感最有效的方法之一。最有效的方法之一。n nGPSGPS气象学分类：气象学分类：1.1.地基地基GPSGPS气象学（气象学（ground-based GPS/METground-based GPS/MET）地基地基GPSGPS气象学是将气象学是将GPSGPS接收机安放在地面上，就同常规接收机安放在地面上，就同常规的的GPSGPS测量一

11、样，通过地面布设测量一样，通过地面布设GPSGPS接收机网的测量结果接收机网的测量结果来估计一个地区的气象元素。来估计一个地区的气象元素。2.2.空基空基GPSGPS气象学（气象学（space-based GPS/METspace-based GPS/MET）空基空基GPSGPS气象学就是利用安装在低轨卫星上的气象学就是利用安装在低轨卫星上的GPSGPS接收机接收机来接受来接受GPSGPS信号，当信号，当GPSGPS信号与信号与LEOLEO卫星上的卫星上的GPSGPS接收机接收机天线经过地球上空对流层时天线经过地球上空对流层时GPSGPS信号会发生折射，这一测信号会发生折射，这一测量大气折射的

12、方法叫做掩星法。该方法是通过对含有折射量大气折射的方法叫做掩星法。该方法是通过对含有折射信息的数据进行处理，可计算出大气折射量，从而估计出信息的数据进行处理，可计算出大气折射量，从而估计出气象元素的大小。气象元素的大小。n nGPS/MET的应用前景：GPS/MET探测数据具有覆盖范围广、垂直分辨率高、数据精度高和长期稳定的特点，对它的研究将对天气预报、气候和全球变化监测领域产生深刻的影响。n n天气预报天气预报 由于数值天气预报（由于数值天气预报（NWPNWP）模式必须用温、压、湿和风的）模式必须用温、压、湿和风的三维数据作为初值，而目前提供这些这些初始化数据的探三维数据作为初值，而目前提供

13、这些这些初始化数据的探测网络的时空密度极大限制了预报模式的精度。无线电探测网络的时空密度极大限制了预报模式的精度。无线电探空资料一般只在大陆地区存在，而在重要的海洋区域，资空资料一般只在大陆地区存在，而在重要的海洋区域，资料极为缺乏。即使在大陆地区，探测一般也只是间隔料极为缺乏。即使在大陆地区，探测一般也只是间隔1212小小时进行一次。虽然目前气象卫星资料可以反演得到温度轮时进行一次。虽然目前气象卫星资料可以反演得到温度轮廓线，但这些轮廓线有限的垂直分辨率使得它们对预报的廓线，但这些轮廓线有限的垂直分辨率使得它们对预报的影响相当小。而影响相当小。而GPS/METGPS/MET观测系统可以全天候

14、的全球探观测系统可以全天候的全球探测，加上观测值的高精度和高垂直分辨率，使得测，加上观测值的高精度和高垂直分辨率，使得NWPNWP精度精度提高成为可能。这样，可以提高数值天气预报的准确性和提高成为可能。这样，可以提高数值天气预报的准确性和可靠性。可靠性。n n气候的全球变化监测气候的全球变化监测 全球平均温度和水汽是全球气候变化的两个重要全球平均温度和水汽是全球气候变化的两个重要指标。与传统的探测方法相比，指标。与传统的探测方法相比，GPS/METGPS/MET按测系按测系统能够长期稳定地提供相对高精度和高垂直分辨统能够长期稳定地提供相对高精度和高垂直分辨率的温度轮廓线，尤其是对流层顶部和平流

15、层下率的温度轮廓线，尤其是对流层顶部和平流层下部区域。特别应该指出的是，从部区域。特别应该指出的是，从GPS/METGPS/MET数据计数据计算得到的大气折射率是大气温度、湿度和气压的算得到的大气折射率是大气温度、湿度和气压的函数，因此可以直接利用大气折射率来监测全球函数，因此可以直接利用大气折射率来监测全球的气候变化。的气候变化。n n其他应用其他应用 由于由于GPS/METGPS/MET观测数据可以足够的时空分辨率来观测数据可以足够的时空分辨率来提供全球电离层映像，这将有助于大气动力过程提供全球电离层映像，这将有助于大气动力过程及其与地气过程关系的研究。例如，重力波使中及其与地气过程关系的

16、研究。例如，重力波使中层大气与电离层之间进行能量和动量交换，通过层大气与电离层之间进行能量和动量交换，通过测量测量LEOLEO卫星和卫星和GPSGPS卫星之间信号路径上的电子卫星之间信号路径上的电子含量（含量（TECTEC）来追踪重力波。）来追踪重力波。GPS/METGPS/MET提供的温度轮廓线还可以用于其他提供的温度轮廓线还可以用于其他卫星系统数据中，如臭氧（卫星系统数据中，如臭氧（OO3 3）的遥感系统中需）的遥感系统中需要提供精确的温度轮廓线，利用要提供精确的温度轮廓线，利用GPS/METGPS/MET数据可数据可以很好地满足这一要求。以很好地满足这一要求。GPS在气象信息测量中的实例在气象信息测量中的实例