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地基GPS遥感反演大气水汽含量应用研究 摘要：本文研究了地基GPS遥感反演大气水汽含量的应用，通过对地基GPS技术的应用，介绍了地基GPS反演大气水汽含量的原理和方法，以及在气象预报中的应用。 1. GPS反演水汽原理 全球定位系统（GPS）目前广泛应用在卫星定位、导航和授时上，它的工作原理是，仪器接收多个卫星的载波，根据卫星星历和解析载波传输时间，得到卫星载波的传输距离，利用三角定位法，计算出接收者的位置。地基GPS测量水汽的方法与GPS定位不同，它的工作原理是，当卫星载波通过大气进行传输时，会受到大气层的折射，而影响到卫星载波的传输时间，通常分为电离层延迟和对流层延迟，通过卫星星历和双频相位差分技术，可以计算出延迟时间。利用地面气象要素，通过建立静力延迟模型可以计算出天顶静力延迟，天顶对流层延迟减去天顶静力延迟可得到湿项延迟。然后分析湿项延迟与大气水汽含量的对应关系，一般为正比，湿项延迟越大水汽含量越多，从而求出大气水汽含量。 2. 降水量估算方法 大石桥市全球定位系统气象观测（GPS/MET）站建于2014年，于2015年3月正式运行。仪器设包括：水泥基座、GPS天线、信号线缆、GNSS接收机和数据应用软件，观测数据通过光纤宽带实时传到上级部门。下面以大石桥市GPS水汽站为例，介绍水汽反演方法和流程。 2.1 电离层延迟和对流层延迟 GPS遥感反演水汽的原理是基于无线电波传播学。受到大气层影响，卫星载波经过大气的电离层和对流层到达地面GPS接收机时，会产生时间延迟，这种现象主要有两个原因，射线弯曲效应和传播速度减慢效应，它们都与大气的折射差异有关。电离层延迟我们可以通过双频技术和相位差分技术消除，由于水汽主要集中在对流层，所以对流层延迟是计算水汽含量的基础。 2.2 天顶静力延迟 由于大气的不均匀分布导致大气折射差异的不均匀分布，大气折射差异使得各个卫星的延迟时间不同。另一方面，要计算水汽影响的时间延迟，我们还要得到大气处于干状态时的信号延迟时间。我们要计算延迟时间，必需要建立大气静力延迟模型。我们可以利用大气温、压、湿建立大气折射率模型，利用大气折射率模型估算静力延迟，精度能达到很高的标准。 2.3 湿项延迟和估算水汽含量 湿项延迟能够直接的反映出大气中水汽含量的多少，它是由于水汽分子对大气折射产生影响而产生，水汽分子越多湿项延迟就越大。在干大气处于较干状态时，几乎没有湿项延迟。所以湿项延迟可以很好的表示水汽含量的多少。利用国际上通用的GPS反演水汽含量公式，可以得到总水汽量与湿项延迟的比值大约为0.15。 2.4 水汽估算流程 由GPS室外天线接收GPS卫星信号，数据通过信号线缆传输到GNSS接收机上，接收机处理后，生成原始数据。得到原始数据后，可以从中得到位置信息和各个卫星信号传输延迟信息，用天顶静力模型对不同的卫星信号传输延时进行处理得到大气干延迟，用总延迟时间减去干大气延迟时间得到湿大气延迟时间，再用湿延迟与降水量建立对应的公式关系，这就是水汽估算的流程。 3. 预报应用 GPS遥感反演大气水汽含量在天气预报中被广泛应用。一是实时大气水汽含量监测，通过多个地基GPS水汽站组网，实时监测整个区域上空水汽含量。通过组网，不仅可以扩大水汽观测区域，通过多站点噪声控制方法，还可以消除系统误差与偶然误差。二是通过时间累积，利用地面气象要素，以多站点组网技术为基础，用数学建模的方法建立模型，计算出区域水汽含量累积值，为降雨预报提供理论依据。三是应用于数值模式检验，通过实时估算大气水汽含量，实时对数值预报模式进行订正，使数值预报越来越准确。 4. 结束语 随着卫星导航技术的成熟，地基GPS遥感反演大气水汽含量将会更广泛的应用到天气预报中去，成为天气预报的重要参考依据，并且能够大幅提高降水量估算的准确率指标。而在日常预报业务中，我们可以直接应用GPS水汽产品。上级部门下发的产品有原始数据、水汽产品、拼图数据三种，后两种我们可以直观的得到水汽含量，而原始数据，我们可以用自己的模型反演水汽含量。