一、绪论 3

1.1 探测水汽的重要性 3

1.2 水汽的探测方法 4

1.3 GPS水汽探测的优势 4

1.4 本课题内容 5

二、GPS解算水汽的原理与方法 5

2.1GPS信号解算PWV的原理 5

2.2干延迟 5

2.3天顶湿延迟 6

2.4总可降水量（PWV）的计算 6

2.5斜路经水汽 7

2.6水汽层析 7

三、数据和方法 7

3.1 IGS数据RINEX和SINEX文件格式 7

3.2 探空数据格式 10

3.3 IGS站与探空站坐标比对 10

3.4 精度评价标准 13

四、结果与讨论 14

参考文献 14

致谢 14

基于探空和GPS测量水汽的比较分析

倪斯琪

摘要：水汽的含量在大气中很少但是变化却很大，水汽的变化直接影响着天气的变化和降水。中国是一个自然灾害最严重的少数国家之一，探测水汽预测天气的变化能够减小自然灾害所造成的损失。同样的，在生活、学习和工作中提前预测天气会方便人们的生活，提高人们的生活质量，帮助人们安排规划行程。在探测水汽方面又拥有很多的方法，本文对其中的两种方法探空和GPS解算水汽进行了比较分析，比较分析了两种方法得出的水汽数据的精度，找出两种方法的优缺点及适用情况。

关键词：水汽探测；PWV；ZHD；ZTD；ZWD；探空；IGS；SWV；

一、绪论

1.1 探测水汽的重要性

在大气中水汽的存在是很少的一部分，但是水汽的变化会直接影响到降水和天气。水汽一般存在大气的底部，少部分存在较高地区，故此，在大气的底部存在着丰富的水汽。因此，水汽的变化非常多，影响也是很大的。水汽的存在表现不仅仅是气态，还有液态以及固态三种地球上常见的物态都有存在。水汽的这三种物态的变化会直接影响到水循环、地面以及大气的温度、大气的运动和变化。

因为水汽在大气中存在的重要性，我们要通过测量水汽的变化来了解大气的运动，天气的变化，方便人们的生活，同时往大的方面说如果有剧烈的天气变化造成的灾害如在山区出现强降雨天气可能会造成滑坡或是泥石流等自然灾害，人们还能通过对大气运动的了解来预测，避免灾害造成的大量财产损失以及人员伤亡。同样的在工作中，天气也有着重要的地位。工程的施工，包括我们测绘专业的专业测绘工作、监测工作都需要良好的天气来配合，恶劣的天气将直接影响到测量的结果。

中国是世界上自然灾害最严重的少数几个国家之一。中国的自然灾害有一下几个特点，不仅发生的灾情严重造成的损失大，而且发生的灾害种类较多，发生灾害的频率相对较高。其中水灾和旱灾占有最大比重，2016年暴雨洪涝灾害南北齐发。全国一共发生了51次的强降雨天气，平均的降雨量是自1951年以来最多的一次(稍稍高于1998年)；在梅雨降雨期间，长江中下游的降水量会比平时高出一半以上，而且在长江和太湖流域均发生了特大洪水。在南北方多个城市有严重的内涝发生，均是由于在七月份出现的强降雨天气造成的，这次强降雨天气给人们的生活和生命财产安全都造成了严重的影响。

目前中国气象局每天能够接受超过1000个台站的GPS观测数据，他们为基于GPS探测水汽提供了丰富的数据来源。站网数量的急速膨胀急需我们对GPS探测水汽进行总体精度评价。该项工作可以促进GPS水汽用于数值天气预报，提高灾害监测能力和预报水平。

探测水汽在现代社会来说是一件不可或缺的工作，但是增强探测的精度，提高天气预报的准确度就是目前探测水汽的主要工作。

1.2 水汽的探测方法

探测水汽一般有三种方法。

第一种是探空仪测水汽，这是一种比较常规的基础探测手段。探空仪是以300-400m/s的速度上升，而且探空仪是不可能在某一高度停下来的，这就说明了探空仪是一个一次性的用品。这要求了在生产方面，探空仪要在保证采集数据的准确性的同时，再保证生产成本的经济性。由于探空仪采集的数据均为相对值，这要求了在使用探空仪之前，要讲探空仪与所处环境的绝对值联系起来做一个“基值测定”以保证所记录的数据的准确性和方便后期的数据处理。这些因素都将影响到观测精度，造成了探空测量比地面测量精度低的一种状况。在探空气球上升的过程中轨迹也会对测量结果做成影响，因为气球不可能一直沿着直线上升，而恰恰我们测量水汽是需要知道某一点在垂直高度上的气象要素变化。探空气球所采集的并不是一个点垂直高度上的气象数据，这就造成了我们的实验误差。

第二种是卫星探测水汽。卫星探测水汽的基本方式是微波辐射计(如NOAA的AMSU)，近红外和热红外波段探测。微波辐射计是一种运用微波来测定水汽的仪器。它可以一天24小时不停的工作，相比于利用可见光和红外遥感测定水汽的仪器在工作时间上有着显著的优势，可见光只可以在白天工作而红外线虽然可以全天工作，但是遇见阴雨天则不能透过云雾测定，工作受环境影响较大。微波辐射计却可以不受环境影响，在各种各样的环境中进行大气的水汽探测，大多用于自动天气站的反演完整的大气廓线，并将反演的数据结果全部保存。

第三种是GPS探测水汽，GNSS简称全球导航卫星系统，包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国COMPASS和欧盟GALILEO。GNSS技术为探测大气水汽提供了一种新的手段，它具有实时连续性、不受天气状况影响、价格经济和精度高等特点，是传统大气水汽观测手段的有力补充，被公认为世纪探测大气水汽的最具潜力技术。^[1]

1.3 GPS水汽探测的优势

水汽无时无刻不处于变化之中，也就是说我们需要一天24小时都对他进行监测。同时我们还不能因为监测是长时间而放弃对测量数据精度的高要求，我们需要的是精度高的同时又具有高空间分辨率的全天的水汽数据。

一般的测量方式无法满足这样的要求。但是微波辐射计在价格昂贵的同时，同样的不能满足水汽检测的高空间分辨率和全天候的要求。如果使用探空仪进行探测，每次探测均需放出探空气球，探空气球是一次性的设备导致了探测成本大，并且探空气球上升测量的不是同一时间垂直高度上的气象数据，偏差较大，空间分辨率低。并且在我国境内仅有120个探空站，探空站的站数偏少，测量的数据就不能满足高空间分辨率的这一要求。如果采用卫星数据解算可降水量的话，由于卫星可以提供全天24小时的气象数据，具有一定的高时空分辨率，但是卫星的观测对天气的要求较高，必须晴朗无云，但是这种天气是很少的，这就造成了卫星观测的数据无法穿透云层只能测量到云顶以上的水汽含量。并且卫星的准确度偏低，还需要继续提高准确度。

但是GNSS探测水汽技术是一种新的探测水汽的手段，它具有高空间分辨率的特点，并且可以全天候的、连续的、实时的探测数据。这种手段不受天气环境的影响均可进行探测，是一种经济适用的探测水汽的新手段。

1.4 本课题内容

本课题主要研究内容为研究对探空数据与GPS数据测量的水汽的精度进行一个分析对比，找出相对较好的方法，以及他的优点和两者对比的差距。

本研究将会选取三月份国内的探空站的数据与IGS的气象数据，通过计算出的PWV和探空站的PWV数据进行比较。研究探空站PWV与IGS气象数据计算出的PWV的差别与变化，根据数据对其原因进行探讨，并对这两种探测方法的优点和缺点进行探讨，和对使用情况进行一个探讨。

二、GPS解算水汽的原理与方法

2.1GPS信号解算PWV的原理

GPS信号在穿越大气层过程中，会发生信号的弯曲和延迟（m）。在气象领域，大气延迟可以作为有用的信息来反演大气要素。

GPS反演大气可降水量的原理是：GPS信号穿过大气层的过程中发生的信号延迟是可以被地面上的接收机接收到并进行解析的。其中干空气的延迟量可以用地面气压（Pa）和温度(Ts)获取；总延迟(ZPD)减去干空气的贡献可以获取水汽对大气延迟的贡献，通过建立水汽含量与延迟量的关系，就可以测定接收机上空大气垂直气柱中的总的水汽含量（PWV）。

2.2干延迟

干延迟主要是由对流层引起的，相对于湿延迟，干延迟只与温度、气压等气象要素有关，且变化较为规律，可以以较高的精度求出。干延迟量可以通过通用模型计算而得，也可以通过探空数据计算出不同高度层的干延迟量进而叠加，这种方法可以精确求出干延迟值。^[11]

利用通用模型可以在只知道少量高空气象数据的情况下求取到天顶干延迟。

通用模型有很多，主要有三种模型，分别是Saastamoinen模型、Hopfield模型、Black模型。这三种都是比较常见到用于求取天顶干延迟的模型。下面我就给大家简单介绍这三种模型。

第一种是Saastamoinen模型，这种模型主要适用于测站的地面温度未知的情况下。

（1）

（2）

利用SAAS这个模型求取到的天顶干延迟ZHD的单位是cm。

在模型的公式中Ps是地面气压，单位是mbar；是地面GPS接收机的纬度，单位是弧度；h为接收机的大地高，单位为km。而函数则反映了重力加速度随着地理位置和大地高的变化的变化关系。

第二种模型则是Hopfield模型，这种模型适用于已经知道了中性大气层的高程的情况下求取天顶干延迟，用这个模型解算天顶干延迟的时候只与测站的温度有关。此模型的公式如下：

（3）

（4）

利用Hopfield模型解算天顶干延迟时，天顶干延迟ZHD的单位为cm；h为中性大气层的顶部比打的水平面高出的有效高度，单位为m；H代表的是测站的大地高程，单位为m；Ps是地面气压，单位为hpa，hpa=mbar；Ts是测站上的绝对温度，单位为K。

第三种通用模型也是本文中选用的模型是Black模型。这种模型在解算天顶干延迟的时候只需要已知地面测站的气象数据就能进行解算。公式如下：

（5）

利用black模型解算的天顶干延迟的单位同样的是cm。

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