论文总字数：15904字

目 录

1 引言 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状及应用发展 1

1.2.2 国内研究现状及应用发展 2

1.3 未来研究发展方向 3

1.4 本文主要研究内容 3

2 基本原理 4

2.1 对流层延迟 4

2.2 使用探空资料直接计算总延迟 5

2.3 使用地面观测值估算静力延迟 5

2.4 使用地面观测值估算湿延迟 6

2.5 对流层延迟的经验模型 6

3 资料与方法 7

3.1 对流层延迟数据 7

3.2 地面数据与计算方法 7

3.3 探空数据 8

4 结果与讨论 8

4.1 对流层延迟与地面气象要素的相关性 8

4.2 两种模型的对比与分析 9

4.3 探空数据分析 11

4.4 小结与讨论 12

5 结论 13

参考文献 14

大气微波时延与气象要素关系研究

凌于翔

, China

Abstract：Tropospheric delay of microwaves is one of the main factors that affect the accuracy of microwave surveying, and is particularly significant in GPS positioning. At present, there are many theoretical studies on the microwave signal delay in the troposphere. A new discipline is formed, called GPS meteorology. The main research contents of this article are:

1. Derived the correlation between GPS tropospheric delay and meteorological elements from statistical data;
2. Established a calculate model between GPS tropospheric delay and meteorological elements, which is of certain accuracy, basing on the theory of GPS meteorology;
3. Discussed the possibility of application for microwave delays on the remaining bands.

Key words：Tropospheric delay; Meteorological Elements; GPS/MET

引言

研究背景

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems，简称GNSS），如美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的GALILEO系统和我国的北斗系统，可以提供覆盖全球的地理空间定位信息。由地面（或空基）接收机收集轨道卫星发射的伪距和相位信号，经过检测、解码和处理后，可以确定接收机的三维位置并计算精确时间。该系统不受时间和地点影响，可以实时提供全方位的三维定位信号，应用领域非常广阔。

GPS卫星发射的微波信号在穿越对流层大气时受到折射，会引起传输路径和传播时间的改变。由于信号延迟和大气参数之间有很好的相关性，因而可以通过一套反演理论得到大气的温度、气压、水汽压等参数，研究对流层大气。由此，产生了一门由卫星动力学、大地测量学和气象学交叉派生出的新兴边缘学科，被称为GPS气象学（GPS Meteorology，简称GPS/MET）。

根据GPS接收机所处的位置不同，形成了多种不同的GPS气象学技术方法。GPS接收机被设置在地面上接收微波信号探测大气参数的方法被称为地基GPS气象学（Ground-based GPS/MET）；GPS接收机被设置在低轨卫星上，接收另一个GPS卫星发出的信号，利用地球边缘的临边效应，通过信号的掩星过程来分析大气剖面，该种方法被称为空基GPS气象学（Space-based GPS/MET）或GPS掩星技术（Radio Occultation）。地基GPS/MET主要用来监测中性大气水汽总量、斜径水汽含量以及水汽三维分布等信息[1-2]；GPS掩星技术主要用来获得大气温度、压力和湿度等参数的详细剖面以及电离层电子密度剖面等信息[3]，可以用于气候研究、通信工业等多个领域。

由于GPS观测资料具有时空分辨率高、精度高、无需仪器标定以及经济高效等特点，，使它受到了极大重视。GPS/MET在近十几年很快发展成为应用潜能极大的重要领域，被广泛应用于大气探测、天气预报、空间天气与电离层监测、全球气候变化监测以及数值天气预报模式等的研究中。目前，在GPS气象学中，GPS遥感大气水汽技术的理论和业务应用最为成熟，因为它非常易于在气象业务中推广和使用。它是在20世纪90年代兴起并迅速发展、极具潜力和实用价值的大气探测新方法。

国内外研究现状

国外研究现状及应用发展

1992年，美国Bevis等人提出了基于地基GPS技术估算大气水汽含量的理论[2]。同时，美国经过多次地基GPS实验表明，GPS估算得到的水汽量与微波水汽辐射计的观测值之间误差很小，均方根误差仅为1.5mm，偏差小于0.5mm，精度也与微波辐射计相当。同时，在与无线电探空系统的对比中，这种精度的可靠性也值得肯定，证明了GPS技术的可行性。21世纪初，美国NOAA预报系统实验室建成了世界上第一个用于遥感大气水汽的地基GPS观测网，该观测网由357个站点组成。目前，美国NASA/JPL已经研究出了几种准实时解算GPS数据并转化为比较精确的大气水汽总量的方法，并开始发展投入数值预报等业务应用中的地基GPS观测网。

20世纪90年代中期，日本地理测量院开始布设涵盖全国的GPS观测站网，现已有1200个站点，是世界上最大、最密集的用于地球科学研究的GPS观测网。该观测网的空间分布与日本气象厅（JMA）的气象数据自动获取系统的空间分辨率相当，非常有利于大地测量学与GPS气象学的交叉研究。以此为基础，辅以现代化的数值天气预报系统，使得当前日本在世界地基GPS气象学的研究进展和应用发展中处于领先地位。

从1999年开始，欧洲有15个国家联合进行了地基GPS永久跟踪站网的建设，用于数值天气预报的研究。其中德国是较早重视GPS气象学的国家之一，在地基GPS和空基GPS方面都作了许多探讨，开展了业务应用方面的实质性工作。目前，在欧洲有近100个GPS站将其观测数据传递给数据中心，每10-20分钟即可完成一次资料分析，每小时可以提供一幅反演的水汽分布图。

1992年，美国发起了利用GPS低轨卫星主动遥测地球大气的代号为GPS/MET的计划。1995年，该计划发射了第一颗GPS低轨实验小卫星，并成功证明了利用临边探测技术观测地球大气的可行性。为获得足够多的地面掩星观测资料，世界多国均开始了GPS小卫星的发射计划。目前，已实施和发射的GPS低轨卫星计划有：德国CHAMP，丹麦ORSTED，阿根廷SAC-C，澳大利亚FEDSAT卫星，南非SUNSAT，巴西EQUARS卫星，欧盟和欧空局的全球大气气候探测计划，日本的“精密卫星定位在探测地球环境的应用”计划，以及台湾和美国合作的COSMIC计划等。现在，空基GPS气象学的研究方向主要集中于空基GPS观测反演处理技术，机载掩星电离层监测技术和空基GPS资料的同化应用等方面。

国内研究现状及应用发展

GPS气象学在我国的研究及应用经历了三个阶段：20世纪90年代中期为前期预研，20世纪90年代后为科学实验，21世纪初开始建立业务试验网，现在已经开始迈向地基GPS全面业务化应用阶段。[4]

20世纪90年代中期，上海天文台利用国内分布的23个GPS测站及周边地区的6个IGS的永久跟踪测站组成了试验网，开展了地基GPS气象学在恶劣天气中的应用研究，初步证明GPS观测网测得的可降水量与无线电探空结果之间的平均误差为3-4mm。之后，又有多位学者通过研究得出，地面GPS网获得的可降水量值时间分辨率高、精度高，且与降雨过程良好对应。20世纪90年代末开始，国内的一些重大科学实验观测计划中，都把GPS水汽观测作为实验内容之一。2001年中国气象局研究了水汽观测的业务化技术要求，为地基GPS观测数据投入业务应用打下了基础。以上多次GPS水汽遥感的试验性工作极大的推动了我国地基GPS观测技术的进步，并推动其由研究、实验向业务方向发展。

21世纪初期，在国家重大科学工程项目的支持下，在全国范围内建成了国家地基GPS观测网一期工程“中国地壳运动观测网络”，这虽然不是专门服务于气象部门的GPS水汽观测网，但是可以利用它来持续获得全国范围内的水汽资料。之后，全国各地也陆续开始了GPS综合观测网的建设。上海市天文台、测绘院和气象局等部门共同建设了上海地区GPS综合应用网，包含了14个站点，已于2002年6月正式投入业务使用；北京市气象局在北京的主要局地降水中心房山建立了8个站点，在怀柔也建立了6个站点，共同组成了北京地区的中尺度观测网；天津、广东、安徽、四川等省市从2004年开始也逐渐建成了GPS观测网，并共享已有的GPS观测资料。中国气象局同时鼓励各地气象部门积极参与当地政府主持的本地GPS综合服务网的建设。截至2009年10月，全国各行业已建成的地基GPS基准站已经超过600个，其中国家气象局建成的有428个。

2009年，我国开始建设中国大陆环境构造监测网络（简称陆态网），它是原本“中国地壳运动观测网络”工程的后续，由原来接收24颗GPS卫星的网络升级为可接收100颗GNSS卫星信号的连续观测网络，目标是建成以GNSS系统为主的国家级地球科学综合监测网络，同时可以为气象部门提供高时空分辨率、实时、连续的大气可降水量分布及其变化的图像，对气象预报和灾害性天气预警具有重要意义。

从20世纪90年代以来，中国科学院和中国气象局卫星气象中心等相关单位一直在积极跟踪国外GPS掩星技术的发展情况，利用国外的GPS掩星数据进行了廓线反演的研究，同时积极发展小卫星应用技术。目前我国在GPS小卫星的系统规划、预研、仿真以及资料反演等方面具备了一定的技术基础，并将与国内外相关合作单位进行掩星资料反演程序的开发。

未来研究发展方向

GPS气象学未来的发展方向主要有以下几点：

1. 站网建设。建立空间密度更高的GPS观测网，以获得更加精确的观测数据，规划并发射GPS小卫星系统，完善空基GPS的资料获取手段；
2. 数据处理模型的改进。研究斜径延迟的层析技术及优化方案，优化局地订正模型，减少低层大气水汽的误差；
3. 新技术开发。除了地基、空基、山基GPS探测之外，微波信号的水平延迟也是一个可以开发的新技术，目前国外已有相关方面的研究。

本文主要研究内容

本文从对流层延迟的原理出发，讨论了大气的微波时延与气象要素的关系。主要研究内容为以下几点：

1. 通过建模的方式，用地面观测信息便捷地估算对流层天顶总延迟，并使用本地化模型提高了估算精度。大致得出GPS微波信号天顶方向的时延随气象要素的变化关系。
2. 尝试扩展至任意种类微波信号、任意方向上的普遍关系进行讨论。

基本原理

对流层延迟

GPS信号在空气中受到折射，造成了传播路径的延长，在天顶方向上直线路径的延迟（zenith path delay，简称ZPD，记为）可表示为

其中，是真空中的光速，c为光在大气中的传播速度，t为信号在大气中的传播时间，为信号在真空中传播相同距离所需的时间。为大气折射指数，其值取决于气温、气压和相对湿度等气象参数。，称为大气折射率。H为接收机的高度。其余仰角的延迟可以经由映射函数进行投影。

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