GPS技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展,其應(yīng)用研究及應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的擴(kuò)展,其中一個(gè)重 要的應(yīng)用領(lǐng)域就是氣象學(xué)研究.利用GPS理論和技術(shù)來遙感地球大氣,進(jìn)行氣象學(xué)的理論 和方法研究,如測(cè)定大氣溫度及水汽含量,監(jiān)測(cè)氣候變化等,叫做GPS氣象學(xué)（GPS/MET eorology, 簡(jiǎn)寫為GPS/MET）.GPS氣象學(xué)的研究于80年代后期zui先在美國(guó)起步,在美國(guó) 取得理想的試驗(yàn)結(jié)果之后,其他國(guó)家如日本等也逐步開始GPS在氣象學(xué)中的研究.
　
二,GPS氣象學(xué)簡(jiǎn)介
　
　　大氣溫度,大氣壓,大氣密度和水汽含量等量值是描述大氣狀態(tài)zui重要的的參數(shù). 無線電探測(cè),衛(wèi)星紅外線探測(cè)和微波探測(cè)等手段是獲取氣溫,氣壓和濕度的傳統(tǒng)手段. 但是它們與GPS手段相比,就可明顯地看出傳統(tǒng)手段的局限性.無線電探測(cè)法的觀測(cè)值精 度較好,垂直分辨率高,但地區(qū)覆蓋不均勻,在海洋上幾乎沒有數(shù)據(jù).被動(dòng)式的衛(wèi)星遙 感技術(shù)可以獲得較好的覆蓋率和較高的水平分辨率,但垂直分辨率和時(shí)間分辨率很 低.利用GPS手段來遙感大氣的優(yōu)點(diǎn)是,它是覆蓋的,費(fèi)用低廉,精度高,垂直分辨 率高.根據(jù)1995年4月3日美國(guó)發(fā)射的用于GPS氣象學(xué)研究的Microlab-1低軌衛(wèi)星的早期結(jié) 果顯示,對(duì)于干空氣,在從5～7 km到35～40 km的高度上,所獲得的溫度可以到± 1.0℃之內(nèi).正是這些優(yōu)點(diǎn)使得GPS/MET技術(shù)成為大氣遙感的zui有效zui有希望的方法之一 .
　
　　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)要發(fā)生 彎曲和延遲,其中信號(hào)的彎曲量很小,而信號(hào)的延遲量很大,通常在2.3 m左右.在GPS 精密定位測(cè)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消除干凈.而 在GPS/MET中,與之相反,所要求得的量就是大氣折射量.通過計(jì)算可以得到我們所需的 大氣折射量,再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數(shù)關(guān)系可以求得大氣折射率.大 氣折射率是氣溫T,氣壓P和水汽壓力e的函數(shù),通過一定關(guān)系,則可以求得我們所需要的量.
　
三,GPS氣象學(xué)分類
　
　　根據(jù)GPS/MET觀測(cè)站的空間分布來分類,可以分為兩大類: ① 地基GPS氣象學(xué)（Ground-based GPS/MET） ② 空基GPS氣象學(xué)（Space-based GPS/MET） 地基GPS氣象學(xué)就是將GPS接收機(jī)安放在地面上,象常規(guī)的GPS測(cè)量一樣,通過地面布 設(shè)GPS接收機(jī)網(wǎng)絡(luò),來估計(jì)一個(gè)地區(qū)的氣象元素. 空基GPS氣象學(xué)就是利用安裝在低軌衛(wèi)星（Low Earth Orbit,簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)EO）上的GPS接 收機(jī)來接收GPS信號(hào).當(dāng)GPS信號(hào)與LEO衛(wèi)星上GPS接收聯(lián)線經(jīng)過地球上空對(duì)流層時(shí),GPS信 號(hào)會(huì)發(fā)生折射.這一測(cè)量大氣折射的方法叫做掩星法,該方法是20世紀(jì)60年代美國(guó)噴氣 推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL和Stanford 大學(xué)為研究行星大氣和電離層而發(fā)展起來的.通過對(duì)含有折 射信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以計(jì)算出大氣折射量而估計(jì)出我們所需要的氣象元素的大小 .
　
　　但無論是地基GPS/MET還是空基GPS/MET,其目標(biāo)都是一樣,即計(jì)算出大氣折射量. 其不同之處在于空基GPS/MET涉及的數(shù)據(jù)處理更麻煩一些,因?yàn)榘惭b在低軌衛(wèi)星上的GPS 接收機(jī)跟GPS衛(wèi)星一樣,也是運(yùn)動(dòng)的,而且在接收機(jī)接收到的所有衛(wèi)星的信號(hào)中,并不像 地面上的接收機(jī)那樣,所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中必定包含有大氣折射信息.
 
四,GPS氣象學(xué)的原理
　
　　在GPS數(shù)據(jù)處理時(shí),一般是像對(duì)待基線向量一樣,將大氣折射量視為未知參數(shù)進(jìn)行估 計(jì)的.在數(shù)據(jù)處理中通常是根據(jù)觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短,基線的長(zhǎng)短,觀測(cè)時(shí)的氣象條件等因 素,來決定大氣折射未知參數(shù)估計(jì)的個(gè)數(shù).通過這種辦法估計(jì)出來的大氣折射量的精度 很高,一般可至毫米級(jí).而大氣折射量的大小是由GPS信號(hào)穿過對(duì)流層時(shí)沿經(jīng)路徑上的大 氣折射率n決定的,某處的大氣折射率n是該處的氣壓,溫度和濕度的函數(shù).因此可以建 立起大氣折射量與氣象元素之間的關(guān)系.為方便起見,定義折射數(shù)N=（n-1）×106.在處 理對(duì)流層大氣折射時(shí)一般是將空氣分為兩部分,一部分是干空氣,另一部分是濕空氣. GPS信號(hào)延遲中,濕空氣所占的比重比干空氣所占的比重要小得多,但濕空氣這一部分的 變化要比干空氣的變化要大,而且比干空氣更不穩(wěn)定.濕空氣的變化難以估計(jì),是造成 大氣折射量估計(jì)不準(zhǔn)的主要原因,這也影響著后來的氣象元素的計(jì)算準(zhǔn)確性.
　
五,GPS/MET的應(yīng)用前景
　
　　GPS/MET探測(cè)數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣（）,高垂直分辨率,高精度和高長(zhǎng)期穩(wěn)定的 特點(diǎn).對(duì)它的研究將給天氣預(yù)報(bào),氣候和變化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響.
　
1. 天氣預(yù)報(bào)
　
　　我們知道數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）模式必須用3維溫,壓,濕和風(fēng)數(shù)據(jù)作為初值.目前 提供這些初始化數(shù)據(jù)的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空密度極大地限制了預(yù)報(bào)模式的精度.無線電探空 資料一般只在大陸地區(qū)存在,而在重要的海洋區(qū)域,資料極為缺乏.即使在大陸地區(qū), 探測(cè)一般也只是每隔12 h進(jìn)行一次.雖然目前氣象衛(wèi)星資料可以反演得到溫度輪廓線, 但這些輪廓線有限的垂直分辨率使得它們對(duì)預(yù)報(bào)模式的影響相當(dāng)小.而GPS/MET觀測(cè)系統(tǒng) 可以進(jìn)行全天候的探測(cè),加上觀測(cè)值的高精度和高垂直分辨率,使得NWP精度的提高 成為可能.這樣,可以提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性.
　
2. 氣候和變化監(jiān)測(cè)
　
　　平均溫度和水汽是氣候變化的兩個(gè)重要指標(biāo).與當(dāng)前的傳統(tǒng)探測(cè)方法相比 ,GPS/MET探測(cè)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地提供相對(duì)高精度和高垂直分辨率的溫度輪廓線,尤其 是在對(duì)流層頂和平流層下部區(qū)域.更重要的是,從GPS/MET數(shù)據(jù)計(jì)算得到的大氣折射率是 大氣溫度,濕度和氣壓的函數(shù),因此可以直接把大氣折射率作為"變化指示器".
　
3. 其他應(yīng)用
　
　　GPS/MET觀測(cè)數(shù)據(jù)有可能以足夠的時(shí)空分辨率來提供電離層映像,這將有助于電 離層/熱層系統(tǒng)中許多重要的動(dòng)力過程及其與地氣過程關(guān)系的研究.例如,重力波使中層 大氣與電離層之間進(jìn)行能量和動(dòng)量交換,通過測(cè)量LEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星之間信號(hào)路徑上總 的電子含量（TEC）來追蹤重力波可能是一種方法.
　
　　GPS/MET提供的溫度輪廓線還可以用于其他的衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)中.如O3的遙感系統(tǒng)中需 要提供的溫度輪廓線,利用GPS/MET數(shù)據(jù)可以很好地滿足這一要求.