一、GPS水汽反演概述

隨著GPS氣象的最新進展，地基GPS接收機已成為低成本提高水汽分辨率的重要工具。GPS技術作為一項新的手段，從時間和空間上加密現有的高空探測站分布，用于區(qū)域或全球水汽含量的分析。

國家衛(wèi)星氣象中心、北京大學、上海市氣象局和北京市氣象局等單位在我國較早開展了地基GPS氣象學的研究和業(yè)務應用工作，并且取得了一些非常有益的成果。正因為地基GPS探測技術在氣象領域中具有巨大的應用潛力，所以得到了各地氣象部門的重視。當前，國內一些省市的氣象部門也面臨著承擔區(qū)域GPS站網的建設和地基GPS氣象學的應用研究任務，因此必須建立一套穩(wěn)定、高精度的“地基GPS實時水汽反演系統(tǒng)”以保證該項工作的順利開展。

二、北京地基GPS大氣水汽遙測系統(tǒng)業(yè)務

北京城市氣象研究所（簡稱城市所）是北京市氣象局的直屬單位，自2000年起城市所與拓普康公司合作，采購一系列拓普康高精度GNSS產品，在地基GPS/MET研究領域開展了系統(tǒng)的科研與業(yè)務技術支持工作，廣泛開展了國內外科技合作，掌握了地基GPS研究和應用領域中的國際領先技術，并且各項科研成果在北京地基GPS大氣水汽監(jiān)測網中得到有效應用。2006年，北京市氣象局聯合區(qū)域內相關科研和業(yè)務部門，依托華北區(qū)域氣象中心，整合了京津冀地區(qū)地基GPS監(jiān)測網數據，促成了京津冀三地地基GPS觀測數據的共享，保證了區(qū)域中心能夠準實時處理、分析數據，及時高效地為相關氣象業(yè)務部門提供京津冀地區(qū)地基GPS水汽產品，在北京及周邊地區(qū)建立了一種新的現代化氣象觀測手段（見圖1），為提高數值天氣預報水平，增強京津冀地區(qū)降水預報能力，進而加強對該地區(qū)洪澇災害的預警能力提供了一種穩(wěn)定高效的數據支撐。

圖1  拓普康GNSS接收機站點

目前，城市所建立了一套環(huán)北京地基全球定位系統(tǒng)氣象監(jiān)測平臺，由5大部分組成：

1)      地基GPS接收站監(jiān)測系統(tǒng)

2)      遠程CDMA/GPS監(jiān)測數據無線通訊傳輸系統(tǒng)

3)      GPS衛(wèi)星數據與監(jiān)測站數據預處理、分析與氣象產品解算系統(tǒng)

4)      網頁分發(fā)與服務系統(tǒng)

5)      數值天氣預報同化應用系統(tǒng)

在系統(tǒng)整合關鍵技術、集成5部分子系統(tǒng)后，北京市氣象局形成了一套完善的環(huán)北京地區(qū)地基GPS數據解算和業(yè)務產品流程（如圖2所示），生成的每30 min間隔的水汽監(jiān)測產品包括：單站大氣水汽總量時間序列、北京強降水敏感區(qū)區(qū)域大氣水汽總量的二維時空演變及其四維空間水汽層析等多種全新水汽探測信息。

圖2  北京地基GPS大氣水汽遙測系統(tǒng)業(yè)務流程圖

三、通信系統(tǒng)

從2004年10月開始，城市所在北京地區(qū)所建設的14個拓普康GPS觀測站的數據通信方式全部升級為GPRS/CDMA方式。系統(tǒng)設定為每30 min由中心服務器向所有無線終端發(fā)出上傳數據的指令，同時開始數據的收集和存儲。鑒于各個GPS數據終端的本地時鐘并非完全同步，因此從開始下載第一站數據到最后一站數據下載完畢，耗時大約10 min。

目前，該無線通信系統(tǒng)已正式納入北京市氣象局的業(yè)務運行范圍（如圖3所示）?？煽康臄祿詣酉螺d功能為GPS數據的采集、解算、水汽反演和結果發(fā)布的自動化處理奠定了基礎，為GPS數據業(yè)務準實時應用提供了可靠的通訊技術支撐。

圖3  北京氣象局數據通信軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測通過自主開發(fā)的遠程監(jiān)控軟件來完成，該軟件基于拓普康GRIL接收機指令語言開發(fā)，可安裝在局域網內任意一臺計算機上，隨時監(jiān)測各子站的數據傳輸情況。通過該監(jiān)控軟件，可以判斷某一子站的無線信號是否在線，供電系統(tǒng)是否正常，GPS接收機內的數據文件是否按時生成等。一旦發(fā)現故障，設備維護人員就會立即前往搶修，盡最大可能減少數據丟失。

五、GPS水汽產品發(fā)布系統(tǒng)

地基GPS大氣水汽反演技術是一種非常有效的獲取全天候大氣水汽信息的手段。隨著對該技術重視程度的增加，GPS大氣監(jiān)測產品在天氣預報、氣候等領域中日漸顯示出廣闊的應用前景。為更好地將科研成果轉化為服務，城市所以網頁的形式通過局域網向預報員等特殊用戶發(fā)布，同時部分產品可通過Internet向授權公眾發(fā)布。目前，可提供的產品包括：天頂方向可降水GPS/PW、層析水汽分布以及氣象要素（氣壓、氣溫、相對濕度）等產品。用戶可以查詢當前最新滾動解算的水汽產品和GPS站點監(jiān)測最新氣象要素信息（如圖4所示）。

圖4  水汽產品發(fā)布系統(tǒng)流程圖

六、系統(tǒng)驗收情況

綜合各期建設情況，形成如下驗收意見：

1.  北京地區(qū)地基GPS大氣水汽遙測系統(tǒng)提供的驗收材料齊全翔實，符合驗收要求。

2.  該系統(tǒng)利用GPS觀測數據資料，開展了北京地區(qū)大氣水汽含量反演方法的研究，完成了IGS國際超級跟蹤站數據的獲取和參與平差計算模型、PWV和SWV算法的研究，建立北京地區(qū)加權平均溫度和地面氣象要素關系，研究了層析算法，形成了適合于北京地區(qū)的水汽反演算法，構建了基于Bernese的數據解算平臺。

3.  系統(tǒng)自主開發(fā)了一套準實時地基GPS遙感水汽軟件系統(tǒng)“北京地基GPS遙感水汽解算系統(tǒng)軟件”。實現了GPS監(jiān)測網數據、IGS超級跟蹤站觀測數據、精密星歷數據的自動獲取，結合相應的地面氣象觀測資料，自動進行北京地區(qū)大氣水汽的準實時滾動解算。

4.     系統(tǒng)開展了業(yè)務試驗，重點對近年北京地區(qū)典型災害天氣個例進行了分析研究，結果表明GPS水汽反演結果對災害性天氣預報有一定的指示意義。

七、結論

地基GPS技術利用GPS信號大氣延遲與大氣水汽之間很強的相關性，反演得到大氣水汽信息。這種方法具有實時連續(xù)性、不受天氣情況影響、精度高、覆蓋范圍廣、觀測成本低和易于維護等特點，因此可以作為一項新的手段，從時間和空間上加密現有探空站點，探測區(qū)域或全球的水汽含量，把監(jiān)測的連續(xù)PWV同化到數據天氣預報模式中，提高數值模式初始場的精度。利用區(qū)域性密集GPS網30分鐘甚至更短的采樣率，可以監(jiān)測幾十千米到幾百千米的空間范圍內較短時間間隔的水汽變化，在此基礎上通過層析技術可以獲得水汽的四維分布，為數值天氣預報提供實時的高精度初始水汽場。

北京氣象局城市研究所采用拓普康的CORS設備，通過近10年的研究，在地基GPS水汽反演方面具有豐富的經驗、成熟的方案，為北京氣象、2008奧運氣象提供了穩(wěn)定可靠的觀測數據。