陳東水

摘 要 GPS因其具有精度高、速度快、不受時間地點約束等優(yōu)點而得到廣泛應用，目前已在氣象、定位、導航、測量、通信、授時等領域扮演著重要角色。GPS技術在氣象觀測技術中的應用，是氣象研究領域的一次革命。本文對GPS定位技術的基本原理進行了詳細分析，最后在此基礎上全面闡述了GPS技術在氣象領域的應用，重點分析了電離層監(jiān)測、對流層監(jiān)測、天氣預報、氣候變化等氣象應用領域。本文的研究為GPS技術在氣象領域的應用提供了一個全新的視角。

關鍵詞 GPS；氣象觀測；天氣預報

GPS（Global Positioning System）一般指美國的全球定位系統(tǒng)，它產生于20世紀70年代，美好18顆衛(wèi)星按一定規(guī)律分布于6條不同的空間軌道而組成，最初是為軍事應用而研發(fā)的，后來才逐漸走向民用。GPS目前已廣泛應用于定位、導航、測量、通訊、授時等領域。在氣象領域中，GPS主要應用于溫度、氣壓、濕度等氣象參數的測量，可以對未來近期的天氣情況進行較準確的預報，尤其是對極端天氣的預報更是起到了關鍵作用。

1 GPS定位基本原理

要通過GPS系統(tǒng)實現目標定位，需要一臺地面接收機用于接收空間衛(wèi)星系統(tǒng)的信號，該接收機至少需要同時收到4顆以上的衛(wèi)星信號才有可能對目標進行定位。接收機在對衛(wèi)星信號進行解碼時，需要C/A碼或P碼信號支持，以獲取衛(wèi)星軌道參數和時間，然后才能解算出接收機的當前位置，從而完成一次定位過程[1]。其具體過程是，先通過衛(wèi)星軌道參數和時間計算出衛(wèi)星的空間坐標，得到4顆衛(wèi)星以地心為原點的坐標后，由接收機自身的時鐘確定信號到達時間，再根據衛(wèi)星信號中包含的發(fā)送時間，得出信號由空間發(fā)送至地面的總時間，再計算出4顆衛(wèi)星的距離?？紤]到信號傳播會受到大氣環(huán)境的影響以及時間誤差的影響，此時計算得到的只是GPS接收機的大致位置，需要更復雜的算法進行修正后，才能得到接收機的準確位置。在氣象觀測中，GPS信號的傳輸會受到對流層和電離層的影響，從而造成信號延遲現象，對這種延遲進行的修正精度決定了GPS氣象觀測的精度[2]。

2 GPS在氣象領域的應用

GPS技術在氣象觀測領域的應用，大大提高了觀測范圍，使觀測實現了全球覆蓋，在垂直分辨率上具有很高的精度，數據比較穩(wěn)定可靠，因此GPS技術的成功應用是氣象觀測領域的一次革命，在電離層監(jiān)測、對流層監(jiān)測、天氣預報、氣候變化等領域有著十分深刻的影響[3]。

2.1 電離層監(jiān)測

電離層監(jiān)測是GPS技術在氣象觀測領域中的開端性應用，它是GPS技術應用于氣象領域的成功探索，為其他方面的應用奠定了堅實的技術基礎。電離層對氣象有著重要的影響，是氣象觀測的重要方面。眾所周知，電離層由于外層高空，受到太陽輻射的影響十分強烈，而太陽輻射會帶來許多帶電離子，其數量之大通常使地面生物無法接受，因此電離層起到了重要作用。電離層每時每刻都在與太空中的大量等離子體相互作用，并且這種作用的機理當前并未完全得到解釋，因此成為氣象研究領域的熱點之一。考慮到電離層會對電波產生延時作用，因此GPS技術的引入使得這種延時可以得到精確的測量，從而可以對電離層構建起一個更加完善的數學模型，大大推進了氣象學在電離層方面的研究進展。

2.2 對流層監(jiān)測

對流層是影響地面天氣的重要因素，通過對對流層的觀測，可以對地面天氣進行準確的預測，因此對流層監(jiān)測是現代天氣預報技術的重要應用基礎。通過GPS系統(tǒng)，可以將穿越對流層的氣象數據以及電子濃度截面數值與地面數據進行對比、融合，形成一個包含大量有用信息的氣象圖譜，為天氣的預測提供了重要參考依據。對流層監(jiān)測當前已成為許多自動氣象站的應用功能之一，其精度和深度也在日益加深，成為推動氣象業(yè)務不斷走向科技化、自動化、數字化的重要動力。

2.3 天氣預報

天氣預報需要借助許多前沿科技手段，因此也形成了許多預測天氣的關鍵技術體系，其中包括傳統(tǒng)的數值天氣預報技術、無線電探空技術和氣象衛(wèi)星探測技術。數值天氣預報技術需要嚴重依賴于三維空間的溫、壓、濕和風等數據，對數據要求較高，但當前采集這些數據的各種探測網絡很難滿足數值天氣預報對這些參數的精度要求，因此其應用有較大局限；無線電探空技術主要是采用高空氣象資料，但通常對于大陸上空區(qū)域比較有效，而在海洋上空區(qū)域一般應用效率不高，無法得到有效數據，另外，無線電探空不能連續(xù)進行，一般一天兩次；氣象衛(wèi)星技術是天氣預報中較前沿的專門化服務配套技術，通過氣象衛(wèi)星的回傳資料可以雖然目前氣象反扒溫廓線，但其垂直分辨率不高。在些背景下，GPS大氣觀測技術進入了人們的研究視野。GPS探測具有全天候、全球覆蓋、高精度、高垂直分辨率等絕對優(yōu)勢，我國已建成全國綜合性GPS大氣探測業(yè)務網、地基GPS數字化大氣探測網、局域準實時業(yè)務化GPS氣象網，成為GPS在氣象領域應用的重要里程碑。

2.4 氣候變化監(jiān)測

隨著工業(yè)的發(fā)展，人類生存環(huán)境日益惡化，全球氣候變化對人類生存的威脅不斷增加，因此對全球氣候變化進行監(jiān)測已成為各國全球合作的重要領域。GPS技術的應用，使氣候變化監(jiān)測成為可能。當前對氣候監(jiān)測主要依賴于全球平均溫度和水汽兩大指標，而GPS對這兩個指標的測量具有十分強大的能力。通過GPS技術，人們可以得到更高精度的更高垂直分辨率的溫廓線，特別對流層頂和平流層下部區(qū)域的溫度變化情況?，F代氣象研究結果表明，通過GPS觀測獲取的大氣折射率與全球大氣溫度、濕度和氣壓有著較明顯的函數關系，因此，大氣折射率成為全球氣候變化的重要指示器。

3 結束語

隨著人們對氣象研究的逐漸深入，GPS技術得到了廣泛應用，目前已成為自動氣象站的核心組成部分之一，是關鍵的氣象參數采集設備。GPS技術在氣象領域的應用，必將帶來一次全新的自動氣象信息系統(tǒng)革命性進步。

參考文獻

[1] 張玉源，劉宏旺，莊品，等. GPS技術在氣象觀測中的應用[J].科學與財富，2017，（9）：117.

[2] 杜明斌.GPS/MET在中尺度天氣預報中的應用[D].南京：南京大學，2012.

[3] 王希，劉波，蘇寒松，等. 基于GPS/3G網絡的新型環(huán)境氣候監(jiān)測系統(tǒng)[J].計算機工程與設計，2013，34（11）：4041-4045.