山基和地基gps联合探测大气折射率廓线的试验研究

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1、万方数据曹云昌等：山基和地基GPS联合探测大气折射率廓线的试验研究山基和地基GPS联合探测大气折射率廓线的试验研究①曹云昌②一”’胡雄“符养“。杨光林。毕研盟”(‘国家卫星气象中心北京100081)(”中国科学倪空间科学与应用研究中心北京100080)(⋯北京应用气象研究所北京100029)(⋯+大气探测技术中心北京100081)摘要通过在河北省雾灵山及其周边地区开展的山基GPS掩星观测和层析试验，利用掩星和层析反演大气折射率的方法，共获取575条山基掩星的折射率廓线和120条GPS层析的湿折射率廓线。比较山基掩星和探空获取的大气折射率表明，二者系统偏差在l％左右，

2、标准差为2％一3％，不同接收机反演的折射率符合精度优于1％，表明所选用的接收机在地面试验中基本可以满足对大气掩星观测的需求；山基掩星、GPS层析和探空三种方法获取的大气湿折射率比较表明，三者具有很好的一致性，这从另一个方面进一步验证了山基掩星观测的效果；试验表明在低层山基掩星具有很好的垂直分辨率和精度，可以和GPS层析对整个对流层的探测互为补充，在大气探测方面具有重要的潜在应用价值。关键词山基掩星，GPS层析，大气折射率，GPS气象学0引言GPS气象学具有全球覆盖、全天候、高分辨率和高精度等特点，自20世纪90年代出现以来，一直受到气象应用领域的高度关注和重视H圳，

3、利用GPS进行大气遥感的技术也得到迅速的发展。目前这一技术已在卫星空间对地观测方面得到广泛应用，台湾和美国气象气候电离层星座观测系统(COSMIC)的实施引5、欧洲新一代极轨卫星(METOP)的发射⋯6，已使这种探测手段成为气象气候应用的准业务化探测方式。另一方面，在利用GPS的地基气象探测技术方面，从测定大气垂直气柱的水汽含量的技术[7-9]，到近几年的GPS水汽层析技术【n坨]，水汽要素的探测已从总量探测深入到廓线的三维探测。此外，近年来国际上还发展了一种利用掩星技术(利用卫星信号切过地球大气层所发生的折射效应来探测地球大气参数)在山顶进行大气廓线反演的山基掩星

4、技术[13．15J，即通过在高山的山顶架设GPS接收机，接收来自低仰角和负仰角的GPS电波载波信号，利用载波相位信号变化测量出信号的弯曲角，进而反演得到接收机高度以下的大气折射率廓线。相对于低轨卫星上的星基掩星其GPS接收机位于大气层外，山基掩星的GPS接收机位于大气层内，所以其掩星路径仅是低轨卫星的一半。利用山基掩星技术可以实现对特定地区进行观测，弥补星基掩星资料在一地区相对稀疏、探测区域不易控制的局限。是星基掩星观测的有益补充。我国是一个多山的国家。充分利用这一资源进行山基GPS的掩星观测，不仅可以获取大气低层丰富的观测资料，用于天气分析预报研究、数值模式和气象

5、研究及气候应用研究，而且通过开展山基GPS掩星观测试验，可以进行掩星接收技术、资料处理及反演方法等方面的研究，对发展我国低轨卫星GPS掩星探测，也具有十分重要的科学意义。基于这种考虑，国家卫星气象中心牵头于2005年在河北雾灵山地压进行了山基掩星的野外探测科学试验，本文在此作一报导。1试验概况2005年8月，由国家卫星气象中心牵头，北京应用气象研究所、北京大学物理学院、中国科学院空间中心、航天704研究所、清华大学空间信息所、国家基础地理信息中心、北京市信息管理中心、河北省气象局和北京市气象局等相关单位参加，在河北省兴隆县雾灵山地区进行了为期近一个月的山基掩星的野外

6、探测科学试验，用于掩星观测的GPS接收机①863计划(2002AAl35360)和中国气象局技术推广项目(CMATG-2005M08)资助。②男．1968年生．博士．副研究员；研究方向：GPS气象和卫星资料应用；联系人．E．mail：eaoyc@126．c嘎II(收稿日期：2007-04—23)·-·——857·-——万方数据高技术通讯2008年8月第18卷第8期安置于雾灵山顶(海拔2118米)，参加试验的双频GPS接收机分别由中国气象局、中国科学院空间科学与应用研究中心及航天时代电子公司提供。在配合山基掩星观测的同时，此次试验还在河北省的雾灵山、兴隆、遵化、玉田、

7、清东陵和天津蓟县布设了地基GPS站网，用于层析反演低层大气的折射率廓线，并在兴隆站(海拔584．2米)施放探空气球，用来探测大气的折射率廓线，图1是站点的分布。通过这次试验，对利用山基掩星和GPS层析技术获取大气折射率的方法进行全面的检验。图1雾灵山山基GPS试验的站点分布2原理和方法2．1山基GPs掩星反演大气折射率原理山基GPS掩星观测是指在高山的山顶，利用GPS接收机对某个GPS卫星从低仰角至负仰角(或反之)的临边观测。利用一次山基GPS掩星事件的观测数据，可以反演得到一条大气折射指数廓线LI6f。山基GPS掩星观测的几何关系和有关几何参量参见图2。接收机