利用GPS訊號延遲量反演對流層可降水之研究

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1、利用GPS訊號延遲量反演對流層可降水之研究1122許家維、葉大綱、洪景山、蔡雅婷1清雲科技大學空間資訊與防災科技研究所2中央氣象局氣象資訊中心摘要水氣對於地球上來說是原本存在的物理現象，也是大家生活中常常接觸的部份之一，對於氣候上的變遷水氣是扮演一種能量傳遞方式，相較於整個大氣層中與其他的氣體做比較時，在呈現上會屬於比較不穩定的狀態，並且對人類的生活帶來許多的影響。因此，若能在快速的時效下獲得大氣中水氣含量資訊，對於天氣狀態的研究與分析以及氣象的預報會有相當的幫助。本研究是以地面GPS接收訊號來計算對流層天頂向的濕延遲量，藉以觀察天頂向濕延遲量與地面可降雨量之間的關係。資料計

2、算使用Bernese5.0軟體來處理GPS觀測資料，並利用水氣微波輻射儀所觀測到的濕延遲量來驗證本研究所計算之成果。研究成果顯示，水氣微波輻射儀及GPS訊號值呈現一致的趨勢，以北港站為例，兩者的相關係數達0.96，平均誤差為−0.83mm；而墾丁站的相關係數達0.91，平均誤差為4.84mm。配合地面上雨量數據呈現出，在延遲量較高的形況下通常即有降雨的跡象，藉由數據上的統計分析了解天氣的狀態，希望對氣象的預報上提供參考的數據。關鍵字：全球定位系統、水氣微波輻射儀、對流層、濕延遲、降雨量。至四公里所集中水氣約佔總水氣25%，其他水氣則分一、前言布在4到10公里這個範圍之中。雖然

3、水氣對整個大隨著科技的進步，全球定位系統GPS已被廣泛的氣範圍所佔有的比例並沒有很大，但由於水可以在自應用在生活及工程當中，尤其在許多需要精密定位的然界中三態並存，並藉由這些三態相位的改變形成了領域上，其基本原理方式是以電磁波傳遞的時間（相各種天氣現象，水三態的變化中會釋放或吸收能量，位或距離）計算真實的位置。然而地球上的大氣層會其中水氣的蒸發與凝結能夠吸收或釋放潛熱，這些熱影響電磁波的傳遞路徑，如何準確的估計電磁波傳遞量的傳輸，是颱風、雷雨等的能量所在，因此水氣在時間，經過地球大氣層時產生的誤差時間，也是國際氣象預報與氣象監測中，扮演了很重要的角色（楊承上相關領域、學者共同

4、努力克服的課題之一。GPS益，2008）。定位的精度是需要克服很多因素才有可能獲得，這些本文研究主要目的是使用GPS追蹤網，利用GPS因素大部分都有其相對應的處理方式及對策，唯獨大訊號來得知對流層的天頂濕延遲量，並將GPS信號氣影響因子部分，特別是水氣的部分比較難以分析固得到的天頂濕延遲量與可降雨量作分析比較，利用水定特性，再加上台灣地區是處在四面環海，也是世界氣微波輻射儀(WaterVaporRadiometer,WVR)所量測上最大的季風區內，因此氣候上深受季風的影響，台的天頂濕延遲量來驗證GPS訊號所求得天頂濕延遲灣地區平均降水量（約2500mm）在世界平均值（約量的正

5、確性，未來希望可以對於氣象預報及防災方面834mm）（姜善鑫，1994；Raudkivi,1979）之上，有明顯的幫助。大氣層中水氣的含量多且變化大，因此對天氣所造成二、研究方法的影響量是不可忽略。對流層所集中的水份大概佔全體水氣的2-1GPS計算原理99.99%，大部分的水氣(50%)是分布在低層的大氣層中，以地表起算至上方兩公里的大氣層範圍之內，兩對流層對於GPS衛星訊號之影響主要是因大氣中的介質使訊號傳遞速度比真空中要慢，傳播路徑呈觀測量大於未知數數量，此處採用最小二乘法進行參現曲線狀態，前者是對流層折射率大於真空的折射率數求解。而溼遲延與可降水的關係，可由上式右邊第造

6、成速度的延遲；後者則是因不同大氣層產生的折射二項提出表示為：率，使傳遞路徑形成彎曲的延遲，當衛星觀測仰角大於15度時，其幾合遲延部份不大於1公分（Bevisetal.,Z6∞MweeDtrop,w=10∫k2k1+k32dzHMTT1992），根據司乃耳定律（Snell’slaw）訊號傳播的d路徑會呈直線，幾何遲延便可去除，如圖1所示。k∞eZ6′3D=10k+dztrop,w2∫THTmM′wk=kk221Md′其中，k為常數。我們定義可降水為一大氣垂直空2氣柱中液態水的總量，通常以高度為其單位，即：1∞1∞ePW=∫ρwdz=∫dzρHρRHTllwρw是水氣密度，ρl是

7、液態水密度，Rw是水氣的氣體常數(Rw=R/Mw)。由GPS得到的溼遲延量可轉換成可降水量PW（AskneandNordius,1987;Bevisetal.,1994）：圖1Snell’sLaw（Kleijer,2004）ZPW=Π×Dtrop,w本研究採用最小二乘法解算GPS觀測資料，並估其中Π為轉換因子，而沿天頂向積分，大氣垂直計天頂向遲延量。以載波相位觀測方程式計算待測站總水氣含量（IntegratedWaterVapor,IWV)即為可降水Z乘上液態水的密度：座標(Xj,Yj,Zj)時，先將D