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GPS技术在气象领域的应用分析

作者【佚名】   来源【道义论文网】   发布时间【2019-01-09 10:30:39】   点击量【

  摘 要 GPS因其具有精度高、速度快、不受時间地点约束等优点而得到广泛应用,目前已在气象、定位、导航、测量、通信、授时等领域扮演着重要角色。GPS技术在气象观测技术中的应用,是气象研究领域的一次革命。本文对GPS定位技术的基本原理进行了详细分析,最后在此基础上全面阐述了GPS技术在气象领域的应用,重点分析了电离层监测、对流层监测、天气预报、气候变化等气象应用领域。本文的研究为GPS技术在气象领域的应用提供了一个全新的视角。


  关键词 GPS;气象观测;天气预报


  GPS(Global Positioning System)一般指美国的全球定位系统,它产生于20世纪70年代,美好18颗卫星按一定规律分布于6条不同的空间轨道而组成,最初是为军事应用而研发的,后来才逐渐走向民用。GPS目前已广泛应用于定位、导航、测量、通讯、授时等领域。在气象领域中,GPS主要应用于温度、气压、湿度等气象参数的测量,可以对未来近期的天气情况进行较准确的预报,尤其是对极端天气的预报更是起到了关键作用。


  1 GPS定位基本原理


  要通过GPS系统实现目标定位,需要一台地面接收机用于接收空间卫星系统的信号,该接收机至少需要同时收到4颗以上的卫星信号才有可能对目标进行定位。接收机在对卫星信号进行解码时,需要C/A码或P码信号支持,以获取卫星轨道参数和时间,然后才能解算出接收机的当前位置,从而完成一次定位过程[1]。其具体过程是,先通过卫星轨道参数和时间计算出卫星的空间坐标,得到4颗卫星以地心为原点的坐标后,由接收机自身的时钟确定信号到达时间,再根据卫星信号中包含的发送时间,得出信号由空间发送至地面的总时间,再计算出4颗卫星的距离。考虑到信号传播会受到大气环境的影响以及时间误差的影响,此时计算得到的只是GPS接收机的大致位置,需要更复杂的算法进行修正后,才能得到接收机的准确位置。在气象观测中,GPS信号的传输会受到对流层和电离层的影响,从而造成信号延迟现象,对这种延迟进行的修正精度决定了GPS气象观测的精度[2]。


  2 GPS在气象领域的应用


  GPS技术在气象观测领域的应用,大大提高了观测范围,使观测实现了全球覆盖,在垂直分辨率上具有很高的精度,数据比较稳定可靠,因此GPS技术的成功应用是气象观测领域的一次革命,在电离层监测、对流层监测、天气预报、气候变化等领域有着十分深刻的影响[3]。


  2.1 电离层监测


  电离层监测是GPS技术在气象观测领域中的开端性应用,它是GPS技术应用于气象领域的成功探索,为其他方面的应用奠定了坚实的技术基础。电离层对气象有着重要的影响,是气象观测的重要方面。众所周知,电离层由于外层高空,受到太阳辐射的影响十分强烈,而太阳辐射会带来许多带电离子,其数量之大通常使地面生物无法接受,因此电离层起到了重要作用。电离层每时每刻都在与太空中的大量等离子体相互作用,并且这种作用的机理当前并未完全得到解释,因此成为气象研究领域的热点之一。考虑到电离层会对电波产生延时作用,因此GPS技术的引入使得这种延时可以得到精确的测量,从而可以对电离层构建起一个更加完善的数学模型,大大推进了气象学在电离层方面的研究进展。


  2.2 对流层监测


  对流层是影响地面天气的重要因素,通过对对流层的观测,可以对地面天气进行准确的预测,因此对流层监测是现代天气预报技术的重要应用基础。通过GPS系统,可以将穿越对流层的气象数据以及电子浓度截面数值与地面数据进行对比、融合,形成一个包含大量有用信息的气象图谱,为天气的预测提供了重要参考依据。对流层监测当前已成为许多自动气象站的应用功能之一,其精度和深度也在日益加深,成为推动气象业务不断走向科技化、自动化、数字化的重要动力。


  2.3 天气预报


  天气预报需要借助许多前沿科技手段,因此也形成了许多预测天气的关键技术体系,其中包括传统的数值天气预报技术、无线电探空技术和气象卫星探测技术。数值天气预报技术需要严重依赖于三维空间的温、压、湿和风等数据,对数据要求较高,但当前采集这些数据的各种探测网络很难满足数值天气预报对这些参数的精度要求,因此其应用有较大局限;无线电探空技术主要是采用高空气象资料,但通常对于大陆上空区域比较有效,而在海洋上空区域一般应用效率不高,无法得到有效数据,另外,无线电探空不能连续进行,一般一天两次;气象卫星技术是天气预报中较前沿的专门化服务配套技术,通过气象卫星的回传资料可以虽然目前气象反扒温廓线,但其垂直分辨率不高。在些背景下,GPS大气观测技术进入了人们的研究视野。GPS探测具有全天候、全球覆盖、高精度、高垂直分辨率等绝对优势,我国已建成全国综合性GPS大气探测业务网、地基GPS数字化大气探测网、局域准实时业务化GPS气象网,成为GPS在气象领域应用的重要里程碑。


  2.4 气候变化监测


  随着工业的发展,人类生存环境日益恶化,全球气候变化对人类生存的威胁不断增加,因此对全球气候变化进行监测已成为各国全球合作的重要领域。GPS技术的应用,使气候变化监测成为可能。当前对气候监测主要依赖于全球平均温度和水汽两大指标,而GPS对这两个指标的测量具有十分强大的能力。通过GPS技术,人们可以得到更高精度的更高垂直分辨率的温廓线,特别对流层顶和平流层下部区域的温度变化情况。现代气象研究结果表明,通过GPS观测获取的大气折射率与全球大气温度、湿度和气压有着较明显的函数关系,因此,大气折射率成为全球气候变化的重要指示器。


  3 结束语


  随着人们对气象研究的逐渐深入,GPS技术得到了广泛应用,目前已成为自动气象站的核心组成部分之一,是关键的气象参数采集设备。GPS技术在气象领域的应用,必将带来一次全新的自动气象信息系统革命性进步。


  参考文献


  [1] 张玉源,刘宏旺,庄品,等。 GPS技术在气象观测中的应用[J].科学与财富,2017,(9):117.


  [2] 杜明斌。GPS/MET在中尺度天气预报中的应用[D].南京:南京大学,2012.


  [3] 王希,刘波,苏寒松,等。 基于GPS/3G网络的新型环境气候监测系统[J].计算机工程与设计,2013,34(11):4041-4045.




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