一、GPS水汽反演概述

随着GPS气象的最新进展，地基GPS接收机已成为低成本提高水汽分辨率的重要工具。GPS技术作为一项新的手段，从时间和空间上加密现有的高空探测站分布，用于区域或全球水汽含量的分析。

国家卫星气象中心、北京大学、上海市气象局和北京市气象局等单位在我国较早开展了地基GPS气象学的研究和业务应用工作，并且取得了一些非常有益的成果。正因为地基GPS探测技术在气象领域中具有巨大的应用潜力，所以得到了各地气象部门的重视。当前，国内一些省市的气象部门也面临着承担区域GPS站网的建设和地基GPS气象学的应用研究任务，因此必须建立一套稳定、高精度的“地基GPS实时水汽反演系统”以保证该项工作的顺利开展。

二、北京地基GPS大气水汽遥测系统业务

北京城市气象研究所（简称城市所）是北京市气象局的直属单位，自2000年起城市所与拓普康公司合作，采购一系列拓普康高精度GNSS产品，在地基GPS/MET研究领域开展了系统的科研与业务技术支持工作，广泛开展了国内外科技合作，掌握了地基GPS研究和应用领域中的国际领先技术，并且各项科研成果在北京地基GPS大气水汽监测网中得到有效应用。2006年，北京市气象局联合区域内相关科研和业务部门，依托华北区域气象中心，整合了京津冀地区地基GPS监测网数据，促成了京津冀三地地基GPS观测数据的共享，保证了区域中心能够准实时处理、分析数据，及时高效地为相关气象业务部门提供京津冀地区地基GPS水汽产品，在北京及周边地区建立了一种新的现代化气象观测手段（见图1），为提高数值天气预报水平，增强京津冀地区降水预报能力，进而加强对该地区洪涝灾害的预警能力提供了一种稳定高效的数据支撑。

图1  拓普康GNSS接收机站点

目前，城市所建立了一套环北京地基全球定位系统气象监测平台，由5大部分组成：

1)      地基GPS接收站监测系统

2)      远程CDMA/GPS监测数据无线通讯传输系统

3)      GPS卫星数据与监测站数据预处理、分析与气象产品解算系统

4)      网页分发与服务系统

5)      数值天气预报同化应用系统

在系统整合关键技术、集成5部分子系统后，北京市气象局形成了一套完善的环北京地区地基GPS数据解算和业务产品流程（如图2所示），生成的每30 min间隔的水汽监测产品包括：单站大气水汽总量时间序列、北京强降水敏感区区域大气水汽总量的二维时空演变及其四维空间水汽层析等多种全新水汽探测信息。

图2  北京地基GPS大气水汽遥测系统业务流程图

三、通信系统

从2004年10月开始，城市所在北京地区所建设的14个拓普康GPS观测站的数据通信方式全部升级为GPRS/CDMA方式。系统设定为每30 min由中心服务器向所有无线终端发出上传数据的指令，同时开始数据的收集和存储。鉴于各个GPS数据终端的本地时钟并非完全同步，因此从开始下载第一站数据到最后一站数据下载完毕，耗时大约10 min。

目前，该无线通信系统已正式纳入北京市气象局的业务运行范围（如图3所示）。可靠的数据自动下载功能为GPS数据的采集、解算、水汽反演和结果发布的自动化处理奠定了基础，为GPS数据业务准实时应用提供了可靠的通讯技术支撑。

图3  北京气象局数据通信软件

四、监测系统

系统运行状态的监测通过自主开发的远程监控软件来完成，该软件基于拓普康GRIL接收机指令语言开发，可安装在局域网内任意一台计算机上，随时监测各子站的数据传输情况。通过该监控软件，可以判断某一子站的无线信号是否在线，供电系统是否正常，GPS接收机内的数据文件是否按时生成等。一旦发现故障，设备维护人员就会立即前往抢修，尽最大可能减少数据丢失。

五、GPS水汽产品发布系统

地基GPS大气水汽反演技术是一种非常有效的获取全天候大气水汽信息的手段。随着对该技术重视程度的增加，GPS大气监测产品在天气预报、气候等领域中日渐显示出广阔的应用前景。为更好地将科研成果转化为服务，城市所以网页的形式通过局域网向预报员等特殊用户发布，同时部分产品可通过Internet向授权公众发布。目前，可提供的产品包括：天顶方向可降水GPS/PW、层析水汽分布以及气象要素（气压、气温、相对湿度）等产品。用户可以查询当前最新滚动解算的水汽产品和GPS站点监测最新气象要素信息（如图4所示）。

图4  水汽产品发布系统流程图

六、系统验收情况

综合各期建设情况，形成如下验收意见：

1.  北京地区地基GPS大气水汽遥测系统提供的验收材料齐全翔实，符合验收要求。

2.  该系统利用GPS观测数据资料，开展了北京地区大气水汽含量反演方法的研究，完成了IGS国际超级跟踪站数据的获取和参与平差计算模型、PWV和SWV算法的研究，建立北京地区加权平均温度和地面气象要素关系，研究了层析算法，形成了适合于北京地区的水汽反演算法，构建了基于Bernese的数据解算平台。

3.  系统自主开发了一套准实时地基GPS遥感水汽软件系统“北京地基GPS遥感水汽解算系统软件”。实现了GPS监测网数据、IGS超级跟踪站观测数据、精密星历数据的自动获取，结合相应的地面气象观测资料，自动进行北京地区大气水汽的准实时滚动解算。

4.     系统开展了业务试验，重点对近年北京地区典型灾害天气个例进行了分析研究，结果表明GPS水汽反演结果对灾害性天气预报有一定的指示意义。

七、结论

地基GPS技术利用GPS信号大气延迟与大气水汽之间很强的相关性，反演得到大气水汽信息。这种方法具有实时连续性、不受天气情况影响、精度高、覆盖范围广、观测成本低和易于维护等特点，因此可以作为一项新的手段，从时间和空间上加密现有探空站点，探测区域或全球的水汽含量，把监测的连续PWV同化到数据天气预报模式中，提高数值模式初始场的精度。利用区域性密集GPS网30分钟甚至更短的采样率，可以监测几十千米到几百千米的空间范围内较短时间间隔的水汽变化，在此基础上通过层析技术可以获得水汽的四维分布，为数值天气预报提供实时的高精度初始水汽场。

北京气象局城市研究所采用拓普康的CORS设备，通过近10年的研究，在地基GPS水汽反演方面具有丰富的经验、成熟的方案，为北京气象、2008奥运气象提供了稳定可靠的观测数据。