论青藏高原大气折射对地面精密测量的影响

　　摘要：首次提出了青藏高原大气折射对地面精密测量影响的特殊性问题，论述了开展高原大气折射研究的重要意义，分析了国内外研究现状，阐明了研究的目标和主要内容。

　　一、引言

　　几乎所有的测量工作，包括水准测量、三角高程测量、水平角测量、竖直角测量、

　　随着我国西部大开发战略部署的逐步深入，以青藏铁路为龙头，包括川藏公路改扩建、拉萨贡嘎机场高速公路、八一—泽当公路、江孜—亚东公路、昌都邦达机场等一大批重点工程项目的实施，派生出大量的精密工程测量及变形观测的子项目，如桥梁施工控制测量、隧道施工控制测量、桥梁墩台变形观测、隧道变形监测、大型建筑物水平和垂直及挠曲变形监测、多年冻土区路基基础热胀融沉变形监测、线路沿线泥石流和滑坡体变形监测，以及与减灾防灾有关的其它变形监测等等。并且我国已计划未来20年内在西部地区还要新建1.2万公里铁路。

　　在分析大量的来自实际工程的实测数据后我们发现，青藏高原的精密测量受到了比我们预期大得多的大气折射的异常影响，虽然按现有理论和方法对观测值进行了“严格”的大气折射改正，但观测值里往往仍残留着明显的异常偏差，其中电磁波测距和三角高程的影响尤为突出。不同时期、不同地点的实验数据显示，大气折射的影响显著降低了测量成果的精度和可靠性，已成为青藏高原各类精密测量十分突出的系统误差源，并具有相当的普遍性。

　　此外，人类在青藏高原地区进行的许多涉及精密测量的科学研究，包括各种现代空间大地测量手段的研究和应用，都与高原大气折射的特性密切相关。如我国35年来对珠峰高程的测定中，用探空气球测定了珠峰地区上空的温度垂直梯度值，证实测区的大气折射受大气温度垂直梯度T的影响最大，并且大气垂直折光系数k的平均值在0.08~0.10之间，其大气折射特性明显不同于其它地区[6-8]。我国最新公布的珠峰雪顶高程的精确值为相对我国60似大地水准面的正常高，影响该值精度的一个重要因素即为高原大气折射[6]。总之，青藏高原大气折射有其特有的规律，十分有必要对其进行深入研究。

　　二、国内外研究现状及分析

　　自1669年Picard首次提出大地测量的折射问题以及1826年Gauss根据实验结果求得折光系数为0.13以来，至今国内外学者对大气折射问题的研究已有约三百年的历史[1，2]。大气折射问题的研究最早是从天文测量折射问题开始的；接着开始研究竖直角测量和三角高程测量的折射问题；十九世纪以后，随着几何水准测量的发展，人们又把注意力投向了水准测量折射问题的研究；二十世纪五十年代以后伴随着电磁波测距的迅速发展，出现了电磁波测距折射问题的研究高峰；二十世纪六十年代以后伴随着DOPPLER、GPS、VLB塔空间定位技术的快速发展，以及它们测量精度的不断提高和观测波段的扩展，使大气折射理论的研究进入到了更高的层次，人们力图把大气折射改正的归算精度提高到适应当前新观测技术所达精度的层次上，相继出现了研究对流层、平流层、电离层和中性层等高空大气折射问题的热潮。

　　大气折射问题在测量界是个经久不衰的研究课题，由于问题的复杂性，至今国际、国内都没有得到彻底地解决，在很大程度上制约了测量精度的进一步提高。从近20年来国内外学术期刊上发表的相关论文来看，现有的研究主要集中在近地竖直折光、天文测量折光和现代空间大地测量技术的高空大气折射方面。其中近地竖直折光的研究相对较多，且多属折光改正方法和误差削弱措施的研究，国内外均未见针对青藏高原这一特殊地区展开的精密测量折射专题研究。主要原因是，这一地区以往少有涉及高精度测量的大规模工程建设和科学研究，尤其是较少涉及大气折射影响较为严重电磁波测距和对向观测的精密三角高程测量（珠峰三角高程测量采用单向观测[6]），使得高原大气折射的异常影响没有突出暴露出来。

　　三、研究目标

　　光波大气折射率的公式有几十个之多，目前在测绘界普遍应用的主要有BarrelandSears的色散公式、国际大地测量与地球物理协会（IUGG）1963年伯克利会议建议的光波群折射率公式、BarrelandSears的光波大气折射公式，以及Edlen1966年和Owens1967年修订的光波大气折射公式[1-5]。这些公式已成为目前大地测量折射改正的推导依据，它们的原形均产生于人工模拟的大气实验室[2-4]，均是在假定大气成分不变的情况下得出的，本质上属实验公式。然而，地球真实的大气成分不但具有空间分布的变化特性，还具有随时问变化的特性。全球变暖，温室效应，大气中二氧化碳浓度不断增加均是不争的事实。一个地区的海拔高程在很大程度上刻划了大气成分的垂直梯度。大气成分的变化直接导致了大气折射率的改变，从而产生高原大气折射理论和应用的偏差，即所谓的青藏高原大气折射的特殊性问题。

　　从大量的实际工作中我们发现，青藏高原的大气折射的确存在着显著的不明原因的异常现象，目前人们对其认识尚不十分清晰。我们以前开展过一些这方面的研究工作，基于现有的认识，我们推测青藏高原大气折射可能还与测区海拔高程、测线高差、日照强度等特殊因素有着较密切的关系。围绕这一线索，确定以下两个研究目标：

　　（一）通过精确的实验和必要的数据处理，研究青藏高原地区各种地面精密测量手段受大气折射影响的规律，分析各种精密测量手段间所获成果不一致性的原因，探索和发现产生这种不一致性的影响因子和机理，建立各种地面测量手段的高原大气折射模型和误差模型。

　　（二）探索消除或减弱高原大气折射影响的关键理论和有效方法，总体上明显提高青藏高原地区测量的精度和可靠性，推进青藏高原地区涉及精密测量的工程建设和科学研究的深入发展。

　　四、主要研究内容

　　研究青藏高原大气折射需在采集大量实验数据的基础上，综合运用回归分析、多元统计分析、随机过程、时问序列分析、Kaman滤波、频谱分析、小波分析、非线性最小二乘、有限元分析等手段，主要分析不同电磁波的波长指测距仪载波、气温、气压、湿度、海拔反应大气成分变化、测线高差反应气象元素的垂直梯度、日照强度等条件下各种测量手段所采集数据间的不一致性和相关性，探明高原大气折射的影响因子和影响规律，揭示产生高原大气折射异常现象的机理，探索消除或减弱高原大气折射影响的关键理论和有效方法，建立新型高原大气折射模型和误差模型，从而改善青藏高原精密测量的精度和可靠性。总体来说，主要涉及以下四方面研究内容：

　　（一）事先对实验数据的预期误差进行分析，对观测纲要进行优化设计，提出削弱系统误差、提高实验精度的措施和方法，在青藏高原地区建立标准实验场地采集大气折射数据，尽可能多地融入实际工程建设项目的实测数据，来体现实验场地对青藏高原的代表性，并对观测数据进行必要的误差检验和灵敏度分析，建立大气折射实验数据库；

　　（二）研究探测各种影响因子、分析影响强度的筛分算法，探明青藏高原大气折射的影响因子期待发现新的影响因子、影响强度和影响规律变化曲线；

　　（三）研究顾及地球局部重力场影响等系统误差的非线性最小二乘配置和稳健估计算法，设计和检验青藏高原大气折射模型和误差模型；

　　（四）结合我国西部的重大工程建设项目来验证和修正上述理论和方法，提出适合青藏高原的消除或减弱大气折射影响的方法和措施。

　　参考文献：

　　[1]刘志德、张书寿、郑汉球、张学廉.EDM三角高程刚量[M].测绘出版社.1996.

　　[2]中国大气折射研究会.大气折射研究专辑[J].武汉：武汉科技大学出版社.1992.

　　[3]F.K.Brunner编.梁振英、方佩竹译.大地测量的折射问题[M].刚绘出版社.1988.

　　[4]王之江光学技术手册[M].机械工业出版社.1987.（11）.

　　[5]G.Bomford.Geodesy—ForthEdition.OxfordUniversity.1983.

　　[6]陈俊勇、庞尚益、张骥、张全德.对我国35年来珠峰高程刚定成果的思考[A].测绘学报[J].2001.30（1）.1—5.

　　[7]陈俊勇、张骥、薛璋、张江齐.珠穆朗玛峰地区的地壳运动及有关问题的探讨[A].地球物理通报[J].1996.39（1）.58—67.

　　[8]陈俊勇、张骥、刘允诺、张江齐珠穆朗玛峰及其北部毗郁地区的地壳运动、重力场和大气折光[A].科学通报[J]1.1994.39（13）.1204—1207.

　　收稿日期：2004—03—15

　　第一作者简介：范东明（1964—），男，汉族，新疆库车人，西南交通大学土木工程学院，教授，博士，研究方向为测绘工程。作者：范东明①罗书学②张献州①潘基斌②陈强①周乐韬①王贵文①宗吉②（①西南交通大学土木工程学院四川成都610031②西藏大学工学院西藏拉萨850000）