現(xiàn)代大氣折射引論

前言

　　打開《現(xiàn)代大氣折射引論》的書稿，我的視線被這一個個美麗的連分式所吸引。它們宛如一架通天的長梯，引領(lǐng)我的視線拾級而上，直至太空，來俯瞰我們地球的大氣。大氣的“功德”眾所周知，肯定和頌揚的說詞至少也能寫上這么一本書?？墒菑奶煳挠^測的角度來審視，大氣對觀測結(jié)果的“危害”，則早已被天文學家所揭示。約在公元前2世紀，古希臘學者波塞東尼烏斯（Poseidonius）發(fā)現(xiàn)了大氣折射對測量的影響。在中國，晉代的姜岌已認識了大氣折射。天文學家與之作了長期的“斗爭”，一切努力在于修正大氣折射的影響，使天文觀測理想化，超越大氣，好比到大氣層外去觀測?！　〈髿庹凵淅碚摷捌涓恼难芯吭谔煳膶W和大地測量學中占有很重要的地位，自古以來就受到學術(shù)界的重視。但是由于大氣結(jié)構(gòu)和活動的復雜性，這個問題呈現(xiàn)了特殊的困難。自牛頓以來，近代自然科學包括天文學不斷發(fā)展，一代又一代的學者投入大氣折射問題的研究，為滿足經(jīng)典光學觀測所建立的模型和處理方法盡管取得了顯著成就，但其觀測精度和高度角適用范圍始終不能突破。到了當代，從20世紀60年代以來，以無線電觀測為基礎(chǔ)的雷達測距、人衛(wèi)多普勒測量、甚長基線干涉測量（VLBI）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和以激光觀測為基礎(chǔ)的月球激光測距（LLR）和人衛(wèi)激光測距（SLR）等新技術(shù)相繼問世（這些新技術(shù)可概稱為空間測量技術(shù)），大氣折射的研究又面臨了新的課題。一是研究的對象擴展了，不僅涉及折射（傳播方向的改變），還涉及延遲（傳播路徑和傳播時間的延長）。而且無線電波在大氣中的傳播規(guī)律與光波有所不同，無線電波在潮濕對流層內(nèi)的折射是一個更復雜的難題。激光測距雖然是在光學波段進行，但涉及的對象已不再是經(jīng)典觀測的測角。二是空間測量的觀測精度遠較經(jīng)典觀測為高，觀測覆蓋范圍也比經(jīng)典觀測為大（例如VLBI的觀測高度角可在5度以下）。大氣折射是當前空間測量技術(shù)中主要的誤差源之一。

內(nèi)容概要

　　大氣折射理論及其改正的研究在天文學和大地測量學中占有很重要的地位，自古以來就受到學術(shù)界的重視。但是由于大氣結(jié)構(gòu)和活動的復雜性，這個問題呈現(xiàn)了特殊的困難。自牛頓以來，近代自然科學包括天文學不斷發(fā)展，一代又一代的學者投入大氣折射問題的研究，為滿足經(jīng)典光學觀測所建立的模型和處理方法盡管取得了顯著成就，但其觀測精度和高度角適用范圍始終不能突破。到了當代，從20世紀60年代以來，以無線電觀測為基礎(chǔ)的雷達測距、人衛(wèi)多普勒測量、甚長基線干涉測量（VLBI）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和以激光觀測為基礎(chǔ)的月球激光測距（LLR）和人衛(wèi)激光測距（SLR）等新技術(shù)相繼問世（這些新技術(shù)可概稱為空間測量技術(shù)），大氣折射的研究又面臨了新的課題。

書籍目錄

構(gòu)筑天梯超越大氣（代序）第一章 引言1.1 大氣折射的研究歷史1.2 大氣折射的研究近況第二章 基本理論2.1 介質(zhì)中電磁波的傳播方程2.2 大氣折射指數(shù)和大氣折射率2.3 Fermat定律、Snell公式和Bouquer公式2.4 Smith—Weintraub方程2.5 大氣折射的基本方程2.6 等效地球大氣參數(shù)2.7 異常大氣折射第三章 大氣模型和大氣剖面3.1 指數(shù)模型3.2 Hopfield 的多方大氣模型3.3 標準大氣模型3.4 探空氣球的實測大氣剖面第四章 天文大氣折射（蒙氣差）4.1 天文大氣折射的經(jīng)典計算方法4.2 大氣折射表和大氣折射的實測方法4.3 天文觀測中的蒙氣差改正4.3.1 天文大氣折射對天體坐標影響的改正4.3.2 天文大氣較差折射4.3.3 天文大氣折射對角距和位置角的影響4.4 經(jīng)典時緯觀測中的蒙氣差改正第五章 大氣延遲5.1 級數(shù)展開法和Saastamoinen公式5.2 天頂延遲、映射函數(shù)及其連分式表示5.3 地面氣象參數(shù)相關(guān)的連分式映射函數(shù)和Davis公式（CfA2.2 模型）5.4 探空氣球資料的應用及MTT模型5.5 大氣延遲積分的母函數(shù)方法5.5.1 母函數(shù)理論及其展開5.5.2 逆光路積分法、UNSW931和UNSW932模型5.5.3 SHAOMF軟件包5.6 測站地理位置和觀測歷元相關(guān)的Niell模型（NlMF模型）5.6.1 全球映射函數(shù)的可能性5.6.2 測站高度改正5.7 大氣延遲的保形理論5.8 大氣折射改正的直接積分法5.9 小結(jié)第六章 電離層大氣折射6.1 電離層大氣折射改正6.2 用雙頻觀測消除電離層效應6.3 電離層大氣折射指數(shù)和電離層延遲的深入討論第七章 空間觀測技術(shù)中的大氣折射改正7.1 無線電波段的大氣延遲改正7.1.1 VLBI7.1.2 GPS7.1.3 PRARE7.2 光學波段的大氣延遲改正7.3 有限距離觀測目標的修正第八章 大氣折射母函數(shù)方法的發(fā)展8.1 蒙氣差計算的母函數(shù)方法8.2 大氣折射母函數(shù)的其他展開形式8.3 光學波段的頻率相關(guān)映射函數(shù)第九章 大氣折射研究中的若干問題9.1 大氣折射濕分量和大氣折射率的水平梯度9.1.1 低對流層中水汽對大氣折射的影響9.1.2 大氣折射率水平梯度及其數(shù)學表示9.2 低高度角的觀測處理9.3 各種映射函數(shù)的比較和建議9.4 級數(shù)展開法和映射函數(shù)9.5 地基和空基GPS氣象學第十章 大氣波導10.1 大氣波導的產(chǎn)生和分類10.2 大氣波導的截止波長和最低陷獲頻率練習題參考文獻附錄A r函數(shù)、不完整r函數(shù)、余誤差函數(shù)及其展開附錄B 母函數(shù)方法和映射函數(shù)附錄C 映射函數(shù)系數(shù)偏微分及其遞推公式

章節(jié)摘錄

　　1.2 大氣折射的研究近況　　我們知道，限制大氣折射歸算精度的原因，在于地球大氣剖面的描述和大氣折射積分的解析不可積性。大氣折射計算方法的研究，基本上是隨著觀測精度的提高和大氣模型的改進而發(fā)展的。　　大氣折射研究中所使用的大氣模式可以分成兩大類：理論大氣模型和實測大氣剖面。前一類是在一定的物理約束條件下（如流體靜力學方程、理想氣體方程、連續(xù)性假設等），通過全球或局部的大氣探測資料，建立一個數(shù)學上的解析模型。在近代大氣折射研究中，使用的理論大氣模型主要有： 指數(shù)模型、Hopfield模型、Saastamoinen及與之相似的標準大氣模型。從理想氣體狀態(tài)方程出發(fā)，在等溫條件下導出的指數(shù)大氣折射率模型是最簡單的理論大氣模型。雖然其他兩種理論大氣模型比指數(shù)模型更加接近于實際大氣分布，但是它們數(shù)學形式的相對復雜性會帶來大氣折射理論研究的復雜性，以及計算過程中需要更加多的計算機時。第二類大氣模式是直接用實測大氣剖面（profile）進行描述，最常用的是探空氣球資料。它們的特點是真實地描述測站上空的大氣分布。它們的缺點是具有很強的時間上和空間上的局限性。因此，選擇大氣模型是大氣折射研究中首先考慮的問題之一?！　⊙芯看髿庹凵浞e分（包括彎曲和延遲）的數(shù)學方法大致可以分成三大類：第一類是把大氣折射積分中的被積函數(shù)按高度角（或天頂距）的三角函數(shù)進行級數(shù)展開，然后在一定的大氣模型下逐項進行積分。這種方法已經(jīng)沿用了幾百年之久，展開形式也已發(fā)展到十分精巧的地步。第二類是從Marini連分式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的映射函數(shù)方法，它原先用于大氣延遲研究中。這方法的特點是：在一定的大氣模型下，用沿信號路徑數(shù)值積分方法求出不同高度角的大氣延遲改正；再用選定的映射函數(shù)形式（常用的有各種形式的連分式），對積分值按高度角（或天頂距）的三角函數(shù)進行擬合，求出擬合系數(shù)。

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