北京市GPS水汽反演初步應用研究

劉嚴萍，王宇亮，張飛漣

（1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410083；2.河北聯合大學 建筑工程學院，河北 唐山 063009）

水汽是地球大氣中的一種重要成分，影響著輻射平衡、能量輸送、云的形成和降水，水汽的潛能是大氣從赤道向兩極輸送能量的重要機制，潛能的釋放對大氣的垂直穩定度、暴風雨的形成和演變以及地、氣系統徑向輻射能量平衡有顯著的影響[1]．

2011年6月23日下午4點30分左右，北京遭遇入汛以來的最大降雨．受此影響，城區部分路段出現擁堵現象，首都國際機場所有進出港航班均被取消．2011年7月24日午后，北京市發生全市性的大暴雨，降水總量達9.85億立方米，在個別地區出現了泥石流滑坡等不同程度的險情．除造成順義區2人遭遇雷擊死亡外，密云縣也有2人死亡、1人失蹤．特大暴雨導致平谷、密云部分地區發生泥石流災害，近6000人被轉移．

洪水被認為是世界范圍內最頻繁和最具毀滅性的自然災害之一．我國由于地形和氣候的影響，三分之二的國土存在著不同類型和不同程度的洪水災害．洪水災害一般是由連續性、高強度、長時間的大氣降雨所導致的，而大氣降雨在時空上的分布很不均勻[2]．預見期內的降雨量直接影響著洪水預報的精度，預見期越長，預見期內的降雨對預報值影響越大．因此，要提高洪水預報精度，必須借助于短期降雨預報．利用地基GPS反演水汽是目前大地測量與氣象科學研究的一個熱點和前沿問題．

如果知道可降水量的變化規律，就可以掌握其降雨趨勢，也可以為氣象部門提供基礎數據源，具有重要的現實意義．GPS氣象學理論是由Bevis在1992年提出[3]，自上世紀末以來，國內眾多學者研究地基GPS反演大氣水汽含量的原理并以香港、武漢、三峽、渤海等地區進行GPS氣象學應用方面的研究[4-12]，取得了一系列的研究成果，為GPS技術在氣象學領域的推廣應用提供了基礎．本文擬針對北京市GPS連續跟蹤網GPS數據和氣象數據，采用GAMIT軟件獲得GPS可降水量，對北京市不同區域的可降水量進行比較研究，獲得水汽分布情況．

1 地基GPS水汽反演原理

地基GPS遙感水汽可以分為如下幾個過程：1）利用GPS測量數據求解GPS對流層延遲；2）通過氣壓、溫度或者測站地理坐標計算出靜力學延遲；3）對流層延遲與靜力學延遲作差得到對流層濕延遲；4）濕延遲轉化為可降水量（水汽）．

對流層延遲作為GPS載波相位基本觀測方程中的一項改正數出現，在GPS數據處理中將其作為未知參數，選取適當的對流層延遲解算模型，在解算結果中對流層延遲作為GPS處理結果的改正值得到．對流層延遲可以分為靜力學延遲和濕延遲兩部分．濕延遲，通過對流層延遲與靜力學延遲的差值計算得到．

靜力學延遲常用計算模型有Saastamoinen、Hopfield、Black模型[1]，最常用的模型為Saastamoinen．

Saastamoinen模型可由式 (1)表示：

濕延遲可以由對流層延遲和靜力學延遲差值得到，即

2 北京市GPS連續跟蹤網及數據解算情況

作者收集了北京市GPS連續跟蹤網GPS資料，GPS測站信息見表1．

表1 北京市GPS連續跟蹤網測站信息Tab.1 Station information of Beijing continuous operation reference system

論文采用的GPS數據時間如下：2007年161～163日（年積日），196～198日，336～338日；2008年041～043日，076～078日，181～183日，216～218日，共計21日數據．GPS數據解算采用GAMIT軟件，星歷采用IGS（International GNSS Service）提供的精密星歷，GPS數據采樣間隔30 s，每天的觀測時間為UTC時間00：00～24：00，對流層延遲按小時估算，衛星截止高度角為10o，基線解算模式為Relax，按天解算，GAMIT軟件估算對流層延遲采用的氣象參數采用默認標準值．在用GAMIT處理GPS數據時，GPS網內應具有大于500 km長度的基線，這樣得到的對流層延遲是獨立的估計值；否則，結果會有偏差，這個偏差對于整個GPS網來說是一個常數，從而得到的對流層延遲為測站間的相對估計值[13-14]．北京市GPS連續跟蹤網數據解算時引入了長距離GPS觀測站SHAO，WUHN，LHAS同步處理，因而解算出來的對流層延遲為絕對估計值．對北京市GPS連續跟蹤網數據進行處理，結合氣象數據計算靜力學延遲，獲得各測站的可降水量值．圖1為2008年041日GPS站點組成的基線，該圖顯示了各測站的位置情況．

3 北京市GPS水汽反演初步研究

在用GAMIT軟件反演GPS對流層延遲，結合氣象數據可以計算出北京市各GPS測站的可降水量值．圖2和圖3分別為2008年216～218日（年積日）和2008年041～043日各測站的可降水量比較圖（圖2、圖3橫軸為時間，單位為小時，縱軸為可降水量，單位為mm．）．

圖1 北京市GPS測站位置Fig.1 GPSstation location in Beijing

圖2 2008年216～218日北京市GPS連續跟蹤網各測站可降水量比較Fig.2 Thecomparison among each station'sprecipitablewater vapor of Beijing continuousoperation referencesystem from 216th day to 218th day in 2008

圖3 2008年041～043日北京市GPS連續跟蹤網各測站可降水量比較Fig.3 Thecomparison among each station's precipitablewater vapor of Beijing continuous operation referencesystem from 041th day to 043th day in 2008

由圖2、圖3可以看出，同測站在冬季（041～043日）、夏季（216～218日）的可降水量差異很大，在216～218日的平均值為35 mm左右，而在041～043日的平均值只有2 mm左右．一日內正午的可降水量大于夜里的可降水量值．圖2、圖3可以看出各GPS站點在同一時段的可降水量的差異，如ZHAI的可降水量值較低，而CHPN站的可降水量值較高．利用GPS反演的可降水量資料可以進行區域水汽含量的分布研究，針對解算的各GPS站點的可降水量值，對北京市各GPS測站的可降水量進行均值統計，結果見表2．

表2為北京市各 GPS站點可降水量的平均統計結果比較，由表2可以看出，北京市的水汽值較大站點有：PING、CHAO、CHPN、DSQI、SHIJ，水汽值較低的站點有：ZHAI、YANQ、THKO、MYUN．從前文的 GPS可降水量反演公式可知可降水量值的高低與站點的海拔，緯度有關，結合表1各站點的地理位置信息，表2北京市各GPS站點的可降水量與測站海拔、緯度是密切相關的．

4 結論

由于數據有限，本文僅做了北京市GPS水汽反演的初步研究．本文針對北京市GPS連續跟蹤網數據，獲得了各測站的可降水量值，進行了水汽分布的比較．

表2 北京市GPS連續跟蹤網各測站的可降水量的平均值統計Tab.2 Average value statistics of precipitable water vapor in Beijing continuousoperation reference system

[1]王勇．地基GPS氣象學應用研究 [D]．武漢：中國科學院測量與地球物理研究所，2006．

[2]谷曉平．GPS水汽反演及降雨預報方法研究 [D]．北京：中國農業大學，2004．

[3]Bevis M，Businger S，Herringt A，et a1．GPSmeteorology:remotesensing of atmospheric water vapor using theglobal positioning system[J]．J Geophys Res，1992，97（15）：787-80l．

[4]陳俊勇．地基GPS遙感大氣水汽含量的誤差分析 [J]．測繪學報，1998，27（2）：113-118．

[5]陳永奇，劉炎雄，王曉亞，等．香港實時GPS水汽監測系統的若干關鍵技術 [J]．測繪學報，2007，36（1）：9-13．

[6]王勇，柳林濤，肖建華，等．武漢地區GPS氣象網試驗研究 [J]．武漢大學學報（信息科學版），2007，32（5）：435-438．

[7]陳波，史瑞琴，陳正洪．2007年湖北省梅雨期可降水量的GPS觀測和分析 [J]．長江流域資源與環境，2009，18（6）：535-539．

[8]張化疑，劉焱雄，周興華，等．渤海區域對流層加權平均溫度研究 [J]．測繪信息與工程，2010，35（4）：1-2．

[9]丁金才，葉其欣．長江三角洲地區近實時GPS氣象網 [J]．氣象，2003，29（6）：26-30．

[10]王貴文，王澤民，楊劍．地基GPS準實時反演三峽地區大氣可降水量的研究 [J]．武漢大學學報（信息科學版），2007，32（9）：761-764．

[11]王留朋，白征東，過靜珺，等．利用地基GPSPWV序列和相對濕度RH序列研究暴雨過程 [J]．測繪科學，2007，32（3）：142-145．

[12]常亮，何秀鳳．綜合GPS和NCEP在區域降雨預報中的應用研究 [J]．中國科學：物理學力學天文學，2010，40（5）：685-692．

[13]DUANJ，BEVISM，FANGP，etal．GPSMeteorology:Directestimationof theabsolutevalueof precipitablewater[J]．JAppl Meteorol，1996，35（6）：830-838．

[14]李征航，徐曉華，羅佳，等．利用GPS觀測反演三峽地區對流層濕延遲的分布及變化[J]．武漢大學學報（信息科學版），2003，28（4）：393-396．