影響GPS遙感大氣水汽含量的因素分析＊

張洛愷，楊 力，李 婧，2

（1.信息工程大學，河南 鄭州450001；2.61363部隊，陜西 西安710054）

0 引 言

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術的飛速發(fā)展，它的應用越來越廣泛，尤其是在地球動力學、大地測量學、地球物理學、氣象學、災害預報和環(huán)境監(jiān)測等領域。20世紀90年代國際上興起了基于全球定位系統(tǒng)探測大氣水汽含量的新技術——GPS氣象學（GPS／MET），這種遙感水汽的方法具有高精度、高時空分辨率，長期穩(wěn)定，不受天氣影響，無需校正，費用低廉等特點，利用GPS進行大氣水汽探測能很好地克服傳統(tǒng)技術面臨的問題[1－2]。

1 地基GPS反演水汽基本原理

地球中性大氣對GPS信號的傳播會帶來路徑延遲，通常的做法是將每一個測站天頂延遲作為未知數進行估算，通過干、濕映射函數投影到信號傳播路徑上。實際觀測中，由于大氣各向異性的影響，還應加入大氣水平梯度，由此GPS信號傳播路徑上的中性大氣延遲模型如下：

大氣干項比較穩(wěn)定，因此干延遲可通過測站地面的溫度、氣壓根據經驗模型估計出來，進而分離出濕延遲。國內外研究較多的經驗模型有Hopfield、Saastamoinen、Black、UNB3、EGNOS和SHAO模型等[4]。獲取濕延遲后，可進一步轉化為與氣象有關的大氣可降水量（PWV），他們的關系可表示為[5]：

式中，轉換因子Π是中性大氣層加權平均溫度的函數Tm，可取近似值0.15[6].

2 GAMIT反演水汽流程

GAMIT是由美國麻省理工學院（MIT）和美國加利福尼亞大學SCRIPPS海洋研究所研制的高精度定軌、定位GPS數據分析軟件。GAMIT軟件基于Fortran編寫，采用雙差解算方法，具有處理結果準確、運算速度快、版本更新周期短等優(yōu)點，且開放源代碼，因此在國內應用廣泛。利用GAMIT軟件解算出的天頂對流層延遲總量和可降水量精度均可達到mm量級。利用GAMIT反演大氣水汽含量時可將參數設置如表1所示。

表1 GAMIT／GLOBK中部分參數設置

研究結果表明：在氣象變化劇烈和低高度截止角情況下，附加水平梯度的對流層延遲模型有利于提高ZTD精度[7]。GAMIT軟件中的梯度模型為

式中：C＝0.003，GE、GN分別為東西方向和南北方向的大氣水平梯度；e為高度角；α為方位角。

GAMIT反演可降水量的流程主要分為表文件準備，配置文件設置、星歷文件準備、測站觀測數據準備、定位解算和水汽反演。GAMIT反演可降水量流程圖如圖1所示。

圖1 GAMIT反演可降水量流程圖

3 實例分析

3.1 參考站選取

地基GPS局域網中計算每個測站PWV時，先要進行定位解算，以國際GNSS服務（IGS）提供的武漢站wuhn為待測點，根據相關文獻中總結的參考站選取原則[8]，選擇附近均勻分布的3個全球IGS超級跟蹤站上海shao、北京bjfs、昆明kunm作為參考站，如圖2所示。由于相近測站對于同一顆衛(wèi)星高度角幾乎相等，GPS信號的傳輸路徑和所受大氣延遲量也基本相同，所以天頂方向延遲具有強相關性，這種相關性很容易在測站間求差而消除掉，使得解得的PWV值呈現出一種系統(tǒng)偏差[9]。解算時，為保證計算精度，其中對參考站bjfs、shao、kunm，加入長度超過500km的長基線以減小解算過程相關性，獲取絕對PWV值[10]。

圖2 站點分布圖

3.2 解算結果精度評定

采用IGS最終精密星歷，截止高度角為GAMIT默認的10°，采用13個對流層參數，計算出wuhn站在2012年第101至105天中兩小時間隔的ZTD值、PWV值以及它們的中誤差，由于篇幅限制只將101天的基線邊解算精度如表2所示。

表2 基線邊解算精度

該天解算的Q文件中標準化均方根誤差NRMS平均值為0.16，滿足一般要求的0.5[11]，基線解算的精度在10－9，滿足地殼形變分析要求的10－7，這為大氣水汽反演的精度奠定了基礎。查看其它幾天Q文件，基線解算精度同樣滿足要求。

根據武漢實際氣象資料按照氣象文件格式編寫了M文件，反演了武漢站可降水量。其中ZTD中誤差最大值為14.20mm，最小值為5.30mm，平均值為7.90mm，PWV的中誤差最大值為1.97 mm，最小值為0.85mm，平均值為1.27mm，解算的精度較高。將GAMIT的ZTD結果與IGS機構下的CODE中心提供的參考值比較，最大偏差達到15.80mm，平均偏差為2.33mm，標準差為5.28mm。這是由于GAMIT軟件計算ZTD值采用精確線性模型（plecewisehnear），計算得到的結果相對平滑，但離散性較差[12]。探空值獲取時刻為12點和0點，將解算結果與IGRA提供的探空值分別求差，最大值為10.86mm，平均值為2.03 mm，標準差為3.58mm.另外計算時沒有采用適合當地的大氣加權平均溫度模型，而是采用GAMIT默認設置，這對反演精度也會產生影響。

3.3 對流層參數個數設置

在GAMIT配置文件sestbl.中可設置對流層延遲參數的個數，一般可取13、25、49，分別對應的時間分辨率為2h，1h，0.5h。現采用事后精密星歷，截止高度角設為10°，將不同對流層參數解算的ZTD與IGS提供的參考值進行對比，如圖3所示。可以看出它們的趨勢與IGS提供的參考值一致，分別將13參數、25參數、49參數ZTD值與IGS參考值的作差，差值非常接近，最大值依次為15.80mm、17.60mm、19.40mm，較差平均值依次為2.33mm、0.12mm、0.93mm，標準差依次為5.28mm、6.87mm、7.13mm.圖4示出了不同對流層參數解算PWV值對比，三條曲線走勢一致，兩兩之間差值最大不超過1mm.由于大氣水汽增量與降水量關系密切[2]，三種方案的解算結果與武漢2012年4月10日的降雨實情相符，在大氣水汽總量迅速增加后的6～7h，即當天14點至15點，降雨量達到了8mm，可見三種方案在中小尺度天氣預報中都能起到災前提醒和預防的作用。

圖3 不同對流層參數解算天頂延遲量對比

圖4 不同對流層參數解算PWV值對比

實際應用中，在精度符合要求的情況下我們往往要求提供的信息能更及時，從而對災害事件的把握和防范就更充分，天氣預報一般需要在半小時甚至更短的時間內提供新的信息，故0.5h的時間分辨率也更滿足實際應用的需要。

3.4 衛(wèi)星星歷精度對PWV的影響

實驗分別利用IGS提供的超快星歷IGU的預報部分和實測部分、快速星歷IGR、事后星歷IGS對whun站可降水量進行解算，對流層參數個數設為25，截止高度角10°.星歷相關信息如表3所示，不同星歷解算天頂延遲量對比如圖5所示。

表3 衛(wèi)星星歷及其精度

圖5 不同星歷解算天頂延遲量對比

圖6 不同星歷解算PWV值對比

將ZTD結果與IGS參考值比較，超快星歷預報部分得到的平均偏差0.89mm大于實測部分的0.31mm，快速星歷的0.27mm和最終星歷的0.12mm.超快星歷預報、超快星歷實測、快速星歷、最終星歷與參考值較差的標準差很接近，依次為6.94mm、6.84mm、6.91mm 和6.87mm.圖6示出了不同星歷解算的PWV值，快速星歷和最終星歷反演結果幾乎相等，超快速星歷解算的PWV值與它們相差僅在1mm以內，由此可見，超快速星歷預報部分引起的誤差是可以接受的。

3.5 截止高度角設置

衛(wèi)星高度角的變化影響著衛(wèi)星的空間幾何分布，從而影響對測站的坐標、對流層延遲量等的解算精算，通過設置高度角還可以減小多路徑效應的影響。圖7示出了所有觀測站高度角統(tǒng)一設置5°、10°、15°、20°和25°時的ZTD 值，通過對比發(fā)現，當高度角取15°時解算結果與IGS提供ZTD的參考值符合最好，5°到25°的標準差（mm）依次為：6.87、6.87、6.37、7.07、8.53.對 比PWV 值 和IGRA 探空值發(fā)現高度角大于20°時，GPS遙感水汽值偏差較大，20°以下相差則較小，如圖8所示，因此不建議采用截止高度角大于20°。

圖7 所有站設置某高度角時的天頂延遲量

圖8 所有站設置某高度角時PWV值

為進一步驗證，將待測站wuhn的高度角設置為5°到25°不等，其他測站均設置15°，計算出PWV值并與探空值比較，所得結論同上，即當所有測站高度角設置為15°時精度最佳。圖9示出了設置不同高度角時與探空值比較得到的標準差。

圖9 不同高度角PWV值標準差

4 結 論

文中列出了利用GAMIT計算大氣水汽含量時的一些常用參數設置和計算的注意事項，如考慮控制站幾何布局，以及加入大于500km的控制站以減小解算過程的相關性等。GAMIT基線解算精度的保證，為大氣水汽的反演奠定了基礎，同時實驗結果與IGS提供的天頂對流層延遲量吻合良好，實驗解算PWV的中誤差在1mm左右。

通過設置不同天頂對流層延遲參數個數，解算不同時間分辨率的可降水量，它們相差在1mm以內。因此在精度滿足要求的情況下，往往選擇半小時甚至15min提供一次信息，故將對流層參數設為49也更滿足實際應用的需要。星歷精度對水汽含量的計算也有一定影響，但目前IGS提供的超快速星歷、快速星歷、事后星歷計算出PWV相差都在1mm以內，因此采用超快速星歷能夠滿足實時水汽監(jiān)測的要求。研究了截止高度角對GPS反演可降水量的影響，實驗發(fā)現將截止高度角設為15°時遙感大氣水汽含量的精度最高。

致謝：感謝美國 MIT授權使用GAMIT／GLOBK軟件，感謝湖北氣象局提供武漢市氣象和降雨量數據。

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