3種對流層干延遲模型在中國低緯度地區的精度分析

陳 威

（1.樂清市土地勘察測繪隊，浙江 樂清 325600）

3種對流層干延遲模型在中國低緯度地區的精度分析

陳 威1

（1.樂清市土地勘察測繪隊，浙江 樂清 325600）

為了分析Saastamoinen模型、Hopfield模型和Black模型等干延遲（ZHD）模型在中國低緯度地區的精度情況，在中國低緯度地區的桂林、香港和海口3個地方，利用各地區相應的探空站2012年第122~152天的氣象觀測資料，分析了3種經驗模型在低緯度地區的精度情況。結果表明，在所選的3個站內，3種經驗模型計算的ZHD變化趨勢具有很好的一致性，以Saastamoinen模型計算的ZHD值為參考，Saastamoinen模型和Hopfield模型的ZHD值較為接近，而Black模型計算值偏差較大。

干延遲模型；探空站；低緯度地區；精度分析

研究表明，利用GPS反演的大氣可降水量（PWV）具有與探空方法和水汽輻射計等傳統方法相同的精度[1-3]，而地基GPS可提供高時空分辨率、高精度、實時的PWV時間序列[4]。在GPS反演PWV過程中，用于將對流層天頂延遲（ZTD）轉換為PWV的2個重要參數分別是地面氣壓（Ps）和加權平均溫度（Tm）。Ps主要用于計算ZHD，ZHD的估計精度將直接影響PWV的估計精度。目前，計算ZHD的主要模型[5]有Saastamoinen模型（SAAS模型）、Hopfield模型和Black模型。由于這3個模型計算時需要測站對應的地面氣壓和地面溫度，因此，ZHD在不同地區不同模型之間可能會存在差異[6]。為了提高模型的精度，一些學者利用局地探空站資料對3種經驗模型進行了訂正，陳兆林[7]等的研究得出3種經驗模型更適合北美地區；Liu Yanxiong[5]、章紅平[6]等分別在香港和武漢地區對干延遲模型進行了訂正，使得訂正后的模型精度更高。然而，這些研究只是針對小范圍內單站的研究，對于區域內3種模型的精度情況并沒有作進一步分析。本文利用中國低緯度地區的3個探空站的氣象觀測資料對3種模型的精度進行了分析，以SAAS模型為參考，得出它們的區域特性。

1 大氣干延遲的計算原理與方法

GPS對流層天頂總延遲包含天頂濕延遲和天頂干延遲2個部分[7]：

式中，ZHD為天頂干延遲；ZWD為天頂濕延遲。

大氣路徑延遲通常可分為干、濕2個分量。其中，干延遲可表示為[6]：

2 實驗分析

為了比較3種模型的精度，分析3種模型在我國低緯度地區的適用性，選取桂林、香港和海口3個地區作為研究區域。利用3個地區探空站2012年第122~152天的氣象觀測數據分別采用3種模型計算出ZHD，結果如圖1和表1所示。根據曲建光[8]等的研究，由于SAAS模型受測站高程影響很小，其計算的ZHD精度要好于其他模型。因此，本文將SAAS模型計算的ZHD作為準確值，其他模型與其進行比較。

由圖1可以看出，在桂林地區，各個模型計算的ZHD值均小于香港和海口的ZHD值。這與其地理位置有關，桂林屬于內陸地區，而香港和海口屬于沿海地區。3種模型計算的ZHD值具有很好的一致性，而Black模型計算的ZHD在3個地區均大于相應的SAAS和Hopfield模型的ZHD值，SAAS和Hopfield模型計算的ZHD值較為接近。

圖1 3種模型計算ZHD值的比較圖

表1 3個地區3 種模型的比較情況表

從表1可知，各站相應的絕對平均偏差（MAE）和均方根誤差（RMSE）幾乎是一樣的，說明Black模型、Hopfield模型與SAAS模型的偏差是線性的，因此只需作線性改正。在香港和海口，Black模型和Hopfield模型的MAE、RMSE分別為2.9 cm和0.2 mm，因此只需對Black模型作線性改正即可，而不用對Hopfield模型進行改正。而為了更高精確地估算ZHD，桂林站的Hopfield模型也需進行訂正。由此可以看出，如果以SAAS模型為準確值，那么在所研究的區域內必須對Black模型進行訂正才能使用，而Hopfield模型則需要根據實際情況決定是否需要訂正。

3 結 語

本文利用中國低緯度地區的3個探空站氣象觀測資料，以SAAS模型計算的ZHD值為參考，研究了3種ZHD經驗模型在該區域內的精度情況，得到以下結論：

1） SAAS模型和Hopfield模型計算的ZHD值較為接近，而Black模型計算的ZHD值大于前兩者的ZHD值；

2） 在區域內，需對Black模型進行線性誤差的訂正才能用于計算ZHD；

3） Hopfield模型需根據實際情況確定是否需要進行模型訂正。

[1] 王小亞，朱文耀，嚴豪健，等. 地面GPS探測大氣可降水量的初步結果[J].大氣科學，1999，23: 605-612

[2] Tregoning，Boers P R, Brien D O，et al. Accuracy of Absolute Precipitable Water Vapor Estimates from GPS Observations[J]. J Geophys Res, 1998, 103:28 701–28 710

[3] Borbás é. Derivation of Precipitable Water from GPS Data: an Application to Meteorology Phys Chem[J]. Earth, 1998, 23(1):87-90

[4] 李國平,陳嬌娜,黃丁發,等.地基GPS水汽實時監測系統及其氣象業務應用[J].武漢大學學報:信息科學版, 2009，34(11): 1 328-1 311

[5] Liu Yanxiong. Remote Sensing of Atmospheric Water Vapor Using GPS Data in the Hong Kong Region[D]. Hong Kong:The Hong Kong Polytechnic University，2000

[6] 章紅平，劉經南，朱文耀，等. 利用地基GPS技術反演武漢地區大氣可降水分[J].天文學進展, 2005，23(2):169-179

[7] Bevis M，Businger S, Herring T A, et al. GPS Meteorology: Remote Sensing of Atmospheric Water Vapor Using the Global Positioning System[J]. J Geophys Res，1992，97 (14): 15 787-15 801

[8] 曲建光，魏旭東，王澤民,等.在高海拔地區Saastamoinen與Hopfield模型推算水汽含量差異的研究[J]. 武漢大學學報：信息科學版， 2003，28(4): 397-399

Comparison of Three ZHD Models in the Low Latitude Region of China

byCHEN Wei

In order to analyze the precision of the three zenith hydrostatic delay (ZHD) models using in the low latitude region of China, the radiosonde data in year 2012 from day 122 to 152 at Guilin, Hongkong and Haikou were used to analyze the accuracy of the three empirical models in the low latitude region. The results show that for the selected three stations a good agreement of ZHD calculating by these models and Saastamoinen model and Hopfi eld has the same level of accuracy when ZHD calculated from Saastamoinen model as reference, while the bias between the Black model and other two models is large.

zenith hydrostatic delay model,radiosonde station,the low latitude region,accuracy analysis

P228.42

B

1672-4623（2014）02-0114-02

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.02.040

2012-10-29。

陳威，主要研究方向為測量數據采集及數據處理。