利用超快速星歷進行數值天氣預報的可行性研究

馬會軍

（新疆地礦局第七地質大隊，新疆 烏蘇833000）

水汽是水分和熱量傳遞的基質，是一個極不穩定的氣象參數，影響著輻射平衡、能量輸送、云的形成和降水。自1992年實現用地基GPS遙感大氣水汽以來［1］，其估計大氣可降水量PWV的精度不斷得到改善和證實［2－5］，該技術在氣象學領域的應用日益受到重視［6］。高精度解算PWV主要受衛星軌道精度影響［7］，而衛星軌道精度由衛星星歷決定。目前，利用最終精密星歷地基靜止平臺GPS測量水汽含量精度可達1 mm，滿足數值天氣預報的精度要求［8］。但IGS精密星歷延遲為13 d，不能滿足數值天氣預報等實時業務的需求。IGS中心從2000年開始提供可實時獲取的超快速星歷，這意味著利用超快星歷的預報軌道和預報鐘差能一定程度上滿足某些用戶要求［9］。

本文基于地基GPS遙感大氣水汽原理，結合香港CORS網的觀測數據進行處理，采用超快速星歷估計PWV，并與IGS精密星歷估計的PWV和無線電探空資料反演的PWV進行比較分析，探討利用超快速星歷估計PWV用于數值天氣預報的可行性。

1 地基GPS遙感大氣水汽原理

GPS信號在傳播過程中會受到中性大氣層和電離層的影響而產生延遲和彎曲。其中，電離層延遲部分可利用電離層的彌散特性通過雙頻接收機來消除99%的影響，中性大氣層延遲可表示為［10］

式中：Nd，Nw分別為干、濕折射率指數；HD為靜力學延遲；WD為濕延遲。通過映射函數，將大氣延遲轉換到天頂方向 則天頂總延遲ZTD為

式中：ZHD為天頂靜力學延遲；Z WD為天頂濕延遲。

天頂總延遲ZTD可利用GA MIT等高精度GPS數據處理軟件求解，天頂靜力學延遲ZHD可通過Saastamoinen模型很好的估計得到，由此可分離得到天頂濕延遲ZWD，而PWV與ZWD成比例關系，有

式中：Π為轉換系數；Tm為地表加權平均溫度；K′2、K3和Rv均為常數。

2 實驗數據和方案

實驗數據選用香港CORS網中6個參考站2011年年積日152～171的20 d（6月1日～6月20日）的觀測文件和氣象文件，以及相應時段的IGS精密星歷文件和IGU超快速星歷文件，6個站分別是粉嶺（HKFN）、小冷水（HKSL）、昂坪（HKNP）、昂船洲（HKSC）、石碑山（HKOH）和黃石（HKWS）。下載香港地區King’s Par k探空站相應時段的數據，以驗證地基GPS遙感大氣水汽的精度。CORS網中各參考站及探空站的分布如圖1所示。

GA MIT是高精度的基線解算軟件之一，利用IGS最終精密星歷進行解算時，對流層的解算精度可達5 mm，轉化為可降水量的精度約1 mm［6］。考慮到香港地區瀕臨海域，需在解算中引入海潮模型。由于香港CORS網中各站距離較近，為了獲取絕對PWV，需引入網外輔助站。此外，采用GA MIT軟件進行PWV解算 還要涉及解算模式映射函數和大氣荷載模型等參數的設置。采用GA MIT求解PWV的主要參數設置如表1所示。

表1 GAMIT求解PWV的方案及主要參數

3 實驗結果分析

從圖1可看出，King’s Par k探空站與昂船洲（HKSC）站相距最近。二者距離約2．5 k m，由King’s Par k探空資料反演的PWV與昂船洲站的PWV具有較好的可比性。圖2上部為昂船洲站分別由IGS精密星歷和IGU超快速星歷解算得到的PWV序列，及由King’s Par k探空資料反演得到的PWV序列，下部為最終精密星歷和超快速星歷計算結果的差值。

從圖2可看出，由IGU超快速星歷、IGS精密星歷和探空資料解算的PWV序列在趨勢上基本一致，且超快速星歷和最終精密星歷的結果在數值上相當接近，計算結果的最大差異不超過3 mm。進一步采用最小二乘法分別擬合IGS精密星歷和探空資料解算的PWV序列，及IGU超快速星歷和IGS精密星歷解算的PWV序列間的線性關系，并計算兩組數據的RMS和相關系數，分別如圖3和圖4所示。

由圖3可知，昂船洲站由IGS精密星歷解算的PWV與探空PWV間的相關系數為0．934 4，均方根誤差RMS為3．2 mm，兩者具有很好的一致性。因此，地基GPS遙感大氣水汽的精度是穩定可靠的 由圖4可知 昂船洲站分別以精密星歷與超快速星歷解算的PWV序列的相關系數為0．999 4，均方根誤差RMS為0．24 mm，可見，采用超快速星歷得到的PWV與精密星歷結果一致 而超快速星歷可以實時獲取。因此，采用超快速星歷估計PWV用于數值天氣預報是切實可行的。

圖2 昂船洲站分別以IGS精密星歷和IGU超快速星歷解算的PWV序列及探空PWV序列

圖3 IGS最終精密星歷和探空資料解算的PWV序列間的線性擬合圖

4 結束語

超快速星歷可以實時獲取，滿足數值天氣預報等實時業務的需求。本文依托香港CORS網的實測數據進行實驗，對比分析昂船洲站分別由IGU超快速星歷、IGS精密星歷和探空資料解算的PWV序列，三者在趨勢和數值上表現出較好的一致性，其中分別以精密星歷與超快速星歷解算的PWV序列的相關系數超過0．99。實際應用中，可以利用超快速星歷替代精密星歷估計PWV進行準實時的數值天氣預報。

圖4 IGU超快速星歷和IGS精密星歷解算的PWV序列間的線性擬合圖

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