PLAOD支持下高時間分辨率的可降水量分析

葛玉輝,熊永良,徐韶光,李新忠

(1. 鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251; 2. 西南交通大學測繪工程系，四川 成都 611756)

GE Yuhui,XIONG Yongliang,XU Shaoguang,LI Xinzhong

PLAOD支持下高時間分辨率的可降水量分析

葛玉輝1,熊永良2,徐韶光2,李新忠2

(1. 鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251; 2. 西南交通大學測繪工程系，四川 成都 611756)

Analysis of PWV for High Temporal Resolution Based on PLAOD

GE Yuhui,XIONG Yongliang,XU Shaoguang,LI Xinzhong

摘要：針對短期臨近天氣和氣象業務預報，為了更好地分析和提供實時的可降水量(PWV)，獲取高時間分辨率的GPS可降水量數據，本文選用PLAOD數據處理軟件，可實現30 s采樣間隔的對流層延遲近實時解算。以武漢站為例，分別用PLAOD和GAMIT取1 h的時間分辨率對解算出的可降水量數據進行了對比試驗，驗證了PLAOD軟件的可靠性和實用性。

引文格式： 葛玉輝,熊永良,徐韶光,等. PLAOD支持下高時間分辨率的可降水量分析[J].測繪通報，2015(9)：51-53.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0277

關鍵詞：可降水量(PWV)；PLAOD；GAMIT；對比試驗

中圖分類號：P22

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0051-03

收稿日期：2014-08-22

基金項目：國家自然科學基金(41274044)

作者簡介：葛玉輝(1986—)，男，碩士生，主要從事高精度GNSS數據處理、GNSS氣象學等方面的研究。E-mail:geyuhui923@126.com

一、引言

水汽是大氣中的一種主要成分，也是大氣變化中唯一能夠發生相變的成分，在天氣變化中非常重要，也是現代科學研究關注的熱點。由于實時水汽分布在微氣象學、全球氣候變化、災害性天氣預報、InSAR大氣改正等領域具有很高的應用價值，因此利用GNSS(global navigation satellite system)獲取水汽與預報水汽具有重要意義。目前獲取水汽已趨于成熟，而水汽的預報仍然有待研究。水汽無論是在時間還是地域分布都存在著不均勻性，準確預測的難度較大，不少學者采取各種方法來探索準確預報水汽的方法。對于短臨天氣預報，反演大氣可降水汽量一般選用30 min、15 min間隔，有的間隔甚至更短，即所謂“第一時間”提供一次水汽含量資料，目前GPS可降水量的數據未能滿足該需求[1]。為了更好地分析和提供實時的可降水量數據，在短期氣象臨近預報和數值天氣預報應用方面獲取高時間分辨率的GPS可降水量數據，對現代氣象學和短期水汽預測具有重要的理論意義和實用參考價值。

由于可降水量與天頂對流層延遲的解算結果密切相關，因此如何從GPS觀測數據中解算出高精度的對流層延遲(ZTD)顯得尤為重要。目前，國內外常用的實現估算對流層天頂延遲功能的GPS定軌定位數據處理軟件主要有GAMIT、GIPSY、BERNESE和PANDA等[2]。中國科學院測量與地球物理研究所的李軍等[3]選取東亞地區13個GPS

點2002年84天的觀測資料，分別用Bernese、GAMIT和GIPSY 3種軟件進行試驗和比較分析，得出了GIPSY和GAMIT的解算結果差異較小，而Bernese與GIPSY和GAMIT兩種軟件解算結果差別比較大，其中GAMIT數據處理軟件和IGS更為一致的結論。針對大氣可降水量的近實時解算需要，本文利用由西南交通大學測繪工程系GNSS聯合實驗室研發的PLAOD(precise location and orbit determination)高精度數據處理軟件，可實現30 s采樣間隔的對流層延遲近實時解算。選取武漢站2013年8月1號IGS站精密星歷、氣象數據等，分別用PLAOD和GAMIT取1 h的時間分辨率對解算出的可降水量數據進行了對比試驗，以驗證PLAOD軟件的可靠性和實用性。

二、PLAOD數據處理軟件

PLAOD高精度數據處理軟件是由西南交通大學測繪工程系GNSS聯合實驗室研發的，是一個用于GNSS定位和數據分析的軟件包，它的全稱是精密定位和軌道確定。開發PLAOD最初是為了獲取對流層延遲，后來發展成可獲取定位目標的精密坐標及其他副產品。定位目標可以是靜止的GNSS臺站，也可以是高速運動的低軌衛星,它所采用的算法遵循標準精密單點定位算法[4]。經過加入各種模型改正,通過卡爾曼濾波平差得到單天解，與IGS最終坐標相比，所獲取結果的精度在1 cm左右，其模塊結構如圖1所示。

圖1　PLAOD高精度數據處理軟件結構[4]

1. PLAOD軟件數據解算操作步驟

1) 準備觀測文件(30 s采樣率)、精密星歷文件(第二天第一個歷元的星歷附在文件末尾)、衛星鐘差文件，其中星歷可以采用分機構的星歷，衛星鐘差可用5 min的或30 s的,建議采用30 s的。

2) 點擊Read Obs按鈕選取要處理的數據。

3) 選取最終星歷(Final)或包星歷(Predict)，然后點擊Read SP3。

4) 點擊Read Clk讀取鐘差文件。

5) 選擇Static選項。

6) 點擊Kalman Filter進行處理數據，下面綠色的進度條完成表示數據處理完畢。

7) 生成的文件結果在自己建立的文件夾(F:leotest)下，格式為yyyymmddmakeppp.txt。

8) 生成的結果解算出大氣對流層延遲和可降水汽。

2. PLAOD軟件數據解算結果

通過以上操作即可求出GPS對流層延遲，取2013年8月1號武漢站GPS資料和IGS氣象站數據及超快預報星歷，用PLAOD軟件進行數據處理，采樣率取30 s一個歷元，解算結果見表1。

表1　2013年8月1日武漢站30 s間隔的GPS數據解算結果

注：CLK為接收機鐘差；ZTD為天頂總延遲；Sigma為對流層中誤差；GR-NS為對流層南北方向梯度；GR-EW為對流層東西方向梯度；N—atm為北方向與對流層的相關系數；E—atm為東方向與對流層的相關系數；U—atm為高程方向與對流層的相關系數；DT—atm為接收機鐘差與對流層的相關系數。

用PLAOD數據處理軟件解可算出高時間分辨率的GPS對流層延遲，并結合氣壓、溫度或測站地理坐標計算出靜力學延遲，由對流層延遲和靜力學延遲之差得到對流層濕延遲，利用可降水量轉換模型，得出高時間分辨率的可降水量。

三、實例分析

以武漢站2013年8月1日GPS可降水汽量數據為研究對象，通過武漢站的GPS觀測資料，外加上海站和拉薩站2個輔助站，利用GAMIT軟件取1 h的時間間隔解算得到對流層延遲，結合同一時間的氣象數據得到GPS可降水量數據，作為本次試驗的基準數據，另外用PLAOD軟件同樣取1 h的時間分辨率對GPS數據進行處理，計算出對流層延遲，并結合地區氣象數據、可降水量轉化模型，最終算出降水量數據并做對比試驗。其PLAOD和GAMIT可降水量結果對比值見表2和圖2，PLAOD和GAMIT可降水量結果殘差值見圖3。

表2　PLAOD和GAMIT可降水量解算結果對比值　mm

從表2和圖2可以看出，PLAOD和GAMIT可降水量解算結果對比值很接近，兩種軟件計算的可降水量結果絕對值最大值為2.6 mm，最小值為0.04 mm，絕對值平均值為1.09 mm。從圖3可以看出，序列1和序列2的誤差較大，其他序列誤差比較均勻。這是由于PLAOD數據處理軟件開始時模糊度沒有收斂而造成的。

圖2　PLAOD和GAMIT可降水量解算結果對比

圖3　PLAOD和GAMIT可降水量殘差對比

四、結束語

對于短臨天氣預報，反演大氣可降水量一般選用30 min、15 min間隔，有的間隔甚至更短，這樣才能反映水汽快速變化的特性，以滿足對中、小尺度惡劣天氣進行短臨預報的需要。針對大氣可降水量的近實時解算需要，本文采用PLAOD高精度數據處理軟件可實現30 s采樣間隔的高時間分辨率對流層延遲近實時解算。為了驗證PLAOD軟件的可靠性和實用性，選取武漢站2013年8月1日IGS站精密星歷、氣象數據等，分別用PLAOD和GAMIT取1 h的分辨率進行對比試驗。兩種軟件計算的可降水量絕對值最大值為2.6 mm，最小值為0.04 mm，平均值為1.09 mm，表明PLAOD軟件具有足夠的精度來計算對流層延遲，滿足了可降水汽預報研究所需的高時間分辨率數據的要求。對GPS可降水量短期預測，快速、準確地獲取GPS氣象學在短期天氣預報的應用具有實用參考價值。

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