基于區(qū)域CORS的可降水汽含量反演及其精度分析

周茂盛,郭金運(yùn),姜英明,周長(zhǎng)志

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2.山東省國(guó)土測(cè)繪院,濟(jì)南 250102)

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基于區(qū)域CORS的可降水汽含量反演及其精度分析

周茂盛1,郭金運(yùn)1,姜英明1,周長(zhǎng)志2

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2.山東省國(guó)土測(cè)繪院,濟(jì)南 250102)

為了檢驗(yàn)區(qū)域CORS反演可降水汽含量的精度,本文使用SDCORS的2012年全年的觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)多參數(shù)法建立誤差方程和法方程的方法解算出對(duì)流層延遲,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可降水汽含量。提出了利用定位精度判斷可降水汽含量反演精度的方法。文中使用此方法將GPS/PWV與NCEP/PWV對(duì)比分析的方法進(jìn)行精度檢驗(yàn),結(jié)果顯示利用區(qū)域CORS反演可降水汽含量的方法達(dá)到了較高的精度。

CORS;可降水汽含量;NCEP;精密單點(diǎn)定位

0　引　言

水汽,是大氣中重要的氣體成分之一,它對(duì)天氣變化有重要影響。在天氣上,它所輸送的潛熱,在各種天氣尺度的大氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起著非常重要的作用[1]。通過(guò)大氣熱力學(xué)過(guò)程(包括相變熱能轉(zhuǎn)換及輻射過(guò)程),水汽對(duì)天氣和氣候都有非常重要的影響[2]。常規(guī)探測(cè)大氣中水汽含量的主要方法有無(wú)線(xiàn)電探空技術(shù)、氣象飛機(jī)探測(cè)、水汽微波輻射計(jì)、氣象衛(wèi)星觀測(cè)、地面濕度計(jì)觀測(cè)等[3-5]。但是由于常規(guī)方法存在成本高、時(shí)空分辨率低、精度低、適應(yīng)范圍小等不足,在氣象中的應(yīng)用受到一定的限制。與常規(guī)方法相比,地基GPS資料具有低成本、高精度和高時(shí)空分辨率等優(yōu)點(diǎn)[6],因此發(fā)展GPS氣象學(xué)對(duì)提高災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能力具有非常重要的作用。

GPS氣象學(xué)的研究于20世紀(jì)80 年代后期,美國(guó)率先進(jìn)行了多次試驗(yàn)[7]。之后,德國(guó)、日本、瑞典等進(jìn)行了多次較大規(guī)模的GPS觀測(cè)試驗(yàn),取得了一系列研究成果。20世紀(jì)90年代中期以來(lái),我國(guó)一些天文、測(cè)量和氣象研究機(jī)構(gòu)也陸續(xù)開(kāi)展了許多地基GPS觀測(cè)試驗(yàn),取得了一系列研究成果并開(kāi)始應(yīng)用于大氣研究和氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)[8-11]。

山東省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)(SDCORS)項(xiàng)目是由山東省國(guó)土資源廳和山東省氣象局等合作研發(fā),納入地市和行業(yè)已建CORS系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在山東省境內(nèi)的導(dǎo)航定位等多功能服務(wù)工作[12-13]。因?yàn)镃ORS觀測(cè)站具有高時(shí)空分辨率、高精度和低成本等優(yōu)點(diǎn),所以利用這些CORS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)大地測(cè)量的研究都是非常有效的[14]。因此,為了能讓新型遙感探測(cè)資料在氣象研究中得到更廣泛的應(yīng)用,開(kāi)展地基GPS資料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和研究工作是十分必要的。

本文利用SDCORS觀測(cè)站的2012年全年觀測(cè)數(shù)據(jù),反演山東地區(qū)的可降水汽含量,并通過(guò)與NCEP資料對(duì)比分析和利用定位的標(biāo)準(zhǔn)判斷反演精度兩種方法進(jìn)行精度評(píng)定。

1　基于CORS的可降水汽含量反演方法

對(duì)流層對(duì)GPS信號(hào)的傳播有兩種影響[15]:一是使信號(hào)傳輸?shù)乃俣冉档?二是導(dǎo)致信號(hào)的彎曲。由于上述原因?qū)е碌男盘?hào)傳播路徑的增加稱(chēng)為對(duì)流層延遲。而可降水汽含量的反演與對(duì)流層延遲量的計(jì)算密切相關(guān)。

GPS反演可降水量的過(guò)程是:1) 計(jì)算對(duì)流層延遲。在載波相位觀測(cè)方程中將對(duì)流層延遲視為未知參數(shù),對(duì)流層延遲在解算結(jié)果中作為處理結(jié)果的改正值得到[16]。2 )計(jì)算對(duì)流層濕延遲。根據(jù)測(cè)站氣象信息和測(cè)站坐標(biāo),采用靜力學(xué)延遲模型計(jì)算靜力學(xué)延遲[17-18],濕延遲即對(duì)流層延遲與靜力學(xué)延遲的差值。3 )計(jì)算可降水量。可降水量可通過(guò)濕延遲與可降水量之間的函數(shù)關(guān)系求出[19]。

在歷元t,接收機(jī)i到衛(wèi)星j的相位觀測(cè)值為

(1)

(2)

式中，m(e)為映射函數(shù)。

(3)

(4)

式中,Π為與對(duì)流層的溫度有關(guān)的轉(zhuǎn)換系數(shù),即:

(5)

(6)

2　基于SDCORS的可降水汽含量反演結(jié)果與分析

2.1數(shù)據(jù)解算

SDCORS始建于2007年,2010年基本建成,至2012年末,其站點(diǎn)數(shù)目已達(dá)到100個(gè)。觀測(cè)數(shù)據(jù)是采用了天寶、徠卡和拓普康三種品牌多種類(lèi)型的接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)所得,其數(shù)據(jù)采樣間隔有15 s和30 s不等。為了方便解算,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,將其采樣間隔統(tǒng)一成30 s[22].在如上所述的有關(guān)原理與公式的基礎(chǔ)上,基于CORS的水汽反演主要流程,如圖1所示為:

在此算例中選擇了SDCORS的2012年全年觀測(cè)數(shù)據(jù)按照上述方法進(jìn)行解算。為了分析方便,從解算結(jié)果中選擇冬季、春季、夏季每個(gè)季節(jié)各一個(gè)時(shí)段進(jìn)行展示,如圖2～圖4所示。

圖1　可降水汽含量反演

圖2　2012年002天12時(shí)PWV

圖3　2012年093天0時(shí)PWV

圖4　2012年184天18時(shí)PWV

2.2反演結(jié)果分析

這里對(duì)由SDCORS觀測(cè)站2012年解算得到的逐小時(shí)可降水量(PWV)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。采用兩種驗(yàn)證方案:一是將GPS/PWV和NCEP/PWV進(jìn)行對(duì)比分析;二是將PWV反算到對(duì)GPS

定位的影響上,利用定位的標(biāo)準(zhǔn)間接來(lái)判斷GPS反演可降水量的可靠性。

2.2.1GPS/PWV和NCEP/PWV對(duì)比分析

NCEP/NCAR再分析資料[23]是由美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)合作研發(fā)的。NCEP/NCAR再分析資料是一種綜合的觀測(cè)資料集,采用了當(dāng)今最先進(jìn)的全球資料同化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)各種來(lái)源的觀測(cè)資料進(jìn)行質(zhì)量控制和同化處理,具有范圍廣、時(shí)間序列長(zhǎng)、要素多等優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前的氣象研究中,NCEP再分析資料被作為診斷資料進(jìn)行分析和研究。

NCEP再分析資料是經(jīng)緯度分辨率為2.5°×2.5°、時(shí)間分辨率為6 h的格點(diǎn)上的逐日平均降水量。為方便分析,對(duì)2012年NCEP可降水量進(jìn)行了雙線(xiàn)性二次插值,得到測(cè)站位置的可降水汽含量。下面同樣選擇與上文展示的GPS/PWV相同時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示,如圖5～圖7所示。

利用上文所展示時(shí)段的GPS/PWV與NCEP/PWV進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)比結(jié)果如圖8～圖10所示。

對(duì)GPS/PWV與NCEP/PWV之間的差值的最小值、最大值、中誤差、平均值、相對(duì)誤差以及相對(duì)誤差的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

圖5　2012年002天12時(shí)NCEP/PWV

圖6　2012年093天0時(shí)NCEP/PWV

圖7　2012年184天18時(shí)NCEP/PWV

圖8　2012年002天12時(shí)GPS/PWV與NCEP/PWV對(duì)比

圖9　2012年093天0時(shí)GPS/PWV與NCEP/PWV對(duì)比

圖10　2012年184天18時(shí)GPS/PWV與NCEP/PWV對(duì)比

通過(guò)圖8～圖10和表1可以看出,冬季的降水量偏少,GPS/PWV與NCEP/PWV的差值也普遍在1.5 mm以?xún)?nèi);春季山東省的降水明顯增多,GPS/PWV與NCEP/PWV的差值大部分在2 mm以?xún)?nèi);夏季山東省的降水較春季大幅增多,同時(shí)GPS/PWV與NCEP/PWV的差值也隨之增大,差值都在10 mm范圍內(nèi)。圖示期間,GPS/PWV和NCEP/PWV變化的趨勢(shì)和幅度有較好的一致性。由此可得,利用SDCORS反演可降水汽含量的方法精度較好。

表1　GPS/PWV與NCEP/PWV的差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2.2利用定位精度判斷GPS反演可降水量的可靠性

在上述原理和公式的基礎(chǔ)上,利用定位精度判斷可降水汽含量反演精度的流程，如圖11所示，概括為:1) 確定加權(quán)平均溫度并把反演得到的可降水汽含量利用公式(4)轉(zhuǎn)化為天頂濕延遲; 2) 通過(guò)天頂靜力學(xué)模型(Saastimoinen模型)計(jì)算天頂靜力學(xué)延遲,同時(shí)利用式(3)計(jì)算天頂總延遲; 3) 通過(guò)映射函數(shù)(Neill映射函數(shù))將天頂延遲量映射到斜路徑方向,并將斜路徑延遲量改正到相應(yīng)的觀測(cè)文件中的偽距觀測(cè)值和相位觀測(cè)值中; 4) 將改正后的觀測(cè)文件用LC組合模式進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算,解算過(guò)程中不再進(jìn)行對(duì)流層延遲改正; 5) 將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)用LC組合模式進(jìn)行精密單點(diǎn)定位,解算過(guò)程中進(jìn)行對(duì)流層延遲改正。6) 將兩次定位的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖11　通過(guò)定位進(jìn)行PWV精度檢驗(yàn)流程

分別利用2012年001天5個(gè)測(cè)站、002天5個(gè)測(cè)站、003天4個(gè)測(cè)站、004天4個(gè)測(cè)站、005天4個(gè)測(cè)站共22個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)利用上述方法進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖12和圖13示出了計(jì)算的X/Y/Z坐標(biāo)系下的差值ΔX/ΔY/ΔZ和在N/E/U坐標(biāo)系下的差值ΔN/ΔE/ΔU.對(duì)兩種坐標(biāo)系下的兩種解算結(jié)果之間的差值的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如表2所示。

由圖12、圖13和表2可見(jiàn),X、Y、Z方向的最大差值大部分小于15 cm;轉(zhuǎn)換到NEU坐標(biāo)系下,N、E、U方向的差值U方向保持最大,N、E方向差值大部分小于5 cm.考慮到精密單點(diǎn)定位的精度及解算等各方面的誤差,這樣的結(jié)果說(shuō)明基于SDCORS的可降水汽含量反演已經(jīng)達(dá)到較高的精度。

表2　2012年001-005天的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖12　X/Y/Z方向的差值

圖13　N/E/U方向的差值

3　結(jié)束語(yǔ)

本文探討了基于SDCORS的可降水汽含量反演的原理、方法,利用SDCORS站2012年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可降水汽含量的反演實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行精度評(píng)定,主要得出以下結(jié)論:

1) GPS/PWV與NCEP/PWV對(duì)比結(jié)果顯示,兩者的差值較小且變化趨勢(shì)和變化幅度有較強(qiáng)的一致性,說(shuō)明GPS/PWV有較強(qiáng)的可靠性。

2) 利用定位標(biāo)準(zhǔn)判斷GPS/PWV的精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,N方向和E方向差值均小于5 cm,說(shuō)明GPS/PWV達(dá)到比較高的精度。

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Retrieval and Accuracy Analysis of the Precipitable Water Vapor Content Based on the Regional CORS

ZHOU Maosheng1,GUO Jinyun1,JIANG Yingming1, ZHOU Changzhi2

(1.CollegeofGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250102,China)

To test the accuracy of precipitable water vapor (PWV) content determined by regional CORS, the data of SDCORS in 2012 are used to estimate PWV over Shandong in this paper. Error equations are solved with the multi parameter method to calculate the troposphere delay from which the precipitable water vapor content is determined. The method of evaluating the accuracy of the precipitable water vapor content by the positioning accuracy is put forward. Also the CORS-derived PWV is comparing with NCEP/PWV. The results indicates that PWV derived with the regional CORS data can be of high precision.

CORS; precipitable water vapor content; NCEP; precise point positioning

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.002

2016-03-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：41374009); 山東省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：ZR2013DM009); 國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào)：2015FY310200)

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0006-07

周茂盛(1993-),男,山東青島人,碩士生,主要從事空間大地測(cè)量等研究。

郭金運(yùn)(1969-),男,山東巨野人,博士、教授、博導(dǎo),主要從事空間大地測(cè)量、海洋大地測(cè)量和物理大地測(cè)量等研究。

姜英明(1991-),男,山東泰安人,碩士生,主要從事空間大地測(cè)量等研究。

周長(zhǎng)志(1971-),男,山東泰安人,工程師,主要從事工程測(cè)量等研究。

聯(lián)系人： 周茂盛 E-mail: qd_zhoumaosheng@163.com