HNGICS反演大氣可降水量的應用前景

穆寶勝,劉洪飛

(鄭州測繪學校 地形地籍測量教學部,河南 鄭州 450015)

HNGICS反演大氣可降水量的應用前景

穆寶勝,劉洪飛

(鄭州測繪學校 地形地籍測量教學部,河南 鄭州 450015)

本文首先介紹了GPS反演大氣可降水量的原理方法,并對GPS反演大氣可降水量的流程做了重點介紹。然后介紹了河南省地質信息連續采集運行系統,(HNGICS),最后重點介紹了如何利用HNGICS進行大氣可降水量的反演及其在各個領域的應用前景。

GPS;反演;大氣可降水量;PWV;HNGICS

0 引 言

當GPS發出的信號穿過大氣層時,要受到電離層和對流層的折射影響,GPS信號發生彎曲和延遲,其中彎曲量很小,延遲量很大,則與大氣參數相關聯的折射率也會發生變化。在GPS精密定位測量中,這種大氣折射的影響被當作主要的誤差源而要盡可能將它的影響消除干凈。而在GPS氣象學中,與之相反,所要求得的就是大氣對GPS衛星信號的折射量,再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數關系就可以求得大氣折射率。大氣折射率是氣溫、氣壓和水汽壓力的函數,通過一定的數學模型關系,則可以求得我們需要的氣象信息,如水汽總量。

1 GPS反演大氣可降水量的基本原理

1.1 對流層天頂總延遲

眾所周知,大氣電離層對信號的延遲與傳播信號的頻率平方成反比。所以在數據的處理過程中可以通過對兩個不同頻率信號的延遲進行差分來估算電離層延遲。當然,也可以通過兩個頻率大氣延遲方程的線性組合直接消除電離層延遲。

ΔL=10-6×∫LN(s)ds=ΔLd+ΔLw+ΔLe，

(1)

式中: ΔLd為大氣的干延遲; ΔLw為大氣濕延遲; ΔLe為大氣電離層。

ΔL為對流層大氣的總延遲,即中性延遲,一般在2.5 m左右; ΔLd為靜力延遲,約為2.2 m; ΔLw為濕延遲,一般為十幾毫米,數量級為10 mm.ΔLd占ΔL的90%以上,數值較為固定,受天氣條件的影響不大。而ΔLw雖然在ZTD中不到10%,但受天氣條件的影響很大,其值的變化量可相差數倍。靜力延遲與地面氣壓具有很好的相關性,可以訂正到毫米量級,從而得到了毫米量級的濕項延遲。濕項延遲與水汽量可建立嚴格的正比關系,從而求解出可降水量。

對流層天頂總延遲可以根據GPS基準站連續觀測的原始數據通過專門的解算軟件解算得到,國際著名的解算軟件如表1所示。

表1 解算軟件

1.2 天頂靜力延遲計算模型

(2)

式中:P0為GPS接收機高度處的氣壓(hPa)。要注意的是上式中ΔLzh的單位為m.

f(φ,H)=1-0.00266cos2φ-0.00028H，

(3)

式中:φ為GPS測站的地理緯度;H為測站的海拔高度(km)。

1.3 天頂濕延遲計算模型

(4)

式中:Ts為測站地面氣溫;es為地面水汽壓。

在實際的計算中就要測得實時的地面水汽壓觀測值,這樣就會增大地面的氣象要素觀測誤差對濕延遲計算精度的影響,而且研究表明1%的地面相對濕度誤差就可能造成1～3 mm的大氣濕延遲誤差。所以在地基GPS氣象學中一般不利用Hopfield天頂濕延遲經驗模型來直接出計算天頂濕延遲,而是用天頂總延遲值減去所求的天頂靜力延遲來間接計算出天頂濕延遲。

1.4 大氣可降水量PWV的計算

可降水量(PWV),表示單位面積上垂直空氣柱內水汽總量全部轉化成降水量的量,等效于單位面積水柱高度。實際使用時常用的公式為

(5)

(6)

式中:Π稱為天頂濕延遲和大氣可降水量之間的轉換系數,而且轉換系數的值隨季節和地域的不同而產生變化;ρwater為液態水密度,單位為(103kg·m-3)。由于可降水量PWV常取雨量單位mm,要注意把濕延遲ΔLzw轉換為mm單位;Tm為對流層水汽權重的平均溫度簡稱加權平均溫度,單位為K.

2 GPS反演大氣可降水量的特點

2.1 GPS/PWV與Radio/PWV的差別

1) Radio/PWV

日常探空觀測時,攜帶儀器的氣球從地面升到20 km高空的整個觀測過程約70 min,而且氣球在上升過程中有水平漂移。因此,嚴格講探空所獲得的各高度層的氣象記錄并不是測站天頂方向的真實大氣情況,而是代表氣球水平漂移范圍內的平均狀況。

探空資料是以一個時刻和一個點的觀測資料代表一高度層上水平半徑為30 km范圍內的30 min內的平均大氣狀況。因此,Radio/PWV作為探空測站垂直方向的水汽的積分實質上是在30 min內,高度8 km,水平半徑30 km的大氣柱體內的平均水汽狀況。

2) GPS/PWV

一般GPS/PWV是根據GPS站30 min內接收到仰角15°以上的所有的GPS衛星斜路徑信號濕延遲在天頂方向投影的平均值。它實際代表的是以GPS接收機為頂點,頂角為150°的倒圓錐體內大氣中水汽量的平均狀況,如圖1所示。

圖1 GPS反演大氣可降水量時GPS站接收機的GPS衛星方位

根據上述探空資料的統計結果,98%～99%以上的水汽集中在8 km以下,對應得到圓錐體的半徑為30 km,恰好與探空氣球30 min上升到8 km高度的水平漂移距離相當。因此,用Radio/PWV來檢驗GPS/PWV,其代表的時間和空間范圍與Radio/PWV匹配,但它是30 min內所有觀測的平均值,比Radio/PWV更具有代表性。

2.2 GPS反演大氣可降水量的優點

GPS反演大氣可降水量技術,是隨著GPS迅速發展而出現的一種新的氣象遙感技術,相較于常規觀測手段,GPS遙感水汽技術具有以下優點:

1) GPS衛星覆蓋全球,任何地面用戶在任何時刻均可接收到衛星信號,空間覆蓋率高;

2) GPS衛星不受云和氣溶膠粒子等天氣條件的限制,能夠全天候觀測,時間分辨率高;

3) GPS衛星能夠連續觀測,并且從接收數據到得出結果僅需十幾鐘的時間,時間分辨率非常高,對于監測暴風雨、大冰雹、龍卷風等惡劣劇烈天氣變化非常有效,為中短期天氣預報提供可靠的水汽數據;

4) GPS接收機體積小,易于攜帶,易于維護,設備元件不受環境條件變化影響,投入成本低;

5) GPS反演水汽精度高,可以與水汽輻射計相比較,并可校準衛星遙感等觀測結果;

6) GPS遙感水汽獲得的是絕對量,不需要校準;

7) GPS遙感水汽技術水平分辨率高,可以實現水汽與溫度的分離;

8) 從GPS數據推算得到的是PWV的綜合值,這些數據可以得到傳統地面觀測無法測得的大氣特征。

3 HNGICS反演大氣可降水量的應用前景

3.1 HNGICS簡介

河南省地質信息連續采集運行系統(HNGICS)是通過通訊網絡把分布在全省范圍內的永久性全球導航衛星系統(GNSS)基準站連接起來,構成的新一代網絡化的地質信息連續采集系統,并在此基礎上逐步建立起地質災害監測預報、地面沉降監測系統、野外地質工作質量監控系統、礦山井下與地面聯合實時定位監控系統等綜合的地質信息系統,同時還向國土、測繪、地震、交通、氣象等部門提供高精度、連續的時間和空間基準。

系統在全省建設50個CORS基站,基準站全部采用美國TRIMBLE NetR5接收機,為河南全省提供一個動態的三維基準控制框架,為全省坐標系統的統一、不同坐標系統間的轉換以及各城市間的區域銜接提供了測繪基準。同時也為省內各城市建設的CORS系統提供了一個很好的納入平臺,為帶動全省的測繪基準體系建設奠定良好的基礎,HNGICS的數據采集子系統HNCORS的建成將成為河南省地理信息資源建設的基礎和重要保障。

圖2 HNGICS基準站分布圖

3.2 HNGICS反演大氣可降水量流程

1) 根據HNGICS原始觀測數據文件用GAMIT軟件解算出天頂總延遲量。

2) 由地面氣壓值根據天頂靜力延遲模型計算出天頂靜力延遲量。

為了準確地測定每個觀測值的地面氣壓,需要在每個觀測站單獨安裝氣壓測量設備,將氣壓數據和觀測數據一起打包發給數據處理中心。

3) 用解算出的天頂總延遲量減去計算出的天頂靜力延遲量和天頂電離層延遲從而得到相應的天頂濕延遲量。

4) 利用實時地面氣象資料根據Bevis經驗公式或者局部加權平均計算模型計算出加權平均溫度Tm.

為了提高轉換的精度,應根據具體的氣象資料數據計算出本地的加權平均溫度。

5) 根據資料數據可算出水汽轉換系數Π;

6) 根據公式計算出GPS遙感的大氣可降水量PWV.

計算流程圖如圖3所示。

圖3 地基GPS遙感大氣可降水量流程圖

實際應用中可以根據相關的流程開發出專門的軟件,通過軟件實現整個流程的一體化。

3.3 HNGICS反演大氣可降水量的應用前景

HNGICS站點多、分布均勻、站間平均距離短,這完全可以滿足GPS反演大氣可降水量研究的需要。在應用之前需要在各個觀測站點安裝配套的氣象數據采集儀器,對每個觀測站點的實時氣象數據進行觀測記錄,并與衛星觀測數據一并打包發送給數據處理中心。

傳統的大氣可降水量探測技術有各自的優缺點,如果能把傳統的探測技術和GPS反演技術結合起來,一定能進一步提高大氣可降水量探測的準確度和時效性,這對于全省的氣象預報都起到很重要的作用。除此之外,GPS反演大氣可降水量在其他方面也有著很好的應用前景,具體如下:

1) GPS-PWV用于災害性天氣監測分析預報;

2) GPS-PWV為中尺度數值預報模式提供初始場;

3) GPS-PWV用于全球氣候變化的監測和分析;

4) GPS-PWV為人工影響天氣作業提供依據;

5) GPS-PWV用于確定水汽三維分布;

6) GPS-PWV用于空中水資源評估及開發利用;

7) GPS-PWV和其他氣象資料的同化應用。

4 結束語

GPS反演大氣可降水量與傳統的探測大氣可降水量的方法相比有諸多的優點,在用傳統的方法進行大氣可降水量探測的同時,GPS反演的方法可以作為輔助的手段,這樣就能進一步提高探測的準確度。GPS反演的大氣可降水量在災害性天氣監測分析、中尺度數值預報模式提供初始場、球氣候變化的監測和分析等方面有著重要的作用。河南省地質信息連續采集運行系統HNGICS均勻覆蓋整個河南省,基準站多、站間距離適中,適合作為反演大氣可降水量的基準站。所以,HNGICS系統反演大氣可降水量中有很好的應用前景。

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HNGICS Inversion Atmospheric Precipitation Applications

MU Baosheng,LIU Hongfei

(ZhengzhouSurveyingandMappingSchool,TopographicandCadastralSurveyTeachingDepartment,Zhengzhou450015,China)

This paper first introduces the principle method of the GPS inversion atmospheric precipitation,And Highlighting introduced the process of the GPS inversion atmospheric precipitation. Then introduces the geological information of continuous acquisition operation system of henan province,Referred to as HNGICS.Finally introduced how to use HNGICS atmospheric precipitation inversion and its application prospect in the field of each.

GPS; inversion; atmospheric precipitation applications; PWV； HNGICS

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.019

2016-12-24

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0090-04

穆寶勝 (1986-),男,碩士生,主要從事測量教學工作。

聯系人: 穆寶勝 E-mail:mubaosheng2009@163.com