基于超快速星歷進(jìn)行實(shí)時(shí)反演大氣水汽總量的可行性研究

申建華,趙興旺,許九靖,劉超,徐躍

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0　引　言

水汽是大氣的重要組成成分之一,同時(shí)也是一種具有溫室效應(yīng)的氣體,其在空間中的分布極不均勻,并且時(shí)間變化是大氣中變化最大的一種成分,變化尺度相較于風(fēng)速氣溫要精細(xì)很多。水汽的變化和天氣的改變有著密切的聯(lián)系,水汽的變化被視為預(yù)測(cè)災(zāi)害性天氣的重要因素之一,如何準(zhǔn)確確定大氣水汽的分布及變化規(guī)律是氣象學(xué)和天氣預(yù)報(bào)的基本問題之一[1]。最早在1992年Bevis等人進(jìn)行了全球定位系統(tǒng)(GPS)探測(cè)大氣可降水量(PWV)的實(shí)驗(yàn),利用地面氣溫?cái)M合了大氣的加權(quán)平均溫度,使得GPS探測(cè)大氣水汽的方法由設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)[2-3]。該技術(shù)在氣象學(xué)中的應(yīng)用日益受到了重視[4],隨著GPS技術(shù)的發(fā)展和連續(xù)運(yùn)行(衛(wèi)星定位服務(wù))參考站(CORS)不斷建立,地基GPS/MET技術(shù)日益成熟[5]。衛(wèi)星軌道精度是高精度的PWV解算的重要影響因子[1]。在目前階段就利用最終精密星歷和地基GPS靜止平臺(tái)而言,獲得水汽精度可以達(dá)到1 mm,這一精度完全可以滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的精度要求[6],但是由于國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)中心給出精密星歷會(huì)有時(shí)效的延遲,最短也為13天,這樣的情況下無法達(dá)到天氣預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求。自2000年3月開始,IGS中心提供可以實(shí)時(shí)下載的超快速星歷,這一產(chǎn)品的出現(xiàn)標(biāo)志著利用超快速星歷預(yù)報(bào)軌道和預(yù)報(bào)鐘差可以在一定程度上滿足用戶的要求[7]。

本文將根據(jù)地基GPS水汽遙感的原理和方法,通過GAMIT軟件,分別使用精密星歷和超快速星歷處理從香港大地測(cè)量網(wǎng)站獲取得到CORS網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)反演大氣PWV含量,將反演得到PWV與相鄰最近氣象觀測(cè)站無線電探空數(shù)據(jù)得到的PWV進(jìn)行比較,以此驗(yàn)證通過超快速星歷演算PWV進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的可行性,探討得出有益結(jié)論。

1　地基GPS遙感大氣水汽原理

由于大氣中存在各種不同的成分,而且隨著高度的不同,大氣中的成分將會(huì)發(fā)生明顯的變化。對(duì)流層和電離層會(huì)對(duì)GPS信號(hào)的傳播產(chǎn)生影響而導(dǎo)致彎曲和延遲[8]。在GPS精密定位測(cè)量中,要盡可能地消除二者的影響。而在GPS氣象學(xué)應(yīng)用中,正是要獲取對(duì)流層對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的折射量,再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數(shù)關(guān)系可以得到大氣折射率。大氣折射率是關(guān)于氣溫、氣壓和水汽壓力的函數(shù),通過一定的數(shù)學(xué)模型,便可求得需要的氣象信息。無線電波在大氣中的延遲量ΔL與大氣折射量有如下的關(guān)系[9]:

聯(lián)系人: 申建華 E-mail: 546795076@qq.com

(1)

在Boudouris和Thayer方案下,將對(duì)流層延遲量沿高度進(jìn)行積分可以推導(dǎo)出GPS信號(hào)在對(duì)流層天頂方向的總延遲[10]:

(2)

(3)

所以對(duì)流層延遲又分為靜力學(xué)延遲和非靜力學(xué)延遲兩部分,式(3)又可寫為

ZTD=ZHD+ZWD，

(4)

式中:ZTD為對(duì)流層大氣的總延遲,即中性延遲;ZHD為靜力延遲;ZWD為濕延遲,其雖在總延遲中不到10%但是受到氣象條件的影響很大,其值的變化量可相差數(shù)倍。

實(shí)現(xiàn)全民共同富裕是我國(guó)社會(huì)主義的本質(zhì)規(guī)定和奮斗目標(biāo)，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)的高基尼系數(shù)問題卻危及這一根本目標(biāo)。旅游業(yè)所具備的就業(yè)崗位多、門檻低等諸多特征，可在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的初次分配領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)社會(huì)財(cái)富在區(qū)域間、高低收入群體間的有效轉(zhuǎn)移，相較“社會(huì)財(cái)富的二次分配”等其他基尼系數(shù)調(diào)節(jié)方式能夠同時(shí)兼顧社會(huì)公平與效率。因而，有必要從旅游市場(chǎng)、門票經(jīng)濟(jì)、假期制度和開發(fā)主體等方面調(diào)整旅游業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，通過發(fā)展旅游業(yè)以減少社會(huì)貧富差異、化解國(guó)內(nèi)高基尼系數(shù)危機(jī)。

在水汽反演過程中,首先利用GAMIT軟件求解出ZTD,通過Saastamoinen模型估計(jì)ZHD,進(jìn)而得到ZWD,其中ZHD計(jì)算模型為

(5)

式中: Ps為測(cè)站地表氣壓; λ為測(cè)站地理緯度; H為測(cè)站海拔高度。

由式(4)、式(5)可分離得到ZWD,而PWV與ZWD存在一種線性關(guān)系,如Businger公式[11]:

(6)

2　數(shù)據(jù)與方案

2.1　數(shù)據(jù)來源

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取的是從香港大地測(cè)量網(wǎng)站下載的香港CORS網(wǎng)中小冷水站(HKSL)、昂坪站(HKNP)、昂船洲站(HKSC)、粉嶺站(HKFN)、石碑山站(HKOH)以及黃石站(HKWS)6個(gè)連續(xù)運(yùn)行的GPS基站在2013年7月份1日～31日(查看當(dāng)年的氣象記錄可以查詢到當(dāng)月的降雨十分頻繁故水汽充足有利于實(shí)驗(yàn))年積日為182～212共31天的觀測(cè)文件和氣象文件以及相應(yīng)時(shí)段IGS精密星歷文件和IGU超快速星歷文件。觀測(cè)文件采樣間隔為5 s,氣象數(shù)據(jù)收集溫度、氣壓、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min. 查閱相關(guān)地圖可知,King’s Park 探空站與HKSC(昂船洲)的距離最近,兩地距離僅有2.5 km,兩地上空的水汽變化較為接近,因此,二者測(cè)得的PWV具有較好的可比性。利用King’s Park 探空站相應(yīng)時(shí)段的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證GPS數(shù)據(jù)解算PWV精度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2　實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)是利用中國(guó)香港地區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合香港地區(qū)周邊的IGS跟蹤站上海站(SHAO)、菲律賓站(PIMO)、新加坡站(NTUS)、拉薩站(LHAZ)同時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)(可從IGS網(wǎng)站下載),本次試驗(yàn)是通過GAMIT/GLOBK軟件對(duì)GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析。GAMIT作為實(shí)驗(yàn)室研究型軟件對(duì)基線的解算具有極高的精度,在解算時(shí)利用IGS最終精密星歷,對(duì)流層解算的精度可達(dá)到5 mm,演算出的可降水量精度約為1 mm[4].考慮到香港地區(qū)瀕臨海域,本次實(shí)驗(yàn)在解算中引入了海潮模型以減少地球潮汐的影響。此外,采用GAMIT軟件進(jìn)行PWV求解涉及到對(duì)解算模式、映射函數(shù)和大氣荷載函數(shù)模型等參數(shù)的設(shè)置,具體流程如圖1所示。

該數(shù)據(jù)處理首先是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。其次,將各時(shí)段的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)利用GAMIT10.6軟件進(jìn)行處理得到各個(gè)時(shí)段的解。然后網(wǎng)平差的結(jié)果及測(cè)站的平均坐標(biāo)和速度等參數(shù)可以通過GLOBK(卡爾曼濾波)進(jìn)行多時(shí)段綜合解算得到。最后為了利用對(duì)流層天頂方向總延遲和地面氣象文件相結(jié)合反演得到天頂方向大氣水汽總量,需將平差后得到的測(cè)站坐標(biāo)帶回GAMIT對(duì)待求測(cè)站進(jìn)行強(qiáng)約束,反演出對(duì)流層天頂方向總延遲。最后通過和地面氣象文件相結(jié)合解算得到天頂方向大氣水汽總量[12]。

3　數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

最終精密星歷、快速精密星歷、超快速星歷以及廣播星歷是IGS中心提供的常用的四種星歷產(chǎn)品,他們軌道的精度依次降低[13,15]。最終精密星歷在高精度的GPS事后處理過程中廣泛應(yīng)用,超快速道星歷產(chǎn)品包括了前24 h的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與后24 h的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),同樣也具有較好的精度可以達(dá)到實(shí)時(shí)定位的需求[14]。由文獻(xiàn)[15]可知IGS中心每天更新4次超快速星歷,在前一天UTC時(shí)21 h發(fā)布的超快速星歷的時(shí)間跨度可以滿足之后1天的GPS數(shù)據(jù)處理,此時(shí)是完全利用超快速星歷的預(yù)報(bào)部分對(duì)GPS數(shù)據(jù)處理。

本文分別采用了IGS當(dāng)天時(shí)間發(fā)布的IGS精密星歷以及前一天21時(shí)發(fā)布的IGU超快速星歷來分別解算大氣水汽含量與相應(yīng)時(shí)間段探空站獲得水汽總量之間進(jìn)行對(duì)比。圖2示出了King’s Park探空站探空數(shù)據(jù)解算得到的PWV序列,探空站能給出當(dāng)天零點(diǎn)和十二點(diǎn)的探空結(jié)果,以及昂船洲站分別采用IGS精密軌道星歷和IGU超快速軌道星歷解算得到的PWV序列,GPS解算的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔可以很小。如果要實(shí)際進(jìn)行短時(shí)、臨近的天氣分析需要選用較小時(shí)間間隔,這樣更能體現(xiàn)水汽快速變化的特性。本次實(shí)驗(yàn)采用的是1 h一次的解算結(jié)果,全天共有24次解算結(jié)果。選取其中對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)值和相應(yīng)時(shí)刻的實(shí)際探空數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。圖3示出了其中三個(gè)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站分別利用最終精密星歷和超快速星歷計(jì)算結(jié)果數(shù)值的差值。

由圖2可以看出,從連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站收集的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別結(jié)合IGU超快速星歷、IGS精密星歷反演出的PWV和由king’s Park探空資料解算得到的PWV在趨勢(shì)上有較好的一致性但是并沒有完全對(duì)應(yīng)相等,其原因除了有GPS反演的水汽和實(shí)際的差值之外,還有探空站釋放的探空氣球會(huì)有一定的時(shí)間延遲以及空中風(fēng)力對(duì)其影響產(chǎn)生的位置偏移,而GPS信號(hào)則是實(shí)時(shí)接收和反應(yīng)變化,所以這種數(shù)值上的不相等也正可以反映他們之間的相應(yīng)的聯(lián)系。從圖3可以看出超快速星歷和最終精密星歷反演的結(jié)果在數(shù)值上非常的接近,兩者之間的差值沒有超過2 mm.

圖4和圖5對(duì)應(yīng)的是IGS精密星歷和探空站探測(cè)得到的PWV以及IGS精密星歷和IGU超快速星歷解算得到的PWV序列之間的線性關(guān)系,并且計(jì)算了兩組數(shù)據(jù)的RMS和相關(guān)系數(shù)。

由圖4可以看到,HKSC站由精密星歷解算的PWV與探空數(shù)據(jù)解算的PWV之間的相關(guān)系數(shù)為0.944 1,均方根誤差RMSE為2.198 9 mm,二者之間具有很好的一致性。由此證明,地基GPS反演大氣水汽的精度是穩(wěn)定且可靠的。由圖5可知HKSC測(cè)站基于不同星歷得到的PWV數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 8,均方根誤差RMSE為0.120 7 mm,因而可知超快速星歷獲得的PWV序列和精密星歷獲得的PWV序列精度相當(dāng)。因此可以得出,采用超快速星歷來反演PWV是切實(shí)可行的。

4　結(jié)束語

1) 和探空PWV相比較,地基GPS的演算水汽數(shù)值與其具有較強(qiáng)的相關(guān)性,這一結(jié)果驗(yàn)證了地基GPS監(jiān)測(cè)水汽變化算法的正確性,相對(duì)于傳統(tǒng)的探測(cè)手段地基GPS具有全天候、實(shí)時(shí)、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì),可為中小尺度天氣預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)來源。

2) 對(duì)于短期實(shí)時(shí)數(shù)值天氣預(yù)報(bào),需要獲得實(shí)時(shí)的天頂水汽含量,根據(jù)以上反演的結(jié)果和分析,基于各GPS站觀測(cè)資料計(jì)算各站天頂方向水汽含量時(shí)利用IGU超快速星歷就能滿足實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)需求,這對(duì)實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)和大氣探測(cè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

3) 此外,文中采用了4個(gè)IGS跟蹤站與香港地區(qū)CORS聯(lián)合解算,計(jì)算結(jié)果較好。至于參與解算的IGS站數(shù)量與位置分布對(duì)對(duì)流層延遲計(jì)算精度的影響,還需要通過與不同的IGS觀測(cè)站組網(wǎng)解算進(jìn)一步討論,以便更好地提高水汽反演的質(zhì)量。

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