用中國(guó)地區(qū)ERA-Interim資料計(jì)算ZTD和ZWD的精度分析*

馬志泉 陳欽明 高德政

(1)西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，綿陽 621010 2)中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030 3)中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039)

用中國(guó)地區(qū)ERA-Interim資料計(jì)算ZTD和ZWD的精度分析*

馬志泉1)陳欽明2，3)高德政1)

(1)西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，綿陽 621010 2)中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030 3)中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039)

對(duì)歐洲中尺度氣象預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的ERA-Interim資料在中國(guó)地區(qū)的可行性和精度進(jìn)行了評(píng)估分析，探討了ERA-Interim資料計(jì)算對(duì)流層天頂總延遲(ZTD)和濕延遲(ZWD)的處理方法，并和全國(guó)28個(gè)GPS臺(tái)站實(shí)測(cè)值計(jì)算的ZTD和ZWD進(jìn)行比較。結(jié)果顯示ECMWF資料計(jì)算ZTD的總體平均偏差和中誤差分別約為-1 cm和2 cm，ZWD在BJFS和LHAS站的偏差和中誤差絕對(duì)值分別約為1 cm和1.6 cm。

ECMWF;GPS;InSAR;ZTD;ZWD

1 引言

在對(duì)地觀測(cè)技術(shù)中，對(duì)流層大氣延遲是無線電信號(hào)的重要誤差源，隨著基于氣象觀測(cè)的數(shù)值預(yù)報(bào)資料精度的提高，可以用其進(jìn)行對(duì)流層大氣延遲研究。歐洲和北美相關(guān)研究人員已將歐洲中尺度氣象預(yù)報(bào)中心(ECMWF)和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)數(shù)據(jù)用于研究導(dǎo)航定位中的對(duì)流層延遲改正，建立了一些用于歐盟和北美地區(qū)的對(duì)流層延遲改正模型和映射函數(shù)模型［1-5］。A W Moore等人［6］研究了融合ECMWF和GPS數(shù)據(jù)建立的SBLM (Stretched Boundary Layer Model)模型用于InSAR對(duì)流層延遲改正，國(guó)內(nèi)外多位研究人員也對(duì)InSAR對(duì)流層延遲改正做了多方面研究，研究結(jié)果表明將ECMWF資料用于 InSAR有助于提高結(jié)果的精度［7-11］。

ECMWF向全球用戶提供了最新的全球大氣數(shù)值預(yù)報(bào)再分析資料(ERA-Interim)，是繼早期資料(如EAR-15，EAR-40)后的新產(chǎn)品，其作用在于提供ECMWF早期產(chǎn)品和新一代產(chǎn)品之間的銜接，目的是對(duì)EAR-40等資料進(jìn)行完善，從而逐漸取代ERA-40［12］。Balsamo G等人［13］2010年對(duì)ERA-Interim降雨量資料在美國(guó)地區(qū)的精度進(jìn)行了首次評(píng)估，C.Szczypta等人［14］2011年對(duì)ERA-Interim降雨量，溫度和濕度資料在法國(guó)地區(qū)的適用性進(jìn)行了分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)總體精度較好，但在山區(qū)和近海等地區(qū)精度有待提高［14］。中國(guó)地區(qū)ERA-Interim關(guān)于對(duì)流層大氣延遲的相關(guān)氣象資料還有待驗(yàn)證，切需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)估分析。本文對(duì)中國(guó)地區(qū)ERA-Interim資料計(jì)算對(duì)流層天頂總延遲(ZTD)和對(duì)流層天頂濕延遲(ZWD)的精度情況進(jìn)行了分析，為該資料用于中國(guó)地區(qū)GNSS導(dǎo)航定位，InSAR對(duì)流層延遲改正和GNSS氣象學(xué)研究等提供參考。

2 數(shù)據(jù)

本文使用的ERA-Interim資料為2004年分層氣象資料，時(shí)間分辨率為6小時(shí)(每天0，6，12，18 UTC有氣象參數(shù)值)，平面分辨率為1.5°×1.5°，垂向分辨率為37層(頂層高度約為47 km)，每層包括位勢(shì)高度、溫度、比濕、相對(duì)濕度和氣壓。

采用中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)GPS基準(zhǔn)站2004年觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用GAMIT/GLOBK完成ZTD解算。計(jì)算中采用分段線性模型進(jìn)行對(duì)流層天頂延遲和水平梯度估計(jì)，每2小時(shí)估計(jì)1個(gè)ZTD，每24小時(shí)觀測(cè)時(shí)段估計(jì)1個(gè)東西向梯度和1個(gè)南北向梯度。由此獲得每個(gè)GPS基準(zhǔn)站時(shí)間分辨率為2小時(shí)的ZTD時(shí)間序列［15］。

3 處理方法

3.1 對(duì)流層天頂總延遲處理方法

文獻(xiàn)［15］采用積分方法和Saastamoinen方法分別對(duì)ECMWF資料計(jì)算ZTD的精度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明采用積分方法能得到精度較高的ZTD。在用ECMWF資料計(jì)算GPS臺(tái)站位置ZTD的內(nèi)插方法中，待插值點(diǎn)和附近4個(gè)最近格網(wǎng)點(diǎn)的高度一般不相等，傳統(tǒng)的反距離加權(quán)方法沒有考慮大氣延遲隨高度變化的物理特性，導(dǎo)致插值精度較低。文獻(xiàn)［10］考慮了一種改進(jìn)的反距離加權(quán)內(nèi)插法，采用南加里福利亞GPS綜合網(wǎng)實(shí)測(cè)ZTD內(nèi)插到待插值點(diǎn)，能得到偏差和標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.3 cm和6.5 cm的平均精度，但這種方法最優(yōu)影響因子較難確定;文獻(xiàn)［15］利用ECMWF資料，采用積分法結(jié)合最近格網(wǎng)點(diǎn)方法，并從分析ZTD遞減率特點(diǎn)來進(jìn)行高程改正，能得到偏差和中誤差分別為-1.1 cm和2.4 cm的平均精度，但遞減率和時(shí)空分布有很大關(guān)系，較難精確確定待插值點(diǎn)遞減率。

本文針對(duì)ERA-Interim資料的特點(diǎn)，探討兩類數(shù)據(jù)處理方法(傳統(tǒng)處理方法和改進(jìn)方法)，并以GPS臺(tái)站實(shí)測(cè)值計(jì)算的ZTD(GPS ZTD)作為參考，評(píng)估EAR-Interim資料計(jì)算ZTD(ECMWF ZTD)的精度。

傳統(tǒng)處理方法:先用積分法算出地面上格網(wǎng)點(diǎn)的ZTD，公式為:

ZTDint_sfc為地面格網(wǎng)點(diǎn)上的ZTD值，h_sfc為地面格網(wǎng)點(diǎn)高度，h_top為ECMWF資料頂層高度，N為總折射率，ZTDtop為格網(wǎng)點(diǎn)頂層以上的ZTD值，其具體計(jì)算方法可見文獻(xiàn)［15］。在地面格網(wǎng)點(diǎn)上積分出ZTD后，再采用傳統(tǒng)反距離加權(quán)方法(IDW)［10］內(nèi)插到待插值點(diǎn)上，本文把這種方法簡(jiǎn)稱為IDWc(Inverse Distance Weighted Custom)。

改進(jìn)方法:不精細(xì)分析對(duì)流層大氣延遲隨高度變化的物理特性，用積分方法算出格網(wǎng)點(diǎn)上給定待插值點(diǎn)高度的ZTD，其公式為:

式中ZTDint_given為格網(wǎng)點(diǎn)給定的待插值點(diǎn)高度上的ZTD值，h_given為給定的待插值點(diǎn)的高度。積分出格網(wǎng)點(diǎn)上給定高度的ZTD后，再采用反距離加權(quán)方法和Kriging方法［7］內(nèi)插出待插值點(diǎn)位置的ZTD，分別把這種方法簡(jiǎn)稱為 IDWm(Inverse Distance Weighted Modified)和Kriging。

3.2 對(duì)流層天頂濕延遲處理方法

本文對(duì)ECMWF資料計(jì)算對(duì)流層天頂濕延遲(EMWF ZWD)方法的可行性進(jìn)行探討，采用積分方法計(jì)算ECMWF ZWD，所用的公式為:

k1=77.604 K/Pa，k2=64.79 K/Pa，k3=377 6000.0 K2/Pa。Nw是水汽折射數(shù)，P是大氣壓，e是水汽壓，h是比濕。計(jì)算出濕折射數(shù)后，計(jì)算ZWD的公式為:

式中Nwi為第i層的大氣濕折射數(shù)，Δsi為第i層的高度。在計(jì)算出格網(wǎng)點(diǎn)上待插值點(diǎn)高度后，采用反距離加權(quán)方法［7］內(nèi)插到待插值點(diǎn)上。

IGS為本文提供了 BJFS和 LHAS兩個(gè)臺(tái)站2004年的實(shí)測(cè)氣象資料，對(duì)其采用Saastamoinen模型方法［16］計(jì)算對(duì)流層天頂干延遲(ZDD)，在GPS ZTD中減去ZDD，就可以計(jì)算出GPS臺(tái)站位置的天頂濕延遲(GPS ZWD)。

4 分析討論

研究采用3種處理方法(IDWc，IDWm，Kriging)計(jì)算GPS臺(tái)站位置的ZTD，與中國(guó)地區(qū)28個(gè)臺(tái)站2004年實(shí)測(cè)資料計(jì)算的ZTD和ZWD進(jìn)行比較，求其殘差值，在此基礎(chǔ)上對(duì)ERA-Interim資料計(jì)算ZTD和ZWD的精度情況進(jìn)行分析。

首先對(duì)比分析了28個(gè)臺(tái)站上3種方法計(jì)算的GPS ZTD和ECMWF ZTD時(shí)間序列，圖1是BJFS、SHAO、TASH和LHAS 4個(gè)站的時(shí)間序列，淺灰色叉號(hào)代表GPS ZTD，星號(hào)代表用傳統(tǒng)處理方法計(jì)算得到的ZTD(IDWc ZTD)，圈號(hào)代表用第一種改進(jìn)方法計(jì)算得到的ZTD(IDWm ZTD)，點(diǎn)號(hào)代表用改進(jìn)方法計(jì)算得到的ZTD(Kriging ZTD)。

圖1表明在BJFS和SHAO站3種方法(IDWc，IDWm，Kriging)計(jì)算得到的ZTD和GPS ZTD都比較吻合;但在TASH和LHAS站，IDWc方法計(jì)算得到的ZTD和GPS ZTD吻合度明顯下降，IDWm和Kriging方法計(jì)算的ZTD和GPS ZTD仍然吻合較好。

為了分析3種方法計(jì)算ECMWF ZTD的精度情況，統(tǒng)計(jì)了各站年平均偏差和中誤差(表1，圖2)，其中臺(tái)站按照高度遞增排序。表1最后3行中的平均值為3種方法計(jì)算的各站年平均偏差和中誤差的總體平均值，最小值和最大值為各站年平均偏差和中誤差絕對(duì)值的最大值和最小值。

從表1可以看出，IDWc方法得到的偏差的總體平均值為1.6 cm(其絕對(duì)值最小值為0，最大值為20.3 cm)，中誤差總體平均值為4.3 cm(最小值為1.2 cm，最大值為20.4 cm);IDWm和Kriging方法得到的偏差和中誤差總體平均值相當(dāng)，都分別約為-1.1 cm和2 cm，與文獻(xiàn)［15］結(jié)果相比，中誤差總體平均減少4 mm，精度有所提高。

圖1 3種方法計(jì)算得到的ZTD和GPS ZTD時(shí)間序列Fig.1 Time series of GPS ZTD and ZTD derived from ECMWF with three methods

圖2為各臺(tái)站年平均偏差和中誤差與高度的關(guān)系，在高度較低的站3種方法精度相當(dāng)，在高度較高的站(如XNIN，DLHA，TASH，LHAS等)IDWc方法精度較差。IDWm和Kriging方法在各個(gè)站上的精度相當(dāng)，說明這兩種方法可以用于計(jì)算ECMWF ZTD。

表1 各GPS站年平均偏差和中誤差統(tǒng)計(jì)表(單位：cm) Tab.1 Yearly mean bias and rms for each GPS site(unit：cm)

為分析偏差和中誤差在各個(gè)高度區(qū)間的分布特點(diǎn)，高度區(qū)間按照0～100 m，100～500 m，500～1 000 m，1 000～2 000 m，2 000～3 000 m和大于3 000 m的范圍進(jìn)行劃分，把ERA-Interim資料用3種方法(IDWc，IDWm和Kriging)計(jì)算ZTD的偏差和中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，期結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，IDWm和Kriging方法計(jì)算的ECMWF ZTD精度相當(dāng)，偏差和中誤差隨高度變化的趨勢(shì)不明顯，而IDWc方法計(jì)算的ECMWF ZTD在高度較高的地方精度明顯降低。

圖2 各GPS臺(tái)站年平均偏差和中誤差Fig.2 Yearly mean bias and rms for each GPS site

圖3 偏差和中誤差在各高度區(qū)間的變化Fig.3 Variation of the bias and rms with the altitude

對(duì)于ERA-Interim資料計(jì)算ZWD的精度，由于只獲得了BJFS和LHAS兩臺(tái)站的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，所以圖4只列出了兩臺(tái)站的ECMWF ZWD和GPS ZWD時(shí)間序列。從圖4可以看出，ZWD時(shí)間序列吻合比較好，偏差絕對(duì)值都約為1 cm，中誤差約為1.6 cm。ZWD具有季節(jié)性變化特點(diǎn)，在夏季月份達(dá)到最大值，說明夏季水汽含量較大。LHAS站位置較高，ZWD總體變化幅度相對(duì)較小。另外結(jié)合表1和圖2可以看出，ECMWF ZWD的精度和ECMWF ZTD比較接近，說明計(jì)算ECMWF ZTD的誤差主要是水汽造成的。

5 結(jié)論

1)數(shù)據(jù)處理方法上，IDWm和Kriging方法不用確定插值最優(yōu)影響因子或大氣延遲隨高度變化的物理特性，計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)ERA-Interim分層氣象資料計(jì)算的ZTD精度相當(dāng)，且在GPS臺(tái)站較高的地方精度優(yōu)于IDWc方法;

圖4 ECMWF ZWD和GPS ZWD時(shí)間序列對(duì)比Fig.4 Comparison between the time series of ECMWF ZWD and GPS ZWD

2)ERA-interim分層氣象資料用改進(jìn)方法(IDWm和Kriging)計(jì)算ZTD的偏差和中誤差約為-1 cm和2 cm，且偏差和中誤差隨高度的變化趨勢(shì)不是很明顯;

3)在BJFS站和LHAS站，ECMWF ZWD和GPS ZWD吻合較好，偏差和中誤差絕對(duì)值分別約為1 cm和1.6 cm。ZWD具有季節(jié)性變化特點(diǎn)，夏季月份變化幅度較大，且在較高位置(LHAS站)ZWD變化幅度相對(duì)較小。另外ECMWF ZWD的精度和ECMWF ZTD比較接近，說明ERA-Interim資料計(jì)算ZTD的誤差主要是由水汽造成的。

致謝 衷心感謝ECMWF提供數(shù)據(jù)資料、IGS提供GPS臺(tái)站氣象數(shù)據(jù)和Keith Fielding博士提供建議和幫助!

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STUDY ON ACCURACY OF ZTD AND ZWD CALCULATED FROM ERA-INTERIM DATA OVER CHINA

Ma Zhiquan1)，Chen Qinming2，3)and Gao Dezheng1)

(1)Southwest University of Science and Technology，School of Environment and Resource，Mianyang 621010 2)Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030 3)Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039)

The zenith tropospheric delay(ZTD)and zenith wet delay(ZWD)derived from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts data(ECMWF ZTD/ZWD)were assessed by calculating ZTD/ZWD from GPS observations，and the calculation method was also discussed.The results show that the bias and rms for the ECMWF ZTD are about-1 cm and 2 cm respectively，the absolute values of which for ECMWF ZWD at BJFS and LHAS sites are 1 cm and 1.6 cm respectively.

ECMWF;GPS;InSAR;ZTD;ZWD

1671-5942(2012)02-0100-05

2011-11-07

測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(10p02);中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)青年優(yōu)秀論文資助課題(CSNC2011-QY-2)

馬志泉，女，工程師，主要研究方向?yàn)楹娇諗z影測(cè)量、InSAR技術(shù)理論與應(yīng)用研究.E-mail:mazhiquan@swust.edu.cn

P128.1;P227

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