3種對(duì)流層干延遲模型在中國(guó)低緯度地區(qū)的精度分析

陳 威

（1.樂(lè)清市土地勘察測(cè)繪隊(duì)，浙江 樂(lè)清 325600）

3種對(duì)流層干延遲模型在中國(guó)低緯度地區(qū)的精度分析

陳 威1

（1.樂(lè)清市土地勘察測(cè)繪隊(duì)，浙江 樂(lè)清 325600）

為了分析Saastamoinen模型、Hopfield模型和Black模型等干延遲（ZHD）模型在中國(guó)低緯度地區(qū)的精度情況，在中國(guó)低緯度地區(qū)的桂林、香港和?？?個(gè)地方，利用各地區(qū)相應(yīng)的探空站2012年第122~152天的氣象觀測(cè)資料，分析了3種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诘途暥鹊貐^(qū)的精度情況。結(jié)果表明，在所選的3個(gè)站內(nèi)，3種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的ZHD變化趨勢(shì)具有很好的一致性，以Saastamoinen模型計(jì)算的ZHD值為參考，Saastamoinen模型和Hopfield模型的ZHD值較為接近，而B(niǎo)lack模型計(jì)算值偏差較大。

干延遲模型；探空站；低緯度地區(qū)；精度分析

研究表明，利用GPS反演的大氣可降水量（PWV）具有與探空方法和水汽輻射計(jì)等傳統(tǒng)方法相同的精度[1-3]，而地基GPS可提供高時(shí)空分辨率、高精度、實(shí)時(shí)的PWV時(shí)間序列[4]。在GPS反演PWV過(guò)程中，用于將對(duì)流層天頂延遲（ZTD）轉(zhuǎn)換為PWV的2個(gè)重要參數(shù)分別是地面氣壓（Ps）和加權(quán)平均溫度（Tm）。Ps主要用于計(jì)算ZHD，ZHD的估計(jì)精度將直接影響PWV的估計(jì)精度。目前，計(jì)算ZHD的主要模型[5]有Saastamoinen模型（SAAS模型）、Hopfield模型和Black模型。由于這3個(gè)模型計(jì)算時(shí)需要測(cè)站對(duì)應(yīng)的地面氣壓和地面溫度，因此，ZHD在不同地區(qū)不同模型之間可能會(huì)存在差異[6]。為了提高模型的精度，一些學(xué)者利用局地探空站資料對(duì)3種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了訂正，陳兆林[7]等的研究得出3種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透m合北美地區(qū)；Liu Yanxiong[5]、章紅平[6]等分別在香港和武漢地區(qū)對(duì)干延遲模型進(jìn)行了訂正，使得訂正后的模型精度更高。然而，這些研究只是針對(duì)小范圍內(nèi)單站的研究，對(duì)于區(qū)域內(nèi)3種模型的精度情況并沒(méi)有作進(jìn)一步分析。本文利用中國(guó)低緯度地區(qū)的3個(gè)探空站的氣象觀測(cè)資料對(duì)3種模型的精度進(jìn)行了分析，以SAAS模型為參考，得出它們的區(qū)域特性。

1 大氣干延遲的計(jì)算原理與方法

GPS對(duì)流層天頂總延遲包含天頂濕延遲和天頂干延遲2個(gè)部分[7]：

式中，ZHD為天頂干延遲；ZWD為天頂濕延遲。

大氣路徑延遲通?？煞譃楦?、濕2個(gè)分量。其中，干延遲可表示為[6]：

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了比較3種模型的精度，分析3種模型在我國(guó)低緯度地區(qū)的適用性，選取桂林、香港和?？?個(gè)地區(qū)作為研究區(qū)域。利用3個(gè)地區(qū)探空站2012年第122~152天的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)分別采用3種模型計(jì)算出ZHD，結(jié)果如圖1和表1所示。根據(jù)曲建光[8]等的研究，由于SAAS模型受測(cè)站高程影響很小，其計(jì)算的ZHD精度要好于其他模型。因此，本文將SAAS模型計(jì)算的ZHD作為準(zhǔn)確值，其他模型與其進(jìn)行比較。

由圖1可以看出，在桂林地區(qū)，各個(gè)模型計(jì)算的ZHD值均小于香港和?？诘腪HD值。這與其地理位置有關(guān)，桂林屬于內(nèi)陸地區(qū)，而香港和?？趯儆谘睾５貐^(qū)。3種模型計(jì)算的ZHD值具有很好的一致性，而B(niǎo)lack模型計(jì)算的ZHD在3個(gè)地區(qū)均大于相應(yīng)的SAAS和Hopfield模型的ZHD值，SAAS和Hopfield模型計(jì)算的ZHD值較為接近。

圖1 3種模型計(jì)算ZHD值的比較圖

表1 3個(gè)地區(qū)3 種模型的比較情況表

從表1可知，各站相應(yīng)的絕對(duì)平均偏差（MAE）和均方根誤差（RMSE）幾乎是一樣的，說(shuō)明Black模型、Hopfield模型與SAAS模型的偏差是線(xiàn)性的，因此只需作線(xiàn)性改正。在香港和?？?，Black模型和Hopfield模型的MAE、RMSE分別為2.9 cm和0.2 mm，因此只需對(duì)Black模型作線(xiàn)性改正即可，而不用對(duì)Hopfield模型進(jìn)行改正。而為了更高精確地估算ZHD，桂林站的Hopfield模型也需進(jìn)行訂正。由此可以看出，如果以SAAS模型為準(zhǔn)確值，那么在所研究的區(qū)域內(nèi)必須對(duì)Black模型進(jìn)行訂正才能使用，而Hopfield模型則需要根據(jù)實(shí)際情況決定是否需要訂正。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用中國(guó)低緯度地區(qū)的3個(gè)探空站氣象觀測(cè)資料，以SAAS模型計(jì)算的ZHD值為參考，研究了3種ZHD經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠搮^(qū)域內(nèi)的精度情況，得到以下結(jié)論：

1） SAAS模型和Hopfield模型計(jì)算的ZHD值較為接近，而B(niǎo)lack模型計(jì)算的ZHD值大于前兩者的ZHD值；

2） 在區(qū)域內(nèi)，需對(duì)Black模型進(jìn)行線(xiàn)性誤差的訂正才能用于計(jì)算ZHD；

3） Hopfield模型需根據(jù)實(shí)際情況確定是否需要進(jìn)行模型訂正。

[1] 王小亞，朱文耀，嚴(yán)豪健，等. 地面GPS探測(cè)大氣可降水量的初步結(jié)果[J].大氣科學(xué)，1999，23: 605-612

[2] Tregoning，Boers P R, Brien D O，et al. Accuracy of Absolute Precipitable Water Vapor Estimates from GPS Observations[J]. J Geophys Res, 1998, 103:28 701–28 710

[3] Borbás é. Derivation of Precipitable Water from GPS Data: an Application to Meteorology Phys Chem[J]. Earth, 1998, 23(1):87-90

[4] 李國(guó)平,陳嬌娜,黃丁發(fā),等.地基GPS水汽實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版, 2009，34(11): 1 328-1 311

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[6] 章紅平，劉經(jīng)南，朱文耀，等. 利用地基GPS技術(shù)反演武漢地區(qū)大氣可降水分[J].天文學(xué)進(jìn)展, 2005，23(2):169-179

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[8] 曲建光，魏旭東，王澤民,等.在高海拔地區(qū)Saastamoinen與Hopfield模型推算水汽含量差異的研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版， 2003，28(4): 397-399

Comparison of Three ZHD Models in the Low Latitude Region of China

byCHEN Wei

In order to analyze the precision of the three zenith hydrostatic delay (ZHD) models using in the low latitude region of China, the radiosonde data in year 2012 from day 122 to 152 at Guilin, Hongkong and Haikou were used to analyze the accuracy of the three empirical models in the low latitude region. The results show that for the selected three stations a good agreement of ZHD calculating by these models and Saastamoinen model and Hopfi eld has the same level of accuracy when ZHD calculated from Saastamoinen model as reference, while the bias between the Black model and other two models is large.

zenith hydrostatic delay model,radiosonde station,the low latitude region,accuracy analysis

P228.42

B

1672-4623（2014）02-0114-02

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.02.040

2012-10-29。

陳威，主要研究方向?yàn)闇y(cè)量數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理。