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,姜英明,周長志

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2.山東省國土測繪院,濟南 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1,姜英明1,周長志2

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2.山東省國土測繪院,濟南 250102)

為了檢驗區(qū)域CORS反演可降水汽含量的精度,本文使用SDCORS的2012年全年的觀測數(shù)據(jù),通過多參數(shù)法建立誤差方程和法方程的方法解算出對流層延遲,進而轉(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對比分析的方法進行精度檢驗,結(jié)果顯示利用區(qū)域CORS反演可降水汽含量的方法達到了較高的精度。

CORS;可降水汽含量;NCEP;精密單點定位

0　引　言

水汽,是大氣中重要的氣體成分之一,它對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動過程中起著非常重要的作用[1]。通過大氣熱力學(xué)過程(包括相變熱能轉(zhuǎn)換及輻射過程),水汽對天氣和氣候都有非常重要的影響[2]。常規(guī)探測大氣中水汽含量的主要方法有無線電探空技術(shù)、氣象飛機探測、水汽微波輻射計、氣象衛(wèi)星觀測、地面濕度計觀測等[3-5]。但是由于常規(guī)方法存在成本高、時空分辨率低、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、高精度和高時空分辨率等優(yōu)點[6],因此發(fā)展GPS氣象學(xué)對提高災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)報能力具有非常重要的作用。

GPS氣象學(xué)的研究于20世紀80 年代后期,美國率先進行了多次試驗[7]。之后,德國、日本、瑞典等進行了多次較大規(guī)模的GPS觀測試驗,取得了一系列研究成果。20世紀90年代中期以來,我國一些天文、測量和氣象研究機構(gòu)也陸續(xù)開展了許多地基GPS觀測試驗,取得了一系列研究成果并開始應(yīng)用于大氣研究和氣象預(yù)報業(yè)務(wù)[8-11]。

山東省衛(wèi)星定位連續(xù)運行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)(SDCORS)項目是由山東省國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]。因為CORS觀測站具有高時空分辨率、高精度和低成本等優(yōu)點,所以利用這些CORS站的觀測數(shù)據(jù)進行有關(guān)大地測量的研究都是非常有效的[14]。因此,為了能讓新型遙感探測資料在氣象研究中得到更廣泛的應(yīng)用,開展地基GPS資料的應(yīng)用開發(fā)和研究工作是十分必要的。

本文利用SDCORS觀測站的2012年全年觀測數(shù)據(jù),反演山東地區(qū)的可降水汽含量,并通過與NCEP資料對比分析和利用定位的標準判斷反演精度兩種方法進行精度評定。

1　基于CORS的可降水汽含量反演方法

對流層對GPS信號的傳播有兩種影響[15]:一是使信號傳輸?shù)乃俣冉档?二是導(dǎo)致信號的彎曲。由于上述原因?qū)е碌男盘杺鞑ヂ窂降脑黾臃Q為對流層延遲。而可降水汽含量的反演與對流層延遲量的計算密切相關(guān)。

GPS反演可降水量的過程是:1) 計算對流層延遲。在載波相位觀測方程中將對流層延遲視為未知參數(shù),對流層延遲在解算結(jié)果中作為處理結(jié)果的改正值得到[16]。2 )計算對流層濕延遲。根據(jù)測站氣象信息和測站坐標,采用靜力學(xué)延遲模型計算靜力學(xué)延遲[17-18],濕延遲即對流層延遲與靜力學(xué)延遲的差值。3 )計算可降水量?？山邓靠赏ㄟ^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i到衛(wèi)星j的相位觀測值為

(1)

(2)

式中，m(e)為映射函數(shù)。

(3)

(4)

式中,Π為與對流層的溫度有關(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,其站點數(shù)目已達到100個。觀測數(shù)據(jù)是采用了天寶、徠卡和拓普康三種品牌多種類型的接收機進行觀測所得,其數(shù)據(jù)采樣間隔有15 s和30 s不等。為了方便解算,對數(shù)據(jù)進行預(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年全年觀測數(shù)據(jù)按照上述方法進行解算。為了分析方便,從解算結(jié)果中選擇冬季、春季、夏季每個季節(jié)各一個時段進行展示,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PWV

圖3　2012年093天0時PWV

圖4　2012年184天18時PWV

2.2反演結(jié)果分析

這里對由SDCORS觀測站2012年解算得到的逐小時可降水量(PWV)數(shù)據(jù)進行精度分析。采用兩種驗證方案:一是將GPS/PWV和NCEP/PWV進行對比分析;二是將PWV反算到對GPS

定位的影響上,利用定位的標準間接來判斷GPS反演可降水量的可靠性。

2.2.1GPS/PWV和NCEP/PWV對比分析

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

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

利用上文所展示時段的GPS/PWV與NCEP/PWV進行對比分析,對比結(jié)果如圖8～圖10所示。

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

圖5　2012年002天12時NCEP/PWV

圖6　2012年093天0時NCEP/PWV

圖7　2012年184天18時NCEP/PWV

圖8　2012年002天12時GPS/PWV與NCEP/PWV對比

圖9　2012年093天0時GPS/PWV與NCEP/PWV對比

圖10　2012年184天18時GPS/PWV與NCEP/PWV對比

通過圖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以內(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以內(nèi);夏季山東省的降水較春季大幅增多,同時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) 通過天頂靜力學(xué)模型(Saastimoinen模型)計算天頂靜力學(xué)延遲,同時利用式(3)計算天頂總延遲; 3) 通過映射函數(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)的觀測文件中的偽距觀測值和相位觀測值中; 4) 將改正后的觀測文件用LC組合模式進行精密單點定位解算,解算過程中不再進行對流層延遲改正; 5) 將原始觀測數(shù)據(jù)用LC組合模式進行精密單點定位,解算過程中進行對流層延遲改正。6) 將兩次定位的結(jié)果進行對比分析。

圖11　通過定位進行PWV精度檢驗流程

分別利用2012年001天5個測站、002天5個測站、003天4個測站、004天4個測站、005天4個測站共22個測站的數(shù)據(jù)利用上述方法進行精密單點定位解算,并對結(jié)果進行統(tǒng)計分析。圖12和圖13示出了計算的X/Y/Z坐標系下的差值ΔX/ΔY/ΔZ和在N/E/U坐標系下的差值ΔN/ΔE/ΔU.對兩種坐標系下的兩種解算結(jié)果之間的差值的最大值、最小值、平均值、標準差進行統(tǒng)計分析,如表2所示。

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

表2　2012年001-005天的統(tǒng)計結(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

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年的觀測數(shù)據(jù)進行可降水汽含量的反演實驗,并進行精度評定,主要得出以下結(jié)論:

1) GPS/PWV與NCEP/PWV對比結(jié)果顯示,兩者的差值較小且變化趨勢和變化幅度有較強的一致性,說明GPS/PWV有較強的可靠性。

2) 利用定位標準判斷GPS/PWV的精度實驗結(jié)果顯示,N方向和E方向差值均小于5 cm,說明GPS/PWV達到比較高的精度。

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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

國家自然科學(xué)基金(批準號：41374009); 山東省自然科學(xué)基金(批準號：ZR2013DM009); 國家科技基礎(chǔ)性工作專項(批準號：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量等研究。

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

姜英明(1991-),男,山東泰安人,碩士生,主要從事空間大地測量等研究。

周長志(1971-),男,山東泰安人,工程師,主要從事工程測量等研究。

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