GNSS系統(tǒng)監(jiān)測霧霾對天頂對流層延遲的影響

陳　林，郭承軍，范進(jìn)偉

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731)

GNSS系統(tǒng)監(jiān)測霧霾對天頂對流層延遲的影響

陳林，郭承軍，范進(jìn)偉

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731)

利用GPS/GLONASS組合精密單點定位（ppp）技術(shù)監(jiān)測近年來北京地區(qū)霧霾天氣對天頂對流層延遲的影響。研究表明，在霧霾發(fā)生時間段，天頂對流層延遲明顯上升，天頂對流層延遲的變化趨勢與霧霾嚴(yán)重程度整體體現(xiàn)一致性。結(jié)合北京霧霾天氣特性，單日霧霾變化與天頂對流層延遲變化走勢呈一致性?？梢岳肎PS/GLONASS組合精密單點定位估計的天頂對流層延遲來監(jiān)測霧霾發(fā)生時間段霧霾程度的變化趨勢。

霧霾；GPS/GLONASS；PPP；天頂對流層延遲

0　引言

霧霾是特定氣候條件與人類活動相互作用的結(jié)果。高密度人口的經(jīng)濟(jì)及社會活動必然會排放大量細(xì)顆粒物（PM 2.5），一旦排放超過大氣循環(huán)能力和承載度，細(xì)顆粒物濃度將持續(xù)積聚，此時如果受靜穩(wěn)天氣等影響，極易出現(xiàn)大范圍的霧霾。近幾年來霧霾天氣越來越受到人類重視，許多城市都受到霧霾天氣的困擾，在霧霾到來之際，空氣質(zhì)量極差，能見度也受到霧霾嚴(yán)重程度影響而降低。更重要的是，霧霾天氣空中浮游大量塵粒和煙粒等有害物質(zhì)，會對人體的呼吸道造成傷害，甚至引發(fā)肺部癌變的風(fēng)險。采用合理手段對霧霾天氣進(jìn)行監(jiān)測顯得必要而緊迫。在全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)展成熟的今天，已經(jīng)實現(xiàn)利用GNSS進(jìn)行對流層水汽反演并且基本滿足數(shù)值天氣預(yù)報要求。這使得結(jié)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)對霧霾天氣的監(jiān)測成為可能［1-2］。

另外，國內(nèi)外學(xué)者在利用精密單點定位技術(shù)估計天頂對流層延遲方面做出了許多的研究工作［3-4］，研究多是基于單系統(tǒng)［5-6］。相對于單系統(tǒng)，利用多星座組合系統(tǒng)進(jìn)行對流層監(jiān)測能夠有更多的數(shù)據(jù)來源，有利于獲得高精度的對流層延遲信息［7-8］。

基于此，本文利用GPS/GLONASS雙系統(tǒng)組合精密單點定位方法，結(jié)合北京地區(qū)霧霾時段IGS測站數(shù)據(jù)研究霧霾天氣對對流層延遲的影響，并利用IGS延遲產(chǎn)品對延遲影響程度進(jìn)行評估。

1　GPS/GLONASS組合精密單點定位估計

通過精密軌道和鐘差，利用偽距和相位的雙頻消電離層組合觀測值，估計測站坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、天頂對流層延遲和整周模糊度等參數(shù)。GPS/GLONASS無電離層組合觀測模型如下［9-10］：

式中，gps和glo分別代表GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星，PIF和ΦIF為偽距和相位消電離層觀測值。fi為 Li載波頻率(i=1，2)，Pi和Φi為Li載波上偽距和相位觀測值(i=1，2)，ρ為衛(wèi)星到測站幾何距離，c為光速，Tr為接收機(jī)鐘差，M為映射函數(shù)，dzwd為天頂方向?qū)α鞒萄舆t，NIF為消電離層組合模糊度，ε為觀測噪聲及其他殘差。

2　研究數(shù)據(jù)

污染物在清晨即 7：00～8：00 am間開始迅速增加，到10：00開始進(jìn)入線性增加期，而到傍晚時分開始下降，并于晚間回歸較低的值。因為白天在水氣和陽光的作用下，一次排放的污染物發(fā)生二次反應(yīng)，從而快速積累，而人的活動也在白天達(dá)到高峰，排放物的增加和積累促使污染在下午達(dá)到高峰；而晚間，由于光照的減少，二次反應(yīng)降低，排放也因為人們的活動減少而降低，從而使得空氣污染得到緩解。但是北京的霧霾曲線則與普通的空氣污染曲線不同，空氣污染往往在晚間達(dá)到峰值，而白天則處于不斷積累的過程中。表明北京的空氣污染有其特殊性。

根據(jù)北京近年來霧霾發(fā)生的情況，通過查閱分析過去歷史氣象資料可知，2015年 11月底，北京經(jīng)歷了2015年以來最嚴(yán)重的一輪空氣重污染。11月27日 14時啟動空氣重污染黃色預(yù)警；29日上午10時升級為橙色預(yù)警，12月1日解除，共持續(xù)了106個小時(4天零10個小時)。在12月7日北京更是啟動歷史上首個重污染紅色警報。2014年10月8日～12日北京霧霾污染為嚴(yán)重污染級別，PM2.5也達(dá)到300μg/m3以上。2013年1月的30天里北京有26天出現(xiàn)霧霾天氣，其中10日～14日最為嚴(yán)重，有兩天為嚴(yán)重污染，3天為重度污染［11］，其中12日最為嚴(yán)重，PM2.5甚至短暫達(dá)到1 000μg/m3。

本文選取北京 2015年 11月 27日～12月 7日，2014年10月7日～14日，2013年1月10日～14日這三個時間段的霧霾天氣為研究對象，利用分布在北京地區(qū)的IGS站點BJFS站的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s，采用IGS提供的精密星歷通過 GPS/GLONASS組合精密單點定位模型進(jìn)行解算，估計天頂對流層總延遲量。并利用IGS提供的BJFS站氣象觀測數(shù)據(jù)計算靜力學(xué)延遲，也即對流層干延遲分量。將估計的天頂對流層總延遲減去干延遲分量，得到濕延遲分量，再通過轉(zhuǎn)換因子便可轉(zhuǎn)換為可降水量信息。

3　組合模型估計天頂對流層延遲可靠性驗證

利用IGS提供的對流層延遲產(chǎn)品來評估GPS/GLONASS組合精密單點定位估計的對流層延遲精度。并對比GPS單系統(tǒng)站點數(shù)據(jù)解算得到的天頂對流層延遲估計值，驗證GPS/GLONASS組合精密單點定位計算的天頂對流層延遲估計值的可靠性。

圖1給出了北京近三年霧霾天氣BJFS站各5天的PPP估計的天頂對流層延遲與 IGS差值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由圖可以得到PPP的估計值與IGS產(chǎn)品存在偏差，但總體上與IGS產(chǎn)品結(jié)果相符。另外可以看出與GPS相比，GPS/GLONASS組合精密單點定位估計的ZPD值同 IGS具有更好的一致性。由此可以說明雙系統(tǒng)組合模型的ZPD估計值是可靠的。

圖1　PPP估計的ZPD與IGS產(chǎn)品差值結(jié)果

4　霧霾天氣對GPS/GLONASS組合定位天頂對流層延遲影響

4.12015年霧霾時段

由圖2可以看出，11月27日（0時）開始ZPD值達(dá)到2.44 m，隨后幾天呈逐步下降趨勢，并在12月1日（100 h左右）降至最低值。從1日～7日，天頂對流層延遲值又逐漸呈上升趨勢，甚至達(dá)到11月27日天頂對流層延遲量水平。這也與7日北京啟動歷史上首個重污染紅色警報相一致。

從圖3可知，27日當(dāng)天ZPD總體呈上升趨勢，27日凌晨到上午 7時，ZPD值從 2.43 m下降至 2.423 m，隨后急劇上升，下午15時左右延遲量達(dá)到白天最大值，這與北京市27日14時啟動空氣重污染黃色預(yù)警時間相一致。15時～21時延遲量略有下降，21時后直到 28日凌晨對流層天頂延遲呈顯著上升趨勢并達(dá)到當(dāng)日峰值。根據(jù)北京空氣污染特性，北京空氣污染往往在晚間達(dá)到峰值，而白天則處于不斷積累的過程中。27日的ZPD變化值很好體現(xiàn)了單日霧霾發(fā)生時間段與天頂對流層延遲變化走勢的一致性。

圖2　BJFS站11月27日～12月7日ZPD變化情況

圖3　BJFS站15年11月27日ZPD變化情況

圖4所示為12月1日當(dāng)天的天頂對流層延遲變化情況，天頂對流層延遲在當(dāng)天上午7時左右降至最低，隨后逐步上升直到晚間達(dá)到當(dāng)日峰值，再一次體現(xiàn)了單日霧霾發(fā)生時間段與天頂對流層延遲變化走勢呈一致性。但相對于前幾日，1日ZPD估計值仍處于較低值，這與北京市12月1日解除霧霾污染橙色預(yù)警相一致。

圖4　BJFS站12月01日ZPD變化情況

總體而言，這段時間霧霾天氣對GPS/GLONASS組合定位天頂對流層延遲影響與實際霧霾天氣變化相一致。

4.22014年霧霾時段

圖5可看出，從 10月 7日(0 h)到 11日凌晨(100 h)這段時間，對流層天頂延遲在緩慢上升，總體變化較為平穩(wěn)，在2.357～2.367 m之間。11日～12日(120 h)ZPD變化明顯，20小時內(nèi)從2.36 m升到2.388 m，并且在12日整日維持在較高水平。12日過后從13日開始，ZPD呈明顯下降趨勢。

圖5　BJFS站10月7日～14日ZPD變化情況

總體而言，從7日～12日估計的天頂對流層延遲呈逐步上升趨勢，且在12日達(dá)到峰值，這與北京氣象局發(fā)布的8日～12日北京霧霾污染為嚴(yán)重污染級別相一致。

4.32013年霧霾時段

從圖6中可以看出整個1月份除了 1日(0～25 h)、6日(100～125 h)、7日(125～150 h)、18日(400～425 h)、25日(570～600 h)這4個時間段的ZPD較低外，其他時間的天頂對流層延遲估計值都相對偏高，且每日變化差距都較大。這與歷史氣象資料指出的“2013年1月30天里北京有26天出現(xiàn)霧霾天氣”相一致，并且由此可以推斷5天沒有出現(xiàn)霧霾的天氣應(yīng)出現(xiàn)在上述時間段。通過查詢歷史氣象數(shù)據(jù)，證實了上述推測。因此可以利用GPS/GLONASS組合精密單點定位估計的天頂對流層延遲監(jiān)測霧霾發(fā)生時間段霧霾程度的變化趨勢。

圖6　BJFS站2013年1月ZPD變化情況

仔細(xì)觀察圖7中1月10日～14日的天頂對流層延遲估計值變化情況，可以看出在12日 (55時附近)ZPD估計值達(dá)到一個峰值，可知12日的霧霾天氣嚴(yán)重影響了天頂對流層延遲估計值。隨后在14日(100時)ZPD估計值又達(dá)到另一個峰值，可知14日也出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣。

圖7　BJFS站1月10～14日ZPD變化情況

5　結(jié)語

利用GPS/GLONASS組合精密單點定位估計天頂對流層延遲，結(jié)合北京三年的霧霾天氣歷史氣象資料和IGS產(chǎn)品，可以得到：

(1)霧霾發(fā)生時間段，天頂對流層延遲明顯上升，天頂對流層延遲的變化趨勢與霧霾嚴(yán)重程度整體體現(xiàn)一致性。

(2)結(jié)合北京霧霾日一日內(nèi)霧霾的高峰期，單日霧霾發(fā)生時間段與天頂對流層延遲變化走勢呈一致性。

(3)可以利用GPS/GLONASS組合精密單點定位估計的天頂對流層延遲監(jiān)測霧霾發(fā)生時間段霧霾程度的變化趨勢。

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Monitoring effects of haze weather on zenith tropospheric delay by GNSS

Chen Lin，Guo Chengjun，F(xiàn)an Jinwei
（Research Institute of Electronic Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Combined GPS/GLONASS PPP method is used to monitor how haze weather affect zenith tropospheric delay in recent years in the Beijing area.Studies have shown that during the haze weather,zenith tropospheric delay increased obviously,the change trend of zenith tropospheric delay is consistent with the change trend of haze weather.Conbined with the characteristics of Beijing′s haze weather,daily movements of haze is consistent with changes of zenith tropospheric delay.Using combined GPS/GLONASS PPP method to monior the impact of haze weather on zenith tropospheric delay is possible.

haze weather；GPS/GLONASS；PPP；zenith tropospheric delay

P228；P426

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.027

2015-12-28)

陳林（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：多星座導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)對流層監(jiān)測技術(shù)。

中文引用格式：陳林，郭承軍，范進(jìn)偉.GNSS系統(tǒng)監(jiān)測霧霾對天頂對流層延遲的影響［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (4)：95-98.

英文引用格式：Chen Lin，Guo Chengjun，F(xiàn)an Jinwei.Monitoring effects of haze weather on zenith tropospheric delay by GNSS［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：95-98.