雙臺(tái)風(fēng)期間橫沙八期超大灘涂圈圍工程基準(zhǔn)站ZTD影響研究

汪波，仲叢宏

（上海達(dá)華測(cè)繪有限公司，上海 200136）

雙臺(tái)風(fēng)期間橫沙八期超大灘涂圈圍工程基準(zhǔn)站ZTD影響研究

汪波，仲叢宏

（上海達(dá)華測(cè)繪有限公司，上海 200136）

水汽在災(zāi)害性天氣演變能量傳輸中至關(guān)重要，受其影響GNSS信號(hào)傳播過(guò)程中對(duì)流層延遲會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)研究GNSS觀測(cè)中對(duì)流層延遲演化特征可間接分析極端天氣發(fā)展規(guī)律。為分析ZTD短臨時(shí)計(jì)算關(guān)鍵因素，計(jì)算了0.5 h對(duì)流層天頂延遲，其精度可達(dá)到與1 h、2 h相當(dāng)?shù)木?；采用超快速精密星歷參與數(shù)據(jù)處理可獲得與最終精密星歷相當(dāng)?shù)木龋ㄟ^(guò)上述參數(shù)配置可計(jì)算短臨時(shí)對(duì)流層天頂延遲。為分析臺(tái)風(fēng)對(duì)局域ZTD的影響，以橫沙八期超大灘涂圈圍工程基準(zhǔn)站為例，討論了2016年9月雙臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”和“馬勒卡”影響期間項(xiàng)目區(qū)上空對(duì)流層天頂延遲的演化過(guò)程，分析得到臺(tái)風(fēng)對(duì)局域ZTD的影響，與其距離和強(qiáng)度關(guān)系密切。

臺(tái)風(fēng)；ZTD；CORS；精密星歷

0 引言

大氣中水汽含量雖少，但其變化規(guī)律復(fù)雜，在天氣系統(tǒng)演變和能量傳輸中扮演著舉足輕重的角色。極端天氣發(fā)生時(shí)往往伴隨著特殊的水汽演變過(guò)程，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）信號(hào)在大氣中的傳播路徑也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，通過(guò)研究GNSS對(duì)流層天頂延遲ZTD（Zenith Tropospheric Delay）變化規(guī)律分析災(zāi)害性天氣演化特征成為當(dāng)前GNSS研究的熱點(diǎn)[1]。王勇等分析了霧霾天氣發(fā)生時(shí)ZTD的演化特征，研究得出霧霾天氣的發(fā)生、持續(xù)、消散與ZTD的上升、徘徊于峰值區(qū)、下降均有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]；陳于等研究了暴雨發(fā)生前后ZTD的變化與降水的關(guān)系，分析得出兩者的變化趨勢(shì)保持高度一致[3]；葉其欣等分析了上海強(qiáng)對(duì)流天氣中GPS/ZTD換算所得的GPS大氣可降水量時(shí)空特征，不同季節(jié)強(qiáng)降水中呈現(xiàn)不同的規(guī)律[4]。本文探討了ZTD短臨時(shí)估計(jì)中關(guān)鍵因素影響；分析了2016年9月雙臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”和“馬勒卡”影響期間橫沙八期超大灘涂圈圍工程中ZTD的演化過(guò)程，得到的有益結(jié)論可為生產(chǎn)中防災(zāi)減災(zāi)決策提供數(shù)據(jù)支持。

1 短臨時(shí)ZTD計(jì)算分析1.1 基準(zhǔn)站介紹

橫沙八期超大灘涂圈圍項(xiàng)目位于上海市橫沙島東灘，其海洋施工作業(yè)對(duì)氣象條件要求很高。2016年9月雙臺(tái)風(fēng)影響期間，牢固的堤壩路面損毀嚴(yán)重，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。橫沙八期工程GNSS基準(zhǔn)站SHHS站位于項(xiàng)目區(qū)西側(cè)，屬于長(zhǎng)江口連續(xù)運(yùn)行參考站CORS（Continuously Operating Reference Stations）的一個(gè)主要站點(diǎn)，可有效監(jiān)測(cè)項(xiàng)目區(qū)附近上空Z(yǔ)TD變化，直接反映項(xiàng)目區(qū)極端天氣中水汽場(chǎng)演變。

1.2 軟件配置

本文GPS數(shù)據(jù)處理采用gamit軟件，為獲得高精度ZTD，參數(shù)配置如下[5]：處理方法RELAX.；解算方法1-ITER；觀測(cè)量類(lèi)型LC_HELP；高度角10°；對(duì)流層先驗(yàn)?zāi)Ｐ蚐AAS；對(duì)流層延遲參數(shù)估計(jì)法PWL；測(cè)站約束9.999/9.999/9.999；映射函數(shù)VMF1；海潮模型otl_FES2004.grid；大氣荷載模型atmdisp_cm.2016；固體潮模型IERS2003模型；為計(jì)算基準(zhǔn)站ZTD的絕對(duì)估計(jì)值，引入BJFS、CNMR、CUSV、DAEJ、PIMO、SHAO等 6個(gè)國(guó)際 GNSS 服務(wù) IGS（International GNSS Service）站聯(lián)合處理[6]。

1.3 短臨時(shí)ZTD監(jiān)測(cè)關(guān)鍵因素分析

1.3.1 時(shí)間分辨率設(shè)置對(duì)計(jì)算ZTD影響

為充分分析極端天氣發(fā)生時(shí)短臨時(shí)ZTD計(jì)算精度，本文采用IGS最終精密星歷分別計(jì)算了256～258 d 0.5 h、1 h、2 h等 3種時(shí)間間隔的ZTD值，以IGS中心公布的對(duì)流層延遲產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)值，將位于上海佘山的SHAO站ZTD計(jì)算結(jié)果與其標(biāo)準(zhǔn)值比較分析。通過(guò)求差計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下。

圖1為各時(shí)間間隔計(jì)算結(jié)果與IGS對(duì)流層產(chǎn)品差值圖，3個(gè)時(shí)段計(jì)算結(jié)果匹配度很高，且各間隔結(jié)果差值保持在2 cm以內(nèi)占比均在80%以上，計(jì)算結(jié)果偏差較小且分布集中。統(tǒng)計(jì)各間隔ZTD精度指標(biāo)數(shù)據(jù)為圖2所示，0.5 h間隔最大偏差為-34.6 mm，1 h間隔最大偏差為-29.9 mm，2 h間隔最大偏差為-23.0 mm，由此可得隨著時(shí)段的延長(zhǎng)，ZTD計(jì)算最大偏差減??；3種時(shí)間間隔計(jì)算的ZTD均方根誤差均保持在5 mm左右，轉(zhuǎn)換成GPS水汽僅為1 mm左右。綜上所得，采用IGS最終精密星歷計(jì)算得到的0.5 h、1 h、2 h間隔的ZTD精度較高。

圖1 各間隔對(duì)流層天頂延遲差值Fig.1 Different intervals ZTD difference

圖2 各間隔對(duì)流層天頂延遲精度統(tǒng)計(jì)Fig.2 Different intervals ZTD accuracy statistics

1.3.2 不同精密星歷對(duì)計(jì)算ZTD影響

實(shí)際的GNSS觀測(cè)值數(shù)據(jù)處理中，最終精密星歷一般會(huì)延遲11 d左右公布，快速精密星歷也有約17 h的時(shí)延，未能滿足短臨時(shí)ZTD計(jì)算的需求。實(shí)際上實(shí)時(shí)可獲取的精密星歷為超快速精密星歷，此處采用超快速精密星歷計(jì)算SHAO站ZTD值，并結(jié)合IGS最終精密星歷計(jì)算結(jié)果分析其精度。

圖3為256～258 d超快速精密星歷與IGS最終精密星歷計(jì)算結(jié)果差值，由圖可得使用超快速精密星歷預(yù)報(bào)部分計(jì)算獲得的各時(shí)間間隔ZTD值與IGS精密星歷計(jì)算結(jié)果契合度很高，最大偏差均保持在2 mm以內(nèi)，均方根誤差均在0.5 mm左右，由此可得超快速精密星歷計(jì)算ZTD精度較高。實(shí)際ZTD數(shù)據(jù)估計(jì)中，使用實(shí)時(shí)超快速精密星歷參與計(jì)算可獲得與最終精密星歷精度相當(dāng)?shù)亩膛R時(shí)ZTD值。

圖3 不同精密星歷計(jì)算對(duì)流層天頂延遲差值Fig.3 Difference of ZTD calculated by different precise ephemeris

2 雙臺(tái)風(fēng)影響期間ZTD演化特征分析

2016年9月10—20日，上海連續(xù)遭受“莫蘭蒂”和“馬勒卡”兩次臺(tái)風(fēng)影響，其中“莫蘭蒂”生成于9月10日，12日8時(shí)增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，當(dāng)天11時(shí)—14日23時(shí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，消失于16日；“馬勒卡”生成于9月13日，15日20時(shí)—20日5時(shí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，消失于20日17時(shí)。

圖4顯示雙臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)軌跡，圖5為橫沙站與佘山站ZTD變化圖。圖5顯示雙臺(tái)風(fēng)影響期間橫沙站與佘山站ZTD演化趨勢(shì)基本一致，其中256日（9月12日） 12時(shí)距離1 680 km時(shí)“莫蘭蒂”升級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)且在其后12 h移動(dòng)過(guò)程中其外圍水汽未能促使上海橫沙ZTD上升；257日距離橫沙1 400 km時(shí)，橫沙上空水汽量開(kāi)始累積，橫沙站對(duì)流層天頂延遲量開(kāi)始增大；257日22時(shí)，橫沙站上空Z(yǔ)TD達(dá)到峰值，隨著臺(tái)風(fēng)逼近和減弱，ZTD保持在高值區(qū)，直到259日17時(shí)前后風(fēng)力降為7級(jí)開(kāi)始減小；同時(shí)259日20時(shí)左右“馬勒卡”距離橫沙1 500 km處，增強(qiáng)為14級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，其后2 d的移動(dòng)過(guò)程中并未給橫沙空域輸送水汽；直到261日18時(shí)距離上海約700 km處開(kāi)始，隨著臺(tái)風(fēng)距離橫沙越來(lái)越近，其外圍水汽開(kāi)始輸入，橫沙站ZTD對(duì)應(yīng)上升，6 h后達(dá)到第2次峰值后下降；262日18時(shí)臺(tái)風(fēng)到達(dá)距離橫沙最近位置，ZTD基本下降至最低處，但隨著臺(tái)風(fēng)的遠(yuǎn)離橫沙局域ZTD再次平緩上升，至距離800 km處達(dá)到第3次峰值。

圖4 雙臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑Fig.4 Movement path of binary typhoons

圖5 對(duì)流層天頂延遲演化圖Fig.5 Evolution of ZTD

通過(guò)分析，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”在遠(yuǎn)距離移動(dòng)過(guò)程中，其外圍豐富的水汽層造成GNSS站ZTD迅速激增，直到260日強(qiáng)度減弱為熱帶低壓的過(guò)程中ZTD一直保持在高值區(qū)，繼而ZTD才迅速減小；強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“馬勒卡”遠(yuǎn)距離影響微弱，其水汽圈影響半徑約為700～800 km，先后2次為橫沙輸入水汽正好對(duì)應(yīng)ZTD兩次攀升過(guò)程，均在到達(dá)峰值后即刻下降，保持在高值區(qū)時(shí)間短暫。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中距離改變，局域ZTD影響隨之發(fā)生變化，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”比“馬勒卡”影響距離遠(yuǎn)，造成局域ZTD攀升時(shí)間長(zhǎng)，ZTD升降幅度大；“馬勒卡”影響距離略近，ZTD上升時(shí)間短，幅度小。

3 結(jié)語(yǔ)

1） GNSS觀測(cè)中ZTD 0.5 h估計(jì)結(jié)果可獲得與2 h相當(dāng)?shù)木?，超快速精密星歷可代替最終精密星歷滿足短臨時(shí)ZTD計(jì)算，可為GNSS服務(wù)短臨時(shí)降水預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2）臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的不同，其影響距離及程度存在差異；臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較大，遠(yuǎn)距離ZTD影響顯著，充沛的外圍水汽保證了ZTD保持在高值區(qū)時(shí)間較長(zhǎng)，升降幅度大；臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較小時(shí)，影響距離較短，ZTD變化幅度也較小，維持在高值區(qū)時(shí)間短。

3）實(shí)際臺(tái)風(fēng)抗防中，特別是雙臺(tái)風(fēng)影響期間應(yīng)該綜合考慮各臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和移動(dòng)距離變化，利用項(xiàng)目區(qū)GNSS基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算短臨時(shí)ZTD估值，根據(jù)其演化特征判斷天氣變化，直接為合理安排施工提供數(shù)據(jù)支撐。本文由于缺少雙臺(tái)風(fēng)影響期間橫沙地區(qū)的衛(wèi)星云圖及實(shí)時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，未能精確分析雙臺(tái)風(fēng)影響半徑等內(nèi)容，后續(xù)將繼續(xù)探索。參考文獻(xiàn)：

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Impact study on base station ZTD in Hengsha super tidal flat reclamation phase VIII project during binary typhoons

WANG Bo,ZHONG Cong-hong
（Shanghai Dahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

Water vapor is critical in the evolution of energy in severe weather,due to which the tropospheric delay in the process of GNSS signal propagation will change accordingly.The development of extreme weather can be analyzed indirectly by studying the tropospheric delay evolution characteristics in GNSS observations.In order to analyze the key factors of short temporary ZTD calculation,we calculated the half an hour zenith tropospheric delay,the precision can reach to the accuracy of 1 hour or 2 hours calculation.Using ultra-fast precise ephemeris shall render the accuracy of final precise ephemeris in data processing.The short temporary zenith tropospheric delay can be calculated by the parameter configuration described above.For the impact of typhoon on the local ZTD,taking base station of Hengsha super tidal flat reclamation phase VIII project as an example,we discussed the evolution of the zenith tropospheric delay over the project area during the period of the binary typhoons"Meranti"and"Malakas"in September 2016,thus confirmed typhoon's influence on the local ZTD in respect of its distance and intensity.

typhoon;Zenith Tropospheric Delay;Continuously Operating Reference Stations;precise ephemeris

P228.4

A

2095-7874（2017）10-0057-03

10.7640/zggwjs201710012

2017-02-13

2017-04-26

汪波（1990— ），男，安徽宣城人，碩士，助理工程師，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理研究。E-mail：xcwangbo@126.com