基于超快速星歷進行實時反演大氣水汽總量的可行性研究

申建華,趙興旺,許九靖,劉超,徐躍

(安徽理工大學 測繪學院,安徽 淮南 232001)

0　引　言

水汽是大氣的重要組成成分之一,同時也是一種具有溫室效應的氣體,其在空間中的分布極不均勻,并且時間變化是大氣中變化最大的一種成分,變化尺度相較于風速氣溫要精細很多。水汽的變化和天氣的改變有著密切的聯(lián)系,水汽的變化被視為預測災害性天氣的重要因素之一,如何準確確定大氣水汽的分布及變化規(guī)律是氣象學和天氣預報的基本問題之一[1]。最早在1992年Bevis等人進行了全球定位系統(tǒng)(GPS)探測大氣可降水量(PWV)的實驗,利用地面氣溫擬合了大氣的加權平均溫度,使得GPS探測大氣水汽的方法由設想變成現(xiàn)實[2-3]。該技術在氣象學中的應用日益受到了重視[4],隨著GPS技術的發(fā)展和連續(xù)運行(衛(wèi)星定位服務)參考站(CORS)不斷建立,地基GPS/MET技術日益成熟[5]。衛(wèi)星軌道精度是高精度的PWV解算的重要影響因子[1]。在目前階段就利用最終精密星歷和地基GPS靜止平臺而言,獲得水汽精度可以達到1 mm,這一精度完全可以滿足數(shù)值天氣預報的精度要求[6],但是由于國際GNSS服務(IGS)中心給出精密星歷會有時效的延遲,最短也為13天,這樣的情況下無法達到天氣預報實時業(yè)務的需求。自2000年3月開始,IGS中心提供可以實時下載的超快速星歷,這一產品的出現(xiàn)標志著利用超快速星歷預報軌道和預報鐘差可以在一定程度上滿足用戶的要求[7]。

本文將根據(jù)地基GPS水汽遙感的原理和方法,通過GAMIT軟件,分別使用精密星歷和超快速星歷處理從香港大地測量網(wǎng)站獲取得到CORS網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)反演大氣PWV含量,將反演得到PWV與相鄰最近氣象觀測站無線電探空數(shù)據(jù)得到的PWV進行比較,以此驗證通過超快速星歷演算PWV進行數(shù)值天氣預報的可行性,探討得出有益結論。

1　地基GPS遙感大氣水汽原理

由于大氣中存在各種不同的成分,而且隨著高度的不同,大氣中的成分將會發(fā)生明顯的變化。對流層和電離層會對GPS信號的傳播產生影響而導致彎曲和延遲[8]。在GPS精密定位測量中,要盡可能地消除二者的影響。而在GPS氣象學應用中,正是要獲取對流層對GPS衛(wèi)星信號的折射量,再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數(shù)關系可以得到大氣折射率。大氣折射率是關于氣溫、氣壓和水汽壓力的函數(shù),通過一定的數(shù)學模型,便可求得需要的氣象信息。無線電波在大氣中的延遲量ΔL與大氣折射量有如下的關系[9]:

聯(lián)系人: 申建華 E-mail: 546795076@qq.com

(1)

在Boudouris和Thayer方案下,將對流層延遲量沿高度進行積分可以推導出GPS信號在對流層天頂方向的總延遲[10]:

(2)

(3)

所以對流層延遲又分為靜力學延遲和非靜力學延遲兩部分,式(3)又可寫為

ZTD=ZHD+ZWD，

(4)

式中:ZTD為對流層大氣的總延遲,即中性延遲;ZHD為靜力延遲;ZWD為濕延遲,其雖在總延遲中不到10%但是受到氣象條件的影響很大,其值的變化量可相差數(shù)倍。

實現(xiàn)全民共同富裕是我國社會主義的本質規(guī)定和奮斗目標，但當前國內的高基尼系數(shù)問題卻危及這一根本目標。旅游業(yè)所具備的就業(yè)崗位多、門檻低等諸多特征，可在國民經(jīng)濟的初次分配領域實現(xiàn)社會財富在區(qū)域間、高低收入群體間的有效轉移，相較“社會財富的二次分配”等其他基尼系數(shù)調節(jié)方式能夠同時兼顧社會公平與效率。因而，有必要從旅游市場、門票經(jīng)濟、假期制度和開發(fā)主體等方面調整旅游業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，通過發(fā)展旅游業(yè)以減少社會貧富差異、化解國內高基尼系數(shù)危機。

在水汽反演過程中,首先利用GAMIT軟件求解出ZTD,通過Saastamoinen模型估計ZHD,進而得到ZWD,其中ZHD計算模型為

(5)

式中: Ps為測站地表氣壓; λ為測站地理緯度; H為測站海拔高度。

由式(4)、式(5)可分離得到ZWD,而PWV與ZWD存在一種線性關系,如Businger公式[11]:

(6)

2　數(shù)據(jù)與方案

2.1　數(shù)據(jù)來源

本次實驗數(shù)據(jù)選取的是從香港大地測量網(wǎng)站下載的香港CORS網(wǎng)中小冷水站(HKSL)、昂坪站(HKNP)、昂船洲站(HKSC)、粉嶺站(HKFN)、石碑山站(HKOH)以及黃石站(HKWS)6個連續(xù)運行的GPS基站在2013年7月份1日～31日(查看當年的氣象記錄可以查詢到當月的降雨十分頻繁故水汽充足有利于實驗)年積日為182～212共31天的觀測文件和氣象文件以及相應時段IGS精密星歷文件和IGU超快速星歷文件。觀測文件采樣間隔為5 s,氣象數(shù)據(jù)收集溫度、氣壓、相對濕度等數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min. 查閱相關地圖可知,King’s Park 探空站與HKSC(昂船洲)的距離最近,兩地距離僅有2.5 km,兩地上空的水汽變化較為接近,因此,二者測得的PWV具有較好的可比性。利用King’s Park 探空站相應時段的數(shù)據(jù)作為驗證GPS數(shù)據(jù)解算PWV精度的一個標準。

2.2　實驗方案

試驗是利用中國香港地區(qū)的觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合香港地區(qū)周邊的IGS跟蹤站上海站(SHAO)、菲律賓站(PIMO)、新加坡站(NTUS)、拉薩站(LHAZ)同時段的觀測數(shù)據(jù)(可從IGS網(wǎng)站下載),本次試驗是通過GAMIT/GLOBK軟件對GPS 數(shù)據(jù)進行后處理分析。GAMIT作為實驗室研究型軟件對基線的解算具有極高的精度,在解算時利用IGS最終精密星歷,對流層解算的精度可達到5 mm,演算出的可降水量精度約為1 mm[4].考慮到香港地區(qū)瀕臨海域,本次實驗在解算中引入了海潮模型以減少地球潮汐的影響。此外,采用GAMIT軟件進行PWV求解涉及到對解算模式、映射函數(shù)和大氣荷載函數(shù)模型等參數(shù)的設置,具體流程如圖1所示。

該數(shù)據(jù)處理首先是數(shù)據(jù)準備。其次,將各時段的GPS觀測數(shù)據(jù)利用GAMIT10.6軟件進行處理得到各個時段的解。然后網(wǎng)平差的結果及測站的平均坐標和速度等參數(shù)可以通過GLOBK(卡爾曼濾波)進行多時段綜合解算得到。最后為了利用對流層天頂方向總延遲和地面氣象文件相結合反演得到天頂方向大氣水汽總量,需將平差后得到的測站坐標帶回GAMIT對待求測站進行強約束,反演出對流層天頂方向總延遲。最后通過和地面氣象文件相結合解算得到天頂方向大氣水汽總量[12]。

3　數(shù)據(jù)處理及結果分析

最終精密星歷、快速精密星歷、超快速星歷以及廣播星歷是IGS中心提供的常用的四種星歷產品,他們軌道的精度依次降低[13,15]。最終精密星歷在高精度的GPS事后處理過程中廣泛應用,超快速道星歷產品包括了前24 h的實際觀測數(shù)據(jù)與后24 h的預報數(shù)據(jù),同樣也具有較好的精度可以達到實時定位的需求[14]。由文獻[15]可知IGS中心每天更新4次超快速星歷,在前一天UTC時21 h發(fā)布的超快速星歷的時間跨度可以滿足之后1天的GPS數(shù)據(jù)處理,此時是完全利用超快速星歷的預報部分對GPS數(shù)據(jù)處理。

本文分別采用了IGS當天時間發(fā)布的IGS精密星歷以及前一天21時發(fā)布的IGU超快速星歷來分別解算大氣水汽含量與相應時間段探空站獲得水汽總量之間進行對比。圖2示出了King’s Park探空站探空數(shù)據(jù)解算得到的PWV序列,探空站能給出當天零點和十二點的探空結果,以及昂船洲站分別采用IGS精密軌道星歷和IGU超快速軌道星歷解算得到的PWV序列,GPS解算的數(shù)據(jù)時間間隔可以很小。如果要實際進行短時、臨近的天氣分析需要選用較小時間間隔,這樣更能體現(xiàn)水汽快速變化的特性。本次實驗采用的是1 h一次的解算結果,全天共有24次解算結果。選取其中對應時刻的數(shù)值和相應時刻的實際探空數(shù)值進行對比。圖3示出了其中三個連續(xù)運行基準站分別利用最終精密星歷和超快速星歷計算結果數(shù)值的差值。

由圖2可以看出,從連續(xù)運行基準站收集的觀測數(shù)據(jù)分別結合IGU超快速星歷、IGS精密星歷反演出的PWV和由king’s Park探空資料解算得到的PWV在趨勢上有較好的一致性但是并沒有完全對應相等,其原因除了有GPS反演的水汽和實際的差值之外,還有探空站釋放的探空氣球會有一定的時間延遲以及空中風力對其影響產生的位置偏移,而GPS信號則是實時接收和反應變化,所以這種數(shù)值上的不相等也正可以反映他們之間的相應的聯(lián)系。從圖3可以看出超快速星歷和最終精密星歷反演的結果在數(shù)值上非常的接近,兩者之間的差值沒有超過2 mm.

圖4和圖5對應的是IGS精密星歷和探空站探測得到的PWV以及IGS精密星歷和IGU超快速星歷解算得到的PWV序列之間的線性關系,并且計算了兩組數(shù)據(jù)的RMS和相關系數(shù)。

由圖4可以看到,HKSC站由精密星歷解算的PWV與探空數(shù)據(jù)解算的PWV之間的相關系數(shù)為0.944 1,均方根誤差RMSE為2.198 9 mm,二者之間具有很好的一致性。由此證明,地基GPS反演大氣水汽的精度是穩(wěn)定且可靠的。由圖5可知HKSC測站基于不同星歷得到的PWV數(shù)據(jù)之間的相關系數(shù)達到0.999 8,均方根誤差RMSE為0.120 7 mm,因而可知超快速星歷獲得的PWV序列和精密星歷獲得的PWV序列精度相當。因此可以得出,采用超快速星歷來反演PWV是切實可行的。

4　結束語

1) 和探空PWV相比較,地基GPS的演算水汽數(shù)值與其具有較強的相關性,這一結果驗證了地基GPS監(jiān)測水汽變化算法的正確性,相對于傳統(tǒng)的探測手段地基GPS具有全天候、實時、性價比高等優(yōu)勢,可為中小尺度天氣預報提供實時可靠的數(shù)據(jù)來源。

2) 對于短期實時數(shù)值天氣預報,需要獲得實時的天頂水汽含量,根據(jù)以上反演的結果和分析,基于各GPS站觀測資料計算各站天頂方向水汽含量時利用IGU超快速星歷就能滿足實時預報需求,這對實時天氣預報和大氣探測具有重要現(xiàn)實意義。

3) 此外,文中采用了4個IGS跟蹤站與香港地區(qū)CORS聯(lián)合解算,計算結果較好。至于參與解算的IGS站數(shù)量與位置分布對對流層延遲計算精度的影響,還需要通過與不同的IGS觀測站組網(wǎng)解算進一步討論,以便更好地提高水汽反演的質量。

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