不同星歷條件下大氣可降水量反演精度分析

高志鈺，李建章，寇瑞雄，劉彥軍，劉江濤

(1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，蘭州 730070)

0 引言

全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善以及連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)在全國各地的逐漸建立為全國各地區(qū)提供了穩(wěn)定的GPS氣象觀測數(shù)據(jù)源，使得GPS技術(shù)在氣象學(xué)中的研究和應(yīng)用取得了更大的突破，具有較好的應(yīng)用前景。

目前把GPS技術(shù)應(yīng)用到天氣預(yù)報與氣候監(jiān)測中已經(jīng)進(jìn)展到了實際應(yīng)用階段[1-4]。隨著高精度數(shù)據(jù)軟件的逐漸成熟，GAMIT軟件已被廣泛應(yīng)用到GPS數(shù)據(jù)處理工作中，也為利用CORS數(shù)據(jù)反演大氣可降水量(precipitable water vapor，PWV)提供依據(jù)。但由于最終精密星歷更新時間的延遲，國內(nèi)外許多學(xué)者就廣播星歷、快速精密星歷以及超快速精密星歷是否可以代替最終精密星歷等諸多實際應(yīng)用問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]對廣播星歷條件下GAMIT基線解算結(jié)果精度進(jìn)行了分析，在一定范圍內(nèi)，使用廣播星歷代替最終精密星歷，可以滿足常規(guī)的工程應(yīng)用需要；文獻(xiàn)[6]對于中長基線的解算，可使用快速精密星歷與超快速精密星歷代替最終精密星歷進(jìn)行基線解算；文獻(xiàn)[7]對不同星歷的GAMIT高精度基線解算進(jìn)行了研究，并得出在一定條件下可用快速精密星歷與超快速精密星歷代替最終精密星歷進(jìn)行基線解算的結(jié)論；文獻(xiàn)[8-10]對不同星歷條件下的精密單點定位精度進(jìn)行了分析，并取得了較好的定位精度；文獻(xiàn)[11]對不同星歷條件下的低軌衛(wèi)星軌道進(jìn)行了分析，快速精密星歷與超快速精密星歷能夠代替最終精密星歷取得較好的定軌效果。此外，基于最終精密星歷對大氣可降水量的研究也逐漸成熟[12-13]，但由于最終精密星歷更新時間的延遲，存在大氣可降水量的實時反演難以實現(xiàn)的問題，本文提出了以快速精密星歷與超快速精密星歷代替最終精密星歷進(jìn)行大氣可降水量的反演的方法，并結(jié)合CORS數(shù)據(jù)與探空站觀測數(shù)據(jù)，對CORS數(shù)據(jù)反演大氣可降水量的可行性進(jìn)行檢驗，然后對最終精密星歷、快速精密星歷與超快速精密星歷進(jìn)行基線解算時的精度進(jìn)行分析，以此驗證快速精密星歷與超快速精密星歷是否可以代替最終精密星歷進(jìn)行大氣可降水量的反演。

1 不同星歷類型對比

按照精度劃分，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)衛(wèi)星星歷可以分為精密星歷和廣播星歷[14-15]。國際GNSS服務(wù)組織(International GNSS Service，IGS)負(fù)責(zé)提供各種導(dǎo)航定位系統(tǒng)的星歷，由7個IGS處理分析中心的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均后得到，主要分為最終精密星歷(igs)、快速精密星歷(igr)和超快速精密星歷(igu)3種。廣播星歷較精密星歷的精度稍差，目前主要用于導(dǎo)航定位、低等級或短基線的工程測量。星歷的更新時刻為世界協(xié)調(diào)時(coordinated universal time，UTC)。各種星歷的具體情況如表1所示。

2 大氣可降水量計算方法

2.1 基于無線電探空資料的可降水量計算方法

表1 不同星歷類型對比情況

基于探空氣球的大氣可降水量是利用探空氣球觀測氣象對流層中各個高度上的比濕q(單位：g/kg)，然后對大氣壓力p(單位：hPa)從地面到對流層上界進(jìn)行垂直積分而得，即

(1)

式中：PWV為可降水量(單位：mm)；g為地球重力加速度(單位：kg/m2)。實際計算時，可以用各個標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的比濕值進(jìn)行差分計算以代替積分，且由于大氣水汽幾乎全部集中在氣象學(xué)定義的對流層(0～12 km)，計算時采用分層疊加的辦法進(jìn)行，計算步驟如下：

1)根據(jù)各高度上的露點溫度測值，算出各高度上的水汽壓e(單位：hPa)，計算式為

(2)

式中：Td為露點溫度(單位：℃)；系數(shù)a、b的取值為氣溫低于-40 ℃時，a=21.87、b=265.49；氣溫高于0 ℃時，a=17.26、b=237.29；若氣溫居于二者之間，系數(shù)a、b用線性內(nèi)插算出。

2)根據(jù)各高度上的氣壓測值p和式(2)算出的水汽壓e，可計算比濕q，即

(3)

3)計算大氣可降水量PWV，計算式為

(4)

式中p0為地面大氣壓力(單位：hPa)。

2.2 基于地基GPS反演可降水量

基于地基GPS的可降水量反演步驟為：

1)由GNSS高精度數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)原始觀測數(shù)據(jù)解算出各測站天頂總延遲量(zenith total delay，ZTD)；

2)根據(jù)氣象觀測資料與天頂靜力延遲模型計算出天頂靜力學(xué)延遲量(zenith hydrostatic delay，ZHD)；

3)用天頂總延遲量減去天頂靜力延遲量而獲得天頂濕延遲量(zenith wet delay，ZWD)，即ZWD=ZTD-ZHD；

4)結(jié)合式(5)式(6)，根據(jù)加權(quán)平均溫度模型確定水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)∏，將天頂濕延遲轉(zhuǎn)換為可降水量。

PWV=ZWD·Π

(5)

(6)

3 數(shù)據(jù)來源與處理方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

選取香港地區(qū)2017年12月1日(年積日第335天)至2017年12月30日(年積日第364天)30 d的18個連續(xù)運行參考站數(shù)據(jù)，所選站點分布如圖1所示。香港地區(qū)僅有一個探空站，即京士柏探空站(編號：45004)，圖1中用五角星表示，與HKSC站最接近，僅相距2 km。

圖1 香港CORS站分布

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

采用GAMIT軟件，選取分布在香港地區(qū)周圍的8個IGS站(HYDE、CUSV、PIMO、LHAZ、SHAO、BJFS、TWTF、NTUS)作為參考站一同進(jìn)行解算。GAMIT主要解算參數(shù)設(shè)置如下[16-17]：

1)衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°；

2)歷元間隔30 s；

3)采用IGS精密星歷和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，并給予適當(dāng)約束；

4)采用消除電離層后的組合觀測值；

5)數(shù)據(jù)解算模式采用周跳自動修復(fù)技術(shù)；

6)海潮模型采用otl_FES2004.grid；

7)先驗坐標(biāo)框架采用ITRF2014公布的數(shù)據(jù)；

8)對流層折射模型采用Saastamoinen模型估算天頂延遲參數(shù)，投影函數(shù)采用VMF1模型，引入全球大氣映射函數(shù)模型文件map.grid，采用分段線性的方法估算折射量偏差參數(shù)，每2 h估計一個參數(shù)；

9)加權(quán)平均溫度模型采用Bevis經(jīng)驗公式；

10)分別選取3種不同精密星歷進(jìn)行基線解算，基線解算時引入rinex格式的氣象觀測數(shù)據(jù)，生成z文件，進(jìn)而通過sh_metutil命令生成可降水量成果文件。

4 結(jié)果分析

4.1 基線處理結(jié)果對比

單時段解算的標(biāo)準(zhǔn)化均方根殘差(normalized root mean square value，NRMS)是判斷GAMIT基線解算結(jié)果質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)。通常來說，NRMS越小，基線解算精度越高；反之，精度越低。根據(jù)NRMS值對其結(jié)果進(jìn)行衡量分析，比較理想的NRMS值應(yīng)小于0.25；若大于0.5，說明處理過程中可能存在未消除的大周跳或某一參數(shù)的解存在較大偏差；查看Q文件中的基線解算結(jié)果和精度，從而對基線解算結(jié)果進(jìn)行分析。通常認(rèn)為只要NRMS值符合要求，則可認(rèn)為基線解算結(jié)果是合理的。

分別采用3種精密星歷進(jìn)行GAMIT基線解算完成之后，查看年積日文件下相對應(yīng)的Q文件，統(tǒng)計每天基線解算結(jié)果所得NRMS值，并繪制結(jié)果圖，如圖2所示。3種星歷基線解算得到的NRMS值均小于0.2，統(tǒng)計最終精密星歷、快速精密星歷、超快速精密星歷所對應(yīng)的NRMS均值，分別為0.177 76、0.177 89、0.178 01，其與最終精密星歷的差值僅為0.000 13、0.000 25，說明不同精密星歷對基線解算沒有明顯的差異，即由快速精密星歷與超快速精密星歷代替最終精密星歷進(jìn)行基線解算得到的結(jié)果是合理的。

圖2 不同星歷條件下基線解算精度

4.2 Radio-PWV與GPS-PWV對比

由于香港地區(qū)僅有一個探空站即京士柏探空站(編號：45004)，與HKSC站最接近，僅相距2 km。探空站均采集的是UTC時間0時與12時的數(shù)據(jù)，因此選擇UTC時0時與12時HKSC的GPS-PWV與京士柏探空站Radio-PWV進(jìn)行對比。由于京士柏探空站2017年12月1日的0時無探空數(shù)據(jù)，故從2017年12月1日至2017年12月30日總共有59組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖3所示。其中，igs-PWV、igr-PWV與igu-PWV分別表示在最終精密星歷、快速精密星歷與超快速精密星歷條件下反演得到的可降水量，均屬于GPS-PWV。統(tǒng)計分析得到Radio-PWV與igs-PWV、igr-PWV、igu-PWV之間的相關(guān)系數(shù)、平均偏差、平均絕對誤差以及均方差，如表2所示。

圖3 Radio-PWV與GPS-PWV對比

表2 Radio-PWV與GPS-PWV對比結(jié)果mm

可以看出，Radio-PWV與GPS-PWV變化趨勢基本一致，二者之間的相關(guān)系數(shù)最小為0.994 2，平均偏差最大為0.382 3，平均絕對誤差最大為0.695 4 ，均方差最大為0.957 2 mm，且在最終精密星歷、快速精密星歷與超快速精密星歷條件下反演得到的可降水量精度逐漸減小，但也能夠滿足氣象數(shù)據(jù)預(yù)報精度要求?？傊鼗鵊PS反演大氣可降水量與探空數(shù)值計算得到的PWV基本保持一致，可以滿足氣象預(yù)報的要求。

4.3 不同星歷條件下PWV反演結(jié)果對比

由于在大氣可降水量計算時，采用的時間間隔為2 h，每天可生成13組結(jié)果，采樣時刻分別為UTC 00：00；02：00；04：00；06：00；08：00；10：00；12：00；14：00；16：00；18：00；20：00；22：00；24：00，即通過30 d數(shù)據(jù)總共可反演出390組數(shù)據(jù)結(jié)果。由于篇幅有限，僅以HKSC、HKOH、HKWS、HKNP 4站在不同星歷條件下30 d的大氣可降水量反演結(jié)果為例，計算出各站最終精密星歷與快速精密星歷、超快速精密星歷反演結(jié)果之間的差值，如圖4所示，并統(tǒng)計不同星歷類型反演精度，如表3所示。

圖4 各站不同星歷反演PWV差值

表3 不同星歷反演結(jié)果精度對比

由圖4可以看出，4站均在2017年12月1日0時、2時、4時以及6時igs與igr反演結(jié)果差值較大，最大可達(dá)1.08 mm，主要原因是此時段快速精密星歷igr異常。除此之外，igs與igr反演結(jié)果之差均在0.35 mm之內(nèi)，而igs與igu反演結(jié)果之差普遍較大，甚至最大可接近1.2 mm。由表3可以看出，4站反演結(jié)果中，igs與igr反演結(jié)果相關(guān)系數(shù)均為0.999 9，平均絕對誤差在0.04 mm左右，均方差均小于0.1 mm；而igs與igu反演結(jié)果相關(guān)系數(shù)均在0.999 7左右，平均絕對誤差在0.11 mm左右，均方差均小于0.2 mm。由此可得，通過igr、igu反演可降水量時，反演結(jié)果對于最終精密星歷而言，精度較低，但均能滿足氣象數(shù)據(jù)預(yù)報精度要求。

5 結(jié)束語

結(jié)合2017年12月1日至2017年12月30日為期30 d的探空數(shù)據(jù)以及香港CORS站數(shù)據(jù)，比較了3種精密星歷條件下得到的基線解算結(jié)果以及大氣可降水量反演結(jié)果，并對其精度進(jìn)行檢驗，得到了以下結(jié)論：

1)在進(jìn)行基線解算時，可以選取快速精密星歷或超快速精密星歷代替最終精密星歷，解算結(jié)果對應(yīng)的NRMS值均符合要求。

2)與探空資料計算得到的大氣可降水量對比，由連續(xù)運行參考站數(shù)據(jù)反演得到的可降水量精度較高，兩者之間的誤差不超過1 mm，可用于大氣可降水量的反演。

3)在最終精密星歷無法獲取但可獲得快速精密星歷的情況下，可以選用快速精密星歷進(jìn)行可降水量的反演；當(dāng)在上述兩種精密星歷均無法獲取但可獲取超快速精密星歷的情況下，可以選用超快速精密星歷代替最終精密星歷進(jìn)行大氣可降水量的反演。