基于超快速星歷反演大氣可降水量的精度分析

師蕓,鄔康康,申靖宇

(西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

在氣象學(xué)研究中,學(xué)者們將垂直方向上氣柱內(nèi)所有的水汽含量轉(zhuǎn)化成液態(tài)水的高度來表示大氣中的水汽含量,又稱為大氣可降水量(PWV).大氣中的水汽含量雖然少,但它卻是大氣系統(tǒng)的重要組成部分,幾乎所有的天氣變化都與水汽的動態(tài)變化密切相關(guān).因此,及時準(zhǔn)確地掌握水汽的變化對于預(yù)報天氣具有重要意義.傳統(tǒng)的水汽探測方法有探空氣球、激光探測、微波輻射計等,但這些方法存在造價高昂、時空分辨率低等問題.文獻(xiàn)[1]在1992年進(jìn)行了GPS探測PWV的實驗,利用地面氣溫擬合了大氣的加權(quán)平均溫度,使得 GPS探測大氣水汽的方法由設(shè)想變成現(xiàn)實,并在1994年提出“GPS氣象學(xué)”的概念.幾乎同一時間,北京大學(xué)的毛杰泰教授[2]將這一概念引入國內(nèi),并對GPS-PWV的原理做了詳細(xì)介紹.文獻(xiàn)[3]綜合各種因素研究了如何實時獲得高精度的GPS-PWV，同時衛(wèi)星軌道信息是影響地基GNSS反演PWV精度重要因子之一.文獻(xiàn)[4]的研究表明,利用IGS中心提供的最終精密星歷獲得的水汽精度可達(dá)1 mm,其精度完全可以滿足天氣預(yù)報的需求.但是最終精密星歷具有時間上的延遲性,最短也有13 d左右,無法滿足對天氣的實時預(yù)報.

這時，猴子跑進(jìn)來說：“縣里來電話，說新站長乘下午一點的班車到?！蔽乙豢幢?，是十二點三十六分，得趕緊準(zhǔn)備。

?Rose，R．，“What is lesson － drawing?”Journal of Public Policy，1991，11(1)，pp．3 ～30．

為解決此問題,IGS中心于2000年提供可以實時下載的超快速星歷,國內(nèi)外許多專家學(xué)者對于廣播星歷、快速星歷、超快速星歷是否可以代替最終精密星歷來實現(xiàn)對水汽的實時獲取這一問題進(jìn)行了許多研究.文獻(xiàn)[5]對廣播星歷條件下基線解算精度進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,一定條件下用廣播星歷代替最終精密星歷可以滿足日常工程需求;文獻(xiàn)[6]中可以用超快速星歷代替最終精密星歷進(jìn)行中長基線的解算;文獻(xiàn)[7-9]使用不同星歷進(jìn)行精密單點定位精度分析,并取得了良好的定位精度;文獻(xiàn)[10]使用超快速星歷可以得到和最終精密星歷精度一致的低軌定位結(jié)果.

針對最終精密星歷更新速度較慢、時延較長,無法滿足實時反演PWV的要求,本文利用GAMIT軟件,用超快速星歷代替精密星歷反演出PWV, 并將其與最終精密星歷和氣象探空站獲得的PWV對比分析,結(jié)果表明,超快速星歷可以代替最終精密星歷反演PWV,實現(xiàn)對中小尺度天氣的預(yù)測.

1 地基GNSS反演PWV

GPS信號在傳播過程中會受到電離層和對流層影響產(chǎn)生延遲和彎曲.其中電離層延遲可以利用雙頻接收機消除99%以上的影響,大氣總延遲剔除電離層延遲可得到對流層總延遲,其可表示為

1)衛(wèi)星截止高度角為15°.

(1)

3)歷元間隔30 s.

ZTD=ZHD+ZWD，

(2)

式中:ZHD為天頂方向上的干延遲;ZWD為天頂方向上的濕延遲.

其中，干延遲量占對流層總延遲的90%以上[11],其具有較好的穩(wěn)定性,可以利用地面氣象觀測通過數(shù)學(xué)模型計算;而濕延遲隨著時間和方向不同而發(fā)生快速的變化,難以用模型計算.可利用GAMIT等高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件求解,天頂靜力學(xué)延遲 (ZHD)可通過Saastamoinen模型很好地估計得到,由此可分離得到天頂濕延遲(ZWD)[12],而PWV與ZWD成比例關(guān)系,有

秦明月聽到表揚跟聽到批評一樣，臉上仍然不見絲毫變化，又說：“但是這案子我卻感到越來越難辦，似乎線索太多了?！?/p>

2)由圖3、表2可以看出2016年二者差值最大為0.65 mm,平均差值為0.005 6 mm,在數(shù)值上幾乎保持一致.2013年二者差值最大為1.62 mm,平均差值為0.071 3 mm;

PWV=Π·ZWD,

(3)

（3）民營企業(yè)決策不科學(xué)。在民營企業(yè)經(jīng)營管理中，通常是資歷較深的管理者擁有決策權(quán)，先進(jìn)科學(xué)的管理方式和管理理念都要讓步于“資歷”或“輩分”，管理者依賴于自己的經(jīng)驗，不會聆聽員工的聲音來適時改變管理對策，導(dǎo)致企業(yè)的發(fā)展決策缺少科學(xué)性與民主性。在民營企業(yè)初期發(fā)展階段，采取一刀切式管理方法或許能夠提升管理效率，但是若企業(yè)規(guī)模變大，仍然采取老舊的決策方式極易造成管理效率的損失。企業(yè)的決策應(yīng)有一定的程序性與科學(xué)性，單純依賴于經(jīng)驗決策，難免有失公允。

圖1 GPS反演PWV流程圖

2 數(shù)據(jù)及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次試驗選取中國北京房山(BJFS)、武漢(WUHN)及泰國帕圖瓦(CUSV),菲律賓奎松市(PIMO)四個IGS站點數(shù)據(jù),及對應(yīng)時間IGS提供的星歷產(chǎn)品,探空站數(shù)據(jù).觀測時段為2013年7月1日-7月8日及2016年5月30日-6月4日.歷史天氣數(shù)據(jù)顯示,此時間段內(nèi)武漢地區(qū)有大到暴雨,水汽變化明顯,具有代表意義.

本試驗通過增施富含微生物菌劑的營養(yǎng)料，可穩(wěn)定維持養(yǎng)殖水體pH在弱堿性環(huán)境，為小龍蝦健康生長創(chuàng)造了適宜的水體環(huán)境，同時增加了水體溶氧含量和透明度，提高了小龍蝦代謝強度，促進(jìn)了小龍蝦攝食量增大，加快了生長速度。但數(shù)據(jù)顯示微生物營養(yǎng)料對水質(zhì)調(diào)控方面在降低氨氮和亞硝酸鹽含量的同時也增加了水體總磷含量，分析原因可能與養(yǎng)殖水體pH增高、微生物活性增強，促進(jìn)生物攪動、礦化作用從而促使沉積物磷釋放而導(dǎo)致［9］，建議施用微生物營養(yǎng)料期間控制含磷類投入品的施用量，以降低水體富營養(yǎng)化風(fēng)險，同時進(jìn)行多品種混養(yǎng)，充分利用空間和餌料，種植水生植物控制水體和沉積物中N、P含量等。

探空站數(shù)據(jù)從美國懷俄明州立大學(xué)(http://weather.uwyo.edu/)網(wǎng)站下載,IGS觀測數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)可從地球動力數(shù)據(jù)分析中心(CDDIS)獲取[13-14],其中觀測數(shù)據(jù)觀測時長為24 h,采樣率為30 s.IGS提供的精密星歷產(chǎn)品包括最終精密星歷(IGF)、快速精密星歷(IGR)、超快速精密星歷(IGU)[15-16].不同星歷在精度、滯后時間、更新率和采樣率方面存在差異,如表1所示.

表1 IGS提供的精密星歷產(chǎn)品

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用GAMIT10.6軟件,主要參數(shù)設(shè)置如下:

“MDT是一種初步發(fā)展的模式，專病診療中心就是更高層次的MDT團(tuán)隊?！睂O湛說，“MDT團(tuán)隊成熟以后成立亞專科，亞專科成熟以后成立專病診療中心，目前中山醫(yī)院已經(jīng)有13個專病診療中心了?！?/p>

2)解算模式選擇BASELINE.

式中:HD為靜力學(xué)延遲;WD為濕延遲.通過映射函數(shù),將大氣延遲轉(zhuǎn)換到天頂方向,則天頂總延遲(ZTD)為

回到家，我對媽媽說：“媽媽，我不想學(xué)了，舞蹈太難了?！眿寢尪⒅铱戳艘粫海壑谐錆M了失望，但仍在和藹地對我說：“孩子，你不能因為一點困難就輕易放棄，你不是想?yún)⒓友莩鰡?？為了這個夢想也要堅持下去呀！只要功夫深，鐵杵磨成針。遇到困難，要學(xué)會選擇堅持。你想一想，站在舞臺上，那么多人為你鼓掌，這是一件多么值得驕傲的事兒??！”

4)對流層模型選用Saastamoine模型、映射函數(shù)選用VMF1.

在IGS提供的所有星歷產(chǎn)品中,IGF精度最高,IGU精度最低,但更新頻率最快.從更新頻率來看,超快速星歷完全可以滿足實時反演PWV的要求.本節(jié)對比分析利用IGF和IGU計算PWV的精度差異.PWV計算時可采取不同的時間間隔,本文采用的時間間隔為2 h,一天可得到13組結(jié)果.由于暴雨的影響,2016年5月31日5：00-24：00缺乏觀測數(shù)據(jù),故5月31日得到兩組結(jié)果.經(jīng)計算整理得到IGF與超快速星歷條件下PWV的序列圖和差值圖.

5)加權(quán)平均溫度模型采用Bevis經(jīng)驗公式.

6)分別采用不同精密星歷進(jìn)行基線解算,解算時引入氣象觀測數(shù)據(jù),生成Z文件,通過sh_metutil生成可降水量成果文件.

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

3.1 不同星歷條件反演的PWV對比

錢先[2] 從本病發(fā)病時皮毛會出現(xiàn)憔悴枯槁、肌表不固等癥狀，根據(jù)肺合皮毛，認(rèn)為肺虛是主要病因，若肺氣虧虛不能輸精于衛(wèi)表，或又因肺朝百脈，助心行血，肺氣虧虛會影響血的生成，致使腠理失于溫潤滋養(yǎng)，甚至血行不暢導(dǎo)致瘀血內(nèi)阻，內(nèi)臟組織失榮受損。

1)由圖2可知兩種星歷條件下得到的PWV值非常接近,且整體趨勢一致;利用SPSS軟件計算得到二者相關(guān)性均在0.985以上;

蔬菜苗期的猝倒病、立枯??；茄果類的早疫病、晚疫?。还项惖目菸?、炭疽病等都是通過床土傳染的。而床土是培育蔬菜壯苗的基礎(chǔ)，好的床土必須是肥沃：養(yǎng)分完全、保肥力強；疏松透氣，既能保蓄一定的水分，又能使空氣流通；而且也應(yīng)無病原菌、蟲卵和草籽。

3)相對于2016年來說,2013年水汽差值較大,但2013年7月5日左右武漢發(fā)生暴雨,降雨量超過500 mm,空氣中水汽含量最高可達(dá)77.8 mm,因此相對于空氣中水汽含量來說,二者差異幾乎可以忽略不計.

(a)2013年7月1日-2013年7月8日水汽對比 (b)2016年5月29日-2016年6月4日水汽對比

(a)2013年7月1日-2013年7月8日水汽差值 (b)2016年5月29日-2016年6月4日水汽差值

表2 IGF和超快速星歷計算結(jié)果的差值統(tǒng)計

時間差值最大值/mm最小值/mm均值/mm標(biāo)準(zhǔn)差 2013年7月1日-2013年7月8日1.62-1.410.07130.5847 2016年5月59日-2016年6月4日0.65-0.410.00560.1682

3.2 GPS-PWV與Radio-PWV對比

無線電探空站是為大氣科學(xué)研究而在全球建立的大氣探測站.目前已經(jīng)在國內(nèi)不同地區(qū)建立了超過100個探測站.以準(zhǔn)確地獲取不同高度的氣壓、溫度、可降水量等產(chǎn)品；因其探測精度較高,常作為其他探測方法的檢驗標(biāo)準(zhǔn).本文利用武漢無線電探空站(簡稱ZBAA,編號57494)作為檢驗標(biāo)準(zhǔn),與地基GPS反演的PWV對比如圖4所示.

(a)2013年IGF-PWV與Radio-PWV對比 (b)2016年IGF-PWV與Radio-PWV對比

(c)2013年IGU-PWV與Radio-PWV對比 (d)2016年IGU-PWV與Radio-PWV對比

表3 GPS-PWV與Radio-PWV對比結(jié)果統(tǒng)計

時間IGU-PWV與Radio-PWV結(jié)果統(tǒng)計最大差值/mm最小差值/mm平均差值/mm相關(guān)系數(shù)RMSEIGF-PWV與Radio-PWV結(jié)果統(tǒng)計最大差值/mm最小差值/mm平均差值/mm相關(guān)系數(shù)RMSE 20135.46-5.08-0.113 70.9442.814.97-4.88-0.185 00.9482.73 20165.08-5.13-0.315 70.9732.984.98-4.95-0.321 40.9732.97

由圖4可知,對比IGS站反演出的PWV與探空站得到的PWV可知,二者在趨勢上保持高度一致,最高相關(guān)性可達(dá)到0.973,但并不是完全對應(yīng)相等,因為探空站的位置與IGS站的位置只是相近,并不完全重合,另一方面探空氣球獲得的PWV會有包含時間延遲且受風(fēng)力等因素的影響,而GPS接收機接收信號則是實時反映變化.結(jié)合圖4、表3可知,二者數(shù)值非常接近,最大差值不超過6 mm,利用最終星歷得到的PWV與Radio-PWV對比,2013年平均差值為0.185 mm,2016年平均差值為0.321 4 mm,最大均方根誤差為2.97.超快速星歷條件下,2013年二者平均差值為0.113 7 mm,2016年二者平均差值為0.315 7 mm,最大均方根誤差為2.98,由此可以證明地基GNSS反演PWV是穩(wěn)定可靠的.

4 結(jié) 論

地基GNSS探測PWV相對于其他傳統(tǒng)探測手段具有成本低、時空分辨率高、范圍廣等優(yōu)點,本文通過對2013年7月1日-7月8日及2016年5月30日-6月4日武漢兩次降雨時期不同星歷條件下獲取的PWV與Radio-PWV對比分析,可得到以下結(jié)論:

1)與探空站獲取PWV對比,連續(xù)運行參考站反演的PWV精度較高,二者之間的平均誤差不超過5 mm,最大均方根誤差不超過3,在無法獲得Radio-PWV的情況下,可利用地基GPS獲得的可降水量代替Radio-PWV用于對中小尺度天氣的預(yù)測等.

2)與2016年相比,2013年基于超快速星歷計算得到的PWV與基于IGF計算得到的PWV值相差較大,但是同期武漢降雨量超過500 mm,空氣中水汽最高含量達(dá)77.8 mm,其差值占PWV總含量不足0.1%,因此可認(rèn)為兩種星歷條件下計算得到的PWV一致,均可以滿足對天氣預(yù)報的需求.

3)基于IGF和超快速星歷得到的PWV具備良好的一致性,鑒于IGF的長時間時延,可利用IGF進(jìn)行事后計算PWV,用來研究PWV的變化特征等；若需要實時獲取PWV,可采用精度較低的超快速星歷反演的PWV.

4)文中采用4個IGS站進(jìn)行聯(lián)合計算,結(jié)果良好.至于參與解算的跟蹤站數(shù)量及位置分布對計算PWV精度的影響,還需要采用不同的觀測組網(wǎng)解算進(jìn)一步分析討論,以便提高地基GNSS反演PWV的精度.