不同星歷產(chǎn)品反演CMONOC/PWV的精度評(píng)估

陳永貴，朱玉香，安春華

（1. 河南測繪職業(yè)學(xué)院，鄭州 451464；2. 河南省科學(xué)院地理研究所，鄭州 451464）

0 引言

水汽分布的不均勻性和形態(tài)錯(cuò)綜的變化會(huì)引起全球天氣變化。水汽在大氣中占據(jù)比例很低，卻是大氣中最活躍的成分。針對(duì)復(fù)雜多變的水汽，如何準(zhǔn)確地確定其分布特征及變化規(guī)律，是氣象學(xué)的主要問題之一[1-3]。自從貝維斯（Bevis）首次提出“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）氣象學(xué)”的概念以來，GNSS氣象學(xué)就得到了快速發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用[4]。在GNSS氣象學(xué)中，探測大氣可降水量（precipitable water vapor, PWV）常用的手段包括探空站、微波輻射、衛(wèi)星遙感和太陽光譜分析等[5]，這些技術(shù)探測PWV成本較高，操作難度大且復(fù)雜；而地基GNSS探測水汽，具有高時(shí)空分辨率、低成本、高實(shí)時(shí)性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)。我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system,BDS）也已全球組網(wǎng)，這為GNSS氣象學(xué)的發(fā)展提供了豐富的數(shù)據(jù)支撐[6]。

國際GNSS服務(wù)（International GNSS Service,IGS）中心提供的最終精密星歷（IGS final products,IGF）精度較高，但更新時(shí)間較慢，不具備實(shí)時(shí)性，無法滿足實(shí)時(shí)水汽反演的需要。國內(nèi)外許多學(xué)者就快速精密星歷（IGS rapid products, IGR）和超快速精密星歷（IGS ultra-rapid products, IGU）是否可以代替最終精密星歷等諸多實(shí)際應(yīng)用問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]選取不同的衛(wèi)星星歷產(chǎn)品，分別進(jìn)行了靜態(tài)精密單點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)，與IGS發(fā)布的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：采用最終星歷、快速星歷和超快星歷的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測靜態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果的精度一致；而采用超快星歷進(jìn)行外推計(jì)算時(shí)，精度略低。文獻(xiàn)[8]針對(duì)香港地區(qū)二次暴雨發(fā)生過程，基于IGF星歷反演得到的PWV，與實(shí)際降雨量進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果表明，大氣環(huán)境越不穩(wěn)定，降水概率也就越高。文獻(xiàn)[9]借助上海地區(qū)全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）觀測數(shù)據(jù)反演PWV時(shí)，確定了計(jì)算方式的選擇、站坐標(biāo)的確定和約束、軌道的使用方法、網(wǎng)外輔助站最佳數(shù)量、海潮對(duì)實(shí)時(shí)計(jì)算PWV的影響、實(shí)時(shí)應(yīng)用于氣象服務(wù)時(shí)的端部效應(yīng)等問題的最佳方案。文獻(xiàn)[10]針對(duì)衛(wèi)星星歷的時(shí)效性差異導(dǎo)致低軌衛(wèi)星精密軌道獲取滯后的問題，對(duì)比分析了不同星歷對(duì)定軌的精度影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IGF/IGR/IGU定軌結(jié)果精度相當(dāng)。文獻(xiàn)[11]用快速精密星歷和超快速精密星歷代替最終精密星歷，對(duì)實(shí)測的連續(xù)運(yùn)行參考站（continuously operating reference stations, CORS）數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，其結(jié)果表明，使用這2種星歷代替最終精密星歷進(jìn)行基線解算是可行的。

1 IGF/IGR/IGU產(chǎn)品對(duì)比分析

IGS中心提供IGF、IGR、IGU產(chǎn)品服務(wù)，不同的星歷產(chǎn)品在軌道精度、鐘差精度、滯后時(shí)間、更新率和采樣率方面存在差異，IGU星歷的軌道時(shí)長48 h，包括實(shí)測和外推2個(gè)部分（其中前24 h是實(shí)測軌道，后24 h是外推預(yù)報(bào)軌道）。IGF/IGR/IGU產(chǎn)品具體參數(shù)如表1所示。

表1 IGF/IGR/IGU產(chǎn)品對(duì)比分析表

從表1可以看出：IGF星歷的軌道、鐘差精度都優(yōu)于IGR、IGU星歷，但是滯后時(shí)間較長（12～18 d），更新率較慢；IGF、IGR、IGU星歷軌道采樣率都為15 min；鐘差采樣率IGF、IGR星歷優(yōu)于IGU星歷；IGU-pre星歷具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，這是其他類型星歷所不具備的。因此，基于IGU-pre星歷可以實(shí)時(shí)地反演CMONOC站點(diǎn)的大氣可降水量。

2 地基GNSS反演大氣可降水量原理

近年來，隨著GNSS技術(shù)的快速發(fā)展，地基GNSS氣象學(xué)也快速發(fā)展起來，數(shù)據(jù)處理軟件也快速發(fā)展。基于GNSS高精度數(shù)據(jù)處理的軟件有加米特（GAMIT）、格洛布克（GLOBK）等，可以用GAMIT/GLOBK軟件獲取對(duì)流層天頂總延遲，結(jié)合氣象觀測資料和天頂靜力延遲計(jì)算模型，就可以得到天頂靜力學(xué)延遲，即對(duì)整個(gè)CMONOC/PWV的反演結(jié)果，站點(diǎn)分布如圖1所示。

式中：?為測站的緯度；0h為測站海拔高度，單位為km；P為測站地面氣壓，單位為hPa；ZHD（zenith hydrostatic delay）為天頂靜力學(xué)延遲，單位為cm，此處采用薩斯塔莫寧（Saastamonien）模型計(jì)算得到。天頂對(duì)流層延遲（zenith tropospheric delay, ZTD）減去ZHD就能得到天頂濕延遲（zenith wet delay, ZWD），即

再利用貝葉斯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出加權(quán)平均溫度Tm，進(jìn)而得到水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)Π。天頂濕延遲與水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)相乘即可得到大氣可降水量，即

式中Π是無量綱轉(zhuǎn)換因子，估計(jì)值約為0.15[12-14]。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

本次實(shí)驗(yàn)選取CMONOC站點(diǎn)中，數(shù)據(jù)連續(xù)性好、數(shù)據(jù)質(zhì)量為合格或?yàn)閮?yōu)的觀測數(shù)據(jù)。觀測站均勻分布在中國大陸地區(qū)，能夠較好反映不同星歷

學(xué)生在高等院校接受教育的過程中，學(xué)校、教師可以利用“微媒體”對(duì)學(xué)生進(jìn)行精神文明教育，比如在學(xué)習(xí)大學(xué)思政課中 《建設(shè)中國特色社會(huì)主義》這一知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容教學(xué)時(shí)，教師事先可以利用微信、QQ等軟件組建一個(gè)討論組，教師在課前準(zhǔn)備階段可以利用網(wǎng)絡(luò)渠道搜集建設(shè)中國特色主義相關(guān)的影音資料，讓學(xué)生自主觀看，讓學(xué)生思考并預(yù)習(xí)〔7〕。教師還可以在學(xué)生的課下時(shí)間在群里發(fā)布一些關(guān)于弘揚(yáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀和建設(shè)精神文明的小視頻。讓學(xué)生在閑暇之余觀看、分享，在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的精神文明建設(shè)。

圖1 站點(diǎn)分布

從美國懷俄明州立大學(xué)網(wǎng)站[15-17]上獲取探空站數(shù)據(jù)，解算過程中加入BJFS站、CHAN站、SHAO站、TWTF站和WUHN站的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，其目的是為了削弱對(duì)流層相關(guān)性。IGS觀測數(shù)據(jù)和星歷產(chǎn)品通過IGS發(fā)布中心獲取[8]。

3.2 方案設(shè)計(jì)

借助GAMIT/GLOBK軟件，分別按方案1至方案4進(jìn)行解算，解算策略如表2所示。表2中，GMF（global mapping function）為全球投影函數(shù)；LC_HELP為無電離層組合。

表2 解算方案

在解算時(shí)，把CMONOC觀測站中的XJKL站、TASH站、NMEJ站、QHTT站、SCQT站、MMNS站、NMZL站、ZHNZ站、HLWD站、JLCB站及ZJJD站作為參考站一同解算，4個(gè)方案區(qū)別在于，解算過程中使用的衛(wèi)星星歷產(chǎn)品的不同，以此來判斷IGF/IGR/IGU-obs/IGU-pre對(duì)反演CMONOC/PWV的精度影響。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 IGF/IGR/IGU基線結(jié)果對(duì)比分析

標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（normalized root mean square, NRMS）用來表示GAMIT基線解算結(jié)果中基線值偏離加權(quán)平均值的程度。一般情況下認(rèn)為：NRMS值越小，基線解算結(jié)果越好、精度越高，反之越差。一般情況下，NRMS小于0.3；若大于0.3，則認(rèn)為基線解算失敗，其原因可能是周跳未修復(fù)或起算坐標(biāo)有誤等，需重新解算。采用4種不同星歷產(chǎn)品，對(duì)2018年年積日第1—7天的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，不同星歷IGF/IGR/IGU-obs/IGU-pre對(duì)應(yīng)基線解算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，IGF/IGR/IGU-obs/IGU-pre對(duì)應(yīng)基線解算結(jié)果的NRMS值都小于0.25，可以認(rèn)為參與基線解算的數(shù)據(jù)都是合格的，且同一天4種星歷產(chǎn)品基線解算的NRMS值都很接近，說明不同精密星歷對(duì)基線解算結(jié)果沒有明顯的差異，可以使用IGR/IGU-obs/IGU-pre代替IGF進(jìn)行基線解算，其結(jié)果是合理的，且具備實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。

圖3 不同星歷解算ZTD與CGPS產(chǎn)品對(duì)比分析

圖2 IGF/IGR/IGU-obs/IGU-pre對(duì)應(yīng)基線解算結(jié)果

3.3.2 IGF/IGR/IGU對(duì)ZTD的解算精度分析

基于CMONOC觀測數(shù)據(jù)反演PWV值的精度，主要是由ZTD的精度決定的。將不同星歷解算得到的ZTD數(shù)據(jù)，與中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)（GNSS Data Products of China Earthquake Administration, CGPS）公布的對(duì)流層產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，來驗(yàn)證IGF/IGR/IGU對(duì)ZTD的影響。由于篇幅限制，在此僅給出ZJJD站對(duì)比分析結(jié)果，如圖3和表3所示。

表3 不同星歷解算ZTD的偏差結(jié)果 單位：mm

由圖3可以看出：IGF產(chǎn)品解算ZTD精度最高，IGR產(chǎn)品次之，IGU-obs和IGU-pre產(chǎn)品效果最差；IGU-obs和IGU-pre產(chǎn)品解算ZTD的精度相當(dāng)。其余10個(gè)未給出結(jié)果的測站與ZJJD站結(jié)果一致。

通過表3可以得出：不同星歷產(chǎn)品解算得到的ZTD與CGPS之間均方根誤差（root mean square error, RMSE）分別為3.52、8.26、12.72和13.95 mm；不同星歷產(chǎn)品解算得到的ZTD與CGPS之間的標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation, STD）分別為3.45、8.22、12.67和13.92 mm；IGU-obs/ZTD和IGU-pre/ZTD的RMSE和STD差值都在2 mm內(nèi)，二者精度相當(dāng)。圖4給出了CMONOC反演ZTD的RMSE值。

圖4 CMONOC不同星歷反演ZTD RMSE值

由圖4可知：各個(gè)測站對(duì)不同星歷反演ZTD精度具有較好的一致性，IGF/ZTD的精度最高，RMSE在2 mm左右；IGR/ZTD的精度次之， RMSE在8 mm左右；IGU-obs/ZTD和IGU-pre/ZTD的精度最低，RMSE在12 mm左右，且二者精度相當(dāng)。

3.3.3 IGF/IGR/IGU對(duì)PWV解算的精度分析

圖5 不同星歷解算PWV與探空產(chǎn)品的差值

美國懷俄明州立大學(xué)提供的探空數(shù)據(jù)產(chǎn)品被認(rèn)為是當(dāng)今精度最高的水汽產(chǎn)品。探空站產(chǎn)品向用戶提供時(shí)間分辨率為12 h（UTC 00:00 和UTC 12:00）的數(shù)據(jù)。選取探空站（YANJI, 42662）的探空數(shù)據(jù)產(chǎn)品與CMONOC中JLCB站的數(shù)據(jù)，來分析不同星歷對(duì)反演PWV的精度影響。探空站YANJI站與CMONOC中的JLCB站，在地理位置上距離小于5 km，可以忽略二者在地理位置上的差異而引起的PWV的細(xì)小差異?；?018年年積日為第2—31天共計(jì)30 d，60組JLCB站的觀測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證IGF/IGR/IGU對(duì)PWV的影響，探空站PWV數(shù)據(jù)記為Radio/PWV，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，IGF/PWV、IGR/PWV、IGU-obs/PWV和IGU-pre/PWV的差值△PWV分別為[-1, 1]、[-2, 2]、[-4, 4]、[-4, 4]，這些數(shù)據(jù)說明：IGF/PWV精度較高，優(yōu)于1 mm；IGR/PWV精度次之，優(yōu)于2 mm；IGU-obs/PWV和IGU-pre/PWV精度最差，但優(yōu)于4 mm，且二者反演PWV的精度相當(dāng)。

4 結(jié)束語

本文借助CMONOC的觀測數(shù)據(jù)，評(píng)估了最終精密星歷、快速星歷、超快星歷產(chǎn)品反演大氣可降水量的精度，得到以下結(jié)論：

1）不同星歷產(chǎn)品解算CMONOC PWV的精度相當(dāng)；

2）最終精密星歷產(chǎn)品反演ZTD的精度最高，快速星歷產(chǎn)品次之，超快速星歷產(chǎn)品精度最低，RMSE分別為2、8、12 mm；

3）最終精密星歷產(chǎn)品反演PWV的精度最高，快速星歷產(chǎn)品次之，超快速星歷產(chǎn)品精度最低，其結(jié)果都優(yōu)于1 cm，在未公布最終精密星歷產(chǎn)品情況下，可以用快速精密星歷和超快速精密星歷產(chǎn)品代替最終精密星歷產(chǎn)品進(jìn)行反演大氣可降水量，其精度可以滿足實(shí)時(shí)短期預(yù)報(bào)的需求，為進(jìn)行短臨天氣預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

致謝：中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)和美國懷俄明州立大學(xué)提供了數(shù)據(jù)支撐。