基于GNSS的中國西南地區(qū)MODIS水汽校正研究

劉嚴萍 曾昭揚 王 勇2,

1 天津城建大學經(jīng)濟與管理學院，天津市津靜路26號，300384 2 中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢市徐東大街340號，430077 3 天津城建大學地質(zhì)與測繪學院，天津市津靜路26號，300384

由于水汽序列變化與地面降水變化一致，因此可用于降水監(jiān)測[1]。目前利用GNSS技術可反演高精度、高空間分辨率的水汽信息，水汽精度又可應用于氣象研究[2-3]。部分學者利用GNSS水汽時間序列對GNSS水汽短時頻域特征、與極端天氣的關系、中國西部地區(qū)大氣加權(quán)平均溫度模型、不同BDS星歷反演水汽的精度進行分析[4-7]。由于GNSS測站站間距離高達數(shù)十km，且空間分辨率不高，從而限制其在氣象災害監(jiān)測預警中的應用；而中分辨率成像光譜儀(MODIS)遙感水汽雖然空間分辨率高，但會受到降水、云層、地表反射光譜等不確定因素的影響，相對誤差超過10%[8]。因此，多位學者利用IGS(international global navigation satellite system service)、CMONOC(crustal movement observation network of China)和河北省區(qū)域GNSS資料分別構(gòu)建MODIS水汽校正模型[9-11]。部分學者[12-13]使用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡融合GNSS、MODIS和ERA5的PWV，獲得時間分辨率為1 d、空間分辨率優(yōu)于31 km、精度優(yōu)于2.7 mm的中國水汽產(chǎn)品；Zhang等[14]將GNSS和MODIS測量數(shù)據(jù)集成到對流層層析成像系統(tǒng)中，解決了GNSS采集的幾何缺陷問題。本文將依托CMONOC觀測數(shù)據(jù)，開展中國西南地區(qū)MODIS水汽精度評定和校正研究。通過分區(qū)域進行MODIS水汽校正和圖像疊加，實現(xiàn)MODIS水汽產(chǎn)品校正，為中國西南地區(qū)氣象災害監(jiān)測預警提供理論參考。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

中國西南地區(qū)包括四川省、貴州省、云南省、西藏自治區(qū)、重慶市等5個省(區(qū)、市)。在CMONOC中西南地區(qū)GNSS站點共有47個，鑒于該地區(qū)地形復雜，綜合考慮地理位置、海拔、氣候類型等因素后將西南地區(qū)劃分為四川盆地、云貴高原和青藏高原3個區(qū)域展開研究。

1.2 研究數(shù)據(jù)

利用2016-01～12西南地區(qū)GNSS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)(類型包括GPS和GLONASS)，與BJFS、SHAO和JIXN等同期數(shù)據(jù)聯(lián)合解算獲得GNSS水汽數(shù)據(jù)，解算軟件為GAMIT10.7。按d解算IGS精密星歷和松弛解，結(jié)合每h的對流層延遲估計值，獲得GNSS對流層延遲獨立估計值。Saastamoinen模型結(jié)合氣象數(shù)據(jù)可計算得到靜力學延遲，然后經(jīng)過Bevis模型轉(zhuǎn)換得到GNSS測站水汽時間序列。

從NASA網(wǎng)站(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)下載得到2016-01～12的MOD05數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km，單位為mm。由于MODIS水汽為d數(shù)據(jù)，為便于比較，按照就近原則，根據(jù)中國西南地區(qū)47個GNSS站點坐標，提取與MODIS水汽時間接近的GNSS水汽時間序列。

2 MODIS水汽校正

2.1 MODIS水汽與GNSS水汽比較

由于水汽存在明顯的季節(jié)性差異，將研究數(shù)據(jù)分為春、夏、秋、冬4個季節(jié)，以GNSS水汽為標準，對MODIS水汽與GNSS水汽進行比較與精度評價(表1)。

由表1可知，大部分區(qū)域和季節(jié)MODIS水汽的RMSE超過10 mm，夏季RMSE超過20 mm，冬季水汽值較小，因此RMSE也相對較小。中國西南地區(qū)大部分區(qū)域全年及各季節(jié)MODIS水汽和GNSS水汽的相關性未達到0.5，由此可知兩者并非簡單的線性關系，需要進一步探究不同季節(jié)不同區(qū)域兩者的函數(shù)關系。

表1 MODIS水汽與GNSS水汽比較

2.2 基于GNSS的MODIS水汽校正模型

由于MODIS水汽與GNSS水汽在不同區(qū)域、不同季節(jié)的相關性較小，因此需要分季節(jié)、分區(qū)域?qū)ODIS水汽校正模型進行構(gòu)建，并根據(jù)實際需要采用不同的校正模型。首先采用隨機提取方法選擇80%的樣本數(shù)據(jù)作為構(gòu)建方程的依據(jù)，剩余20%的樣本數(shù)據(jù)用于檢驗方程。本文進行多次實驗后最終選擇二次函數(shù)模型作為最優(yōu)校正模型。二次函數(shù)模型的一般表達式為：

y=Ax2+Bx+C

(1)

式中，y為校正后的MODIS水汽(GNSS水汽)，x為MODIS水汽，A為二次項系數(shù)，B為一次項系數(shù)，C為常數(shù)項。構(gòu)建的各區(qū)域各季節(jié)二次函數(shù)模型系數(shù)和R2如表2所示。

表2 MODIS水汽區(qū)域校正模型

由表2可知，不同區(qū)域不同季節(jié)校正模型的二次項系數(shù)存在差異，例如青藏高原春季二次項系數(shù)為0，而四川盆地和云貴高原春季二次項系數(shù)分別為0.017和0.016。結(jié)合表1可知，二次項系數(shù)與MODIS和GNSS水汽的相關性有關，當相關性系數(shù)大于0.5時，二次項系數(shù)等于或趨近于0，模型變?yōu)橐淮尉€性函數(shù)。

為檢驗區(qū)域模型在單站點MODIS水汽校正中的適用性，利用相同方法對單站點進行建模(各區(qū)域隨機選取2個站點)。單站點80%的數(shù)據(jù)用于構(gòu)建模型，剩余20%的數(shù)據(jù)用于檢驗，模型系數(shù)如表3所示。

表3 單站點MODIS水汽校正模型

2.3 模型可靠性檢驗

采用預留的20%樣本數(shù)據(jù)，以GNSS水汽為標準，將區(qū)域全年和分季節(jié)模型分別應用于MODIS水汽校正，以評價MODIS水汽校正效果(表4)。

由表4可知，3個區(qū)域各時間段MODIS水汽與GNSS水汽的RMSE均明顯減小，MODIS水汽精度明顯提升，在春、夏、秋、冬季的RMSE分別優(yōu)于8 mm、9 mm、11 mm和4 mm。由于GNSS水汽變化具有年周期、半年周期以及更小尺度的周期，因此全年模型的精度低于季節(jié)模型。

表4 MODIS水汽校正模型可靠性檢驗

為驗證區(qū)域模型在單站點的適用性，利用區(qū)域和單站點校正模型分別對GNSS站點MODIS水汽進行校正，并比較校正后的MODIS水汽精度(表5)。

表5 區(qū)域模型與單站點模型精度

由表5可知，區(qū)域模型精度與單站點模型精度接近，說明可利用區(qū)域模型代替單站點模型減少MODIS水汽校正模型的構(gòu)建工作，為下一步MODIS水汽校正提供基礎。

3 基于GNSS的中國西南地區(qū)MODIS水汽校正

在MODIS高空間分辨率基礎上，對區(qū)域MODIS水汽產(chǎn)品進行整體校正。從預留的各季節(jié)樣本中用隨機數(shù)表選擇1 d(2016-04-25)數(shù)據(jù)開展實驗。通過分區(qū)域進行MODIS水汽校正和圖像疊加，完成MODIS水汽產(chǎn)品校正，校正前后比較如圖1所示。

黑色虛線為本文劃分的青藏高原區(qū)域(上左)、四川盆地區(qū)域(上右)、云貴高原區(qū)域(下)分界線

從圖1可以看出，中國西南地區(qū)水汽分布具有明顯的地理差異，校正前后的MODIS水汽也存在較大差別。校正效果最明顯的區(qū)域為青藏高原西部、四川盆地和云貴高原東南部。青藏高原使得南半球水汽通過索馬里急流到達北半球之后產(chǎn)生繞流和爬坡現(xiàn)象，一部分水汽繞流至東亞地區(qū)產(chǎn)生東亞雨季降水，導致青藏高原西部地區(qū)水汽值較大，因此模型校正效果明顯；四川盆地和云貴高原東南部水汽值高于其他地區(qū)，MODIS水汽原始值與GNSS水汽值差異較大，因此模型改正效果較為明顯。由表5中云貴高原通海和瀾滄站點校正效果對比可知，瀾滄站點的校正效果優(yōu)于通海站點，瀾滄站點位于云貴高原南部地區(qū)，這與圖1的結(jié)果相符。

4 結(jié) 語

1)大部分區(qū)域全年及各季節(jié)MODIS水汽和GNSS水汽的相關性未達到0.5，說明中國西南地區(qū)MODIS水汽與GNSS水汽之間并非簡單的線性關系。

2)采用二次函數(shù)模型構(gòu)建的MODIS水汽校正區(qū)域模型與單站點模型的對比分析表明，區(qū)域模型可替代單站點模型。中國西南地區(qū)MODIS水汽季節(jié)校正模型效果顯著，在春、夏、秋、冬季的RMSE分別優(yōu)于8 mm、9 mm、11 mm和4 mm。