IGF/IGR/IGU星歷產(chǎn)品反演大氣可降水量可行性分析

楊 超，姜曉爽，胡月華

（1.山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司，山東 煙臺 264670）

在GNSS氣象學(xué)中，大氣可降水量（precipitable water vapor,PWV）反映了大氣中水汽含量的豐富程度，PWV含量直接關(guān)系到短期氣象降水及長期氣候變化[1-7]。PWV是形成氣候環(huán)境的重要特征量，其長期變化特征反映了氣候的演變趨勢，因此，實(shí)時監(jiān)測PWV數(shù)據(jù)在GNSS氣象學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要的指導(dǎo)意義[8]。

目前探測PWV常用的手段主要包括探空站、微波輻射、衛(wèi)星遙感和太陽光譜分析等，這些技術(shù)探測PWV成本較高，操作難度大且復(fù)雜。為彌補(bǔ)常規(guī)大氣水汽探測技術(shù)的局限性，將地基GNSS觀測資料用來反演大氣水汽含量，并展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[9-10]?；趪HGNSS服務(wù)組織（international GNSS service,IGS）中心提供的最終精密星歷（IGS final products,IGF）反演得到PWV精度可以達(dá)到2 mm，但是IGF產(chǎn)品更新時間較慢不具備實(shí)時性，無法滿足實(shí)時水汽反演的需要。因此，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 ul?tra-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[12-15]。

本文選取香港地區(qū)連續(xù)運(yùn)行參考站（hong kong continuously operating reference stations，HKCORS）2020-01-01~2020-01-31（DOY:001-031）觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，對比分析IGF/IGR/IGU產(chǎn)品對地基GNSS反演PWV的精度。

1 地基GNSS反演PWV原理

進(jìn)入20世紀(jì)后，GNSS理論與應(yīng)用得到快速發(fā)展，各個行業(yè)對GNSS數(shù)據(jù)處理都提出了更高的要求，地基GNSS氣象學(xué)也快速得到應(yīng)用。本次實(shí)驗(yàn)過程中借助GAMIT/GLOBK10.7軟件獲取對流層天頂總延遲（zenith tropospheric delay,ZTD），再結(jié)合氣象觀測資料和天頂靜力延遲計(jì)算模型，得到天頂靜力學(xué)延遲，如式（1）所示[9]：

式中，φ為測站的緯度；h0為測站海拔高度；P為測站地面氣壓；ZHD為天頂靜力學(xué)延遲。天頂對流層總延遲減去天頂靜力學(xué)延遲（zenith hydrostatic delay,ZHD）得到天頂濕延遲（zenith wet delay,ZWD），即：

式中，ZWD占ZTD的10%不到，但是受外界環(huán)境作用影響較大。利用Bevis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，Π值得大小只和平均溫度Tm相關(guān)。

2 IGF/IGR/IGU產(chǎn)品對比分析

IGS數(shù)據(jù)分析中心自2000年起提供IGF、IGR、IGU產(chǎn)品下載服務(wù)，不同的星歷產(chǎn)品在軌道精度、鐘差精度、滯后時間、更新率和采樣率方面都存在較大的差異，IGF、IGR、IGU產(chǎn)品具體參數(shù)如表1所示。

表1 IGF/IGR/IGU產(chǎn)品對比分析表

從表1可以看出，IGF產(chǎn)品的軌道、鐘差精度都優(yōu)于IGR、IGU產(chǎn)品，但是滯后時間較長、更新率較慢；IGF、IGR、IGU產(chǎn)品軌道采樣率間隔都是15 min，而鐘差采樣率IGF和IGR產(chǎn)品優(yōu)于IGU產(chǎn)品；IGU產(chǎn)品最大的特點(diǎn)是具備實(shí)時性，無滯后時間，因此可將IGU產(chǎn)品進(jìn)行地基GNSS水氣反演可實(shí)際應(yīng)用于天氣預(yù)報。

3 數(shù)據(jù)來源與處理策略

3.1 數(shù)據(jù)來源

本次實(shí)驗(yàn)過程中選取17個HKCORS 2020年DOY：001~031觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，在解算過程中引入IGS觀測站（BJFS、CHAN、SHAO和WUHN）數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，站點(diǎn)分布圖如圖1所示。引入IGS觀測站數(shù)據(jù)其目的是為了削弱對流層相關(guān)性，IGS觀測數(shù)據(jù)和星歷產(chǎn)品通過IGS發(fā)布中心（ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/）下載。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，探空站數(shù)據(jù)在美國懷俄明州立大學(xué)(http://weather.uwyo.edu/)下載。

圖1 站點(diǎn)分布圖

3.2 處理策略

本次實(shí)驗(yàn)過程在利用GAMIT/GLOBK10.7軟件，分別采用3種實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證IGF、IGR、IGU產(chǎn)品對地基GNSS反演PWV的精度分析，具體處理策略如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)處理策略

從表2可以看出，3種方案數(shù)據(jù)處理策略上采用控制變量法，3種方案唯一不同之處在于使用星歷產(chǎn)品類型的不同。在數(shù)據(jù)處理的過程中：衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為10°；對流層總延遲計(jì)算方式采用Saas?tamoinen模型；全球氣溫氣壓模型采用目前全球范圍內(nèi)精度最高、使用范圍最廣的GPT2模型；映射函數(shù)采用全球范圍內(nèi)適用性最強(qiáng)的GMF映射函數(shù)模型；大氣加權(quán)平均溫度使用的是Bevis模型；解算過程中同時考慮到了潮汐改正、相位纏繞、相對論效應(yīng)對PWV結(jié)果的影響。

4 案例分析

4.1 基線結(jié)果精度分析

標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（normalized root mean square，NRMS）基線解算結(jié)果中基線質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是用來表示GAMIT基線解算結(jié)果中基線值偏離加權(quán)平均值的程度，NRMS值越小（NRMS＜0.3），表示基線解算結(jié)果越好。

本次實(shí)驗(yàn)過程中針對3種不同方案對2020年DOY：001~031，共計(jì)31 d的HKCORS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算處理，對31 d解算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，3種方案基線解算的NRMS值均小于0.3，因此我們認(rèn)為3種方案基線解算全部合格。同一天觀測數(shù)據(jù)3種解算方案的NRMS值基本一致，無明顯差異，進(jìn)一步證實(shí)了使用IGR和IGU產(chǎn)品替代IGF產(chǎn)品進(jìn)行基線解算是可行的，同時也為IGU產(chǎn)品用于氣象預(yù)報奠定了基礎(chǔ)。

4.2 PWV精度分析

為了進(jìn)一步對IGF、IGR和I GU產(chǎn)品反演PWV的精度進(jìn)行評估，本文選取香港地區(qū)探空站（King’s Park站,編號：45004）數(shù)據(jù)產(chǎn)品與HKCORS中HKSC基準(zhǔn)站反演PWV進(jìn)行對比分析。從地理位置上看出探空站與HKSC基準(zhǔn)站直線距離＜2 km，實(shí)驗(yàn)過程中忽略兩者在地理位置上的差異而引起的PWV在數(shù)值上表現(xiàn)出來的細(xì)小差異。對2020年DOY:001~031共計(jì)31 d的King’s Park探空站與HKSC基準(zhǔn)站反演的PWV進(jìn)行偏差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 HKCORS反演PWV與探空站參考值間偏差

由圖3可知，3種方案反演的PWV與探空站參考值間的偏差存在明顯的差異。采用IGF、IGR和IGU產(chǎn)品反演的PWV與探空站參考值間的偏差分別優(yōu)于1.5 mm、2.5 mm和4.0 mm，采用IGF產(chǎn)品反演的PWV與探空站觀測數(shù)據(jù)最為接近，說明IGF反演的PWV精度最佳，IGU產(chǎn)品反演的PWV結(jié)果精度較低，但滿足氣象預(yù)報對精度的要求。

5 結(jié)語

借助IGS提供的IGF、IGR和IGU產(chǎn)品，對HK?CORS 2020年DOY:001~031觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并把探空數(shù)據(jù)作為參考值對反演PWV進(jìn)行精度評估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用IGR和IGU產(chǎn)品替代IGF產(chǎn)品進(jìn)行基線解算是可行的，對基線解算結(jié)果無影響；IGF反演的PWV精度最佳，IGU產(chǎn)品反演的PWV結(jié)果精度較低；IGF、IGR和IGU產(chǎn)品反演的PWV與探空站參考值間的偏差分別優(yōu)于1.5 mm、2.5 mm和4.0 mm，總體都優(yōu)于1 cm，滿足氣象部門對氣象預(yù)報精度的要求，在滿足短期實(shí)時預(yù)報的前提下，可以利用IGU產(chǎn)品替代IGF產(chǎn)品進(jìn)行PWV的解算服務(wù)。