京津冀地區(qū)FY-4A水汽校正模型研究

王勇，姜諾涵，劉嚴(yán)萍，劉曉，占偉

( 1. 天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測繪學(xué)院, 天津 300384；2. 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430077；3. 天津城建大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 天津 300384；4. 中國地震局第一監(jiān)測中心, 天津 300180 )

0 引 言

京津冀地處華北平原，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速[1]. 近年來，京津冀飽受暴雨、城市內(nèi)澇等自然災(zāi)害的影響[2]. 隨著京津冀一體化和雄安新區(qū)規(guī)劃等政策的實(shí)施，未來城市對(duì)防洪預(yù)警的要求更加嚴(yán)格，準(zhǔn)確的短期天氣預(yù)報(bào)十分必要[2-4]. 大氣可降水量(PWV)的分布與變化是影響區(qū)域氣候環(huán)境和天氣特征的重要因素之一，因其復(fù)雜的時(shí)空變化，PWV難以精確測定和預(yù)報(bào)[5].PWV的時(shí)空差異變化也影響雷達(dá)傳播信號(hào)使其產(chǎn)生延遲，是影響合成孔徑雷達(dá)(InSAR)干涉測量精度的主要誤差源之一[6-7]. 目前利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)反演水汽已逐漸發(fā)展成熟[8-9]，具有高精度和全天候能力的優(yōu)勢. GNSS反演的PWV具有較高的空間分辨率，已成為氣象學(xué)觀測的重要來源之一.GNSS PWV與無線電探空、水汽輻射計(jì)水汽的變化一致，偏差為1～2 mm[10-12]，可滿足氣象應(yīng)用的精度要求. WANG等驗(yàn)證了FY-4A水汽產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，F(xiàn)Y-4A水汽的均方根誤差(RMSE)在24:00時(shí)較高(1.79～6.04 mm)，在12:00時(shí)較低(1.49～4.4 mm)，其均方根誤差(RMSE)[13]遠(yuǎn)大于GNSS水汽的RMSE.FY-4A是靜止氣象衛(wèi)星，因受降水、氣溶膠、水汽、地表反射光譜不確定等影響，影響了FY水汽產(chǎn)品的測量精度[14-16]. 國內(nèi)外關(guān)于FY-4A水汽產(chǎn)品校正的研究較少，為了充分利用FY-4A水汽產(chǎn)品的高時(shí)空分辨率優(yōu)勢并用于短期天氣預(yù)報(bào)和InSAR大氣校正，有必要開展FY-4A水汽校正研究.

鑒于FY-4A水汽存在偏差以及京津冀地區(qū)防洪預(yù)警的必要性，本文將開展京津冀地區(qū)的FY-4A水汽校正研究. 通過對(duì)京津冀地區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，開展區(qū)域FY-4A水汽與GNSS水汽的比較，根據(jù)相關(guān)性選擇合適的模型函數(shù)，構(gòu)建各季節(jié)京津冀區(qū)域FY-4A水汽校正模型，以期為天氣預(yù)報(bào)及InSAR大氣校正提供參考.

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

京津冀地區(qū)包含北京和天津2個(gè)直轄市以及河北省，該地區(qū)地勢總體走向?yàn)槲鞅备?、東南低，平原、盆地、丘陵、山地一應(yīng)俱全，其中壩上高原屬蒙古高原一部分，平均海拔在1 200～1 500 m，燕山及太行山地海拔多在2 000 m以下，燕山以北為張北平原，其余為河北平原，河北平原為華北平原一部分，其海拔在100 m以下，研究區(qū)域涉及CMONOC觀測站點(diǎn)16個(gè). 受地理位置、海拔、氣候類型、季節(jié)等因素的影響，京津冀地區(qū)水汽值存在時(shí)空差異. 綜合考慮地理位置、海拔、氣候類型、相關(guān)性等因素，將京津冀地區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)域. GNSS站點(diǎn)分布及區(qū)域劃分如圖1所示.

圖 1 京津冀地區(qū)GNSS站點(diǎn)分布及區(qū)域劃分

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)包含GNSS水汽與FY-4A水汽，數(shù)據(jù)時(shí)間為2019-03—2020-02，由于水汽存在較為明顯的季節(jié)性差異，將研究數(shù)據(jù)時(shí)間分為春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)，劃分時(shí)間為：春季為3月～5月；夏季為6月～8月；秋季為9月～11月；冬季為12月及次年2月.

1.2.1 GNSS水汽獲取

GNSS水汽數(shù)據(jù)由CMONOC觀測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過高精度定位定軌軟件GAMIT10.61結(jié)合精密星歷、松弛解模式，以天為單位對(duì)GNSS觀測數(shù)據(jù)計(jì)算獲得. 星歷為國際GNSS服務(wù)(IGS)精密星歷，RELAX解算模式，衛(wèi)星高度角10°，天頂對(duì)流層延遲(ZTD)解算設(shè)置為每小時(shí)估算一個(gè)值. GNSS測站間的距離超過500 km，獲得的ZTD為絕對(duì)觀測值，因此可用于水汽計(jì)算. ZTD包括靜力學(xué)延遲(ZHD)和對(duì)流層濕延遲(ZWD). ZHD結(jié)合測站緯度、大地高和氣壓觀測數(shù)據(jù)，利用Saastamoinen模型精確計(jì)算獲得，ZWD為ZTD與ZHD的差值，代入公式PWV=∏×ZWD可獲得PWV，轉(zhuǎn)換系數(shù)Π可由Bevis公式計(jì)算獲得. 反演獲得的GNSS水汽時(shí)間序列圖，對(duì)于個(gè)別時(shí)間點(diǎn)的GNSS水汽值異常，給予刪除預(yù)處理[17].

1.2.2 FY4-A水汽獲取

風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)可提供FY-4A水汽產(chǎn)品 (http://satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx)，下載2019-03—2020-02 FY-4A水汽產(chǎn)品. 由于FY-4A水汽數(shù)據(jù)的坐標(biāo)是行列號(hào)，而GNSS站點(diǎn)坐標(biāo)是經(jīng)緯度，不能直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)提取，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)的經(jīng)緯度查找表將GNSS站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)為行列號(hào)，獲取與GNSS站點(diǎn)相同坐標(biāo)格網(wǎng)的FY-4A數(shù)據(jù)；FY-4A水汽單位為mm，更新頻率為60 min、15 min、不定時(shí)，空間分辨率為4 km.

由于GNSS水汽與FY-4A水汽的時(shí)間采樣率不同，F(xiàn)Y-4A水汽時(shí)間采樣率優(yōu)于GNSS水汽，為方便計(jì)算與分析，將FY-4A水汽做每小時(shí)的平均值.

2 FY-4A水汽與GNSS水汽比較

2.1 FY-4A水汽精度評(píng)定

為了評(píng)定FY-4A水汽的精度，以及開展其與GNSS水汽的相關(guān)性，本文以GNSS測站水汽為基礎(chǔ)，開展FY-4A水汽精度評(píng)定及其與GNSS水汽的相關(guān)性分析. 從每一個(gè)區(qū)域隨機(jī)選擇一個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行GNSS水汽與FY-4A水汽比較，如圖2所示.

圖 2 GNSS水汽與FY-4A 水汽比較

由圖2可知，4個(gè)站點(diǎn)的GNSS PWV與FY-4A PWV趨勢基本一致，且呈明顯的季節(jié)性差異.

按照季節(jié)開展GNSS站點(diǎn)計(jì)算FY-4A水汽與GNSS水汽的相關(guān)性和RMSE，如表1所示.

表 1（續(xù)）

表 1 FY-4A水汽精度評(píng)定及其與GNSS水汽的相關(guān)性

由表1可知，京津冀地區(qū)16個(gè)站點(diǎn)四個(gè)季節(jié)FY-4A水汽與GNSS水汽的相關(guān)性較好，相關(guān)性均約為0.85～0.98，其中秋季相關(guān)性最好；BJSH、HETS、JIXN、TJBD、TJBH、TJWQ六個(gè)站點(diǎn)冬季水汽的相關(guān)性優(yōu)于夏季水汽的相關(guān)性，BJFS、BJGB、HECC、HECD、HECX、HELQ、HELY、HEYY、HEJZ九個(gè)站點(diǎn)夏季水汽的相關(guān)性優(yōu)于冬季水汽的相關(guān)性. FY-4A水汽和GNSS水汽之間存在一定的偏差. 由于夏季水汽值大，夏季的RMSE大于其他季節(jié). 從整體來看，高海拔站點(diǎn)的RMSE大于低海拔站點(diǎn)的RMSE.

2.2 區(qū)域FY-4A水汽與GNSS水汽相關(guān)性分析

FY-4A水汽存在一定的偏差，需要進(jìn)行校正，如果對(duì)每個(gè)站點(diǎn)分別進(jìn)行建模校正，工作量大且使用不方便，如能實(shí)現(xiàn)區(qū)域校正工作量則大為減少. 采用分季節(jié)、分區(qū)域進(jìn)行FY-4A水汽與GNSS水汽的相關(guān)性、RMSE計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表 2 FY-4A水汽與GNSS水汽的相關(guān)性與RMSE統(tǒng)計(jì)

由表2可知，京津冀地區(qū)FY-4A水汽與GNSS水汽在各季節(jié)均存在較好的相關(guān)性，且相關(guān)性約為0.9. 各區(qū)域FY-4A水汽與GNSS水汽在各個(gè)季節(jié)的相關(guān)性沒有太大的差距，相關(guān)性最差的季節(jié)出現(xiàn)在夏季和冬季，相關(guān)性最好的季節(jié)均出現(xiàn)在秋季. FY-4A水汽和GNSS水汽之間存在一定的偏差. 夏季的RMSE均大于其它季節(jié)，冬季的RMSE小于其他季節(jié). PWV的RMSE一般隨水汽的增加而增加，因此水汽的準(zhǔn)確性呈季節(jié)性模式，夏季RMSE較高，冬季RMSE較低.

由表2可知，F(xiàn)Y-4A水汽與GNSS水汽存在一定的偏差，因而有必要校正FY-4A水汽精度. 而FY-4A水汽與GNSS水汽存在相關(guān)性，說明可利用GNSS水汽進(jìn)行FY-4A水汽校正. FY-4A水汽與GNSS水汽在不同區(qū)域、不同季節(jié)的相關(guān)性有差異，F(xiàn)Y-4A水汽和GNSS水汽呈明顯的線性關(guān)系. 因此，實(shí)驗(yàn)在不同季節(jié)兩者之間均采用線性回歸模型.

3 FY-4A水汽校正模型

3.1 FY-4A水汽校正模型構(gòu)建

由于FY-4A水汽與GNSS水汽在不同區(qū)域、不同季節(jié)的相關(guān)性的差異，F(xiàn)Y-4A水汽校正模型需要分季節(jié)、分區(qū)域進(jìn)行構(gòu)建.

研究數(shù)據(jù)除了用于模型構(gòu)建外，還需預(yù)留部分?jǐn)?shù)據(jù)用于模型可靠性檢驗(yàn). 論文隨機(jī)選擇80%樣本數(shù)據(jù)用于模型構(gòu)建，20%樣本數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證，因建模和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間不同，其檢驗(yàn)屬于外符合檢驗(yàn).表3以FY-4A水汽作為自變量，GNSS水汽因變量，經(jīng)過不同的模型試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，獲得了4個(gè)區(qū)域不同季節(jié)的FY-4A水汽校正模型.

表 3 FY-4A水汽校正模型統(tǒng)計(jì)

3.2 FY-4A水汽校正模型可靠性驗(yàn)證

構(gòu)建了FY-4A水汽校正模型，需檢驗(yàn)其可靠性.使用提前預(yù)留的20% FY-4A和GNSS水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的可靠性檢驗(yàn). 通過校正模型獲得FY-4A水汽校正值，與GNSS水汽相比較，計(jì)算校正后兩者的RMSE與平均偏差，校正后的FY-4A水汽與GNSS水汽的RMSE與平均偏差如表4所示.

由表4知，F(xiàn)Y-4A水汽經(jīng)模型校正后，各區(qū)域、各季節(jié)RMSE均有不同程度的減小. FY-4A水汽產(chǎn)品的誤差大小與水汽值的高低有關(guān)，與校正前相比，各區(qū)域夏季的RMSE減小最多，夏季模型的校正效果優(yōu)于其他季節(jié)，冬季的RMSE減小程度相對(duì)較小，但其精度最高，這是由于冬季降水少，水汽值相對(duì)較低，F(xiàn)Y-4A水汽的精度高.

表 4 校正后FY-4A水汽與GNSS水汽的RMSE統(tǒng)計(jì) mm

4 中國大陸地區(qū)FY-4A水汽校正產(chǎn)品獲取

4.1 區(qū)域FY-4A水汽校正模型取代單站點(diǎn)校正模型

FY-4A水汽校正模型，并將校正前后的RMSE做差值，說明了校正模型可提高區(qū)域FY-4A水汽校正精度. 區(qū)域模型是否適用于每個(gè)站點(diǎn)，仍需單站點(diǎn)驗(yàn)證. 針對(duì)區(qū)域模型用于單點(diǎn)校正效果的驗(yàn)證，檢驗(yàn)站點(diǎn)的選取依據(jù)在各區(qū)域類型分布相對(duì)均勻之處隨機(jī)選取，具有一定的代表性. 以夏季模型為例. 首先對(duì)單站點(diǎn)建模，建模方法與區(qū)域建模方法相同. 利用單站點(diǎn)的20%檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較單站點(diǎn)校正模型與區(qū)域校正模型的精度，計(jì)算區(qū)域模型、單站點(diǎn)模型與實(shí)測GNSS水汽之間的RMSE，如表5所示.

由表5可知，利用區(qū)域模型對(duì)單站點(diǎn)FY-4A 水汽進(jìn)行校正，其模型精度與單站點(diǎn)模型的精度相差不大，表明兩種校正模型精度相當(dāng)，利用區(qū)域模型去代替單站點(diǎn)模型對(duì)站點(diǎn)的FY-4A水汽進(jìn)行校正，可以大大減少工作量.

表 5 區(qū)域模型用于單站點(diǎn)校正與單站點(diǎn)模型直接校正的RMSE對(duì)比 mm

4.2 基于CMONOC的FY-4A水汽校正產(chǎn)品獲取

前文各區(qū)域模型的建立及校正都是基于點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，而FY-4A水汽是具有較高空間分辨率的面狀格網(wǎng)數(shù)據(jù). 通過區(qū)域FY-4A水汽校正模型，在保證FY-4A高空間分辨率的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)域FY-4A水汽產(chǎn)品進(jìn)行整體校正，獲取中國大陸地區(qū)FY-4A水汽校正產(chǎn)品. 從2019—2020年未使用的數(shù)據(jù)中，選擇四季的某一天開展中國大陸地區(qū)FY-4A水汽校正產(chǎn)品獲取及精度檢驗(yàn). 以2019年3月4日、7月14日、10月7日和2020年1月30日為例，通過對(duì)FY-4A水汽產(chǎn)品進(jìn)行輻射定標(biāo)、投影轉(zhuǎn)換、圖像校正、圖像拼接等步驟后，得到校正前FY-4A水汽空間分布圖. 再通過ArcGIS中的柵格計(jì)算器，分區(qū)域進(jìn)行校正，最后進(jìn)行區(qū)域FY-4A水汽圖像拼接，獲得校正后的FY-4A水汽產(chǎn)品，如圖3所示.

圖 3 校正前后FY-4A水汽分布對(duì)比

從圖3可知，京津冀水汽分布具有一定的地理差異，其基本分布特征為從東部沿海向西部內(nèi)陸逐漸變化. FY-4A水汽在校正后變化最為明顯的為山區(qū). 這是因?yàn)樯絽^(qū)水汽值偏高，受到水汽的影響，F(xiàn)Y-4A水汽值的誤差較大，具有較大的校正空間，因此具有較為明顯的校正效果.

為驗(yàn)證其精度，提取FY-4A格網(wǎng)與CMONOC GNSS站點(diǎn)坐標(biāo)相同的水汽值，分別與GNSS水汽進(jìn)行比較，計(jì)算校正前后FY-4A水汽和GNSS水汽之間的RMSE并做差，表6為所選時(shí)間4個(gè)區(qū)域FY-4A水汽校正前后RMSE的差值比較.

由表6可知，通過應(yīng)用校正模型，所選時(shí)間4個(gè)區(qū)域的校正前后RMSE差值為正. 從時(shí)間上來看，校正效果最好的是7月14日和10月7日，在雨季范圍內(nèi)且第2區(qū)域校正效果最為明顯，可能因?yàn)榈?區(qū)域?qū)儆谏絽^(qū)海拔較高，水汽值較大，F(xiàn)Y-4A水汽誤差比其他區(qū)域的誤差大，校正空間大. 3月4日和1月30日，校正后FY-4A水汽和GNSS水汽的RMSE與校正前相差不大，這是因?yàn)榇硕r(shí)間段的水汽值較低.

表 6 校正前后均方根誤差差值比較 mm

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)CMONOC觀測資料的處理、分析，結(jié)合GNSS氣象學(xué)相關(guān)知識(shí)，開展FY-4A 水汽校正研究，得到以下結(jié)論：

1) 分區(qū)域分季節(jié)利用GNSS 水汽對(duì)FY-4A水汽進(jìn)行校正，得到FY-4A水汽校正模型，校正后FY-4A水汽的精度得到提高.

2) 對(duì)單站點(diǎn)構(gòu)建校正模型，校正后FY-4A水汽精度與應(yīng)用區(qū)域模型校正后的FY-4A 水汽精度相差不大. 當(dāng)對(duì)精度要求不高或該站點(diǎn)缺少數(shù)據(jù)時(shí)，可以用區(qū)域模型代替單站點(diǎn)模型進(jìn)行FY-4A水汽校正.

3) 對(duì)面狀數(shù)據(jù)應(yīng)用校正模型，所得結(jié)果可以為InSAR大氣校正提供參考.

致謝：感謝中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中心為本文研究提供CMONOC站點(diǎn)GNSS觀測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)！