基于GNSS的中國(guó)大陸地區(qū)COSMIC-2 PWV精度分析

王 勇 黃 靖 占 偉 劉尚欽 楊 軍

1 天津城建大學(xué)地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津市津靜路26號(hào)，300384

2 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市徐東大街340號(hào)，430077

3 中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津市耐火路7號(hào)，300180

4 蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州市安寧西路88號(hào)，730070

近年來極端天氣愈發(fā)頻繁，中國(guó)大陸地區(qū)的連續(xù)強(qiáng)降水天氣增多。PWV (precipitable water vapor)時(shí)空變化是引發(fā)極端降水的主要因素之一，在大氣能量傳輸和天氣系統(tǒng)演變中起著重要作用[1]。目前PWV探測(cè)手段主要包括無線電探空、 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、衛(wèi)星遙感和無線電掩星技術(shù)，但是上述技術(shù)都存在一定的局限性。相比于衛(wèi)星遙感，無線電掩星(radio occultation，RO)觀測(cè)受云雨影響較小，COSMIC-1是第一個(gè)設(shè)計(jì)用于氣候監(jiān)測(cè)和天氣預(yù)報(bào)的無線電掩星任務(wù)。COSMIC-1 PWV具有高垂直分辨率、高精度、全天候、全球覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)氣象觀測(cè)手段在海洋、極區(qū)分布稀疏的不足[2]。COSMIC-2是一個(gè)由6顆LEO微型遙感衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)[3]，在熱帶和亞熱帶地區(qū)日觀測(cè)掩星事件超過5 000個(gè)，是COSMIC-1觀測(cè)掩星事件的數(shù)倍。目前已有研究利用地基GNSS、氣象再分析資料、無線電探空儀和氣象遙感數(shù)據(jù)來驗(yàn)證COSMIC-1氣壓、溫度及反演PWV的精度和可用性[4]，但對(duì)COSMIC-2 PWV產(chǎn)品的研究較少。Johnston等[5]證實(shí)了COSMIC-2作為熱帶和副熱帶對(duì)流層PWV獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)集的有效性，有助于對(duì)極端天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警；Chen等[6]研究發(fā)現(xiàn)，COSMIC-2 PWV在中國(guó)南海地區(qū)的精度較好，可直接用于惡劣天氣預(yù)測(cè)。由于COSMIC-2發(fā)射時(shí)間不長(zhǎng)，目前鮮有對(duì)其反演的PWV精度，特別是在中國(guó)大陸地區(qū)的精度進(jìn)行研究。評(píng)估COSMIC-2 PWV在中國(guó)大陸地區(qū)的精度，對(duì)于我國(guó)應(yīng)用COSMIC-2 PWV產(chǎn)品進(jìn)行極端天氣預(yù)警具有重要價(jià)值。

本文利用中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Crustal Movement Observation Network of China,CMONOC)觀測(cè)數(shù)據(jù)和COSMIC-2產(chǎn)品開展COSMIC-2 PWV在中國(guó)大陸地區(qū)的精度分析，時(shí)間跨度為2020-01-01～12-31。將GNSS站點(diǎn)按照氣候類型劃分為5個(gè)區(qū)域，依托GNSS站點(diǎn)PWV序列，從站間距離和高程2個(gè)角度開展COSMIC-2掩星點(diǎn)與GNSS站點(diǎn)PWV匹配方案設(shè)計(jì)。分別針對(duì)中國(guó)大陸地區(qū)、不同氣候類型和部分代表站點(diǎn)開展COSMIC-2精度評(píng)定，以期為COSMIC-2在中國(guó)大陸地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 COSMIC-2 PWV

COSMIC-2 PWV數(shù)據(jù)來源于UCAR的COSMIC數(shù)據(jù)分析和存檔中心CDAAC(https:∥www.cosmic.ucar.edu/)，該網(wǎng)站可提供COSMIC-2的Level-2 wetPf2數(shù)據(jù)。COSMIC-2 wetPf2產(chǎn)品包括大氣壓、水汽壓、平均海平面高度和比濕大氣廓線等氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)這些氣象資料可計(jì)算出掩星點(diǎn)的PWV[7]:

(1)

式中，p為大氣壓，ps為地表氣壓，q為比濕度，g為引力常數(shù)。

由于COSMIC-2 PWV產(chǎn)品受高程影響較大，需要將COSMIC-2掩星點(diǎn)的PWV值改正到對(duì)應(yīng)GNSS站點(diǎn)的高程，PWV改進(jìn)公式為[8]：

(2)

式中，PWV0為COSMIC-2高程改正前的PWV值，PWV為COSMIC-2高程改正后的PWV值，C2為常數(shù)(0.439)，Δh為COSMIC-2掩星點(diǎn)與相應(yīng)GNSS站點(diǎn)的高程差。

1.2 GNSS PWV

GNSS PWV計(jì)算過程為：首先針對(duì)CMONOC網(wǎng)絡(luò)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用精密星歷，通過GAMIT軟件解算獲得天頂對(duì)流層延遲ZTD，解算模式為RELAX模式，截止高度角設(shè)為10°，采用 GMF 映射函數(shù)；然后使用 GAMIT 默認(rèn)水平梯度，解算設(shè)置為25，每1 h估計(jì)一次ZTD。靜力學(xué)延遲ZHD可由氣象觀測(cè)要素和測(cè)站坐標(biāo)計(jì)算獲得，對(duì)流層濕延遲ZWD由ZTD減去ZHD獲得，經(jīng)轉(zhuǎn)換可獲得PWV[9]。針對(duì)GNSS PWV時(shí)間序列，刪除顯著異常值或小于0的PWV值。CMONOC計(jì)算的GNSS PWV與無線電探空PWV的均方根誤差在2 mm左右[10]，可用于評(píng)估COSMIC-2 PWV精度。

2 COSMIC-2掩星點(diǎn)與GNSS站點(diǎn)匹配方案設(shè)計(jì)

COSMIC-2掩星點(diǎn)與GNSS站點(diǎn)位置不完全重合，為開展COSMIC-2 PWV與GNSS PWV的比較實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)行COSMIC-2掩星點(diǎn)與GNSS站點(diǎn)的匹配方案設(shè)計(jì)。中國(guó)大陸地區(qū)不僅地形復(fù)雜，氣候類型也具有多樣性，故將中國(guó)大陸地區(qū)按照氣候類型劃分為5個(gè)區(qū)域。本文采用水平距離50 km、70 km和100 km，高程500 m和1 km，時(shí)間間隔統(tǒng)一為1 h為匹配原則(表1)。

表1 匹配方案設(shè)計(jì)

為尋找適用于中國(guó)大陸地區(qū)的匹配方案，對(duì)研究區(qū)內(nèi)5個(gè)不同氣候類型進(jìn)行匹配方案比較(圖1)。

由圖1可知，不同氣候類型的COSMIC-2與GNSS PWV的距離和高程不同，COSMIC-2 PWV精度也不同，說明在中國(guó)大陸地區(qū)有必要根據(jù)不同的氣候類型選擇不同的匹配方案。由圖1(a)可知，在高原山地區(qū)域，COSMIC-2 PWV精度在不同的匹配方案下RMSE為1～1.5 mm，此區(qū)域選用相對(duì)寬松的第6種匹配方式。由圖1(b)可知，在熱帶季風(fēng)區(qū)域，匹配原則對(duì)精度影響較大，在第2種與第3種匹配方式之間出現(xiàn)了RMSE的突然升高，且在第3種匹配方式下COSMIC-2 PWV與GNSS PWV的RMSE誤差大于3 mm，而第1種匹配方式太過嚴(yán)格導(dǎo)致GNSS與COSMIC-2匹配的對(duì)數(shù)較少，故此區(qū)域本文選用第2種匹配方式。由圖1(c)可知，在溫帶大陸區(qū)域第3種與第4種方案的精度較高且相差不大，因此選用第4種匹配方案。由圖1(d)可知，對(duì)于溫帶季風(fēng)區(qū)域，方案5為最佳匹配方案。由圖1(e)可知，在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域，在相同的水平距離下高程距離對(duì)COSMIC-2反演的PWV精度影響較大，但在相同的高程距離下水平距離對(duì)COSMIC-2反演的PWV精度影響較小，綜合考慮該區(qū)域選用匹配方式5。

3 COSMIC-2 PWV精度評(píng)定

3.1 中國(guó)大陸地區(qū)COSMIC-2 PWV精度評(píng)定

依據(jù)§2的匹配原則，當(dāng)?shù)孛鍳NSS站點(diǎn)彼此靠近時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)某掩星點(diǎn)與不同地面GNSS站點(diǎn)重復(fù)匹配的現(xiàn)象，此類重復(fù)數(shù)據(jù)僅保留與掩星點(diǎn)最為接近的GNSS站點(diǎn)數(shù)據(jù)，COSMIC-2與GNSS PWV最終匹配得到1 742個(gè)樣本對(duì)。

根據(jù)COSMIC-2 PWV和GNSS PWV樣本對(duì)數(shù)據(jù)，按照氣候類型和站點(diǎn)分布計(jì)算不同氣候類型區(qū)域GNSS站點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的COSMIC-2 PWV均方根誤差RMSE(圖2)。

由圖2可知，不同氣候類型地區(qū)COSMIC-2 PWV精度差異較大，其中高原山地氣候和溫帶大陸氣候類型區(qū)域的精度最高，誤差范圍集中在0～2 mm。溫帶季風(fēng)氣候類型區(qū)域精度分布不均，我國(guó)東北區(qū)域的精度優(yōu)于2 mm，而中部省份(山東省、河北省南部和河南省)等區(qū)域的精度為2～3 mm。亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域的RMSE為2～4 mm，存在明顯的區(qū)域差異，內(nèi)陸區(qū)域COSMIC-2 PWV誤差為2～3 mm，東南沿海區(qū)域PWV誤差為3～4 mm，這可能與東南沿海地區(qū)PWV值較大、容易出現(xiàn)超折射現(xiàn)象有關(guān)。熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域精度最差，因?yàn)樵搮^(qū)域PWV值較高，且極容易受天氣的影響，頻繁降水導(dǎo)致PWV值波動(dòng)較大，造成COSMIC-2 PWV誤差較大。

3.2 不同氣候類型區(qū)域COSMIC-2 PWV精度評(píng)定

COSMIC-2 PWV精度與氣候類型密切相關(guān)，按照氣候類型計(jì)算COSMIC-2 PWV與GNSS PWV的RMSE和平均偏差(表2)。

表2 不同氣候類型COSMIC-2 PWV精度

由表2可知，5種氣候類型中，高原山地(1.40 mm)和溫帶大陸(1.49 mm)區(qū)域COSMIC-2 PWV與GNSS PWV的RMSE優(yōu)于1.5 mm，溫帶季風(fēng)區(qū)域次之(2.68 mm)。亞熱帶季風(fēng)和熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域，COSMIC-2 PWV的RMSE均大于3 mm，誤差大于其他氣候區(qū)域。高原山地和溫帶大陸氣候區(qū)域精度高的原因是總體PWV值偏低。熱帶季風(fēng)氣候類型區(qū)域精度差主要原因是區(qū)域全年P(guān)WV值偏高，頻繁降雨導(dǎo)致近地層PWV值較大，PWV改正公式改正效果有限。亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域誤差大的原因主要是部分GNSS站點(diǎn)位于沿海城市，與GNSS站點(diǎn)匹配的COSMIC-2掩星點(diǎn)有一部分分布于海洋區(qū)域，而海洋區(qū)域的COSMIC-2 PWV要大于陸地區(qū)域PWV。

4 結(jié) 語

本文利用CMONOC站點(diǎn)PWV序列，分別針對(duì)中國(guó)大陸地區(qū)、不同氣候類型和部分代表站點(diǎn)開展COSMIC-2精度評(píng)定。結(jié)論如下：

1)從站間距離和高程2個(gè)角度開展COSMIC-2掩星點(diǎn)與GNSS站點(diǎn)PWV匹配方案設(shè)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)，不同氣候類型匹配方案存在差異；2)按照不同氣候類型進(jìn)行分類，研究發(fā)現(xiàn)，COSMIC-2 PWV在高原山地、溫帶大陸、溫帶季風(fēng)、亞熱帶季風(fēng)和熱帶季風(fēng)氣候類型的RMSE分別為1.40 mm、1.49 mm、2.68 mm、3.11 mm和3.16 mm。

本文僅對(duì)COSMIC-2 PWV進(jìn)行了精度驗(yàn)證，而COSMIC-2氣壓、溫度、水汽壓等氣象參數(shù)在中國(guó)大陸的精度有待評(píng)定，下一步將開展COSMIC-2的氣象參數(shù)評(píng)定及在氣象學(xué)中的應(yīng)用研究。