應(yīng)用GAMIT軟件處理衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)大氣水汽方法的研究

張云濤，程伯輝，白征東，高星偉

(1.北京北斗星通導航技術(shù)股份有限公司，北京 100094；2.中國測繪科學研究院，北京 100039；3.清華大學 地球空間信息研究所，北京 100084)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，天氣和氣候的狀況與人們的日常生活以及各行各業(yè)的聯(lián)系越來越密切，而由于極端天氣氣候所造成的城市道路積水、交通擁堵、農(nóng)田內(nèi)澇、山體滑坡和泥石流等對工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大影響并給人們的生活帶來不便；同樣由于缺乏有效降水的旱災(zāi)天氣和氣候狀況也會造成農(nóng)田干旱減產(chǎn)、山林火災(zāi)以及人畜飲水困難。為了保障重大活動的正常進行以及有效緩解旱情等，不但要能夠監(jiān)測天氣的變化情況，而且還要為人工影響天氣工作所做的決策提供必要的信息等。

為了更好的趨利避害，使天氣服務(wù)于人們的生產(chǎn)和生活，對大氣進行相關(guān)的探測并提供及時、準確的天氣預(yù)報是十分必要的。為此本文依托廣東省GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)項目，對地基GPS大氣水汽探測的原理、方法展開研究，并對廣東省GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理及精度分析。

2 地基GPS探測水汽的誤差分析

利用GPS探測大氣水汽是通過間接的方法獲得大氣可降水含量的，因此其間必然直接或間接的帶入許多的誤差[1-8]。總的來說，利用地基GPS進行大氣水汽探測主要誤差有：

1)天頂總延遲的解算誤差。天頂總延遲是通過GPS觀測數(shù)據(jù)解算得到的，由于在GPS觀測等過程中會受到的很多干擾因素，所以造成天頂總延遲的誤差因素很多。如在GPS觀測過程中受到的多路徑效應(yīng)干擾，有些情況下多路徑效應(yīng)引起的誤差相當于0.3 kg/m2的大氣綜合可降水汽含(integrated water vapor，IWV)的誤差；在GPS數(shù)據(jù)處理過程中衛(wèi)星軌道誤差的影響，由衛(wèi)星軌道誤差引起的IWV誤差可達0.1 kg/m2[9]。在計算天頂延遲時，需要用投影函數(shù)將延遲量投影到天頂方向，所使用的投影函數(shù)模型存在誤差，在推算濕延遲時所采用的大氣參數(shù)存在誤差，還有采樣時間間隔的選擇也會對結(jié)果造成誤差影響等。

2)天頂干延遲的計算誤差。通常計算天頂干延遲使用Hopfileld、Saastamoinen和Black三種模型。研究表明，采用以上三種模型進行天頂干延遲計算，其誤差與觀測站的地面氣壓的測定精度密切相關(guān)，同時與所采用的經(jīng)驗氣象參數(shù)等也有關(guān)[10]。以Hopfield模型為例，其模型誤差情況分析如下。

在推算天頂干延遲(zenith hydrostatic delay，ZHD)過程中，觀測值所引起的誤差可由誤差傳播定理得出，如式(1)所示

(1)

式中，md為推算ZHD的誤差，mp為地面氣壓測定誤差，mT為地面溫度測定誤差。

由式(1)可以看出，md的大小與mp關(guān)系密切，若要保證天頂干延遲ZHD的精度就需要確保在進行地面氣壓測定時達到一定的精度要求。

3)通過天頂濕延遲(zenith wet delay，ZWD)轉(zhuǎn)換成大氣可降水量(precipitable water vapor，PWV)時的相關(guān)誤差。由濕延遲轉(zhuǎn)換為PWV時，需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)k

(2)

式中，ρv是水汽的密度，K2=22.1 K/hPa、標準差為±2.2 K/hPa、是大氣物理參數(shù)之一，K3=3.739×105K2/hPa、標準差為±0.012×105K/hPa、是大氣物理參數(shù)之一，Rw是取值為461.495的水汽的氣體常數(shù)，ρ是取值為103kg/m3的液態(tài)水密度，Tm表示大氣的加權(quán)平均溫度。

當轉(zhuǎn)換系數(shù)存在誤差時，相應(yīng)地會造成所得到的PWV存在誤差。在轉(zhuǎn)換系數(shù)精度較差情況下，由轉(zhuǎn)換系數(shù)造成綜合水汽含量IWV的誤差可達0.4 kg/m2。而轉(zhuǎn)換系數(shù)與計算大氣加權(quán)平均溫度所使用的模型參數(shù)有關(guān)。

在GPS大氣水汽探測應(yīng)用中，是利用對于精確定位應(yīng)用中存在的GPS觀測的信號延遲等“誤差”來探測大氣的水汽含量，但是為了提高反演大氣水汽的精度，需要消除或削弱GPS觀測時非水汽造成的其他“誤差”。利用高質(zhì)量的GPS設(shè)備也可降低或消除一部分誤差對結(jié)果的影響。

3 地基GPS氣象的數(shù)據(jù)處理方法

地基GPS氣象學研究的主要目的就是獲取大氣的可降水量。通過地基GPS方法得到相應(yīng)的大氣可降水量的流程如圖1所示。

圖1 基于地基GPS反演大氣可降水量處理流程

3.1 觀測數(shù)據(jù)獲取及準備

在進行GPS數(shù)據(jù)處理前，首先要獲取GPS觀測數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)的質(zhì)量檢查。然后還需要對原始觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行檢查，數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果通常包括觀測時間、觀測值刪除率、周跳、鐘漂及平均多路徑誤差MP1、MP2等。其中MP1、MP2的計算方法為

MP1=P1-(1+2/(α-1))Φ1
+(2/(α-1))Φ2

(3)

MP2=P2-(2α/(α-1))Φ1
+(2α/(α-1)-1)Φ2

(4)

3.2 探空獲取大氣可降水含量測定算法

經(jīng)過長期以來的研究及應(yīng)用，采用探空獲取的溫度、氣壓數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的大氣水汽含量已經(jīng)非常成熟，在很多應(yīng)用及研究中，通常將探空方法得到的PWV等結(jié)果作為真值來檢驗其他方法得

到的PWV是否準確、可靠。本文旨在討論利用地基GPS方法獲取廣東地區(qū)的PWV的相關(guān)問題，故采用探空方法得到的PWV等結(jié)果作為真值進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)對比、分析研究。

由探空獲取的大氣溫度和氣壓數(shù)據(jù)可依據(jù)其與水汽的關(guān)系計算得出PWV數(shù)據(jù)為

(5)

式中，ρ為液態(tài)水的密度，ρv表示高度為h處的水汽密度。

水汽密度ρv可由氣態(tài)方程改寫為

ρv=e/(RvT)

(6)

式中，Rv=461.495 J·K-1·kg-1為水汽的氣體常數(shù)，e為水汽氣壓，T為大氣絕對溫度。

4 GPS水汽探測結(jié)果對比

利用GPS接收機通過各地基GPS氣象監(jiān)測站點對降雨量進行觀測。圖2～圖5分別給出了2011-09-01-15，廣東省的佛岡、廣寧、龍門、新興、臺山和惠東各站點的PWV結(jié)果及各站點的降雨量對比。圖中，橫坐標表示時間，2011-09-01 T00:00:00開始累計；縱坐標表示水汽含量和降雨量。

圖2 佛岡PWV序列及降雨量圖

圖3 廣寧PWV序列及降雨量圖

圖4 龍門PWV序列及降雨量圖

圖5 新興PWV序列及降雨量圖

圖6 臺山PWV序列及降雨量圖

圖7 惠東PWV序列及降雨量圖

將惠東站的PWV數(shù)據(jù)與龍門站的數(shù)據(jù)進行對比分析，可以明顯看到，惠東站獲取的PWV在3～7 h不斷增大，而在龍門站獲取的PWV在6～10 h不斷增大。由此可斷定，水汽是由惠東站向龍門站運動，可通過惠東站與龍門站之間的距離除以水汽變化的時間差，得到水汽運動的速度為33.2 km/h，且運動方向為由南向北運動。由水汽運動的方向繼而分析龍門站與其北側(cè)的佛岡站的PWV變化，佛岡龍門站在13～15 h，PWV不斷增長，而在其后的一段時間內(nèi)，佛岡的PWV卻在下降，這說明水汽并沒有繼續(xù)向北移動。從圖上可看到，17 h后，新興、廣寧、臺山站的PWV均有增長，這說明水汽經(jīng)過龍門后，是向西運動的。

5 結(jié)束語

利用GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)對水汽變化的監(jiān)測，不但可以得到本地的水汽含量，通過對全網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行對比和分析還可以獲取水汽變化的趨勢。若加大GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)站的密度，其獲取的水汽變化趨勢將更加準確，這為準確的天氣預(yù)報提供了可靠的依據(jù)。

本文的研究成果已經(jīng)在廣東省GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中得到了應(yīng)用。但由于廣東省GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)剛剛建成不久，所獲取的數(shù)據(jù)有限，而廣東地區(qū)加權(quán)平均溫度的本地化模型及水汽含量與降雨量的關(guān)系，都需要長期的數(shù)據(jù)作支撐，因此還有待于進一步的精化。相信通過廣東省GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)業(yè)務(wù)化運行，可以不斷積累GPS大氣探測信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后的水汽分布等分析研究提供更為完備的資料。

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