利用單GPS站獲取空間水汽分布特征

張鵬飛，張雙成，楊曉春，王建鵬

(1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，陜西 西安 710600； 2. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 陜西 西安 710054； 3. 西安市氣象局，陜西 西安 710016)

一、引 言

水汽是地球大氣中活躍多變的成分，水汽的運(yùn)動(dòng)影響天氣的變化，但是目前傳統(tǒng)的水汽探測(cè)方法不足，尤其是在短時(shí)期、強(qiáng)對(duì)流天氣中尤為明顯。地基GPS反演水汽以其成本低、時(shí)空分辨率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。隨著地基GPS遙感水汽空間三維分布研究的不斷深入，國(guó)外學(xué)者對(duì)其作了深入研究。Bevis等最先提出了地基GPS探測(cè)水汽含量的原理[1]；1993年Rocken等提出了相對(duì)PWV計(jì)算的方法，并且提出了引入遠(yuǎn)距離GPS站以省去網(wǎng)內(nèi)水汽輻射計(jì)的思想[2]。在國(guó)內(nèi)，1993年毛節(jié)泰首先對(duì)GPS氣象作了深入研究[3]；2004年宋淑麗使用無(wú)電離層影響的GPS非差觀測(cè)組合直接計(jì)算SWV[4]；2006年毛輝等利用GPS傾斜路徑信號(hào)構(gòu)筑了水汽的時(shí)空分布圖[5]；畢研盟等利用雙差處理法并結(jié)合濕梯度、殘差遙感斜路徑方向大氣總量，并用微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)作了驗(yàn)證[6]。

上述學(xué)者的深入研究無(wú)疑驗(yàn)證了地基GPS反演斜路徑水汽的可行性。本文主要針對(duì)無(wú)法組網(wǎng)的GPS單站利用絕對(duì)VSWV和相對(duì)VSWV反映測(cè)站周?chē)欢▍^(qū)域的水汽時(shí)空特點(diǎn)的可行性作了驗(yàn)證，并對(duì)單站GPS所能覆蓋的范圍作了初步分析。

二、利用單GPS站獲取水汽空間分布的基本原理

目前在高精度GPS斜路徑SWV獲取過(guò)程中，常采用非差精密單點(diǎn)定位PPP和雙差相對(duì)定位兩種模式。相比之下，PPP定位方法具有估計(jì)模型簡(jiǎn)單、站間不相關(guān)、無(wú)需引入遠(yuǎn)距離測(cè)站等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠直接求解大氣延遲各向異性參數(shù)。本文采用高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件包Bernese的精密單點(diǎn)定位模塊，設(shè)Bernese軟件估計(jì)的天頂總延遲為ZTD，采用GPS觀測(cè)站氣象元素和干延遲分量模型計(jì)算得到ZHD，最后在從天頂總延遲ZWD中扣除ZHD就得到天頂濕延遲分量ZWD，同時(shí)考慮了由于大氣不均勻及可變性和各種未消除的誤差引起的殘差R，以及大氣方位不對(duì)稱性引起的梯度Δnρ和Δeρ。地基GPS遙感大氣天頂方向水汽總量主要是通過(guò)天頂方向的GPS信號(hào)的濕延遲ZWD來(lái)確定的，即

PWV=Π×ZWD

(1)

式中，無(wú)量綱的Π是水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以由加權(quán)平均氣溫得到，約為0.15，主要受測(cè)站上空水汽壓和絕對(duì)氣溫的影響。

綜上所述，計(jì)算SWV的公式如下

SWV=mwet×PWV+Π×(f(e)×(ΔnρcosA+

ΔeρsinA)+R)

(2)

式中，mwet為斜路徑映射函數(shù)；f(e)為梯度映射函數(shù)；e為衛(wèi)星高度角；A為衛(wèi)星方位角；Δnρ為南北方向的梯度參數(shù)；Δeρ為東西方向的梯度參數(shù)。

如上文所述，SWV為衛(wèi)星信號(hào)方向上的水汽含量，考慮到衛(wèi)星的空間位置分布的廣泛性，SWV就能反映測(cè)站周?chē)峡盏乃植肌ｈb于衛(wèi)星在同一時(shí)刻高度角不同，利用濕映射函數(shù)把SWV映射投影到天頂方向，得到絕對(duì)VSWV，計(jì)算公式如下

(3)

天頂方向水汽總量PWV實(shí)質(zhì)上是絕對(duì)VSWV的時(shí)空平均，因此就可以得到相對(duì)VSWV，計(jì)算公式如下

相對(duì)VSWV=絕對(duì)VSWV-PWV

(4)

絕對(duì)USWV和PWV、SWV關(guān)系如圖1所示。

圖1 絕對(duì)VSWV和PWV、SWV關(guān)系示意圖

三、反演香港暴雨過(guò)程中GPS斜路徑水汽總量

2010年7月22日香港地區(qū)受臺(tái)風(fēng)“燦都”外圍雨帶影響，香港天文臺(tái)于下午4時(shí)35分(UTC8時(shí)35分)發(fā)出黃色暴雨警告，于5時(shí)20分(UTC9時(shí)20分)發(fā)出紅色暴雨警告，再于5時(shí)30分(UTC9時(shí)30分)發(fā)出黑色暴雨警告。受暴雨影響，港島、九龍、新界多處水浸，以新界北部較嚴(yán)重，由于水浸關(guān)系，全港許多地區(qū)交通嚴(yán)重?cái)D塞。

為了揭示單站GPS在探測(cè)水汽的時(shí)空分布特征，本文算例采用這次暴雨過(guò)程中香港CORS網(wǎng)HKPC和HKSC測(cè)站予以對(duì)比驗(yàn)證，兩站相距大約為10 km，主要分析在暴雨過(guò)程中測(cè)站HKSC的絕對(duì)VSWV和相對(duì)VSWV的時(shí)空分布及變化，如圖2、圖3所示。同時(shí)，為了分析同一顆衛(wèi)星在距離10 km不同的測(cè)站HKSC與HKPC上的水汽變化，對(duì)當(dāng)天處于不同方位的PRN09和PRN17兩顆衛(wèi)星予以分析，如圖4、圖5所示，橫軸為時(shí)間(UTC)，縱軸為絕對(duì)VSWV，單位為毫米(mm)。

圖2 測(cè)站HKSC絕對(duì)VSWV時(shí)空分布圖

圖3 測(cè)站HKSC絕對(duì)VSWV時(shí)空分布圖

由圖2～圖5可以得出以下結(jié)論：

1) 圖2顯示測(cè)站上空各個(gè)方向上的絕對(duì)VSWV是不均勻的，在UTC8時(shí)左右，多個(gè)方位處均形成了水汽分布中心，與氣象臺(tái)發(fā)布預(yù)警的時(shí)間比較吻合，并且在方位角90°—120°方位處空氣中水汽含量最大，UTC12時(shí)后水汽量逐漸減少，水汽分布中心逐漸消失。

圖4 PRN09在兩個(gè)測(cè)站的絕對(duì)VSWV圖

圖5 PRN17在兩個(gè)測(cè)站的絕對(duì)VSWV圖

2) 圖3表明測(cè)站上空相對(duì)VSWV也能很好地反映一天中的水汽分布和變化，并且與暴雨發(fā)生的時(shí)間比較吻合，暴雨期間相對(duì)VSWV分布中心的不同更能反映水汽方向水汽的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3) 圖4和圖5顯示PRN09與PRN17衛(wèi)星在兩個(gè)距離約10 km的測(cè)站HKSC與HKPC上絕對(duì)VSWV的分布和變化，兩站絕對(duì)VSWV隨時(shí)間變化的一致性說(shuō)明空氣中水汽變化的趨勢(shì)，水汽量的差異性正好是測(cè)站之間的水汽含量變化量，因此一個(gè)測(cè)站的絕對(duì)VSWV可以探測(cè)一定區(qū)域的空氣中的水汽量及其變化。

綜上所述，單個(gè)測(cè)站絕對(duì)VSWV和相對(duì)VSWV能很好地反映水汽的時(shí)空變化。通常情況下，水汽主要集中在大氣高度4 km范圍內(nèi)，并且考慮到GPS衛(wèi)星受到影響的條件很多，衛(wèi)星高度角過(guò)低，仰角小的衛(wèi)星受到大氣的影響較大，同時(shí)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度弱、信噪比低,容易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)中低質(zhì)量的數(shù)據(jù)過(guò)多，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量。衛(wèi)星高度角過(guò)高,使觀測(cè)范圍變小,觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)顯著減小，數(shù)據(jù)量又達(dá)不到要求。因此，本文選擇了GPS常用高度截止角15°和30°，嘗試分析了單個(gè)GPS站所能覆蓋的范圍，結(jié)果顯示單個(gè)GPS站約為10 km左右(見(jiàn)表1)，這對(duì)于布設(shè)GPS網(wǎng)具有一定的參考意義。

表1 單GPS站所能覆蓋的范圍

四、結(jié)束語(yǔ)

GPS的絕對(duì)VSWV和相對(duì)VSWV能很好地反映測(cè)站周?chē)欢ǚ秶乃麜r(shí)空變化，尤其是對(duì)于GPS站個(gè)數(shù)不足采用組網(wǎng)的方式層析水汽三維分布而言，絕對(duì)VSWV和相對(duì)VSWV勢(shì)必提供了另一個(gè)工具探測(cè)大氣的水汽分布及變化。盡管本文的結(jié)果與氣象臺(tái)預(yù)報(bào)的時(shí)間非常吻合，但是缺少具體的降水量數(shù)據(jù)，接下來(lái)有待進(jìn)一步精化，這對(duì)于研究降水量與斜路徑的可降水量的關(guān)系具有重要意義。

致謝：感謝香港地政總署測(cè)繪處提供香港CORS網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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