河南省GPS數據反演大氣可降水量與衛星產品對比分析

劉磊

摘 要：本文利用河南省本地的地基GPS網，以2018年9月20日的數據為研究范圍，并與MODIS衛星大氣可降水量數據集MOD05相比，討論了GPS探空可降水量與MODIS衛星數據的對比分析。結果表明：兩者相關系數較好，相關系數在0.8左右，相對誤差平均值在30%以內。說明MOD05產品與GPS數據反演大氣可降水量在一定程度上保持一致性;MOD05產品與GPS數據反演大氣可降水量和地面相對濕度無明顯相關。此外，衛星反演的可降水量不能說明當時地面相對濕度的狀態。

關鍵詞：GPS;大氣可降水量;MOD05;相對濕度

中圖分類號：P412.2;P457.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0144-05

Abstract： In this paper， based on the local ground-based GPS network in Henan Province， the comparative analysis of GPS sounding precipitable water and MODIS satellite data was discussed in comparison with MODIS Atmospheric precipitable water data set MOD05. The results showed that the correlation coefficients were good， the correlation coefficients were about 0.8， and the average relative error was less than 30%. It showed that the retrieval of Atmospheric precipitable water from MOD05 and GPS data was consistent to a certain extent， and there was no significant correlation between the retrieval of atmospheric precipitable water from MOD05 and GPS data and the relative humidity of the ground. In addition， the precipitation retrieved by satellite could not explain the relative humidity of the ground at that time.

Keywords： GPS;atmospheric precipitation;MOD05;relative humidity

大氣中的水汽在天氣演變和氣候變化中扮演著重要角色，其影響大氣輻射和太陽輻射，從而影響氣候。目前，水汽的三維空間分布主要依靠國家業務探空網來提取。探空站之間的間距均在200、300km以上，很難捕捉空間尺度小于100km的中尺度天氣系統。而在已有的替代方法中，雙通道微波輻射計等觀測手段，不但費用昂貴，不能全天候觀測，而且需經常標定，難以大范圍密集設置站網和實現觀測業務化。此外，氣象衛星資料直接反演的水汽精度又較低，誤差約為20%[1]。而利用稠密的地基GPS技術探測大氣水汽含量具有費用低和可以全天候觀測等優點，因此，其在氣象領域得到廣泛應用。

在GPS氣象學方面，王小亞[2]等通過天頂干延遲和天頂濕延遲的分離及天頂濕延遲到可降水量的轉換，得到了精度為1～2mm的可降水量的計算結果。將這些結果與實測探空儀資料計算的結果相比較，兩者基本符合。試驗的結果初步驗證了地面GPS觀測為氣象服務的可行性和可靠性。施闖[3]等分析了國家高精度GPS網中的粗差觀測量的特點，提出了采用相關分析的粗差探測理論，對國家高精度GPS網的各子網和相鄰子網進行粗差探測，并采用穩健估計的平差方法，消除粗差對平差結果的影響，大大提高了國家高精度GPS網的整體平差精度。李杰[4]等詳細介紹應用GAMIT軟件進行高精度GPS定位解算。陳小雷[5]等詳細分析了地基GPS遙測大氣可降水量在天氣分析診斷中的應用。

河南省GPS基準站點網絡是河南省氣象局聯合省地礦廳和測繪局共同興建的，儀器由地礦和測繪部門購買，維護由氣象部門負責，儀器安裝在氣象觀測站，數據為各單位共享。

本文將GPS數據反演得到的大氣可降水量與衛星數據進行對比，分析了解GPS得到的大氣可降水量與衛星紅外通道得到的可降水量的相關性。

2 數據與數據處理方法

2.1 數據

2.1.1 GPS數據。河南省氣象局與河南省測繪局、河南省地礦廳等單位協作，共建立了38個GPS基準站進行資料實時共享，使陸上基準站的密度小于100km，河南省的GPS站點分布如圖1所示，不同的站點符號代表來自不同的部門（其中☆為省測繪局，△為地礦廳）。

2.1.2 GAMIT軟件介紹。GAMIT是由麻省理工學院（MIT）、美國加利福尼亞斯克瑞布斯（SCRIPPS）海洋研究所（SIO）等研制的用于大地測量的GPS分析軟件，之后經許多人不斷改進而成為應用面較為廣泛的高精度GPS數據分析和處理軟件，是目前國際上著名的GPS定位定軌軟件之一。GAMIT集GPS定位定軌于一體，可以解算衛星軌道和站坐標以及其他一些輔助參數，如鐘差、大氣延遲改正參數和整周模糊度參數等。

GAMIT軟件的Q文件和O文件等經計算得到大氣總延遲ZTD，計算可降水量PWV經編程處理氣象要素，分離出天頂濕延遲，最后計算出可降水量。

2.1.3 MOD05大氣可降水量產品。研究中使用的第二種遙感數據為美國宇航局（NASA）地球觀測計劃（EOS）發射的中分辨率成像光譜儀（MODIS）數據。其共有兩顆星，上午星TERRA于每日地方時上午10∶30和晚上22∶30過境，大氣可降水量數據集為MOD05L2;下午星AQUA于下午14∶30和凌晨02∶30每日地方時13∶30左右過境，大氣可降水量數據集為MYD05L2。每顆星每次均包括紅外和近紅外兩種數據集。由于近紅外在夜間無法使用，故每天均有6次數據可用，其中近紅外分辨率為1km，可用數據每天2次;紅外分辨率5km，可用數據每天4次。

2.2 數據處理方法

2.2.1 MOD05數據處理。對于MOD05數據，可以使用ENVI軟件直接處理。通過對MOD05數據進行輻射定標、投影轉換、圖像校正、圖像拼接、去除異常值和無效值等步驟后，得到近紅外和紅外兩個波段的降水量數據集。如果數據量較大，可以使用專門處理MODIS大氣數據的軟件HEG，HEG軟件的可視化界面如圖2所示。軟件可以在MODIS網站的工具頁面下載。本文使用HEG軟件處理MOD05數據。

為了最大限度地利用MOD05大氣可降水量，減少空間不穩定性，使異常數據得到平滑處理，故可將所有的數據加權平均，公式如下：

式中[，PWV]為過程平均紅外可降水量;[PWVnir]為近紅外大氣可降水量;[PWVir]為紅外大氣可降水量。根據式（1）可以得出河南省2018年9月20日上午10：30左右紅外大氣可降水量，其數值分布在0～38mm。MOD05大氣可降水量產品數據見圖3。

2.2.2 氣象數據與GPS探空可降水量。本研究的GPS數據分析處理按照四個步驟進行。首先，數據準備;其次，用GAMIT軟件處理各時段GPS的觀測數據，得到各個時段的解;再次，用GLOBK（卡爾曼濾波）進行多時段綜合解算，以得到平差的結果及測站的平均坐標和速度等參數;最后，把平差后得到的測站坐標帶回GAMIT，對待求測站進行強約束，反演對流層的天頂延遲值。得到天頂延遲（ZTD）還需要同時段站點的氣象數據，包括氣壓與溫度，最后計算出數據中所用時段的值[6]。由于氣象數據使用的是逐小時，所有計算出來的PWD時間分辨率為小時。本文使用的2018年9月20日上午11：00的GPS數據反演的大氣可降水量數值。同時，從自動站數據庫中提取2018年9月20日上午11：00的小時相對濕度。GPS數據反演的大氣可降水量數值與同時刻相對濕度見圖4。

3 結果與分析

GPS數據反演大氣可降水量與MOD05大氣可降水量產品相比線性相關較好，相關系數在0.8左右，如圖5（a）所示。在數據上GPS反演的數值普遍大于MODIS產品。主要原因是反演的原理不同：MODIS產品是通過紅外和近紅外波段的亮溫利用分裂窗算法得出;GPS把各個部分相互作用的延遲量引入解算模型中，考慮誤差來源并予以消除后對高精度的大氣延遲量與定位參數一起求解，然后通過雙頻技術訂正電離層延遲到毫米量級，通過地面氣壓觀測量訂正干空氣的延遲到毫米量級，最后得到毫米量級的濕空氣延遲，由此提取大氣總的水汽含量。紅外和近紅外受到氣溶膠、云的影響相對更大。

GPS數據反演大氣可降水量與相對濕度線性一般[見圖5（b）]。相對濕度觀測的是地面數據，對整層可降水量影響較小。豫西部分觀察站海報較高，對相對濕度的數值也有影響。MODIS產品對相對濕度的線性相關較差，相關系數在0.4左右，如圖5（c）所示。

4 結論

本文利用MOD05產品與GPS數據反演大氣可降水量數據進行對比，結果表明：兩者相關系數較好，相關系數在0.8左右，相對誤差平均值在30%以內。可見，MOD05產品與GPS數據反演大氣可降水量在一定程度上保持一致性。MOD05產品在晴空下反演的數值較GPS數據反演大氣可降水量明顯小。由于衛星能在各種氣象條件下監測地球大氣，其長期穩定性、分辨率、覆蓋范圍和精度都是前所未有的。其為地球表面上難于進行定期測量的地區提供了一個全新的測定大氣剖面的方法，這對廣闊的海洋、沙漠和近極地等荒漠地區上空的大氣可降水量研究具有特定的意義。

MOD05產品和GPS數據反演大氣可降水量與地面相對濕度無明顯相關。衛星反演的可降水量不能說明當時地面相對濕度的狀態。

參考文獻：

[1]劉敏，郭鵬，葉其欣，等.上海地區地基GPS水汽三維層析技術和初步應用[J].天文學報，2010（3）：299-308.

[2]王小亞，朱文耀，嚴豪健，等.地面GPS探測大氣可降水量的初步結果[J].大氣科學，1999（5）：605-612.

[3]施闖，劉經南.國家高精度GPS網整體平差中的粗差分析[J].武漢測繪科技大學學報，1999（2）：107-111.

[4]李杰，王曉強.應用GAMIT軟件進行高精度GPS定位解算[J].內陸地震，2001（4）：355-359.

[5]陳小雷，馬翠平.GPS遙測大氣可降水量原理與方法[J].河北氣象，2005（4）：37-38.

[6]李成才，毛節泰.GPS地基遙感大氣水汽總量分析[J].應用氣象學報，1998（4）：470-477.