大氣顆粒物濃度對(duì)GNS S 基線(xiàn)解算的影響分析

和 會(huì) 聞洪峰 付利釗

（1.河北省基礎(chǔ)地理信息中心，河北 石家莊 050032；2.河北省第一測(cè)繪院，河北 石家莊 050032）

0.引言

GNSS信號(hào)在穿過(guò)霧霾區(qū)域時(shí)，霧霾會(huì)對(duì)GNSS信號(hào)的傳播產(chǎn)生什么樣的影響，對(duì)GNSS相對(duì)定位基線(xiàn)解算是否會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)GNSS精密單點(diǎn)定位是否會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)GNSS反演對(duì)流層延遲是否會(huì)產(chǎn)生影響，這種影響有多大，這種影響來(lái)源哪里？這些方面的研究相對(duì)還比較少，也不系統(tǒng)全面。2014年王勇等發(fā)現(xiàn)天頂對(duì)流層延遲與可降水量在霧霾天會(huì)有升高[1]；2016年田宗彪等研究了霧霾對(duì)精密單點(diǎn)定位的影響[2]；2017 年 魏 二 虎 等 以BJFS、LHAZ、CHAN、JFNG、SHAO等5個(gè)IGS站秋冬季的觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析得出可吸入顆粒物濃度變化與精密單點(diǎn)定位的精度沒(méi)有顯著相關(guān)性[3]。筆者以HBCORS基準(zhǔn)站2014年9月至2015年2月的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，結(jié)合CORS站所在地區(qū)AQI、PM2.5、PM10濃度日均值，詳細(xì)分析了大氣顆粒物濃度對(duì)GNSS基線(xiàn)解算、精密單點(diǎn)定位和GNSS反演對(duì)流層濕延遲的影響，探索霧霾天氣對(duì)GNSS對(duì)流層濕延遲產(chǎn)生影響的原因。

1.大氣顆粒物濃度對(duì)中長(zhǎng)基線(xiàn)的影響

GNSS相對(duì)定位的基線(xiàn)解算一般是利用兩臺(tái)以上接收機(jī)的載波觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值，組成雙差觀測(cè)值為基礎(chǔ)量，配以組合觀測(cè)值為輔助，解算接收機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系。在基線(xiàn)解算過(guò)程中，基線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)于解算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)于相距15km以?xún)?nèi)，高差不大的基線(xiàn)，雙差就可以基本消除如對(duì)流層延遲誤差在內(nèi)的多項(xiàng)誤差源。而霾天氣就發(fā)生在對(duì)流層，霾產(chǎn)生的影響在基線(xiàn)過(guò)短時(shí)經(jīng)過(guò)雙差處理后會(huì)被削弱甚至消除，因此本文選擇50km以上的中長(zhǎng)基線(xiàn)作為研究對(duì)象。

以AQI日均值為霾污染程度判斷標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)基線(xiàn)端點(diǎn)分別為A和B，按照以下4種情況分類(lèi)統(tǒng)計(jì)：

（1）基線(xiàn)一端站點(diǎn)A有重度以上霾發(fā)生（AQI＞200），另一端站點(diǎn)B空氣質(zhì)量良好（AQI＜100）；

（2）基線(xiàn)一端站點(diǎn)B有重度以上霾發(fā)生（AQI＞200），另一端站點(diǎn)A空氣質(zhì)量良好（AQI＜100）；

（3）基線(xiàn)兩端站點(diǎn)A、B均有重度以上霾發(fā)生；

（4）基線(xiàn)兩端站點(diǎn)A、B空氣質(zhì)量均良好。

表1 基線(xiàn)LHAZ-BDZZ各污染程度基線(xiàn)解算結(jié)果 單位：m

LHAZ—BDZZ的基線(xiàn)北方向（N）、東方向（E）、橢球高（U）和基線(xiàn)長(zhǎng)度（DIS）的統(tǒng)計(jì)情況（如表1所示）。可以看出對(duì)于這種超過(guò)1000km的長(zhǎng)基線(xiàn)，基線(xiàn)各個(gè)分量以及基線(xiàn)長(zhǎng)度均沒(méi)有明顯因?yàn)轹蔡鞖獾挠绊懀贜方向、E方向、U方向都沒(méi)有產(chǎn)生系統(tǒng)性的偏差。也就是說(shuō)無(wú)論霾天氣如何變化，基線(xiàn)分量和基線(xiàn)長(zhǎng)度的重復(fù)性都是相當(dāng)?shù)摹?/p>

表2 基線(xiàn)BJFS-BDAG各類(lèi)污染程度基線(xiàn)解算結(jié)果 單位：m

BJFS-BDAG基線(xiàn)各分量及基線(xiàn)長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)值（如表2所示），顯然在各種霧霾天氣下，基線(xiàn)精度相當(dāng)，基本沒(méi)有變化，完全在誤差范圍內(nèi)波動(dòng)。無(wú)論是2000km以上的長(zhǎng)基線(xiàn)還是100km以上的中等基線(xiàn)，霧霾天氣都不會(huì)對(duì)基線(xiàn)解算精度造成顯著影響，且沒(méi)有體現(xiàn)出系統(tǒng)性的偏差。

因此，在相對(duì)定位解算基線(xiàn)的過(guò)程中，顆粒物濃度對(duì)基線(xiàn)解算的精度沒(méi)有明顯影響，可以不予考慮。

2.顆粒物濃度對(duì)精密單點(diǎn)定位的影響

本文以CORS站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，利用GPAS軟件求解各站點(diǎn)的非差精密單點(diǎn)定位日解，并與當(dāng)?shù)氐腁QI日均值進(jìn)行比較分析，以驗(yàn)證霾天氣是否會(huì)對(duì)精密單點(diǎn)定位的精度產(chǎn)生影響。對(duì)于沒(méi)有準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)的CORS站點(diǎn)，將非差精密單點(diǎn)定位日解的均值作為基準(zhǔn)值。然后將精密單點(diǎn)定位日解與基準(zhǔn)值求差，以日解與基準(zhǔn)值的偏差來(lái)與AQI指數(shù)進(jìn)行比較。

圖1 精密單點(diǎn)定位U方向坐標(biāo)值殘差

BDFP和TSZH兩個(gè)站2014年9月至2015年3月期間AQI和精密單點(diǎn)定位U方向殘差的比對(duì)（如圖1所示），從圖中看不出明顯的相同的趨勢(shì)性變化，AQI指數(shù)與精密單點(diǎn)定位的精度都沒(méi)有顯著的相關(guān)性。這期間各站坐標(biāo)不同分量偏差與AQI的相關(guān)系數(shù)（如表3所示），也可以明顯看出各個(gè)分量與AQI的相關(guān)性都很小，都未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，不具有統(tǒng)計(jì)特性。

表3 精密單點(diǎn)定位U方向坐標(biāo)值殘差與大氣顆粒物濃度相關(guān)性

3.大氣顆粒物濃度對(duì)GNSS 對(duì)流層延遲的影響

從前面分析可以看出，大氣顆粒物濃度的變化并沒(méi)有對(duì)GNSS基線(xiàn)解算精度和精密單點(diǎn)定位精度產(chǎn)生顯著的影響。大氣顆粒物大量懸浮于對(duì)流層底層，隨對(duì)流層大氣運(yùn)動(dòng)和氣象條件變化而聚集和消散，因此，其濃度變化應(yīng)該與GNSS對(duì)流層延遲有一定的關(guān)系。本文分析大氣可吸入顆粒物濃度對(duì)GNSS對(duì)流層延遲的影響。

GNSS對(duì)流層延遲分為干延遲和濕延遲兩部分，干延遲通過(guò)對(duì)流層延遲模型可以得到高精度改正。對(duì)流層濕延遲則需要經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)誤差模型在GNSS數(shù)據(jù)處理過(guò)程中估計(jì)。本文以GNSS對(duì)流層濕延遲和大氣顆粒物濃度為研究對(duì)象，分析霾天氣持續(xù)過(guò)程中，二者變化趨勢(shì)。

BDFP和TSQA兩個(gè)CORS站點(diǎn)兩次持續(xù)重霧霾的發(fā)生、持續(xù)直至消散的過(guò)程期間，天頂對(duì)流層濕延遲（ZWD）和PM2.5的變化趨勢(shì)（如圖2所示）。以BDFP站點(diǎn)為例，在2014年10月5日至10月13日在保定市阜平縣發(fā)生了一次較為嚴(yán)重的持續(xù)霧霾天氣，從10月6日夜間（25歷元）開(kāi)始，PM2.5濃度從不到100μg/m3開(kāi)始逐步攀升，到10月8日達(dá)到接近500μg/m3最高點(diǎn)，并在高位持續(xù)徘徊，直到11日夜間（155歷元）開(kāi)始迅速降低，霧霾消散。在此期間，ZWD也是從10月6日夜間開(kāi)始隨著PM2.5濃度同步攀升，從不到100mm攀升到160mm左右。之后在整個(gè)霧霾持續(xù)過(guò)程中，ZWD一直在160mm上下高位震蕩，在10月11日（155歷元）開(kāi)始下降，一直降至不到40mm。唐山市遷安市2014年10月27日至11月2日期間發(fā)生的一次持續(xù)霧霾天氣過(guò)程（如圖2（b）所示），其ZWD和PM2.5濃度的同步變化過(guò)程與圖2（a）是高度相似的。

由以上分析可以看出，整個(gè)霾天氣持續(xù)過(guò)程中，ZWD和PM2.5濃度有著相似的升降過(guò)程，但升降的時(shí)間點(diǎn)略有偏差，升降速度也略有不同，PM2.5濃度變化曲線(xiàn)比較陡，而ZWD的變化曲線(xiàn)要相對(duì)平緩。

圖2 大氣顆粒物濃度與大氣可降水量同步變化趨勢(shì)圖

對(duì)流層濕延遲ZWD與大氣可降水量，也就是整層大氣的水汽含量是呈一定正比例關(guān)系的，只要知道一個(gè)區(qū)域的加權(quán)平均溫度Tm，就可以建立ZWD與大氣可降水量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[5]。在GNSS氣象學(xué)中，GNSS對(duì)流層濕延遲通常都被用于反演大氣可降水量。然而在霧霾天氣發(fā)生時(shí)，ZWD與顆粒物濃度有著相近的升降趨勢(shì)，那顆粒物是否對(duì)GNSS反演對(duì)流層濕延遲有影響呢？如果有影響，那么在GNSS對(duì)流層濕延遲反演大氣可降水量時(shí)就需要減去大氣顆粒物的影響。

圖3 對(duì)流層濕延遲ZWD與整層大氣可降水量的線(xiàn)性回歸方程

對(duì)ZWD與大氣可降水量呈現(xiàn)出很強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系（如圖3所示），斜率在0.15至0.16之間，與眾多學(xué)者們此前的研究成果相符，也印證了二者計(jì)算結(jié)果的可靠性。本地加權(quán)平均氣溫一般需要長(zhǎng)時(shí)間的探空資料才能計(jì)算，而且并非累積時(shí)間越長(zhǎng)效果越好，最近一年的數(shù)據(jù)分析成果優(yōu)于之前幾年累積數(shù)據(jù)的分析成果。本文沒(méi)有研究區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間累積的探空數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)估算加權(quán)平均溫度。就直接取貝葉斯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算加權(quán)平均溫度。利用歐洲天氣預(yù)報(bào)中心氣象再處理數(shù)據(jù)ERA5的整層大氣水汽含量（IWV）通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)即可反演水汽造成的對(duì)流層濕延遲，用GNSS對(duì)流層濕延遲減去通過(guò)整層大氣水汽含量估算的對(duì)流層濕延遲，就可以得到對(duì)流層濕延遲的剩余殘差量，進(jìn)而分析去掉大氣水汽影響后對(duì)流層濕延遲的殘差與大氣顆粒物濃度是否存在相關(guān)性。

9個(gè)監(jiān)測(cè)站ZWD殘余誤差的平均值、中位值、標(biāo)準(zhǔn)差以及其與AQI、PM2.5、PM10的相關(guān)系數(shù)（如表4所示），可見(jiàn)不同監(jiān)測(cè)站的ZWD殘余誤差平均值是有差別的，這表明ERA5提取的大氣水汽含量反演的ZWD與GNSS實(shí)測(cè)反演的ZWD之間有系統(tǒng)性誤差，且在不同區(qū)域這一系統(tǒng)性誤差存在差異。各個(gè)監(jiān)測(cè)站的ZWD殘差標(biāo)準(zhǔn)差都在8mm左右，折合成大氣可降水量約在1-2mm。除了TSQA站，其余各站ZWD與PM2.5、PM10、AQI的相關(guān)系數(shù)都低于0.2甚至0.1，且有正有負(fù)，沒(méi)有顯著的相關(guān)性。TSQA一個(gè)站的微弱正相關(guān)性不具有代表性，綜合來(lái)看，顆粒物濃度的變化與ZWD殘余誤差之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性。大氣顆粒物濃度的上升下降并沒(méi)有直接影響到ZWD的升降變化。

表4 ZWD剩余殘差與大氣顆粒物濃度相關(guān)性

GNSS信號(hào)在穿過(guò)霾區(qū)域時(shí)，如果大氣顆粒物會(huì)對(duì)GNSS信號(hào)產(chǎn)生延遲影響，則ZWD去掉水汽影響后的殘差應(yīng)該與大氣顆粒物濃度有一定的相關(guān)性，而且應(yīng)該是正相關(guān)性。而從上述分析中可以看出大氣顆粒物濃度與ZWD剩余殘差并沒(méi)有體現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。由此可以推斷：在目前的測(cè)量精度上，大氣顆粒物對(duì)GNSS信號(hào)傳播不會(huì)產(chǎn)生顯著的直接影響，通過(guò)GNSS對(duì)流層濕延遲反演大氣可降水量并不必考慮大氣顆粒物濃度的影響；對(duì)流層濕延遲與大氣顆粒物濃度在霾天氣有相似變化的主要原因在于大氣可降水量與大氣顆粒物濃度在霾天氣時(shí)有著相似變化趨勢(shì)。

4.結(jié)論

本文分析了大氣顆粒物濃度對(duì)GNSS數(shù)據(jù)處理的影響以及大氣顆粒物濃度與PWV相關(guān)性起因。得出以下結(jié)論：

（1）霧霾天氣，大氣顆粒物的高濃度對(duì)于GNSS基線(xiàn)解算不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，基線(xiàn)解算精度與大氣顆粒物濃度之間沒(méi)有顯著相關(guān)性。

（2）霧霾天氣，大氣顆粒物的高濃度對(duì)于GNSS精密單點(diǎn)定位日解精度沒(méi)有顯著影響，精密單點(diǎn)定位與大氣顆粒物濃度之間也沒(méi)有顯著的相關(guān)性。

（3）霧霾天氣，大氣顆粒物濃度與對(duì)流層濕延遲會(huì)有相似變化趨勢(shì)，但二者不是直接相關(guān)關(guān)系，本質(zhì)上是大氣顆粒物濃度與PWV存在相關(guān)性。積累階段，大氣顆粒物濃度比ZWD或者說(shuō)PWV上升要更快。