利用ECMWF和GPS估計大氣可降水量

楊友森

(中冶集團武漢勘察研究院有限公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

連續運行參考系統(Continuously Operating Reference Stations,CORS)憑借著其定位精度高、覆蓋范圍廣、實時、全天候、時空分辨率高等優點,已經廣泛被用于定位、地震、氣象等各個方面。在全球定位系統(Global Positioning System,GPS)反演水汽中,氣溫和氣壓等氣象參數是估計PWV的必要參數,但絕大部分CORS網中都缺少氣象參數,因此,很多學者在這方面進行了研究。ANDREI[1]利用數值天氣模型插值得到全球18個國際GNSS服務站(International GNSS Service,IGS)站的氣象參數,插值結果與IGS站實測的結果一致,用插值氣象參數計算的對流層延遲的偏差為4.5 cm。SCHULER[2]利用美國國家環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的格網數據插值得到印度21個GPS站的地表氣象參數,并利用得到的氣象參數進行估計大氣可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV),證明了利用數值天氣預報模型進行氣象參數插值及PWV估計的可能性,但在高度起伏大的地形精度稍差。王俊杰等[3]利用NCEP資料對香港地區的GPS測站氣溫和氣壓進行插值,并在插值過程中顧及平均海平面高改正,進一步提高氣象數據和估計PWV的精度。趙靜旸等[4]利用ECMWF資料插值中國地區的氣象參數并估計PWV,結果表明氣溫的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)在2.45 K,氣壓的RMSE在0.85 hpa,估計的大氣可降水量RMSE在1 mm左右,且精度受經度和季節影響,中國東部的精度高于西部,夏季精度高于冬季。這些研究表明利用再分析資料插值氣象參數及估計GPS/PWV的可行性,本文將對ECMWF在河南地區的精度進行評定,以此解決河南CORS系統無氣象參數的問題。

1 數據簡介

歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供6 h時間分辨率,每天4次的全球網格數據[5-6]。網格平面分辨率最小為0.125°×0.125°,分層數據有60層,包括溫度、氣壓、位勢等,地面數據有溫度,氣壓等。本文選用平面分辨率0.5°×0.5°,時間分辨率6 h的地面溫度、位勢高和平均海平面氣壓的數據。

(1)實測氣象數據:開封站(HAKF)、平頂山站(HAPD)的氣象數據(m文件);

(2)CORS觀測數據:開封站(HAKF)、平頂山站(HAPD)、洛陽站(HALN)、鄭州站(ZZGY)、南陽站(NYNZ)、舞陽站(LHWY)、新鄉站(XXYY)、周口站(HAZK);

(3)IGS站數據:長春站(CHAN)、泰國站(CUSV)、拉薩站(LHAZ)、上海佘山(SHAO)、烏魯木齊(URUM);

(4)無線電探空數據[7]:河南鄭州(57083)和南陽(57178)兩個探測點的探空數據。

2 測站氣象參數估計

2.1 格點選擇

根據GPS測站的經度、緯度,確定該測站所屬網格。

2.2 求四個格網點在平均海平面上的氣象參數

氣壓數據就是在平均海平面高度上,故不需轉化。溫度數據為地面溫度,所以需根據位勢數據把四個格網點的溫度轉化為平均海平面溫度。

T=Ts+0.006 5H

(1)

式中,T為格點在平均海平面高度的溫度；Ts為格點溫度;H為格點位勢高。

2.3 求GPS測站在平均海平面上的氣象參數

根據平均海平面高度上四個格點氣象參數,反距離加權插值(Inverse Distance Weighted，IDW)得到GPS測站在平均海平面高度上的氣象參數[8]。

2.4 將測站在平均海平面上的氣象參數轉化到測站高度

將測站在平均海平面高度上氣象參數轉化到測站實際位置

PGPS=P(1-2.26×10-5h)5.225

(2)

TGPS=T-0.006 5h

(3)

式中,PGPS,TGPS分別為測站在某一時刻的氣壓和氣溫；h為位勢高。

2.5 測站氣象參數在時間域上的插值[9]

由于ECMWF每天只提供4個時間點的網格數據,本文利用拉格朗日插值法,以d為單位,得到每小時的氣象數據。

3 精度分析

根據上述方法計算出開封站和平頂山站2016年年積日069～084的氣壓和氣溫,將實測的氣象參數作為真值,對插值的結果進行精度分析,進而用插值的氣象參數估計GPS/PWV,與實測/PWV進行對比分析。目前估計PWV精度最高的為無線電探空站,河南省內只有鄭州和南陽兩個無線電探空站,因此,利用ECMWF插值得到鄭州和南陽2016年年積日025～039的GPS/PWV,與無線電探空(Radio Sounding)的PWV進行對比分析,進一步對ECMWF的插值精度進行驗證。

3.1 氣象參數的精度分析

圖1～圖2為開封站和平頂山站ECMWF插值的氣溫氣壓與實測氣象數據的對比圖,可得到如下結論:

(a) 平頂山站

(a) 平頂山站

(b) 開封站圖2 氣溫序列對比圖

(1)從整體上看,兩個測站插值的氣象數據與實測數據走勢相同,相關性較好。

(2)插值的氣壓與實測氣壓曲線基本重合,精度非常的高。從圖1可看出,ECMWF-P曲線與實測-P曲線相比,更加平滑,這是由于ECMWF的時間分辨率為6 h,因此不能反映6 h內天氣的突變。

(3)插值的氣溫與實測氣溫雖走勢相同,但在每天溫度最高、最低時偏差較大,下面從誤差圖進行更加直觀的分析,并對精度進行統計,圖3～4分別為開封站、平頂山站ECMWF插值的氣壓和氣溫的偏差序列圖,表1為兩測站插值參數的精度統計。

從圖3～4、表1可得到如下結論:

(a) 開封站

(b) 平頂山站圖3 氣壓偏差序列對比圖

(a) 開封站

(b) 平頂山站圖4 氣溫偏差序列對比圖

表1 測站氣象參數插值精度統計

(1)兩個測站的氣壓偏差較小,在0 hpa附近浮動,基本維持在3 hpa以內,最大偏差分別為3.0和3.4 hpa。

(2)兩個測站的溫度偏差相比氣壓偏差來說,溫度的偏差較大,最大偏差為12 K。溫度偏差是呈規律性變化的,且與ECMWF插值的氣溫趨勢相似,具有較強相關性。

(3)開封站與平頂山的氣壓相對誤差在0.1%,平均偏差都在1 hpa以內,均方根誤差在1 hpa左右,而1 hpa的氣壓引起的ZHD誤差不足2 mm,引起的PWV誤差不超過1 mm,因此,ECMWF插值的氣壓精度很高。

(4)開封站與平頂山的氣溫平均相對誤差都為1.58%,平均偏差在4.5 K左右,均方根誤差較大,分別為5.48,5.44 K。在計算PWV的過程中,根據誤差傳播率知,氣溫的誤差對加權平均溫度的影響會被縮小,5 K的誤差會引起不足1%的加權平均溫度誤差,引起的PWV誤差為2 mm左右。

3.2 基于ECMWF的GPS/PWV精度分析[10]

GPS/PWV計算過程:(1)利用GAMIT得到天頂對流層總延遲ZTD;(2)利用插值得到的氣象參數結合靜力學延遲模型解算ZHD,本文選用Black模型;(3)根據ZTD和ZHD得到天頂對流層延遲ZWD;(4)利用ZWD和轉換系數得到PWV。

3.2.1 ECMWF-PWV和實測-PWV的精度分析

根據ECMWF的插值氣象數據[12],求得開封和平頂山的PWV,與實測氣象數據計算的PWV進行對比分析。圖5為開封站、平頂山站實測-PWV與ECMWF-PWV的偏差圖。

(a) 開封站

(b) 平頂山站圖5 PWV偏差序列對比圖

從圖5和表2得到如下結論:

(1)開封和平頂山兩個站,兩種方法計算的PWV曲線基本重合,相關性極高。

(2)開封站的PWV偏差基本都在1 mm以內,0 mm上下浮動,最大偏差在1.25 mm。平頂山站PWV的偏差稍大,基本都在1.5 mm以內,最大為1.8 mm。

(1)兩個站的平均偏差和均方根誤差都特別小,開封站的平均相對誤差和均方根誤差在0.4 mm左右,平頂山站則在0.5 mm左右,兩個站的相對誤差都在3.9%

(2)ECMWF-PWV和實測-PWV精度基本相同,氣溫的相對較大偏差的影響也在過程中被縮小。

表2 測站PWV插值精度統計

3.2.2 ECMWF-PWV和Radio-PWV的精度分析

目前估計大氣可降水量精度最高方法就是利用無線電探空技術進行估計PWV,因此,下面就利用河南省僅有的兩個探空點,鄭州(57083)和南陽(57178),對ECMWF氣象參數估計PWV的精度進行評估[11-12]。

選用2016年年積日025～039,共15 d的數據,因為探空數據只有每天的0時和12時兩個時間點的數據,所以利用ECMWF求解的PWV也只取這兩個時刻的數據。數據包括鄭州站(ZZGY)和南陽站(NYNZ)的GPS觀測數據、ECMWF地面氣溫、平均海平面氣壓、位勢高網格數據、鄭州和南陽兩個無線電探空點的探空數據。

根據上面數據,分別計算鄭州站、南陽的ECMWF-PWV和Radio-PWV,圖6為鄭州、南陽ECMWF-PWV與Radio-PWV對比的時間序列圖。由圖6可得出:

(a) 鄭州站

(b) 南陽站圖6 PWV序列對比圖

(1)從整體上看,鄭州和南陽利用兩種方法計算的PWV走勢相似,具有良好的相關性。

(2)在年積日031～032、034～035,南陽的PWV急劇上升,查資料知南陽地區這幾天都是雨天。在年積日030～031,鄭州站的PWV急劇變化,查資料知鄭州地區這兩天為小雪天氣。

(3)不管是南陽還是鄭州,在雨雪天氣時,兩種方法計算的PWV幾乎重合,故ECMWF-PWV可以很好反映極端天氣,精度不會受極端天氣的影響。

下面繪制兩個站PWV誤差圖,更直觀地分析ECMWF-PWV精度。圖7為鄭州站、南陽站ECMWF-PWV與Radio-PWV之間偏差的時間序列圖,表3為這兩個測站的PWV的平均偏差和均方根誤差的精度統計,

(a) 鄭州站

(b) 南陽站圖7 PWV偏差序列對比圖

由圖7和表3可得出以下結論:

(1)從總體上看,兩個站的PWV都沒有出現較大偏差,而且都在0 mm附近上下浮動。

(2)鄭州站PWV偏差基本都在2 mm以內,最大偏差發生在年積日039這天,為2.3 mm,但2 mm的偏差對估計PWV來說精度已經非常高。而且鄭州的平均偏差和均方根誤差都在1 mm以下,因此鄭州站ECMWF-PWV精度是非常高的。

(3)南陽站PWV的最大偏差達到了4.2 mm,發生在年積日030,但基本都在4 mm以內。平均偏差為1.62 mm,均方根誤差為2.02 mm,相對鄭州站的精度來說,南陽站精度稍差,但也完全滿足需求,利用GAMIT解算的PWV精度也在1～2 mm。

(4)南陽站相比鄭州站精度稍差,可能是因為南陽GPS測站的地址與無線電探空距離較遠,而鄭州站兩個地址距離較近。

表3 ECMWF-PWV與Radio-PWV精度統計

4 結束語

利用ECMWF全球網格數據插值得到河南測站的氣象參數,進而得到GPS/PWV,并對氣象參數和GPS/PWV的精度進行評估,結論如下:

(1)開封站、平頂山站ECMWF-P與實測-P偏差很小,平均偏差和均方根誤差都在1 hpa以內, ECMWF-T與實測-T偏差很小平均偏差和均方根誤差都在5 K左右。

(2)利用ECMWF-T、ECPWF-P估計的開封站、平頂山站ECMWF-PWV與實測-PWV平均偏差和均方根誤差都在0.5 mm左右,最大偏差為1.8 mm。

(3)鄭州站、南陽站的ECMWF-PWV與Radio-PWV相比,鄭州站的精度相對較高平均偏差和均方根誤差都在1 mm以內,最大偏差為2.3 mm。南陽站精度相對較低,平均偏差為1.62 mm,均方根誤差為2.02 mm,最大偏差為4.3 mm,可能是由于GPS站與南陽無線電探空站的距離過遠,但這兩站PWV的精度完全能達到使用要求。

(4)建立的溫度改正模型對開封站、平頂山站的溫度改正較好,能提高50%左右的精度。