基于沿海業(yè)務(wù)觀測(cè)的BDS大氣可降水量反演

史 航，范士杰，王麗欣,臧建飛，張化疑，劉焱雄

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580；2.黑龍江省測(cè)繪地理信息學(xué)會(huì)，哈爾濱 150081;3.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

水汽是大氣中最活躍和最重要的組成部分，其相變直接影響大氣的運(yùn)動(dòng)和變化[1]。研究水汽的變化對(duì)災(zāi)害性天氣預(yù)警、中小尺度降水預(yù)報(bào)等有重要意義。相較于傳統(tǒng)的大氣水汽探測(cè)手段，地基GNSS反演水汽具有低成本、全天候、高精度、高時(shí)間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，已成為水汽探測(cè)的重要技術(shù)手段[2]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，地基GPS(Global Positioning System)反演水汽的精度達(dá)到1～2 mm。隨著中國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)建設(shè)和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始對(duì)BDS反演水汽的精度進(jìn)行分析。高志鈺等利用相對(duì)定位方法反演BDS大氣可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)，相對(duì)于探空數(shù)據(jù)的均方根誤差小于2 mm，與GPS PWV之間的均方根誤差小于3 mm[3]。Li等選取了亞太地區(qū)10個(gè)測(cè)站的北斗數(shù)據(jù)采用精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)方法進(jìn)行PWV反演，相對(duì)于GPS PWV的均方根誤差為2 mm[4]。Lu等實(shí)時(shí)估計(jì)了BDS PWV，與GPS的水汽反演結(jié)果相比，均方根誤差為2～3 mm[5]。吳旭祥等對(duì)比分析了BDS、GPS在大氣水汽反演中的性能，兩者解算的PWV相關(guān)系數(shù)為0.98，均方根誤差為2.29 mm[6]。上述研究多為基于BDS-2衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的水汽反演結(jié)果。目前BDS全球系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由BDS-2和新一代BDS-3衛(wèi)星共同構(gòu)成，因此新一代衛(wèi)星對(duì)BDS水汽反演精度的影響就成為該領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

自然資源部于2010年在中國(guó)沿海增設(shè)了GNSS觀測(cè)站，建立了中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)系統(tǒng)。文中利用中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)系統(tǒng)2022年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用PPP方法，設(shè)計(jì)了BDS-2、BDS-3和BDS-2/3等3種方案，開展了BDS PWV反演試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與GPS PWV和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)發(fā)布的ERA5再分析資料進(jìn)行對(duì)比，對(duì)新一代BDS-3衛(wèi)星水汽反演的精度進(jìn)行評(píng)估。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和PWV計(jì)算方法

1.1 中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)

中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)了56個(gè)連續(xù)運(yùn)行觀測(cè)站，為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和天氣變化提供數(shù)據(jù)資料[7]。文中選取黃渤海沿岸的BBYQ(鲅魚圈)、BHLD(葫蘆島)、BQHD(秦皇島)、BXMD(小麥島)等4個(gè)GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)站(圖1)2022年1月1—7日(年積日：1—7)的BDS和GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)選取的GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)站分布

中國(guó)沿海業(yè)務(wù)觀測(cè)站GNSS PWV的反演方法如下[8]：首先采用PPP方法，以測(cè)站的對(duì)流層天頂濕延遲(Zenith Wet Delay，ZWD)為未知參數(shù)，通過參數(shù)估計(jì)得到ZWD估值；利用測(cè)站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，將ZWD轉(zhuǎn)換為PWV。基于PPP的GNSS PWV反演的數(shù)據(jù)處理策略如表1所示。

表1 基于PPP的PWV反演策略

1.2 ERA5再分析數(shù)據(jù)

ERA5產(chǎn)品是由ECMWF于2017年發(fā)布的第五代全球氣候再分析資料，其中包括從1979年至今的柱狀水汽總量(Total Column Water Vapor, TCWV)和地表溫度，ERA5產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為1 h，網(wǎng)格分辨率為0.25°×0.25°。

提取與GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)站相匹配的ERA5水汽的方法：選取整小時(shí)歷元，根據(jù)GNSS站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，選取距離最近的4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的TCWV，進(jìn)行雙線性內(nèi)插即可得到GNSS業(yè)務(wù)站上空在該時(shí)刻的ERA5 PWV[9]。

2 BDS大氣可降水量反演

2.1 試驗(yàn)方案

目前BDS衛(wèi)星星座由BDS-2和BDS-3衛(wèi)星共同構(gòu)成，2022年1月1—7日文中所選4個(gè)GNSS業(yè)務(wù)站每天觀測(cè)到的BDS-2和BDS-3衛(wèi)星的數(shù)量分別為11顆(5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和1顆MEO衛(wèi)星)和8顆(均為MEO衛(wèi)星)。為了評(píng)估新一代BDS-3衛(wèi)星對(duì)水汽反演精度的影響，設(shè)計(jì)了BDS-2(只利用BDS-2衛(wèi)星)、BDS-3(只利用BDS-3衛(wèi)星)、BDS-2/3(利用BDS-2和BDS-3衛(wèi)星)等3種數(shù)據(jù)處理方案，采用PPP方法進(jìn)行水汽反演，將3種方案的水汽反演結(jié)果分別表示為BDS-2 PWV、BDS-3 PWV和BDS-2/3 PWV；分別以GPS PWV和ERA5 PWV為參考值，對(duì)上述3種方案反演的PWV進(jìn)行對(duì)比和分析。由于ERA5產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為1 h，因此文中選取試驗(yàn)時(shí)段(7 d)所有整小時(shí)歷元的PWV進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，以平均偏差、均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)和標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation, STD)作為數(shù)值指標(biāo)，對(duì)BDS PWV進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果和精度分析

2.2.1 BDS PWV誤差序列

以GPS PWV為參考值，4個(gè)GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)站連續(xù)7 d反演得到的BDS-2 PWV、BDS-3 PWV和BDS-2/3PWV結(jié)果相對(duì)于GPS PWV的誤差序列如圖2所示。可知，只利用BDS-2衛(wèi)星反演的BDS-2 PWV相對(duì)于GPS PWV的誤差較大且很不穩(wěn)定，其原因應(yīng)與BDS-2衛(wèi)星星座的構(gòu)成有關(guān)，4個(gè)測(cè)站觀測(cè)到的BDS-2衛(wèi)星中僅有1顆MEO衛(wèi)星，其余均為GEO、IGSO等高軌衛(wèi)星，由此組成的衛(wèi)星定位幾何圖形強(qiáng)度較弱以及GEO衛(wèi)星軌道誤差較大等因素，嚴(yán)重影響了PPP水汽反演的精度；而利用新一代BDS-3衛(wèi)星反演得到的BDS-3 PWV和BDS-2/3 PWV相對(duì)于GPS PWV的誤差較小且穩(wěn)定，明顯優(yōu)于BDS-2 PWV結(jié)果。

圖2 BDS PWV相對(duì)于GPS PWV的誤差序列

2.2.2 BDS PWV誤差統(tǒng)計(jì)

分別以GPS PWV和ERA5 PWV為參考值，將上述4個(gè)GNSS業(yè)務(wù)站反演的BDS-2 PWV、BDS-3 PWV和BDS-2/3 PWV的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而對(duì)新一代BDS-3衛(wèi)星反演PWV的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2為各GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)站不同方案反演的BDS PWV相對(duì)于GPS PWV的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，只利用BDS-2衛(wèi)星反演PWV的平均偏差較大，標(biāo)準(zhǔn)差和均方根誤差為2～4 mm。而利用新一代BDS-3衛(wèi)星反演得到的BDS-3 PWV和BDS-2/3 PWV結(jié)果基本一致，4個(gè)測(cè)站的平均偏差為0.4～0.9 mm，STD為0.6～0.9 mm，RMSE為0.7～1.2 mm，該結(jié)果與GPS PWV的一致性較好，明顯優(yōu)于BDS-2 PWV，驗(yàn)證了新一代BDS-3衛(wèi)星對(duì)于提高BDS水汽反演精度的貢獻(xiàn)。

表2 BDS PWV相對(duì)于GPS PWV的誤差統(tǒng)計(jì) mm

表3為各GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)站不同方案反演的BDS PWV相對(duì)于ERA5 PWV的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，只利用BDS-2衛(wèi)星反演PWV的平均偏差均為負(fù)值且數(shù)值較大，存在明顯的系統(tǒng)性誤差影響；其平均的標(biāo)準(zhǔn)差和均方根誤差分別為3.1 mm和3.5 mm，精度較差。而利用新一代BDS-3衛(wèi)星反演得到的BDS-3 PWV和BDS-2/3 PWV結(jié)果基本一致，4個(gè)測(cè)站的平均偏差僅為0.2 mm，平均STD和平均RMSE均約為1.6 mm，該結(jié)果與ERA5 PWV的一致性較好，明顯優(yōu)于BDS-2 PWV，進(jìn)一步驗(yàn)證了新一代BDS-3衛(wèi)星對(duì)于提高BDS水汽反演精度的貢獻(xiàn)。

表3 BDS PWV相對(duì)于ERA5 PWV的誤差統(tǒng)計(jì) mm

圖3給出了4個(gè)GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)站BDS-2 PWV、BDS-3 PWV和BDS-2/3PWV相對(duì)于GPS PWV和ERA5 PWV的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值對(duì)比情況。由圖3可知，BDS PWV相對(duì)GPS PWV和ERA5 PWV的平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根誤差均存在一定差異，這是由于不同數(shù)據(jù)源反演的水汽之間存在一定的系統(tǒng)性偏差影響所致。但是，無(wú)論是相對(duì)于GPS PWV，還是ERA5 PWV，利用新一代BDS-3衛(wèi)星反演PWV的精度均得到大幅度提升，且BDS-2/3 PWV的精度略優(yōu)于BDS-3 PWV；由于4個(gè)GNSS業(yè)務(wù)站觀測(cè)的BDS-2衛(wèi)星大部分為GEO和IGSO衛(wèi)星，因此該結(jié)果也從一定程度上驗(yàn)證了BDS混合星座對(duì)水汽反演精度的影響。

圖3 BDS PWV相對(duì)于GPS PWV和ERA5 PWV的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

利用中國(guó)沿海GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)系統(tǒng)在黃渤海沿岸的4個(gè)GNSS業(yè)務(wù)觀測(cè)站2022年連續(xù)7 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用PPP方法，開展了BDS PWV反演試驗(yàn)，并對(duì)新一代BDS-3衛(wèi)星對(duì)BDS水汽反演精度的影響進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

1)只利用BDS-2衛(wèi)星反演的BDS-2 PWV相對(duì)于GPS PWV的誤差較大且很不穩(wěn)定，其標(biāo)準(zhǔn)差和均方根誤差為2～4 mm，精度較差。

2)利用新一代BDS-3衛(wèi)星反演的BDS-3 PWV和BDS-2/3 PWV與GPS PWV和ERA5 PWV參考值均具有很好的一致性，其平均偏差分別為0.6 mm和0.2 mm，平均STD和RMSE分別優(yōu)于1.0 mm和1.6 mm，具有較高的精度，驗(yàn)證了新一代BDS-3衛(wèi)星對(duì)BDS水汽反演精度提升的貢獻(xiàn)；BDS-2/3 PWV的精度略優(yōu)于BDS-3 PWV，在一定程度上驗(yàn)證了BDS混合星座對(duì)水汽反演精度提升的影響。上述研究結(jié)果表明，利用新一代BDS-3衛(wèi)星反演的水汽數(shù)據(jù)能夠滿足氣象預(yù)報(bào)的精度要求，可以作為一種穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等氣象應(yīng)用提供高精度和高時(shí)空分辨率的PWV產(chǎn)品。