基于GNSS的中國大陸地區COSMIC-2 PWV精度分析

王 勇 黃 靖 占 偉 劉尚欽 楊 軍

1 天津城建大學地質與測繪學院，天津市津靜路26號，300384

2 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢市徐東大街340號，430077

3 中國地震局第一監測中心，天津市耐火路7號，300180

4 蘭州交通大學測繪與地理信息學院，蘭州市安寧西路88號，730070

近年來極端天氣愈發頻繁，中國大陸地區的連續強降水天氣增多。PWV (precipitable water vapor)時空變化是引發極端降水的主要因素之一，在大氣能量傳輸和天氣系統演變中起著重要作用[1]。目前PWV探測手段主要包括無線電探空、 全球衛星導航系統(GNSS)、衛星遙感和無線電掩星技術，但是上述技術都存在一定的局限性。相比于衛星遙感，無線電掩星(radio occultation，RO)觀測受云雨影響較小，COSMIC-1是第一個設計用于氣候監測和天氣預報的無線電掩星任務。COSMIC-1 PWV具有高垂直分辨率、高精度、全天候、全球覆蓋等優點，彌補了常規氣象觀測手段在海洋、極區分布稀疏的不足[2]。COSMIC-2是一個由6顆LEO微型遙感衛星組成的網絡[3]，在熱帶和亞熱帶地區日觀測掩星事件超過5 000個，是COSMIC-1觀測掩星事件的數倍。目前已有研究利用地基GNSS、氣象再分析資料、無線電探空儀和氣象遙感數據來驗證COSMIC-1氣壓、溫度及反演PWV的精度和可用性[4]，但對COSMIC-2 PWV產品的研究較少。Johnston等[5]證實了COSMIC-2作為熱帶和副熱帶對流層PWV獨立觀測數據集的有效性，有助于對極端天氣的監測預警；Chen等[6]研究發現，COSMIC-2 PWV在中國南海地區的精度較好，可直接用于惡劣天氣預測。由于COSMIC-2發射時間不長，目前鮮有對其反演的PWV精度，特別是在中國大陸地區的精度進行研究。評估COSMIC-2 PWV在中國大陸地區的精度，對于我國應用COSMIC-2 PWV產品進行極端天氣預警具有重要價值。

本文利用中國地殼運動觀測網絡(Crustal Movement Observation Network of China,CMONOC)觀測數據和COSMIC-2產品開展COSMIC-2 PWV在中國大陸地區的精度分析，時間跨度為2020-01-01～12-31。將GNSS站點按照氣候類型劃分為5個區域，依托GNSS站點PWV序列，從站間距離和高程2個角度開展COSMIC-2掩星點與GNSS站點PWV匹配方案設計。分別針對中國大陸地區、不同氣候類型和部分代表站點開展COSMIC-2精度評定，以期為COSMIC-2在中國大陸地區的應用提供參考。

1 研究數據

1.1 COSMIC-2 PWV

COSMIC-2 PWV數據來源于UCAR的COSMIC數據分析和存檔中心CDAAC(https:∥www.cosmic.ucar.edu/)，該網站可提供COSMIC-2的Level-2 wetPf2數據。COSMIC-2 wetPf2產品包括大氣壓、水汽壓、平均海平面高度和比濕大氣廓線等氣象數據，根據這些氣象資料可計算出掩星點的PWV[7]:

(1)

式中，p為大氣壓，ps為地表氣壓，q為比濕度，g為引力常數。

由于COSMIC-2 PWV產品受高程影響較大，需要將COSMIC-2掩星點的PWV值改正到對應GNSS站點的高程，PWV改進公式為[8]：

(2)

式中，PWV0為COSMIC-2高程改正前的PWV值，PWV為COSMIC-2高程改正后的PWV值，C2為常數(0.439)，Δh為COSMIC-2掩星點與相應GNSS站點的高程差。

1.2 GNSS PWV

GNSS PWV計算過程為：首先針對CMONOC網絡GNSS觀測數據，采用精密星歷，通過GAMIT軟件解算獲得天頂對流層延遲ZTD，解算模式為RELAX模式，截止高度角設為10°，采用 GMF 映射函數；然后使用 GAMIT 默認水平梯度，解算設置為25，每1 h估計一次ZTD。靜力學延遲ZHD可由氣象觀測要素和測站坐標計算獲得，對流層濕延遲ZWD由ZTD減去ZHD獲得，經轉換可獲得PWV[9]。針對GNSS PWV時間序列，刪除顯著異常值或小于0的PWV值。CMONOC計算的GNSS PWV與無線電探空PWV的均方根誤差在2 mm左右[10]，可用于評估COSMIC-2 PWV精度。

2 COSMIC-2掩星點與GNSS站點匹配方案設計

COSMIC-2掩星點與GNSS站點位置不完全重合，為開展COSMIC-2 PWV與GNSS PWV的比較實驗，需要進行COSMIC-2掩星點與GNSS站點的匹配方案設計。中國大陸地區不僅地形復雜，氣候類型也具有多樣性，故將中國大陸地區按照氣候類型劃分為5個區域。本文采用水平距離50 km、70 km和100 km，高程500 m和1 km，時間間隔統一為1 h為匹配原則(表1)。

表1 匹配方案設計

為尋找適用于中國大陸地區的匹配方案，對研究區內5個不同氣候類型進行匹配方案比較(圖1)。

由圖1可知，不同氣候類型的COSMIC-2與GNSS PWV的距離和高程不同，COSMIC-2 PWV精度也不同，說明在中國大陸地區有必要根據不同的氣候類型選擇不同的匹配方案。由圖1(a)可知，在高原山地區域，COSMIC-2 PWV精度在不同的匹配方案下RMSE為1～1.5 mm，此區域選用相對寬松的第6種匹配方式。由圖1(b)可知，在熱帶季風區域，匹配原則對精度影響較大，在第2種與第3種匹配方式之間出現了RMSE的突然升高，且在第3種匹配方式下COSMIC-2 PWV與GNSS PWV的RMSE誤差大于3 mm，而第1種匹配方式太過嚴格導致GNSS與COSMIC-2匹配的對數較少，故此區域本文選用第2種匹配方式。由圖1(c)可知，在溫帶大陸區域第3種與第4種方案的精度較高且相差不大，因此選用第4種匹配方案。由圖1(d)可知，對于溫帶季風區域，方案5為最佳匹配方案。由圖1(e)可知，在亞熱帶季風氣候區域，在相同的水平距離下高程距離對COSMIC-2反演的PWV精度影響較大，但在相同的高程距離下水平距離對COSMIC-2反演的PWV精度影響較小，綜合考慮該區域選用匹配方式5。

3 COSMIC-2 PWV精度評定

3.1 中國大陸地區COSMIC-2 PWV精度評定

依據§2的匹配原則，當地面GNSS站點彼此靠近時，可能會出現某掩星點與不同地面GNSS站點重復匹配的現象，此類重復數據僅保留與掩星點最為接近的GNSS站點數據，COSMIC-2與GNSS PWV最終匹配得到1 742個樣本對。

根據COSMIC-2 PWV和GNSS PWV樣本對數據，按照氣候類型和站點分布計算不同氣候類型區域GNSS站點位置對應的COSMIC-2 PWV均方根誤差RMSE(圖2)。

由圖2可知，不同氣候類型地區COSMIC-2 PWV精度差異較大，其中高原山地氣候和溫帶大陸氣候類型區域的精度最高，誤差范圍集中在0～2 mm。溫帶季風氣候類型區域精度分布不均，我國東北區域的精度優于2 mm，而中部省份(山東省、河北省南部和河南省)等區域的精度為2～3 mm。亞熱帶季風氣候區域的RMSE為2～4 mm，存在明顯的區域差異，內陸區域COSMIC-2 PWV誤差為2～3 mm，東南沿海區域PWV誤差為3～4 mm，這可能與東南沿海地區PWV值較大、容易出現超折射現象有關。熱帶季風氣候區域精度最差，因為該區域PWV值較高，且極容易受天氣的影響，頻繁降水導致PWV值波動較大，造成COSMIC-2 PWV誤差較大。

3.2 不同氣候類型區域COSMIC-2 PWV精度評定

COSMIC-2 PWV精度與氣候類型密切相關，按照氣候類型計算COSMIC-2 PWV與GNSS PWV的RMSE和平均偏差(表2)。

表2 不同氣候類型COSMIC-2 PWV精度

由表2可知，5種氣候類型中，高原山地(1.40 mm)和溫帶大陸(1.49 mm)區域COSMIC-2 PWV與GNSS PWV的RMSE優于1.5 mm，溫帶季風區域次之(2.68 mm)。亞熱帶季風和熱帶季風氣候區域，COSMIC-2 PWV的RMSE均大于3 mm，誤差大于其他氣候區域。高原山地和溫帶大陸氣候區域精度高的原因是總體PWV值偏低。熱帶季風氣候類型區域精度差主要原因是區域全年PWV值偏高，頻繁降雨導致近地層PWV值較大，PWV改正公式改正效果有限。亞熱帶季風氣候區域誤差大的原因主要是部分GNSS站點位于沿海城市，與GNSS站點匹配的COSMIC-2掩星點有一部分分布于海洋區域，而海洋區域的COSMIC-2 PWV要大于陸地區域PWV。

4 結 語

本文利用CMONOC站點PWV序列，分別針對中國大陸地區、不同氣候類型和部分代表站點開展COSMIC-2精度評定。結論如下：

1)從站間距離和高程2個角度開展COSMIC-2掩星點與GNSS站點PWV匹配方案設計，研究發現，不同氣候類型匹配方案存在差異；2)按照不同氣候類型進行分類，研究發現，COSMIC-2 PWV在高原山地、溫帶大陸、溫帶季風、亞熱帶季風和熱帶季風氣候類型的RMSE分別為1.40 mm、1.49 mm、2.68 mm、3.11 mm和3.16 mm。

本文僅對COSMIC-2 PWV進行了精度驗證，而COSMIC-2氣壓、溫度、水汽壓等氣象參數在中國大陸的精度有待評定，下一步將開展COSMIC-2的氣象參數評定及在氣象學中的應用研究。