應(yīng)用超快星歷進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報的可行性研究

張忠龍，施 昆

（昆明理工大學(xué)，昆明 650093）

1 引言

自文獻(xiàn)［1］提出用地基全球定位系統(tǒng) （global positioning system，GPS）探測大氣水汽含量技術(shù)后，GPS技術(shù)在氣象學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到人們的關(guān)注，并因此誕生了一門新興的交叉學(xué)科，稱為GPS氣象學(xué)。GPS技術(shù)用于數(shù)值天氣預(yù)報，主要是利用GPS觀測數(shù)據(jù)，通過GPS基線解算得到測站天頂對流層總延遲 （tropospheric zenith total delay，ZTD），進(jìn)而計(jì)算出測站上方可降水量的大?。?］。在GPS數(shù)據(jù)處理過程中，影響ZTD估算的因子不少，其中最主要的影響因素是GPS衛(wèi)星軌道精度［3］，而GPS衛(wèi)星軌道精度是由衛(wèi)星星歷精度決定的。目前，利用最終精密星歷地基靜止平臺GPS測量水汽含量的精度可達(dá)1mm，完全可以滿足數(shù)值天氣預(yù)報的要求［4］。人們在進(jìn)行GPS資料反演大氣可降水量的實(shí)踐中，大多選擇使用高精度的國際全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù) （international GNSS service，IGS）精密星歷來進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)處理。然而IGS精密星歷延遲為13d。雖然精度滿足了數(shù)值天氣預(yù)報的需求，但I(xiàn)GS精密星歷時間分辨率太低，不能滿足數(shù)值天氣預(yù)報對高時間分辨率的需要。IGS中心于2000年開始提供超快星歷，延遲僅為3h。隨著IGS服務(wù)的逐漸完善，超快星歷的外推精度也有極大的提高。超快星歷的精度介于預(yù)報星歷和IGS精密星歷之間。這意味著利用超快星歷的預(yù)報軌道和預(yù)報鐘差在一定程度上能滿足某些特定用戶的需求［5］。超快星歷在時間分辨率上完全滿足了數(shù)值天氣預(yù)報的要求，但精度是否能滿足數(shù)值天氣預(yù)報的需要，本文將對該問題作進(jìn)一步的探討。

本文提出采用超快星歷來解算可降水量（precipitation water vapor，PWV），并將超快星歷解算的PWV與IGS精密星歷解算的PWV和無線電探空數(shù)據(jù)計(jì)算的PWV進(jìn)行比較分析，研究超快星歷用于數(shù)值天氣預(yù)報的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有：5個IGS永久跟蹤站（BJFS、KUNM、WUHN、SHAO、LHAZ）2012年第63天、171天的觀測數(shù)據(jù)，采樣間隔為30s，每個時段觀測24h，其中基線最長的是BJFS－KUNM，約為2 020km，最短基線是SHAO－WUHN，約為657km。衛(wèi)星截止高度角為10°；BJFS站和 WUHN站的實(shí)測地面氣象數(shù)據(jù)文件 （MET文件）和無線電探空氣象數(shù)據(jù)；2012年第63、171天的IGS精密星歷文件和IGU超快星歷文件。

3 方法和步驟

GAMIT是基線解算精度最高的軟件之一，在使用IGS精密星歷參與解算時，對流層的結(jié)算精度可達(dá)到5mm，轉(zhuǎn)化為降水量約為1mm［4］。采用GAMIT軟件對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可解算出GPS可降水量。處理過程主要有：1）由GAMIT軟件根據(jù)GPS觀測數(shù)據(jù)解算出天頂總延遲量ZTD；2）根據(jù)天頂靜力學(xué)延遲模型由地面實(shí)測氣壓值計(jì)算出天頂靜力延遲量ZHD；3）用天頂總延遲量減去天頂靜力延遲量而獲得濕延遲量，即ZWD＝ZTDZHD；4）根據(jù)地面實(shí)測氣溫資料由Bevis經(jīng)驗(yàn)公式算出加權(quán)平均溫度Tm；5）根據(jù)Tm算出水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)Π；6）根據(jù)Businger公式反演出GPS遙感的可降水量。為了提高GAMIT處理精度，采用了GPS雙差組合觀測值和定軌、定位的數(shù)據(jù)處理模式，在測站先驗(yàn)坐標(biāo)文件lfile中輸入上述5個IGS測站的已知精確坐標(biāo)，在sittbl.表中對每個站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行毫米級的緊約束，每1分鐘估計(jì)一次對流層參數(shù)。同時采用GAMIT軟件中多種改正模型，如天線相位中心改正模型ELEV、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)模型IERS2003、對流層延遲改正模型SAAS、對流層映射函數(shù)模型VMF1，溫度和氣壓計(jì)算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虶PT，對流層參數(shù)估計(jì)模型PWL（分段線形法），以及固體潮汐改正模型和電離層改正等。

盡管目前探空觀測存在不足，但仍是檢驗(yàn)其他探測工具觀測結(jié)果的基準(zhǔn)。為了進(jìn)一步比較超快星歷解算可降水量的精度，本文介紹無線電探空資料計(jì)算大氣可降水量的方法。根據(jù)PWV的定義，利用探空資料計(jì)算PWV的公式為［6］

式中，Δzi為某一層氣柱的厚度，Pωi和Ti為該層的平均水汽壓和平均溫度，而Pωi的值可以按指數(shù)內(nèi)插的方法從相鄰兩層的資料求得，n為探空觀測層數(shù)。

4 超快星歷解算PWV的精度分析

已有研究表明［7］，由 GPS資料反演解算的PWV和根據(jù)實(shí)測探空資料計(jì)算的PWV值有非常好的一致性，如果利用精密星歷進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)處理，則兩者之間的差異小于1mm，通常PWV值的范圍約為0－60mm。因此，可以視利用精密星歷解算的PWV為真值，用于和超快星歷解算的PWV進(jìn)行比較分析。研究每個歷元時刻超快星歷解算PWV與IGS精密星歷解算PWV的差異，以及各歷元時刻超快星歷解算PWV的標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理過程和GAMIT軟件參數(shù)設(shè)置，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)和測站實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，采用IGS精密星歷和超快星歷分別計(jì)算出2012年第63天、第171天WUHN和BJFS站每個歷元時刻的PWV，見圖1所示。以IGS精密星歷計(jì)算的各歷元時刻的PWV為真值，統(tǒng)計(jì)兩種星歷解算PWV的差異，見表1所示；基于誤差分析理論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，計(jì)算出采用超快星歷解算PWV的標(biāo)準(zhǔn)差，見圖2所示。為了進(jìn)一步研究超快星歷解算PWV的精度，以無線電探空數(shù)據(jù)計(jì)算的PWV作為真值，得出超快星歷解算的PWV與探空PWV的差異，見圖1、表2所示。

4.1 超快星歷解算PWV與精密星歷解算PWV的比較分析

圖1給出了分別采用IGS精密星歷和超快星歷解算可降水量的變化曲線，由圖1可知，用超快星歷解算可降水量的精度很高，在一天的各個歷元時刻，由超快星歷解算的可降水量與IGS精密星歷解算的可降水量變化趨勢一致。在圖1（c）、圖1（d）中，每天兩端的可降水量曲線出現(xiàn)了明顯的折點(diǎn)，初步分析這主要是由于端點(diǎn)效應(yīng)引起的［8-9］。表1是由兩種星歷解算的可降水量的差值，由表1可知，與IGS解算的可降水量比較，采用超快星歷計(jì)算的可降水量的絕對值最大差值為0.68mm，絕對值最小差值為0mm，絕對值平均差值均小于0.2mm，因此，在同等解算條件下，每個歷元時刻采用超快星歷解算的可降水量與IGS精密星歷解算的可降水量基本相等，其差值在多數(shù)歷元時刻都可忽略不計(jì)。圖2顯示了每個歷元時刻采用超快星歷解算可降水量的標(biāo)準(zhǔn)差大小，亦即是超快星歷解算可降水量的精度，圖2的曲線表明，以各個歷元時刻IGS精密星歷解算的可降水量值作為真值，2012年第63天、第171天每個歷元時刻WUHN和BJFS兩個測站采用超快星歷解算PWV的標(biāo)準(zhǔn)差都介于0－0.45mm之間，進(jìn)一步證明了超快星歷解算可降水量達(dá)到了IGS解算可降水量的精度，對圖1、表1、圖2的分析表明，在相同條件下，與采用IGS精密星歷解算的可降水量比較，采用超快星歷解算可降水量的精度完全滿足了數(shù)值天氣預(yù)報的要求。

圖1 2012年第63天、第171天WUHN和BJFS兩個測站超快星歷解算的PWV與精密星歷解算的PWV、探空資料計(jì)算的PWV比較圖

圖2 2012年第63天、第171天WUHN和BJFS站采用超快星歷計(jì)算PWV的標(biāo)準(zhǔn)差

表1 2012年第63天、第171天WUHN和BJFS站超快星歷解算的PWV與精密星歷解算的PWV的差值絕對值比較

表2 超快星歷解算的PWV值與探空數(shù)據(jù)計(jì)算PWV值之差

4.2 超快星歷解算PWV與無線電探空數(shù)據(jù)計(jì)算PWV的比較分析

氣象臺每天發(fā)射兩次無線電探空氣球，每天相應(yīng)的可降水量觀測值也只有兩個。為了便于比較，選用每天8點(diǎn)和20點(diǎn)的高空探測可降水量值和相應(yīng)時刻由超快星歷解算的可降水量值比較。圖1中的離散點(diǎn)給出了每天8點(diǎn)和20點(diǎn)由探空數(shù)據(jù)計(jì)算的PWV值，表2顯示了在這兩個時刻超快星歷解算PWV與探空數(shù)據(jù)計(jì)算PWV的差異。

從表2可知，最大差值為0.7mm，最小為－0.79mm，表中差值都介于±1mm以內(nèi)。由此可以得出以下結(jié)論，利用超快星歷解算的可降水量與實(shí)測探空可降水份差異不大，解算精度很高，進(jìn)一步證明了采用超快星歷解算可降水量完全滿足了數(shù)值天氣預(yù)報的精度要求。

5 結(jié)束語

超快星歷的時間延遲僅為3h，時間分辨率高，滿足了數(shù)值天氣預(yù)報對星歷數(shù)據(jù)高時間分辨率的要求。利用超快星歷解算可降水量的精度高，誤差在±1mm以內(nèi)，完全可以滿足數(shù)值天氣預(yù)報的需要。在實(shí)際中，可以利用超快星歷進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時的數(shù)值天氣預(yù)報。

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