PLAOD支持下高時(shí)間分辨率的可降水量分析

葛玉輝,熊永良,徐韶光,李新忠

(1. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251; 2. 西南交通大學(xué)測(cè)繪工程系，四川 成都 611756)

GE Yuhui,XIONG Yongliang,XU Shaoguang,LI Xinzhong

PLAOD支持下高時(shí)間分辨率的可降水量分析

葛玉輝1,熊永良2,徐韶光2,李新忠2

(1. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251; 2. 西南交通大學(xué)測(cè)繪工程系，四川 成都 611756)

Analysis of PWV for High Temporal Resolution Based on PLAOD

GE Yuhui,XIONG Yongliang,XU Shaoguang,LI Xinzhong

摘要：針對(duì)短期臨近天氣和氣象業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)，為了更好地分析和提供實(shí)時(shí)的可降水量(PWV)，獲取高時(shí)間分辨率的GPS可降水量數(shù)據(jù)，本文選用PLAOD數(shù)據(jù)處理軟件，可實(shí)現(xiàn)30 s采樣間隔的對(duì)流層延遲近實(shí)時(shí)解算。以武漢站為例，分別用PLAOD和GAMIT取1 h的時(shí)間分辨率對(duì)解算出的可降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了PLAOD軟件的可靠性和實(shí)用性。

引文格式： 葛玉輝,熊永良,徐韶光,等. PLAOD支持下高時(shí)間分辨率的可降水量分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(9)：51-53.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0277

關(guān)鍵詞：可降水量(PWV)；PLAOD；GAMIT；對(duì)比試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：P22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)09-0051-03

收稿日期：2014-08-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41274044)

作者簡(jiǎn)介：葛玉輝(1986—)，男，碩士生，主要從事高精度GNSS數(shù)據(jù)處理、GNSS氣象學(xué)等方面的研究。E-mail:geyuhui923@126.com

一、引言

水汽是大氣中的一種主要成分，也是大氣變化中唯一能夠發(fā)生相變的成分，在天氣變化中非常重要，也是現(xiàn)代科學(xué)研究關(guān)注的熱點(diǎn)。由于實(shí)時(shí)水汽分布在微氣象學(xué)、全球氣候變化、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)、InSAR大氣改正等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值，因此利用GNSS(global navigation satellite system)獲取水汽與預(yù)報(bào)水汽具有重要意義。目前獲取水汽已趨于成熟，而水汽的預(yù)報(bào)仍然有待研究。水汽無(wú)論是在時(shí)間還是地域分布都存在著不均勻性，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的難度較大，不少學(xué)者采取各種方法來(lái)探索準(zhǔn)確預(yù)報(bào)水汽的方法。對(duì)于短臨天氣預(yù)報(bào)，反演大氣可降水汽量一般選用30 min、15 min間隔，有的間隔甚至更短，即所謂“第一時(shí)間”提供一次水汽含量資料，目前GPS可降水量的數(shù)據(jù)未能滿足該需求[1]。為了更好地分析和提供實(shí)時(shí)的可降水量數(shù)據(jù)，在短期氣象臨近預(yù)報(bào)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用方面獲取高時(shí)間分辨率的GPS可降水量數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)代氣象學(xué)和短期水汽預(yù)測(cè)具有重要的理論意義和實(shí)用參考價(jià)值。

由于可降水量與天頂對(duì)流層延遲的解算結(jié)果密切相關(guān)，因此如何從GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)中解算出高精度的對(duì)流層延遲(ZTD)顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外常用的實(shí)現(xiàn)估算對(duì)流層天頂延遲功能的GPS定軌定位數(shù)據(jù)處理軟件主要有GAMIT、GIPSY、BERNESE和PANDA等[2]。中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所的李軍等[3]選取東亞地區(qū)13個(gè)GPS

點(diǎn)2002年84天的觀測(cè)資料，分別用Bernese、GAMIT和GIPSY 3種軟件進(jìn)行試驗(yàn)和比較分析，得出了GIPSY和GAMIT的解算結(jié)果差異較小，而B(niǎo)ernese與GIPSY和GAMIT兩種軟件解算結(jié)果差別比較大，其中GAMIT數(shù)據(jù)處理軟件和IGS更為一致的結(jié)論。針對(duì)大氣可降水量的近實(shí)時(shí)解算需要，本文利用由西南交通大學(xué)測(cè)繪工程系GNSS聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的PLAOD(precise location and orbit determination)高精度數(shù)據(jù)處理軟件，可實(shí)現(xiàn)30 s采樣間隔的對(duì)流層延遲近實(shí)時(shí)解算。選取武漢站2013年8月1號(hào)IGS站精密星歷、氣象數(shù)據(jù)等，分別用PLAOD和GAMIT取1 h的時(shí)間分辨率對(duì)解算出的可降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，以驗(yàn)證PLAOD軟件的可靠性和實(shí)用性。

二、PLAOD數(shù)據(jù)處理軟件

PLAOD高精度數(shù)據(jù)處理軟件是由西南交通大學(xué)測(cè)繪工程系GNSS聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的，是一個(gè)用于GNSS定位和數(shù)據(jù)分析的軟件包，它的全稱是精密定位和軌道確定。開(kāi)發(fā)PLAOD最初是為了獲取對(duì)流層延遲，后來(lái)發(fā)展成可獲取定位目標(biāo)的精密坐標(biāo)及其他副產(chǎn)品。定位目標(biāo)可以是靜止的GNSS臺(tái)站，也可以是高速運(yùn)動(dòng)的低軌衛(wèi)星,它所采用的算法遵循標(biāo)準(zhǔn)精密單點(diǎn)定位算法[4]。經(jīng)過(guò)加入各種模型改正,通過(guò)卡爾曼濾波平差得到單天解，與IGS最終坐標(biāo)相比，所獲取結(jié)果的精度在1 cm左右，其模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PLAOD高精度數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)構(gòu)[4]

1. PLAOD軟件數(shù)據(jù)解算操作步驟

1) 準(zhǔn)備觀測(cè)文件(30 s采樣率)、精密星歷文件(第二天第一個(gè)歷元的星歷附在文件末尾)、衛(wèi)星鐘差文件，其中星歷可以采用分機(jī)構(gòu)的星歷，衛(wèi)星鐘差可用5 min的或30 s的,建議采用30 s的。

2) 點(diǎn)擊Read Obs按鈕選取要處理的數(shù)據(jù)。

3) 選取最終星歷(Final)或包星歷(Predict)，然后點(diǎn)擊Read SP3。

4) 點(diǎn)擊Read Clk讀取鐘差文件。

5) 選擇Static選項(xiàng)。

6) 點(diǎn)擊Kalman Filter進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，下面綠色的進(jìn)度條完成表示數(shù)據(jù)處理完畢。

7) 生成的文件結(jié)果在自己建立的文件夾(F:leotest)下，格式為yyyymmddmakeppp.txt。

8) 生成的結(jié)果解算出大氣對(duì)流層延遲和可降水汽。

2. PLAOD軟件數(shù)據(jù)解算結(jié)果

通過(guò)以上操作即可求出GPS對(duì)流層延遲，取2013年8月1號(hào)武漢站GPS資料和IGS氣象站數(shù)據(jù)及超快預(yù)報(bào)星歷，用PLAOD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采樣率取30 s一個(gè)歷元，解算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　2013年8月1日武漢站30 s間隔的GPS數(shù)據(jù)解算結(jié)果

注：CLK為接收機(jī)鐘差；ZTD為天頂總延遲；Sigma為對(duì)流層中誤差；GR-NS為對(duì)流層南北方向梯度；GR-EW為對(duì)流層?xùn)|西方向梯度；N—atm為北方向與對(duì)流層的相關(guān)系數(shù)；E—atm為東方向與對(duì)流層的相關(guān)系數(shù)；U—atm為高程方向與對(duì)流層的相關(guān)系數(shù)；DT—atm為接收機(jī)鐘差與對(duì)流層的相關(guān)系數(shù)。

用PLAOD數(shù)據(jù)處理軟件解可算出高時(shí)間分辨率的GPS對(duì)流層延遲，并結(jié)合氣壓、溫度或測(cè)站地理坐標(biāo)計(jì)算出靜力學(xué)延遲，由對(duì)流層延遲和靜力學(xué)延遲之差得到對(duì)流層濕延遲，利用可降水量轉(zhuǎn)換模型，得出高時(shí)間分辨率的可降水量。

三、實(shí)例分析

以武漢站2013年8月1日GPS可降水汽量數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，通過(guò)武漢站的GPS觀測(cè)資料，外加上海站和拉薩站2個(gè)輔助站，利用GAMIT軟件取1 h的時(shí)間間隔解算得到對(duì)流層延遲，結(jié)合同一時(shí)間的氣象數(shù)據(jù)得到GPS可降水量數(shù)據(jù)，作為本次試驗(yàn)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，另外用PLAOD軟件同樣取1 h的時(shí)間分辨率對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出對(duì)流層延遲，并結(jié)合地區(qū)氣象數(shù)據(jù)、可降水量轉(zhuǎn)化模型，最終算出降水量數(shù)據(jù)并做對(duì)比試驗(yàn)。其PLAOD和GAMIT可降水量結(jié)果對(duì)比值見(jiàn)表2和圖2，PLAOD和GAMIT可降水量結(jié)果殘差值見(jiàn)圖3。

表2　PLAOD和GAMIT可降水量解算結(jié)果對(duì)比值　mm

從表2和圖2可以看出，PLAOD和GAMIT可降水量解算結(jié)果對(duì)比值很接近，兩種軟件計(jì)算的可降水量結(jié)果絕對(duì)值最大值為2.6 mm，最小值為0.04 mm，絕對(duì)值平均值為1.09 mm。從圖3可以看出，序列1和序列2的誤差較大，其他序列誤差比較均勻。這是由于PLAOD數(shù)據(jù)處理軟件開(kāi)始時(shí)模糊度沒(méi)有收斂而造成的。

圖2　PLAOD和GAMIT可降水量解算結(jié)果對(duì)比

圖3　PLAOD和GAMIT可降水量殘差對(duì)比

四、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于短臨天氣預(yù)報(bào)，反演大氣可降水量一般選用30 min、15 min間隔，有的間隔甚至更短，這樣才能反映水汽快速變化的特性，以滿足對(duì)中、小尺度惡劣天氣進(jìn)行短臨預(yù)報(bào)的需要。針對(duì)大氣可降水量的近實(shí)時(shí)解算需要，本文采用PLAOD高精度數(shù)據(jù)處理軟件可實(shí)現(xiàn)30 s采樣間隔的高時(shí)間分辨率對(duì)流層延遲近實(shí)時(shí)解算。為了驗(yàn)證PLAOD軟件的可靠性和實(shí)用性，選取武漢站2013年8月1日IGS站精密星歷、氣象數(shù)據(jù)等，分別用PLAOD和GAMIT取1 h的分辨率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。兩種軟件計(jì)算的可降水量絕對(duì)值最大值為2.6 mm，最小值為0.04 mm，平均值為1.09 mm，表明PLAOD軟件具有足夠的精度來(lái)計(jì)算對(duì)流層延遲，滿足了可降水汽預(yù)報(bào)研究所需的高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)的要求。對(duì)GPS可降水量短期預(yù)測(cè)，快速、準(zhǔn)確地獲取GPS氣象學(xué)在短期天氣預(yù)報(bào)的應(yīng)用具有實(shí)用參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王勇，劉嚴(yán)萍.地基GPS氣象學(xué)原理與應(yīng)用研究[M].北京：測(cè)繪出版社，2012.

[2]李國(guó)平.地基GPS氣象學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]李軍，高詠梅.GAMIT、GIPSY和BERNESE軟件解算結(jié)果的比較研究[J].全球定位系統(tǒng),2010(3)：4-8.

[4]XU Shaoguang，XIONG Yongliang，LIU Ning， et al. Status and Progress of PLAOD[C]∥The International Symposium on GPS/GNSS 2012.Xi’an：[s.n.], 2012.

[5]葛茂榮，劉經(jīng)南. PC-GAMIT軟件及其應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，1997(2)：21-23.

[6]陳俊勇.地基GPS遙感技術(shù)中的誤差分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1998,27(2)：113-118.

[7]陳永奇，劉焱雄，王曉亞，等. 香港實(shí)時(shí)GPS水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2007，36(1)：9-12.

[8]李征航，徐曉華，羅佳，等.利用GPS觀測(cè)反演三峽地區(qū)對(duì)流層濕延遲的分布及變化[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2003,28(4)：393-396.

[9]谷曉平. GPS水汽反演及降雨預(yù)報(bào)方法研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[10]何平，徐寶祥，周秀驥，等.地基GPS反演大氣水汽總量的初步試驗(yàn)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2002,13(2)：179-183.

[11]徐韶光，熊永良，劉寧，等.利用地基GPS獲取實(shí)時(shí)可降水量[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2011，36(4)：407-411.

[12]廖超明, 馬艷, 潘元進(jìn), 等.廣西區(qū)域現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變的GPS監(jiān)測(cè)分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào), 2015, 44 (8): 858-865.

[13]王小亞，朱文耀，嚴(yán)豪健，等.地面GPS探測(cè)大氣可降水量的初步結(jié)果[J].大氣科學(xué),1999,23(5):605-612.

[14]宋淑麗，朱文耀，丁金才，等.上海GPS綜合應(yīng)用網(wǎng)對(duì)可降水汽量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及其改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)初始場(chǎng)的試驗(yàn)[J].地球物理學(xué)報(bào),2004,47(4)：631-638.

[15]姜衛(wèi)平, 夏傳義, 李昭, 等.環(huán)境負(fù)載對(duì)區(qū)域GPS基準(zhǔn)站時(shí)間序列的影響分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43 (12): 1217-1223.