基于珠海北斗CORS實(shí)時(shí)探測大氣可降水量

李秀龍，丁建勛，馬德富

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

基于珠海北斗CORS實(shí)時(shí)探測大氣可降水量

李秀龍*，丁建勛，馬德富

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

與傳統(tǒng)水汽探測手段相比，GNSS氣象技術(shù)具有精度與時(shí)空分辨率高、實(shí)時(shí)、連續(xù)、全天候、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文基于珠海北斗CORS(ZHBDCORS)，采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)(Precise Point Positioning，PPP)處理多模(北斗、GPS、GLONASS)GNSS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了大氣可降水量(precipitable water vapor，PWV)的實(shí)時(shí)探測。將連續(xù)6個(gè)月的PWV計(jì)算成果與ECMWF同期資料比較，平均偏差約為 1 mm，標(biāo)準(zhǔn)差不大于 3 mm，一致性較好。經(jīng)比對，極端天氣(臺風(fēng))下，PWV成果與實(shí)際水汽分布及其變化趨勢相符。

GNSS；珠海北斗CORS；大氣可降水量；精密單點(diǎn)定位技術(shù)；ECMWF；精度分析

1 引 言

大氣中水汽含量的常規(guī)觀測主要依賴于探空觀測和水汽輻射儀觀測等傳統(tǒng)方法，這些方法存在工作量大、設(shè)備昂貴、非全天候等缺點(diǎn)。例如，無線電探空儀的觀測成本較高，常規(guī)的觀測時(shí)間間隔為 6 h或 12 h；水汽輻射儀的設(shè)備費(fèi)用高；激光雷達(dá)不能全天候觀測等。

GNSS水汽探測根據(jù)搭載平臺的不同分為地基和空基兩種，本文探討地基探測法。地基GNSS水汽探測利用放置在地面上的GNSS接收機(jī)測量GNSS衛(wèi)星的信號縱向穿過大氣層到達(dá)地面時(shí)所引起的延遲量，進(jìn)而反演出對流層天頂方向或信號斜路徑上的水汽累積量[1]。采用地面GNSS設(shè)施進(jìn)行水汽觀測，可有效利用已有的GNSS連續(xù)運(yùn)行觀測站資源，無須其他硬件成本，是一種廉價(jià)的水汽觀測手段，且具備精度高等優(yōu)點(diǎn)。Rocken等(1997)對1996年4個(gè)月的美國中部的16個(gè)GPS站的準(zhǔn)實(shí)時(shí)的PWV進(jìn)行了檢驗(yàn)，與無線電探空儀進(jìn)行了比較，利用精密軌道計(jì)算的后處理和無線電探空資料計(jì)算得到的PWV差值的標(biāo)準(zhǔn)差為 1.3 mm，這表明這兩種技術(shù)得到的PWV屬于同一精度級別[2]。丁金才等(2003)對中國長三角洲地區(qū)的部分GPS PWV與無線電探空數(shù)據(jù)的PWV進(jìn)行了對比，標(biāo)準(zhǔn)差為 3.16 mm[3]。

2 珠海北斗CORS系統(tǒng)

珠海市位于廣東省珠江出?？诘奈鱾?cè)，全市沿海陸地和大片島嶼組成。由于獨(dú)特的地理位置等因素，這里濕潤多雨，尤其是在春夏季，受海洋季風(fēng)氣候影響，海洋水汽向內(nèi)陸輸送異?；钴S，臺風(fēng)、雷暴等災(zāi)害天氣較為常見。珠海北斗CORS是珠海市的市級CORS系統(tǒng)，是國內(nèi)較早建成的城市三模(北斗、GPS、GLONASS)實(shí)用型衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)由11個(gè)基站構(gòu)成，站網(wǎng)平均邊長小于 30 km，基本覆蓋珠海市包括廣闊海域在內(nèi)的海陸全境，為地方提供高精度的三維、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)服務(wù)。珠海北斗CORS站組網(wǎng)布局如圖1所示。

圖1 珠海北斗CORS站網(wǎng)示意圖(▲表示基站)

3 實(shí)時(shí)大氣可降水量獲取

地基GNSS氣象應(yīng)用中，計(jì)算PWV的方法主要有兩種：雙差(Double Difference，DD)方法和精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)方法[4]。在早期，雙差法解算模式被廣泛應(yīng)用，如利用GAMIT程序解算，但是該方法存在一定缺陷，對超過 500 km的長基線，解算精度會明顯降低，同時(shí)還需要具有高精度天頂PWV的參考站用來獲取其他測站點(diǎn)的天頂PWV。

在2010年前，由于高精度改正產(chǎn)品(衛(wèi)星軌道和鐘差)的延遲獲取等原因，無法獲取實(shí)時(shí)的水汽產(chǎn)品。2013年4月1日，IGS RTS正式上線，實(shí)時(shí)發(fā)布精密軌道和鐘差改正產(chǎn)品以及部分IGS GNSS跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)。通過IGS發(fā)布的實(shí)時(shí)精密軌道和鐘差改正產(chǎn)品結(jié)合自主解算的實(shí)時(shí)軌道和鐘差產(chǎn)品，使得用PPP技術(shù)來估算可降水量成為可能。

通過PPP技術(shù)可以估計(jì)出精確的ZTD，ZTD減去ZHD可以得到天頂濕延遲(Zenith Wet Delay，ZWD)，再通過轉(zhuǎn)換系數(shù)即可將ZWD轉(zhuǎn)換為PWV。ZWD與PWV存在著式(1)的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

PWV=Π*ZWD

(1)

(2)

(3)

在無探空資料的地區(qū)，大氣加權(quán)平均溫度無法積分獲得，本文采用全球加權(quán)平均溫度模型[6～8]計(jì)算Tm，將ZWD轉(zhuǎn)換為PWV。

在獲取到IGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流產(chǎn)品后，需要在廣播星歷軌道和鐘差計(jì)算值的基礎(chǔ)上進(jìn)行改正。粗差處理方面，利用在衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品中給出的各項(xiàng)估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差，基于其標(biāo)準(zhǔn)差并設(shè)置合適的閾值，采用傳統(tǒng)的粗差探測方法，可以有效探測和剔除。

珠海北斗CORS實(shí)時(shí)PWV探測系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)處理中心組成，氣象觀測設(shè)備可以通過約定的協(xié)議將氣象觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)播發(fā)到數(shù)據(jù)處理中心，每個(gè)登記在系統(tǒng)中的氣象記錄設(shè)備都包含位置屬性。在數(shù)據(jù)處理的過程中會選擇和基站最近的氣象設(shè)備獲取氣壓信息。在獲得所需的數(shù)據(jù)后會利用PPP模塊將ZWD隨同其他未知參數(shù)利用卡爾曼濾波一起估計(jì)，經(jīng)過一段時(shí)間收斂以后，即可獲得穩(wěn)定的ZWD估值，最后利用WGTEM模型計(jì)算的轉(zhuǎn)換系數(shù)將ZWD轉(zhuǎn)換為PWV，并以 5 min的采樣間隔輸出結(jié)果(可根據(jù)具體要求適當(dāng)加快輸出頻率)。

4 精度分析

利用ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心)大氣再分析資料與PPP探測PWV成果進(jìn)行比較分析。ECMWF是目前國際上做得比較好的再分析資料之一[9]。ECMWF自1979年8月1日開展運(yùn)行制作中期天氣預(yù)報(bào)，其提供的再分析數(shù)據(jù)具有空間分布廣、時(shí)間序列連續(xù)的優(yōu)勢。ECMWF ERA-interim 提供每日0：00、6：00、12：00、18：00的總水汽含量(Total Column Water Vapour)，與GNSS反演得到的PWV為同一氣象觀測量。由GNSS反演得到的PWV時(shí)間間隔為 5 min，較ECMWF而言大大提高了水汽產(chǎn)品的時(shí)間分辨率。在進(jìn)行比較時(shí)，本文只比較每日 0：00、6：00、12：00、18：00四個(gè)時(shí)刻的水汽含量值。

由于ECMWF提供的水汽含量為格網(wǎng)形式，并且參考高程為位勢高。在進(jìn)行比較時(shí)，需要進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換、高度歸算并內(nèi)插到GNSS位置[10]。

PWV隨高度呈指數(shù)遞減[11]，為此在進(jìn)行水汽高程歸算時(shí)采用以下公式：

PWVh2=PWVh1×e-(h2-h1)/2000

(4)

通過2016年5月13日～2016年11月14日的ECMWF資料，利用高程轉(zhuǎn)換公式計(jì)算GNSS站的位勢高，并得到周圍四個(gè)ECMWF格網(wǎng)點(diǎn)與GNSS站的高差，利用高程轉(zhuǎn)換公式將格網(wǎng)點(diǎn)上的水汽含量轉(zhuǎn)換至雙線性內(nèi)插，得到GNSS基站所在位置處的大氣可降水量數(shù)據(jù)，與珠海北斗CORS的10個(gè)基站(共11個(gè)基站，統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)1站故障)的同期觀測結(jié)果進(jìn)行比對，較差結(jié)果如表1所示。

珠海北斗CORS各基站PWV與ECMWF資料較差 表1

從表1可知，各基站數(shù)據(jù)與ECMWF相差很小，平均偏差約為 1 mm，標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在 2 mm～3 mm之間，總體一致性較好，精度均勻。其中SCHY站差值較大，是該站點(diǎn)觀測環(huán)境受附近山體與高樓影響，同時(shí)觀測數(shù)據(jù)不全，導(dǎo)致誤差較大，不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。除該站外，各站平均偏差最大為 1.14 mm，最小為 -0.13 mm。平均絕對誤差最大為 3.09 mm，最小為 2.74 mm。說明利用PPP解算PWV的精度較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)符合性較好。

另外，選取了具有代表意義的市區(qū)ZHGT站、郊區(qū)內(nèi)陸DMGT站和兩個(gè)海島站：珠江口內(nèi)側(cè)QIAO站、外側(cè)GUIS站的數(shù)據(jù)與ECMWF資料作圖比較，如圖2所示。

由圖2可知，各站ECMWF與GNSS的PWV觀測值相差很小，整體數(shù)據(jù)分布一致，說明地基GNSS計(jì)算PWV值能很好地符合ECMWF成果且精度較高。兩者之間沒有明顯系統(tǒng)性偏差。相比而言，無論市區(qū)站和海島站，其反演得到的PWV精度相當(dāng)，沒有由于觀測地點(diǎn)不同而出現(xiàn)明顯的不一致。

圖2 珠海4個(gè)基站與ECMWF PWV較差散點(diǎn)圖

5 極端天氣大氣水汽監(jiān)測實(shí)例

在諸如臺風(fēng)、暴雨等極端天氣條件下，可利用GNSS進(jìn)行極端天氣水汽監(jiān)測。強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”，是2016年影響珠海市最嚴(yán)重的臺風(fēng)。珠海市氣象局繼2012年“韋森特”后，再次發(fā)布臺風(fēng)紅色預(yù)警信號(12級颶風(fēng)信號)。圖3為“妮妲”臺風(fēng)登陸時(shí)，珠海市大氣水汽的變化情況。

圖3 “妮妲”臺風(fēng)登陸時(shí)珠海市水汽變動(dòng)情況

“妮妲”臺風(fēng)于2016年8月2日3：35于廣東深圳大鵬半島登陸，距離珠海市區(qū)以西 100 km，珠海市上空水汽從西向東含量迅速增加。8月2日8：00，到達(dá)珠江口以北距離珠海市區(qū)僅 40 km，水汽含量達(dá)到最大。隨后，臺風(fēng)逐漸遠(yuǎn)離珠海，水汽含量也隨之減少。圖3可以很清楚反映出臺風(fēng)登陸前后，水汽的水分布情況。

6 結(jié) 論

基于珠海北斗CORS實(shí)時(shí)探測PWV利用了已有的城市CORS系統(tǒng)，僅通過數(shù)據(jù)中心的軟件部署便可完成構(gòu)建，其成本低廉且易于實(shí)現(xiàn)。

本文采用PPP等技術(shù)結(jié)合實(shí)時(shí)IGS產(chǎn)品獲取了實(shí)時(shí)、全天候、高時(shí)空分辨率的PWV成果數(shù)據(jù)。分析表明，該成果能準(zhǔn)確反映客觀PWV變化情況，且精度較高，可用于監(jiān)測地區(qū)暴雨、臺風(fēng)等極端天氣下的水汽變化，提高短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，連續(xù)高分辨率的數(shù)據(jù)可為天氣分析等研究與應(yīng)用提供序列資料，可作為傳統(tǒng)氣象手段的有力補(bǔ)充。

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Real-time Monitoring Precipitable Water Vapor by ZHBDCORS

Li Xiulong，Ding Jianxun，Ma Defu

(Zhuhai Surveying and Mapping Institute，Zhuhai 519015，China)

Compared with the traditional PWV detection technology，the GNSS PWV has the advantages of accuracy，high spatial and temporal resolution，real-time，continuous，all-weather，economical and so on. In this paper，based on the ZHBDCORS，the GNSS PWV has been figuring out by precise point positioning technology. The GNSS PWV data up to six months achieved similar accuracy of ECMWF PWV and the mean deviation is about 1mm，the MSE less than or equal to 3mm. For extreme weather (typhoon) at border crossings，real-time PWV can reflect the process of water vapor distribution and change in a timely manner.

GNSS；ZHBDCORS；PWV；PPP；ECMWF；accuracy analysis

1672-8262(2017)02-118-04

P228.2

A

2016—11—22

李秀龍(1981—)，男，碩士，工程師，主要從事城市測量新技術(shù)應(yīng)用研究。 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41574028)