陳 澍,熊永良,張緒豐,黃丁發(fā)

(西南交通大學(xué)空間信息工程中心,四川成都610031)

0 引 言

近年來,隨著GPS技術(shù)的迅猛發(fā)展,地基GPS水汽反演作為一門新興技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。GPS遙測(cè)大氣的設(shè)想最早由美國(guó)學(xué)者Askne于1987年提出[1]。在隨后的幾年里Bevis等人進(jìn)行了多次試驗(yàn),證明了地基GPS水汽反演技術(shù)的可行性[2-4]。之后,其他發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、德國(guó)、瑞典等也開始重視GPS水汽反演技術(shù),取得了一系列研究成果并開始應(yīng)用于大氣研究和氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中[5-7]。我國(guó)從20世紀(jì)90年代起開展了地基GPS氣象學(xué)的研究工作,在上海、北京、香港、廣州、武漢[8-12]都取得了較好的成果。在四川地區(qū),李國(guó)平、呂弋培、殷海濤等人也做了相關(guān)的試驗(yàn)[13-14]。

許多國(guó)家建立了GPS連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測(cè)大氣水汽變化情況,例如美國(guó)的 CORS、德國(guó)的COGPS、日本的GEONET、中國(guó)上海的SCGAN。四川地區(qū)也建立了自己的GPS網(wǎng)絡(luò),但此網(wǎng)絡(luò)缺少氣象觀測(cè)儀器,不能提供站點(diǎn)的氣壓、溫度信息,同時(shí)天頂靜力學(xué)延遲模型和加權(quán)平均溫度與水汽反演精度關(guān)系密切,基于上述存在的問題,進(jìn)行了試驗(yàn)分析。確定了適合四川地區(qū)的計(jì)算ZHD模型,建立了四川地區(qū)Tm計(jì)算公式,并說明了此公式的質(zhì)量,使用GPT模型(全球氣壓和溫度模型)代替實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)分析,討論了利用GPT模型反演水汽以及預(yù)報(bào)降水的可行性。

1 計(jì)算Z HD模型的選擇

常用的三種模型[15]計(jì)算Z HD如下表示:

Hopfield模型:

Black模型:

Saastamoinen模型:

式中:Ps為測(cè)站地面氣壓(hpa);Ts為測(cè)站絕對(duì)溫度(K);hd為中性大氣層頂部高于大地水準(zhǔn)面的有效高度(m);hs為測(cè)站大地高(m);Φ為GPS接收站緯度。

由以上公式可知,Hopfield模型適用于已知中性大氣層高程的情況,與測(cè)站溫度有關(guān);Saastamoinen模型適用于測(cè)站地面溫度未知的情況,要求已知站點(diǎn)坐標(biāo);Black不需考慮站點(diǎn)坐標(biāo),但需要測(cè)站溫度。選擇此三種靜力學(xué)延遲模型進(jìn)行內(nèi)符合情況和外符合情況的分析,力求得到最適于四川地區(qū)的ZHD的計(jì)算模型。

1.1 三種模型的內(nèi)符合情況

模型的內(nèi)符合情況是指根據(jù)相同的外部因素(坐標(biāo)、氣壓、溫度),利用三種模型分別計(jì)算ZHD,用相關(guān)系數(shù)、平均偏差和偏差標(biāo)準(zhǔn)差來分析模型之間的相符性。可以認(rèn)為,與多數(shù)模型結(jié)果有較大偏差的模型在該地區(qū)的適用性較差。

根據(jù)2008年YBIN(宜賓)站地面實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)(溫度、氣壓)計(jì)算三種模型的Z HD,列出1月、7月三種模型的Z HD比較圖,如圖1、2所示,全年各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 YBIN站2008年三種模型計(jì)算的ZHD的比較

由上面的圖表可見,三種模型計(jì)算的Z HD變化趨勢(shì)一致,Black和Saastamoinen模型的結(jié)果較接近,Hopfield有較大偏差。

1.2 三種模型的外符合情況

模型的外符合情況是指根據(jù)相同的外部因素(坐標(biāo)、氣壓、溫度、ZTD、加權(quán)平均溫度公式),利用三種模型經(jīng)過水汽反演得到的GPS-PWV與探空氣球的可降水量(RS-PWV)進(jìn)行比較,分析GPSPWV與RS-PWV的符合程度。很顯然,與RSPWV結(jié)果更接近的模型,更適于該地區(qū)。

利用三種Z HD模型和Bevis經(jīng)驗(yàn)回歸公式水汽反演得到的GPS-PWV與RS-PWV進(jìn)行比較,只列出1月、7月三種模型計(jì)算的GPS-PWV與RS-PWV的比較圖,如圖3、4所示,全年指標(biāo)如表2所示。

表2 YBIN站2008年三種模型計(jì)算的GPS-PWV與RS-PWV的比較

由上面圖表可見,三種模型的GPS-PWV與RS-PWV比較,總體趨勢(shì)一致。Hopfield的PWV比 RS-PWV平均偏大,Saastamoinen和Black的PWV比RS-PWV平均偏小,三種模型的離散程度相當(dāng)。同時(shí)考慮到四川網(wǎng)站點(diǎn)坐標(biāo)已知,因此Saastamoinen模型更適合,因此,我們選擇Saastamoinen模型作為四川網(wǎng)解算的天頂靜力學(xué)延遲模型。

2 Tm的計(jì)算

將天頂濕延遲ZWD轉(zhuǎn)化為GPS-PWV,需要轉(zhuǎn)換系數(shù)Π,而Π又是由加權(quán)平均溫度 Tm決定的,因此Tm是計(jì)算高精度GPS-PWV的關(guān)鍵。目前,Tm的估計(jì)方法主要有五種:常數(shù)法、近似積分法、探空資料數(shù)值積分法、利用數(shù)值預(yù)報(bào)值計(jì)算以及Bevis經(jīng)驗(yàn)公式。探空資料數(shù)值積分法是最為精確的方法,但該方法需要較多參數(shù),計(jì)算復(fù)雜且時(shí)間分辨率低?，F(xiàn)在的學(xué)者們多使用探空資料數(shù)值積分法計(jì)算 Tm值,然后與地表溫度Ts進(jìn)行回歸分析,建立類似于Bevis經(jīng)驗(yàn)公式的局部加權(quán)平均溫度公式[14,16]。使用同樣的方法,通過2007年YBIN站的探空數(shù)據(jù)回歸出四川加權(quán)平均溫度的計(jì)算公式,這里簡(jiǎn)稱SC公式:

經(jīng)過計(jì)算,SC公式計(jì)算 Tm的均方差為1.95 K,滿足水汽反演要求的 Tm的均方差小于3.4 K的要求。為了進(jìn)一步說明SC公式的可行性,本文使用SC公式計(jì)算了GPS-PWV并與RSPWV進(jìn)行比較,相關(guān)系數(shù)為0.95、平均偏差為-1.10 mm、偏差標(biāo)準(zhǔn)差為4.91 mm,基本滿足水汽反演的要求,如圖5所示。

3.1 原料準(zhǔn)備。第一步是備料，把日常生活中廉價(jià)而易得的布頭、廢舊衣服(以純棉布最好)拆洗干凈，裁剪成大小適當(dāng)?shù)某叽?。第二步是做“褙子”，即用刷子在布料上涂刷自制的面粉漿糊，將布料逐層裱糊在一起。第三步是剪樣，用硬紙板畫出各種尺碼鞋墊的大小，拓在“褙子”上，先用鉛筆畫個(gè)樣，再用剪刀裁下模子。第四步是搭面，用糨糊在裁好的模子上貼一層新的白棉布，作為鞋墊上納繡圖案的“面子”。這樣，鞋墊的“骨子”就做好了。

3 GPT氣象數(shù)據(jù)

目前,許多GPS網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)沒有安裝氣象觀測(cè)裝置,但是地表溫度和氣壓在水汽反演中不可或缺,因此使用GPT模型(全球氣壓和溫度模型)來估計(jì)站點(diǎn)的地表溫度和氣壓,得到GPT模型下的可降水量,并通過與實(shí)測(cè)氣象PWV、RS-PWV的比較,以及降水預(yù)報(bào)情況分析,說明GPT模型的可行性。

圖5 通過SC公式計(jì)算的2008年YBIN站GPS-PWV與RS-PWV的比較

3.1 GPT-PWV、實(shí)測(cè)氣象-PWV與RS-PWV的比較

分別使用GPT氣象數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù),根據(jù)Saastamoinen靜力學(xué)延遲模型與SC公式計(jì)算出了GPT-PWV和實(shí)測(cè)氣象-PWV,并與RSPWV進(jìn)行比較。如圖6、表3所示。

由圖 6、表3可見,GPT-PWV、實(shí)測(cè)氣象-PWV以及 RS-PWV變化趨勢(shì)一致。在數(shù)值上GPT-PWV的質(zhì)量比實(shí)測(cè)氣象-PWV質(zhì)量稍差,GPT-PWV、實(shí)測(cè)氣象-PWV分別與RS-PWV的平均偏差和偏差標(biāo)準(zhǔn)差較接近,但兩者在個(gè)別時(shí)刻都與RS-PWV偏離較多,分析原因如下:

圖6 YBIN站2008年GPT-PWV、實(shí)測(cè)氣象-PWV、探空-PWV比較圖

表3 YBIN站2008年GPT-PWV、實(shí)測(cè)氣象-PWV分別與RS-PWV的比較

1)探空氣球使用的是地面到探空上界各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)據(jù)來計(jì)算的,含有模型誤差。

2)水汽主要存在于底層大氣,底層探空層次資料稀少影響了探空水汽精度。

3)GPS-PWV與RS-PWV兩種計(jì)算PWV的方法反映的時(shí)間空間情況不同。GPS反演的水汽代表某個(gè)仰角到天頂方向的平均水汽總量,且可以全天連續(xù)觀測(cè)。而探空資料反映的是氣球隨風(fēng)飄曳路徑上的水汽情況,每天只放兩次氣球。

可見,使用探空氣球計(jì)算的PWV作為基準(zhǔn)并不準(zhǔn)確,如有條件,水汽輻射計(jì)可以提供更為精確的結(jié)果。

3.2 GPT-PWV、實(shí)測(cè)氣象-PWV降水預(yù)報(bào)

為了從數(shù)值上說明GPT-PWV、實(shí)測(cè)氣象-PWV與實(shí)際降水的關(guān)系,本文對(duì)李炳華和黎守德提出的GPS-PWV偏離系數(shù)PWV*的概念[17]進(jìn)行了改進(jìn)。PWV*計(jì)算公式如下:

通過對(duì)GPT-PWV的偏離系數(shù)、實(shí)測(cè)氣象-PWV的偏離系數(shù)與實(shí)際降水量的對(duì)比分析得出了一些結(jié)論:

1)通常偏離系數(shù)＞=1之后不久會(huì)產(chǎn)生降水。

2)偏離系數(shù)一直保持在1以上,說明水汽含量總是保持在較大的水平上,發(fā)生強(qiáng)降雨的可能性較大,也有可能連續(xù)降雨。

3)GPT-PWV與實(shí)測(cè)氣象-PWV的偏離系數(shù)曲線變化趨勢(shì)一致,偶爾有些差距,但對(duì)于降水的預(yù)報(bào)沒有產(chǎn)生太大的影響。如圖7～圖10、表4所示。

圖10 YBIN站2008年8月4日-8月11日GPT-PWV、實(shí)測(cè)氣象-PWV與實(shí)際降水量的對(duì)比

表4 GPT-PWV與實(shí)測(cè)氣象-PWV的偏離系數(shù)對(duì)于降水的預(yù)報(bào)情況

4 結(jié) 論

1)通過內(nèi)符合情況和外符合情況的分析,以及考慮四川網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),確定Saastamoinen模型較適合于四川地區(qū)。

2)利用2007年YBIN站探空資料回歸分析出四川加權(quán)平均溫度計(jì)算公式,并說明此公式在四川地區(qū)的有效性。

3)使用GPT模型代替實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)得到可降水量信息,通過與實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)的PWV、探空PWV以及實(shí)際降水的比較,說明了GPT模型在缺少實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)時(shí)可以使用,對(duì)于降水預(yù)報(bào)沒有太大影響。

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