国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

用中國地區(qū)ERA-Interim資料計算ZTD和ZWD的精度分析*

2012-11-14 13:48:22馬志泉陳欽明高德政
大地測量與地球動力學(xué) 2012年2期
關(guān)鍵詞:天頂對流層臺站

馬志泉 陳欽明 高德政

(1)西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,綿陽 621010 2)中國科學(xué)院上海天文臺,上海 200030 3)中國科學(xué)院研究生院,北京100039)

用中國地區(qū)ERA-Interim資料計算ZTD和ZWD的精度分析*

馬志泉1)陳欽明2,3)高德政1)

(1)西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,綿陽 621010 2)中國科學(xué)院上海天文臺,上海 200030 3)中國科學(xué)院研究生院,北京100039)

對歐洲中尺度氣象預(yù)報中心(ECMWF)提供的ERA-Interim資料在中國地區(qū)的可行性和精度進行了評估分析,探討了ERA-Interim資料計算對流層天頂總延遲(ZTD)和濕延遲(ZWD)的處理方法,并和全國28個GPS臺站實測值計算的ZTD和ZWD進行比較。結(jié)果顯示ECMWF資料計算ZTD的總體平均偏差和中誤差分別約為-1 cm和2 cm,ZWD在BJFS和LHAS站的偏差和中誤差絕對值分別約為1 cm和1.6 cm。

ECMWF;GPS;InSAR;ZTD;ZWD

1 引言

在對地觀測技術(shù)中,對流層大氣延遲是無線電信號的重要誤差源,隨著基于氣象觀測的數(shù)值預(yù)報資料精度的提高,可以用其進行對流層大氣延遲研究。歐洲和北美相關(guān)研究人員已將歐洲中尺度氣象預(yù)報中心(ECMWF)和美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)數(shù)據(jù)用于研究導(dǎo)航定位中的對流層延遲改正,建立了一些用于歐盟和北美地區(qū)的對流層延遲改正模型和映射函數(shù)模型[1-5]。A W Moore等人[6]研究了融合ECMWF和GPS數(shù)據(jù)建立的SBLM (Stretched Boundary Layer Model)模型用于InSAR對流層延遲改正,國內(nèi)外多位研究人員也對InSAR對流層延遲改正做了多方面研究,研究結(jié)果表明將ECMWF資料用于 InSAR有助于提高結(jié)果的精度[7-11]。

ECMWF向全球用戶提供了最新的全球大氣數(shù)值預(yù)報再分析資料(ERA-Interim),是繼早期資料(如EAR-15,EAR-40)后的新產(chǎn)品,其作用在于提供ECMWF早期產(chǎn)品和新一代產(chǎn)品之間的銜接,目的是對EAR-40等資料進行完善,從而逐漸取代ERA-40[12]。Balsamo G等人[13]2010年對ERA-Interim降雨量資料在美國地區(qū)的精度進行了首次評估,C.Szczypta等人[14]2011年對ERA-Interim降雨量,溫度和濕度資料在法國地區(qū)的適用性進行了分析驗證,發(fā)現(xiàn)總體精度較好,但在山區(qū)和近海等地區(qū)精度有待提高[14]。中國地區(qū)ERA-Interim關(guān)于對流層大氣延遲的相關(guān)氣象資料還有待驗證,切需要對其進行評估分析。本文對中國地區(qū)ERA-Interim資料計算對流層天頂總延遲(ZTD)和對流層天頂濕延遲(ZWD)的精度情況進行了分析,為該資料用于中國地區(qū)GNSS導(dǎo)航定位,InSAR對流層延遲改正和GNSS氣象學(xué)研究等提供參考。

2 數(shù)據(jù)

本文使用的ERA-Interim資料為2004年分層氣象資料,時間分辨率為6小時(每天0,6,12,18 UTC有氣象參數(shù)值),平面分辨率為1.5°×1.5°,垂向分辨率為37層(頂層高度約為47 km),每層包括位勢高度、溫度、比濕、相對濕度和氣壓。

采用中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)GPS基準站2004年觀測數(shù)據(jù),利用GAMIT/GLOBK完成ZTD解算。計算中采用分段線性模型進行對流層天頂延遲和水平梯度估計,每2小時估計1個ZTD,每24小時觀測時段估計1個東西向梯度和1個南北向梯度。由此獲得每個GPS基準站時間分辨率為2小時的ZTD時間序列[15]。

3 處理方法

3.1 對流層天頂總延遲處理方法

文獻[15]采用積分方法和Saastamoinen方法分別對ECMWF資料計算ZTD的精度進行了分析,結(jié)果表明采用積分方法能得到精度較高的ZTD。在用ECMWF資料計算GPS臺站位置ZTD的內(nèi)插方法中,待插值點和附近4個最近格網(wǎng)點的高度一般不相等,傳統(tǒng)的反距離加權(quán)方法沒有考慮大氣延遲隨高度變化的物理特性,導(dǎo)致插值精度較低。文獻[10]考慮了一種改進的反距離加權(quán)內(nèi)插法,采用南加里福利亞GPS綜合網(wǎng)實測ZTD內(nèi)插到待插值點,能得到偏差和標準差分別為1.3 cm和6.5 cm的平均精度,但這種方法最優(yōu)影響因子較難確定;文獻[15]利用ECMWF資料,采用積分法結(jié)合最近格網(wǎng)點方法,并從分析ZTD遞減率特點來進行高程改正,能得到偏差和中誤差分別為-1.1 cm和2.4 cm的平均精度,但遞減率和時空分布有很大關(guān)系,較難精確確定待插值點遞減率。

本文針對ERA-Interim資料的特點,探討兩類數(shù)據(jù)處理方法(傳統(tǒng)處理方法和改進方法),并以GPS臺站實測值計算的ZTD(GPS ZTD)作為參考,評估EAR-Interim資料計算ZTD(ECMWF ZTD)的精度。

傳統(tǒng)處理方法:先用積分法算出地面上格網(wǎng)點的ZTD,公式為:

ZTDint_sfc為地面格網(wǎng)點上的ZTD值,h_sfc為地面格網(wǎng)點高度,h_top為ECMWF資料頂層高度,N為總折射率,ZTDtop為格網(wǎng)點頂層以上的ZTD值,其具體計算方法可見文獻[15]。在地面格網(wǎng)點上積分出ZTD后,再采用傳統(tǒng)反距離加權(quán)方法(IDW)[10]內(nèi)插到待插值點上,本文把這種方法簡稱為IDWc(Inverse Distance Weighted Custom)。

改進方法:不精細分析對流層大氣延遲隨高度變化的物理特性,用積分方法算出格網(wǎng)點上給定待插值點高度的ZTD,其公式為:

式中ZTDint_given為格網(wǎng)點給定的待插值點高度上的ZTD值,h_given為給定的待插值點的高度。積分出格網(wǎng)點上給定高度的ZTD后,再采用反距離加權(quán)方法和Kriging方法[7]內(nèi)插出待插值點位置的ZTD,分別把這種方法簡稱為 IDWm(Inverse Distance Weighted Modified)和Kriging。

3.2 對流層天頂濕延遲處理方法

本文對ECMWF資料計算對流層天頂濕延遲(EMWF ZWD)方法的可行性進行探討,采用積分方法計算ECMWF ZWD,所用的公式為:

k1=77.604 K/Pa,k2=64.79 K/Pa,k3=377 6000.0 K2/Pa。Nw是水汽折射數(shù),P是大氣壓,e是水汽壓,h是比濕。計算出濕折射數(shù)后,計算ZWD的公式為:

式中Nwi為第i層的大氣濕折射數(shù),Δsi為第i層的高度。在計算出格網(wǎng)點上待插值點高度后,采用反距離加權(quán)方法[7]內(nèi)插到待插值點上。

IGS為本文提供了 BJFS和 LHAS兩個臺站2004年的實測氣象資料,對其采用Saastamoinen模型方法[16]計算對流層天頂干延遲(ZDD),在GPS ZTD中減去ZDD,就可以計算出GPS臺站位置的天頂濕延遲(GPS ZWD)。

4 分析討論

研究采用3種處理方法(IDWc,IDWm,Kriging)計算GPS臺站位置的ZTD,與中國地區(qū)28個臺站2004年實測資料計算的ZTD和ZWD進行比較,求其殘差值,在此基礎(chǔ)上對ERA-Interim資料計算ZTD和ZWD的精度情況進行分析。

首先對比分析了28個臺站上3種方法計算的GPS ZTD和ECMWF ZTD時間序列,圖1是BJFS、SHAO、TASH和LHAS 4個站的時間序列,淺灰色叉號代表GPS ZTD,星號代表用傳統(tǒng)處理方法計算得到的ZTD(IDWc ZTD),圈號代表用第一種改進方法計算得到的ZTD(IDWm ZTD),點號代表用改進方法計算得到的ZTD(Kriging ZTD)。

圖1表明在BJFS和SHAO站3種方法(IDWc,IDWm,Kriging)計算得到的ZTD和GPS ZTD都比較吻合;但在TASH和LHAS站,IDWc方法計算得到的ZTD和GPS ZTD吻合度明顯下降,IDWm和Kriging方法計算的ZTD和GPS ZTD仍然吻合較好。

為了分析3種方法計算ECMWF ZTD的精度情況,統(tǒng)計了各站年平均偏差和中誤差(表1,圖2),其中臺站按照高度遞增排序。表1最后3行中的平均值為3種方法計算的各站年平均偏差和中誤差的總體平均值,最小值和最大值為各站年平均偏差和中誤差絕對值的最大值和最小值。

從表1可以看出,IDWc方法得到的偏差的總體平均值為1.6 cm(其絕對值最小值為0,最大值為20.3 cm),中誤差總體平均值為4.3 cm(最小值為1.2 cm,最大值為20.4 cm);IDWm和Kriging方法得到的偏差和中誤差總體平均值相當,都分別約為-1.1 cm和2 cm,與文獻[15]結(jié)果相比,中誤差總體平均減少4 mm,精度有所提高。

圖1 3種方法計算得到的ZTD和GPS ZTD時間序列Fig.1 Time series of GPS ZTD and ZTD derived from ECMWF with three methods

圖2為各臺站年平均偏差和中誤差與高度的關(guān)系,在高度較低的站3種方法精度相當,在高度較高的站(如XNIN,DLHA,TASH,LHAS等)IDWc方法精度較差。IDWm和Kriging方法在各個站上的精度相當,說明這兩種方法可以用于計算ECMWF ZTD。

表1 各GPS站年平均偏差和中誤差統(tǒng)計表(單位:cm) Tab.1 Yearly mean bias and rms for each GPS site(unit:cm)

為分析偏差和中誤差在各個高度區(qū)間的分布特點,高度區(qū)間按照0~100 m,100~500 m,500~1 000 m,1 000~2 000 m,2 000~3 000 m和大于3 000 m的范圍進行劃分,把ERA-Interim資料用3種方法(IDWc,IDWm和Kriging)計算ZTD的偏差和中誤差進行統(tǒng)計,期結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出,IDWm和Kriging方法計算的ECMWF ZTD精度相當,偏差和中誤差隨高度變化的趨勢不明顯,而IDWc方法計算的ECMWF ZTD在高度較高的地方精度明顯降低。

圖2 各GPS臺站年平均偏差和中誤差Fig.2 Yearly mean bias and rms for each GPS site

圖3 偏差和中誤差在各高度區(qū)間的變化Fig.3 Variation of the bias and rms with the altitude

對于ERA-Interim資料計算ZWD的精度,由于只獲得了BJFS和LHAS兩臺站的實測氣象數(shù)據(jù),所以圖4只列出了兩臺站的ECMWF ZWD和GPS ZWD時間序列。從圖4可以看出,ZWD時間序列吻合比較好,偏差絕對值都約為1 cm,中誤差約為1.6 cm。ZWD具有季節(jié)性變化特點,在夏季月份達到最大值,說明夏季水汽含量較大。LHAS站位置較高,ZWD總體變化幅度相對較小。另外結(jié)合表1和圖2可以看出,ECMWF ZWD的精度和ECMWF ZTD比較接近,說明計算ECMWF ZTD的誤差主要是水汽造成的。

5 結(jié)論

1)數(shù)據(jù)處理方法上,IDWm和Kriging方法不用確定插值最優(yōu)影響因子或大氣延遲隨高度變化的物理特性,計算簡單,對ERA-Interim分層氣象資料計算的ZTD精度相當,且在GPS臺站較高的地方精度優(yōu)于IDWc方法;

圖4 ECMWF ZWD和GPS ZWD時間序列對比Fig.4 Comparison between the time series of ECMWF ZWD and GPS ZWD

2)ERA-interim分層氣象資料用改進方法(IDWm和Kriging)計算ZTD的偏差和中誤差約為-1 cm和2 cm,且偏差和中誤差隨高度的變化趨勢不是很明顯;

3)在BJFS站和LHAS站,ECMWF ZWD和GPS ZWD吻合較好,偏差和中誤差絕對值分別約為1 cm和1.6 cm。ZWD具有季節(jié)性變化特點,夏季月份變化幅度較大,且在較高位置(LHAS站)ZWD變化幅度相對較小。另外ECMWF ZWD的精度和ECMWF ZTD比較接近,說明ERA-Interim資料計算ZTD的誤差主要是由水汽造成的。

致謝 衷心感謝ECMWF提供數(shù)據(jù)資料、IGS提供GPS臺站氣象數(shù)據(jù)和Keith Fielding博士提供建議和幫助!

1 Neill A E.Global mapping functions for the atmosphere delay at radio wavelengths[J].Journal of Geophysical Research,1996,101(B2):3 227-3 246.

2 Boehm J,Birgit W and Schuh H.Troposphere funcitons for GPS and VLBI from ECMWF operational analysis data[J].Journal of Geophysical Research,2006,111(B02406):1-9.

3 Paul J Collins and Richard B L.The residual tropospheric propogation delay:How bad can it get?[R].ION GPS,1998,15-18 September.

4 Kos T and Botincan M.Evaluation of EGNOS tropospheric delay model in south-eastern Europe[J].The Royal institute of Navigation,2009,62:341-349.

5 Fund F,et al.Assessment of ECMWF-derived tropospheric delay models within the EUREF permanent network[J].GPS Solut,2010,15(1):39-48.

6 Moore A W,et al.Tropospheric correction for InSAR using interpolated ECMWF data and GPS zenith total delay from the Southern California integrated GPS network[R].Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS),IEEE,international,2010,4503-4506.

7 Massonnet D,et al.Radar interferometric mapping of deformation in the year after the Landers earthquake[J].Nature,1994,369:227-230.

8 Volker Jansen.GPS-Derived tropospheric delay corrections to differential InSAR result[R].ION GPS/GNSS,2003,9 -12 September.

9 游新兆,等.大氣折射對InSAR影響的定量分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2003,(2):81-87.(You Xinzhao,et al.Quantitative estimation of effect of atomospheric refraction on INSAR[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2003,(2):81-87)

10 羅海濱,何秀鳳.用GPS改正InSAR大氣延遲誤差的研究[J].大地測量與地球動力學(xué),2007,(3):35-38.(Luo Haibin and He Xiufeng.A spatial interpolation for GPS-derived atmospherric delay corrections to INSAR[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2007,(3): 35-38)

11 宋小剛,李德仁,廖明生.基于GPS觀測量的InSAR干涉圖中對流層改正方法及其論證[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2008,33(3):233-236.(Song Xiaogang,Li Deren and Liao Mingsheng.A method to correct tropospheric delay in SAR interferometry,from GPS observations[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2008,33(3):233-236)

12 Berrisford P,et al.The ERA-initerim archive version 2.0[R].EAR report series,1,2011.

13 Balsamo G,et al.Evaluationof ERA-Interim and ERA-Interim-GPCP-rescaled precipitation over the USA[R].ERA report series,5,2010.

14 Szczypta1 C,et al.Verification of the new ECMWF ERA -Interim reanalysis over France[J].Hydrol.Earth Syst.Sci.,2011,15:647-666.

15 Qinming Chen,et al.Assessment of ZTD derived from ECMWF/NCEP data with GPS ZTD over China[J].GPS Solutions,2011,15(4):415-425.

16 Saastamoinen J.Atmospheric correction for the troposphere and stratosphere in radio ranging of satellites[A].Henriksen S W,A Mancini and B H Chovitz(eds).The use of artificial satellites for geodesy in geodesy,geophys[C].Washington D.C.,Monogr.Ses.15,Amer.Geophys.Union,1972,247-251.

STUDY ON ACCURACY OF ZTD AND ZWD CALCULATED FROM ERA-INTERIM DATA OVER CHINA

Ma Zhiquan1),Chen Qinming2,3)and Gao Dezheng1)

(1)Southwest University of Science and Technology,School of Environment and Resource,Mianyang 621010 2)Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030 3)Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039)

The zenith tropospheric delay(ZTD)and zenith wet delay(ZWD)derived from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts data(ECMWF ZTD/ZWD)were assessed by calculating ZTD/ZWD from GPS observations,and the calculation method was also discussed.The results show that the bias and rms for the ECMWF ZTD are about-1 cm and 2 cm respectively,the absolute values of which for ECMWF ZWD at BJFS and LHAS sites are 1 cm and 1.6 cm respectively.

ECMWF;GPS;InSAR;ZTD;ZWD

1671-5942(2012)02-0100-05

2011-11-07

測繪遙感信息工程國家重點實驗室資助項目(10p02);中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會青年優(yōu)秀論文資助課題(CSNC2011-QY-2)

馬志泉,女,工程師,主要研究方向為航空攝影測量、InSAR技術(shù)理論與應(yīng)用研究.E-mail:mazhiquan@swust.edu.cn

P128.1;P227

A

猜你喜歡
天頂對流層臺站
中國科學(xué)院野外臺站檔案工作回顧
氣象基層臺站建設(shè)
西藏科技(2021年12期)2022-01-17 08:46:38
天頂航空技術(shù)公司開拓反無人機業(yè)務(wù)
無人機(2021年7期)2021-11-08 02:16:08
郴州地區(qū)對流層頂氣候概況
怎樣區(qū)分天空中的“彩虹”之環(huán)地平弧&環(huán)天頂弧
奧秘(2020年1期)2020-02-26 08:45:38
怎樣區(qū)分天空中的“彩虹”之第5集
——環(huán)地平?。Νh(huán)天頂弧
實時干涉測量中對流層延遲與鐘差精修正建模
載人航天(2016年4期)2016-12-01 06:56:24
成都地區(qū)2005~2015年對流層NO2柱濃度趨勢與時空分布
基層臺站綜合觀測業(yè)務(wù)管理之我見
西藏科技(2015年6期)2015-09-26 12:12:13
皖北地區(qū)對流層頂氣象特征分析
西宁市| 南宁市| 南丹县| 四子王旗| 右玉县| 平泉县| 加查县| 凤翔县| 大厂| 高青县| 库伦旗| 教育| 苍南县| 遵义市| 禹州市| 德格县| 吴江市| 万山特区| 芒康县| 达日县| 商城县| 安阳县| 吴江市| 夏津县| 浮山县| 观塘区| 恭城| 登封市| 信阳市| 会昌县| 和田市| 大理市| 新兴县| 富阳市| 綦江县| 榆树市| 海南省| 司法| 赤峰市| 清苑县| 嘉荫县|