王俊杰,何秀鳳

(河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所,江蘇南京 210098)

基于超快速星歷的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)可行性研究

王俊杰,何秀鳳

(河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所,江蘇南京 210098)

為實(shí)時(shí)獲取高時(shí)空分辨率的大氣水汽場(chǎng),基于地基GPS遙感大氣水汽原理,結(jié)合香港CORS網(wǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)大氣可降水量(PWV)解算過(guò)程中超快速星歷預(yù)報(bào)部分的時(shí)間跨度不同,設(shè)計(jì)了3個(gè)方案,并比較了各方案中最終精密星歷、超快速星歷和探空資料解算得到的PWV序列。結(jié)果表明,利用超快速星歷估計(jì)PWV與最終精密星歷結(jié)果一致,其精度滿(mǎn)足氣象預(yù)報(bào)等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的要求。

GPS;大氣可降水量;超快速星歷;數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

在強(qiáng)對(duì)流天氣的演變過(guò)程中,水汽變化十分迅速,水汽場(chǎng)的分布、垂直輸送和相變是制約強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制之一。因此,高時(shí)空分辨率地獲取大氣水汽場(chǎng)是準(zhǔn)確分析天氣系統(tǒng)演變、進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)氣象的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1]。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,利用地基GPS來(lái)精確估算大氣可降水量(PWV)已被廣大學(xué)者所證實(shí)[2-6],利用最終精密星歷和地基GPS靜止平臺(tái)獲得的水汽精度可以達(dá)到1mm,滿(mǎn)足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的精度要求[7]。此外,地基GPS安裝便捷,成本低,可全天候工作,且時(shí)空分辨率高于常規(guī)水汽監(jiān)測(cè)方法,因此在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方面有廣闊的應(yīng)用前景[7-8]。然而最終精密星歷延遲為13 d,不能滿(mǎn)足氣象預(yù)報(bào)等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求。從2000年3月10日開(kāi)始,IGS中心開(kāi)始提供可實(shí)時(shí)獲取的超快速星歷,這意味著利用超快速星歷的預(yù)報(bào)軌道和預(yù)報(bào)鐘差能一定程度上滿(mǎn)足某些用戶(hù)要求[9]。

筆者基于地基GPS遙感大氣水汽原理,結(jié)合香港CORS網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)計(jì)算過(guò)程中采用超快速星歷預(yù)報(bào)部分的時(shí)間跨度不同,設(shè)計(jì)了3個(gè)方案,并分別比較最終精密星歷、超快速星歷和探空資料解算得到的PWV序列,探討利用超快速星歷估計(jì)PWV用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的可行性。

1 地基GPS遙感大氣水汽原理

GPS信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到中性大氣層和電離層的影響而產(chǎn)生延遲和彎曲。其中,電離層延遲部分可利用電離層的彌散特性通過(guò)雙頻接收機(jī)消除99%,中性大氣層延遲可表示為[10]

式中:Nd、Nw——干、濕折射率指數(shù);HD——靜力學(xué)延遲;WD——濕延遲。

通過(guò)映射函數(shù),將中性大氣層延遲轉(zhuǎn)換到天頂方向,則天頂總延遲ZT為

式中:ZH——天頂靜力學(xué)延遲;ZW——天頂濕延遲。

ZT可利用GAMIT等高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件求解,ZH可通過(guò)Saastamoinen模型估計(jì)得到:

式中:Ps——測(cè)站地表氣壓;λ——測(cè)站地理緯度;H——測(cè)站的海拔高度。

由式(2)、式(3)可分離得到ZW,而PWV與ZW成比例關(guān)系

式中:PW——大氣可降水量;Tm——地表加權(quán)平均溫度;K′2、K3、Rv——常數(shù)[2]。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與方案

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用香港CORS網(wǎng)中6個(gè)參考站2011年年積日152～181共30 d(6月1—30日)的觀測(cè)文件和氣象文件,6個(gè)參考站分別為粉嶺(HKFN)、小冷水(HKSL)、昂坪(HKNP)、昂船洲(HKSC)、石碑山(HKOH)和黃石(HKWS)。觀測(cè)文件采樣間隔為5 s,氣象文件每分鐘記錄一次溫度、氣壓、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。下載香港地區(qū)King's Park探空站相應(yīng)時(shí)段的數(shù)據(jù),以驗(yàn)證地基GPS遙感大氣水汽的精度。

方案設(shè)置PWV時(shí)間分辨率為1 h,為求解各參考站上的絕對(duì)PWV,Duan等[3]指出需引入一定數(shù)量的IGS跟蹤站使網(wǎng)中存在長(zhǎng)度大于500 km的基線。因此實(shí)驗(yàn)選取上海(SHAO)、昆明(KUNM)、菲律賓(PIMO)和新加坡(NTUS)等4個(gè)IGS跟蹤站,并下載相應(yīng)時(shí)段的數(shù)據(jù)。香港地區(qū)瀕臨海域,且所選IGS跟蹤站離海較近,因此需在解算中引入海潮模型。此外,采用GAMIT軟件進(jìn)行PWV解算,還要涉及解算模式、映射函數(shù)和大氣荷載模型等參數(shù)的設(shè)置。用GAMIT求解PWV的方案具體設(shè)置如下:解算模式為BASELINE,慣性參考框架為J2000,迭代次數(shù)為1-ITER,觀測(cè)值類(lèi)型為L(zhǎng)C-AUTCLN,對(duì)流層先驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镾aastamoinen模型,對(duì)流層延遲參數(shù)估計(jì)方法為PWL(分段線性擬合),對(duì)流層延遲參數(shù)為25個(gè),映射函數(shù)為VMF1,衛(wèi)星截止高度角為10°,氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于 RNX UFL GPT 50,海潮模型為 Otl-FES2004.grid,大氣荷載模型為atmdisp-cm.2011,星歷為IGS最終精密星歷/超快速星歷。

3 最終精密星歷和超快速星歷計(jì)算結(jié)果比較

IGS中心提供的星歷產(chǎn)品包括最終精密星歷、快速精密星歷、超快速星歷和廣播星歷,軌道精度依次降低[11-12]。最終精密星歷廣泛應(yīng)用于高精度的GPS數(shù)據(jù)事后處理;超快速星歷軌道弧長(zhǎng)48 h,包含前24 h基于跟蹤站觀測(cè)值計(jì)算得到的精密星歷(觀測(cè)部分)和后24 h的預(yù)推星歷(預(yù)測(cè)部分),可作為實(shí)時(shí)使用。IGS部分星歷產(chǎn)品及質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

由文獻(xiàn)[12]可知,超快速星歷每天更新4次,每天UTC時(shí)21 h發(fā)布的超快速星歷的時(shí)間跨度可滿(mǎn)足之后第2天的GPS數(shù)據(jù)處理,此時(shí)GPS數(shù)據(jù)處理完全采用超快速星歷的預(yù)報(bào)部分。采用超快速星歷對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)逐天進(jìn)行處理,根據(jù)計(jì)算過(guò)程中采用超快速星歷預(yù)報(bào)部分的時(shí)間跨度不同,設(shè)計(jì)如下3個(gè)方案:(a)只采用預(yù)報(bào)部分(IGU-24);(b)前12 h采用觀測(cè)部分,后12 h采用預(yù)報(bào)部分(IGU-12);(c)只采用觀測(cè)部分(IGU-00)。符號(hào)中的數(shù)字表示采用的超快速星歷中預(yù)報(bào)部分的時(shí)長(zhǎng)。解算得3個(gè)方案各站的PWV序列,分別與采用最終精密星歷的計(jì)算結(jié)果和 King's Park探空 PWV進(jìn)行比較。圖1為小冷水站(HKSL)方案(a)的情況,圖中上部是最終精密星歷、超快速星歷和探空數(shù)據(jù)解算得到的PWV序列,下部為最終精密星歷和超快速星歷計(jì)算結(jié)果的差值。表1給出了HKSL站3個(gè)方案最終精密星歷和超快速星歷計(jì)算結(jié)果差值(PW-igs-PW-igu)的統(tǒng)計(jì)情況。

圖1 方案IGU-24與最終精密星歷和探空資料解算的PWV序列比較Fig.1 Comparison of PWV time series caculated with scheme IGU-24 for ultra-rapid ephemeris final precise ephemeris,and radiosonde data

表1 最終精密星歷和超快速星歷計(jì)算結(jié)果的差值統(tǒng)計(jì)Table1 Difference between PWV data obtained by final precise ephemeris and ultra-rapid ephemeris mm

從圖1和表1可看出,HKSL站3個(gè)方案中超快速星歷、最終精密星歷和探空資料解算的PWV序列在趨勢(shì)上基本一致,且超快速星歷和最終精密星歷的結(jié)果在數(shù)值上相當(dāng)接近,計(jì)算結(jié)果的最大差異不超過(guò)6 mm。而且隨著方案中采用的最終精密星歷時(shí)長(zhǎng)的增加,標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小,計(jì)算結(jié)果的最大差異也減小到2 mm。進(jìn)一步繪制各站3個(gè)方案的均值和標(biāo)準(zhǔn)差柱狀圖,如圖2所示(柱狀圖的高度表示均值,誤差棒的半長(zhǎng)表示標(biāo)準(zhǔn)差)。由于均值與標(biāo)準(zhǔn)差量級(jí)差異較大,為了更好地體現(xiàn)均值的差異,將其擴(kuò)大100倍。同時(shí)計(jì)算各站3個(gè)方案中超快速星歷與最終精密星歷和探空資料解算的PWV序列的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差RMS的均值,結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 各站百倍均值及標(biāo)準(zhǔn)差Fig.2 One hundred times the mean and standard deviation at each station

從圖2可以看出,各站3個(gè)方案中超快速星歷與最終精密星歷解算的PWV序列的平均偏差在0.1 mm以?xún)?nèi),且除HKNP和HKSC這2個(gè)測(cè)站外,其他各站隨著方案中采用的最終精密星歷時(shí)長(zhǎng)的增加,標(biāo)準(zhǔn)差均逐漸減小。由表2可知,地基GPS的計(jì)算結(jié)果與探空資料計(jì)算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)都在0.91以上,RMS均值在4 mm右左,驗(yàn)證了地基GPS遙感大氣水汽精度的穩(wěn)定可靠性。各站分別以最終精密星歷與超快速星歷解算的PWV序列的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上,RMS均值在0.4 mm左右。由此可見(jiàn),采用超快速星歷得到的PWV與精密星歷結(jié)果一致,其精度滿(mǎn)足氣象預(yù)報(bào)等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的要求?？傊?地基GPS技術(shù)可精確測(cè)定大氣層中的水汽含量和可降水量,利用超快速星歷可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣層中可降水量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此,基于超快速星歷估計(jì)的PWV為提高預(yù)報(bào)降水精度和準(zhǔn)確性提供了有力的參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

表2 各站相關(guān)系數(shù)及均方根誤差均值Table2 Average correlation coefficient and root-mean-square error at each station

a.與探空PWV相比,地基GPS的計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的相關(guān)性,驗(yàn)證了地基GPS監(jiān)測(cè)大氣水汽變化算法的正確性,與常規(guī)的探測(cè)方法相比具有全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),為中小尺度天氣預(yù)報(bào)提供有力依據(jù)。

b.最終精密星歷解算的PWV與采用超快速星歷解算的PWV具有較好的一致性,即使只采用星歷精度較低的超快速星歷預(yù)報(bào)部分進(jìn)行PWV解算,亦能滿(mǎn)足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的精度要求。

c.隨著方案中采用的精密星歷時(shí)長(zhǎng)的增加,總體上PWV序列差值的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小,可見(jiàn)解算時(shí)引入星歷精度較高的星歷有助于改善PWV的精度,但亦存在如HKNP和HKSC之例外,因此在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的實(shí)際應(yīng)用中,及時(shí)獲取并更新計(jì)算用的超快速星歷,不僅可以提高結(jié)果的精度,而且可以通過(guò)多次計(jì)算結(jié)果的比較,提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

[1]郭潔,李國(guó)平.地基GPS探測(cè)水汽的發(fā)展與氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2007,27(專(zhuān)刊):35-42.(GUO Jie, LI Guoping.Ground-based GPS in remote sensing of water vapor:development and application[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2007,27(Special):35-42.(in Chinese))

[2]BEVIS M,BUSINGER S,CHISWELL S,et al.GPS meteorology-mapping zenith wet delays onto precipitable water[J].Journal of Applied Meteorlolgy,1994,33:379-386.

[3]DUAN J,BEVIS M,FANG P,et al.GPS meteorology:direct estimation of the absolute value of precipitable water[J].Journal of Applied Meteorlolgy,1996,35:830-838.

[4]ROCKEN C,van HOVE T,WARE R.Near real-time GPS sensing of atmospheric water vapor[J].Geophysical Research Letters, 1997,24(24):3221-3224.

[5]TREGONING P,BOERS R,O'BRIEN D,et al.Accuracy of absolute precipitable water vapor estimates from GPS observations [J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,1998,103(D22):28701-28710.

[6]WANG Junjie,HE Xiufeng.Regional PWV estimation using interpolated surface meteorological data from NCEP CFSv2[C]//SUN Jiadong,JIAO Wenhai,WU Haitao,et al.China Satellite Navigation Conference(CSNC)2013 Proceedings.Berlin: Springer Verlag Berlin Heidelberg,2013:229-238.

[7]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.(XU Shaoguang,XIONG Yongliang,LIU Ning,et al.Real-time PWV obtained by ground GPS[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2011,36(4):407-411.(in Chinese))

[8]魏浩瀚,何秀鳳.利用區(qū)域GPS觀測(cè)網(wǎng)探測(cè)夏季降雨中大氣可降水量[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,39(4):454-457.(WEI Haohan,HE Xiufeng.Detection of precipitable water vapor during summer rainfall using regional GPS network[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2011,39(4):454-457.(in Chinese))

[9]FANG P,GENDT G,SPRINGER T,et al.IGS near real-time products and their applications[J].GPS Solution,2001,4(4):2-8.

[10]常亮.基于GPS和NCEP觀測(cè)信息的InSAR大氣延遲改正方法研究[D].南京:河海大學(xué),2011.

[11]宋佩穎,丁曉光.基于IGS超快速星歷的高精度實(shí)時(shí)GPS測(cè)量[J].測(cè)繪工程,2009,18(4):17-20.(SONG Peiying,DING Xiaoguang.The application of IGS ultra-rapid ephemeris in high-precision real-time GPS survey[J].Engineering of Surveying and Mapping,2009,18(4):17-20.(in Chinese))

[12]IGS Central Bureau.IGS Products[EB/OL].[2009-07-18].http://igs.org/components/prods.html.

Study on feasibility of numerical weather forecasting using ultra-rapid ephemeris

WANG Junjie,HE Xiufeng
(Institute of Satellite Navigation and Spatial Information System,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to obtain a real-time atmospheric water vapor field of high temporal and spatial resolution,based on the principle of remote sensing of atmospheric precipitable water vapor(PWV)using a ground-based GPS,the observed data at certain stations in the Hong Kong CORS network were processed.According to the different time spans in calculating PWV with ultra-rapid ephemeris,three schemes were designed.In each scheme,PWV data calculated with final precise ephemeris,ultra-rapid ephemeris,and radiosonde data were compared.The results show that the predicted PWV data of the ultra-rapid ephemeris agree with those of the final precise ephemeris,and its accuracy satisfies the requirements of real-time service,such as weather forecasting.

GPS;atmospheric precipitable water vapor;ultra-rapid ephemeris;numerical weather forecasting

P405

:A

:1000-1980(2015)03-0267-04

10.3876/j.issn.1000-1980.2015.03.013

2014-06 24

國(guó)家自然科學(xué)基金(41274017);江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2010316)

王俊杰(1989—),男,福建建甌人,博士研究生,主要從事GNSS導(dǎo)航與定位和GPS氣象學(xué)研究。E-mail:junjie.wang@hhu.edu.cn