徐銘澤,郭秋英,侯建輝,趙 耀,孫英君,李德偉
(1. 山東建筑大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院,濟(jì)南 250101;2. 中國測繪科學(xué)研究院 北京房山人衛(wèi)激光國家野外科學(xué)觀測研究站, 北京 100036)
水汽是大氣重要組成部分,對流層底部分布的水汽約為大氣水汽總含量的99%,是大氣中較為活躍,同時(shí)也是難以描述的參數(shù)之一[1-2]。水汽作為溫室氣體作用顯著,能夠影響輻射平衡,是云和降水形成的催化劑,也是短期降水預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因子。掌握大氣中水汽的分布,對于天氣及洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)具有十分重要的意義[3-4]。
無線電探空儀(radiosondes,RS)能夠獲取垂向分辨率極高的大氣可降水量(precipitable water vapor,PWV)數(shù)值,但因探空氣球成本高昂,每天只能在00:00 及12:00 收集數(shù)據(jù),全球探空站數(shù)量分布少,導(dǎo)致其時(shí)空分辨率較低。微波輻射計(jì)的時(shí)間分辨率可達(dá)5~8 min,但在雨雪天氣或有云層遮擋時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的觀測偏差,無法滿足全天候的觀測精度要求[5]。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)技術(shù)因其高精度、全天候、高時(shí)空分辨率的優(yōu)點(diǎn),成為探測大氣水汽的重要補(bǔ)充,廣泛應(yīng)用于氣象學(xué)領(lǐng)域[6]。其原理為通過解算衛(wèi)星信號穿過對流層時(shí)受到大氣的折射而產(chǎn)生信號時(shí)延可獲得精確的天頂對流層延遲(zenith total delay, ZTD)。天頂靜力學(xué)延遲(zenith hydrostatic delay, ZHD)可通過薩斯塔莫伊寧(Saastamoinen)模型精確計(jì)算[7],天頂對流層延遲減去天頂靜力學(xué)延遲即可得到天頂濕延遲(zenith wet delay, ZWD),由ZWD 計(jì)算PWV 時(shí)需要無量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)∏,二者共同影響PWV 的精度。轉(zhuǎn)換系數(shù)∏是關(guān)于加權(quán)平均溫度(atmospheric weighted mean temperature, Tm)的函數(shù),即Tm的準(zhǔn)確與否關(guān)系到∏的精度。為獲取與研究地區(qū)相符合的大氣加權(quán)平均溫度模型,眾多學(xué)者進(jìn)行了多項(xiàng)研究。文獻(xiàn)[8]利用貴州地區(qū)的無線探空站的觀測數(shù)據(jù),建立了貴州整體及局部的加權(quán)平均溫度Tm與地面溫度Ts間的一元線性關(guān)系式。文獻(xiàn)[9]利用香港地區(qū)的探空數(shù)據(jù),建立符合香港地區(qū)的加權(quán)平均溫度與地面溫度單因子和加權(quán)平均溫度與地面溫度、濕度、水汽壓的多因子加權(quán)平均溫度模型。文獻(xiàn)[10]則針對季節(jié)更替,提出了顧及季節(jié)變化的加權(quán)平均溫度模型,增加季節(jié)變化參數(shù)后的模型精度有所提高。文獻(xiàn)[11]利用2005—2011 年全球大地測量觀測系統(tǒng)(global geodetic observing system, GGOS)提供的Tm數(shù)據(jù)及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF)提供的Ts數(shù)據(jù),得出緯度影響二者的相關(guān)性的結(jié)論,按緯度建立起全球分區(qū)域線性回歸模型。文獻(xiàn)[12]同樣利用GGOS Tm數(shù)據(jù)以及ECMWF Ts的再分析資料數(shù)據(jù),建立顧及季節(jié)性適合澳洲地區(qū)的加權(quán)平均溫度模型,該模型精度高于再分析資料數(shù)據(jù)且更符合探空積分計(jì)算值。文獻(xiàn)[13]則針對遠(yuǎn)海等缺乏探空資料的區(qū)域,利用近海探空資料及ECMWF 提供的ERA-Interim再分析資料構(gòu)建適用于遠(yuǎn)洋地區(qū)的、平均轉(zhuǎn)換誤差僅為1%的回歸模型。此外,文獻(xiàn)[14-16]也分別建立銀川地區(qū)加權(quán)平均溫度模型、吉林地區(qū)非線性加權(quán)平均溫度模型以及香港地區(qū)添加高度改正的區(qū)域模型。
基于以上研究,本文利用濟(jì)南地區(qū)章丘探空站(站號54727)2015—2019 年共5 年探空資料數(shù)據(jù),建立符合濟(jì)南地區(qū)的大氣加權(quán)平均溫度模型與貝維斯(Bevis)模型、中國東部地區(qū)模型進(jìn)行精度對比與分析,并利用濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型進(jìn)行PWV 反演實(shí)驗(yàn),分析濟(jì)南地區(qū)PWV 與實(shí)際降水的關(guān)系,為濟(jì)南地區(qū)氣象探測等方面的應(yīng)用提供參考依據(jù)。
在GNSS 氣象學(xué)中,ZWD 與PWV 間的轉(zhuǎn)換因子∏的計(jì)算公式為
式中:e為水汽壓,單位為hPa;T為絕對溫度,單位為K;h為大氣厚度,單位為m。
目前,Tm的計(jì)算方法有多種,包括常數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)公式法等,但目前精度最高的方法是利用探空資料、采用數(shù)值積分法解得Tm,其計(jì)算公式為
式中:iT為第i層大氣的平均溫度,單位為K;ihΔ 為第i層大氣的平均厚度值,單位為m;ie為第i層大氣的平均水汽壓,單位為hPa。ie的計(jì)算方法為
式中:r為相對濕度;es為飽和水汽壓,單位為hPa;t為露點(diǎn)溫度,單位為℃。當(dāng)t<0℃時(shí),使用式(5)進(jìn)行計(jì)算,否則使用式(6)計(jì)算[18]。
文獻(xiàn)[2]首次通過收集北美地區(qū)(緯度為27°N~65°N),總計(jì)8 718 次探空數(shù)據(jù),建立起適用于中緯度、均方根誤差為4.74 K 的一元線性Bevis經(jīng)驗(yàn)公式,即
文獻(xiàn)[3]利用1992 年的探空資料,回歸分析出適合中國東部地區(qū)(緯度為20°N~50°N,經(jīng)度為100°E~130°E)的各個(gè)月份加權(quán)平均溫度與地面溫度(Tm/Ts)線性關(guān)系式,全年平均參量化方程為
濟(jì)南地區(qū)并無相關(guān)加權(quán)平均溫度模型,為了在該地區(qū)更好地進(jìn)行GNSS 水汽反演實(shí)驗(yàn),運(yùn)用上述數(shù)值分析的方法結(jié)合探空數(shù)據(jù),建立濟(jì)南區(qū)域加權(quán)平均溫度模型。
數(shù)據(jù)來源為美國懷俄明大學(xué)(The University of Wyoming,UW)提供的濟(jì)南市章丘探空站2015—2019 年共5 年的觀測數(shù)據(jù),探空站的平面位置為(36.70° N,117.55° E),高程為123.0 m。使用數(shù)值積分法計(jì)算探空站每日00:00、12:00 的Tm值,取平均值輸出作為該日的Tm最終參考值。地面溫度Ts數(shù)據(jù)由 ECMWF ERA-5 再分析資料、地面2 m 溫度每日00:00、12:00 的數(shù)據(jù)取平均值獲得。因?yàn)樵卺尫艢馇驎r(shí),可能會(huì)遇到數(shù)據(jù)無法收集或遺失的現(xiàn)象,由此造成某時(shí)間段的數(shù)據(jù)缺失,本次實(shí)驗(yàn)采集到2015—2019 年共3 606 個(gè)數(shù)據(jù)樣本。
將上述收集到的探空數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,剔除缺失或無法使用的數(shù)據(jù)。借助矩陣實(shí)驗(yàn)室(matrix laboratory, MATLAB)應(yīng)用軟件編寫程序代碼,讀取經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)。通過數(shù)值積分法,計(jì)算樣本的每日加權(quán)平均溫度值Tm,圖1 為Tm/Ts隨時(shí)間變化關(guān)系趨勢圖。
從圖1 可以看出,冬季的Tm/Ts差值小,夏季的Tm/Ts差值大,這可能與冬季較為干燥,夏季多雨水有關(guān)。無論是Tm還是Ts值,變化趨勢均滿足以年為單位的周期循環(huán),在每年的1—7 月份上升,7 月份達(dá)到峰值后逐月遞減,二者的變化幅度也基本相同。Tm的峰值穩(wěn)定在292~295 K 附近,Ts的峰值則位于300 K 上下,Tm/Ts在2015—2019 年間的變化情況基本穩(wěn)定,并且Tm值低于Ts值。根據(jù)二者的變化趨勢可知,Tm/Ts之間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系。利用最小二乘原理采用線性回歸方法,擬合Tm/Ts散點(diǎn)分布圖及趨勢線,其結(jié)果如圖2 所示。
圖1 章丘站Tm/Ts時(shí)間變化趨勢
圖2 章丘站Tm/Ts散點(diǎn)圖及趨勢線
由圖2 散點(diǎn)的分布可以看到,所有的散點(diǎn)均集中分布于回歸趨勢線附近,二者的相關(guān)系數(shù)R為0.927 1,具有極好的線性集中關(guān)系,這也說明二者有很好的線性相關(guān)關(guān)系。
為了更清晰地表示加權(quán)平均溫度與地面溫度全年變化情況,圖3 給出了2015—2019 年間Tm/Ts逐月散點(diǎn)關(guān)系圖。
由圖3 可知,各個(gè)月份的散點(diǎn)均大致分布于回歸線上下,其中2015—2019 年間,Tm/Ts相關(guān)性最高的月份為4 月份,相關(guān)系數(shù)為0.798 1;相關(guān)性最低的月份為6 月份,相關(guān)系數(shù)為0.545 3,全年12 個(gè)月份的相關(guān)系數(shù)均大于0.5,各個(gè)月份的Tm/Ts值均存在線性相關(guān)關(guān)系。
圖3 2015—2019 年章丘探空站Tm/Ts逐月散點(diǎn)圖
表1 為章丘探空站Tm/Ts的相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值表。
表1 2015—2019 年章丘探空站Tm/Ts逐月相關(guān)參數(shù)
由表1 可知,各月份間的均方根誤差(root mean square error,RMSE)差距較大。冬季各月份的均方根誤差分別為2.892、2.984、2.947 K,均大于全年的均方根誤差2.588 K;夏季各月份的均方根誤差值分別為1.882、1.786、1.763 K,均小于全年的均方根誤差。冬季與夏季的均方根誤差的平均值分別為2.941、1.810 K,相差1.131 K。因此,在進(jìn)行反演大氣可降水量時(shí),應(yīng)選擇相應(yīng)月份的模型進(jìn)行反演實(shí)驗(yàn)。根據(jù)2015—2019 年章丘探空站的探空數(shù)據(jù),本文建立的濟(jì)南大氣加權(quán)平均溫度模型為
3.1.1 內(nèi)符合精度驗(yàn)證與分析
為了驗(yàn)證本文建立的濟(jì)南地區(qū)大氣加權(quán)平均溫度模型的內(nèi)符合精度[19],利用章丘探空站2015—2019 年的探空資料進(jìn)行模型精度對比分析。將利用探空數(shù)據(jù)解算的Tm每日平均值作為參考值,由濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型計(jì)算的Tm值為擬合值。圖4 為探空資料Tm參考值與模型擬合值之間的模型殘差分布情況。
從圖4 統(tǒng)計(jì)結(jié)果知,濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型的殘差滿足正態(tài)分布,其中-3~3 K 區(qū)間的殘差所占比重為75.14%,93.3%的殘差位于±5 K 區(qū)間內(nèi)。由此初步可以看出,本文建立的濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型擬合程度很高。
圖4 濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型殘差分布直方圖
為了進(jìn)一步分析濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型在濟(jì)南地區(qū)的精度,將濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型(Tm(JN)模型)與Bevis 模型(Tm(Bevis)模型)、中國東部地區(qū)模型(Tm(China)模型)進(jìn)行精度對比分析,計(jì)算三種模型在濟(jì)南地區(qū)2015—2019 年的均方根誤差RMSE、平均絕對誤差(mean absolute error,MAE)和偏差(Bias),結(jié)果如表2 所示。
表2 Tm(JN)模型與Tm(Bevis)模型、Tm(China)模型精度對比 單位:K
由表2 可知,Tm(Bevis)模型與Tm(China)模型的均方根誤差、平均絕對誤差、偏差數(shù)值相近,兩種模型的精度大致相同;Tm(JN)模型的均方根誤差、平均絕對誤差、偏差分別為2.586 7、2.205 0、-0.010 9 K 均低于另外兩種模型,精度大為提高。其中,Tm(JN)模型的偏差值較Tm(Bevis)模型及Tm(China)模型分別減小了1.5 K 及1.9 K,均方根誤差較Tm(Bevis)模型及Tm(China)模型精度分別提高20%和21%,平均絕對誤差精度則分別提高25%和23%。說明本文建立的濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型較已有模型精度更高,可靠性更好。
從表2 可以進(jìn)一步看出,中國東部地區(qū)模型在濟(jì)南地區(qū)的精度要低于濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型。為了提高中國東部地區(qū)模型在濟(jì)南地區(qū)的精度和適用性,現(xiàn)利用章丘探空站數(shù)據(jù)對中國東部地區(qū)模型進(jìn)行優(yōu)化。由探空數(shù)據(jù)解算的Tm與中國東部地區(qū)模型計(jì)算的Tm(China)之間的相關(guān)系數(shù)R為0.927,二者具有極好的線性相關(guān)關(guān)系。根據(jù)Tm與Tm(China)間的相關(guān)關(guān)系,利用最小二乘線性回歸方法對中國東部地區(qū)模型進(jìn)行優(yōu)化,構(gòu)建適用濟(jì)南地區(qū)的中國東部地區(qū)優(yōu)化模型式為
由表3 可知,適用于濟(jì)南地區(qū)的中國東部地區(qū)優(yōu)化模型的精度有了大幅提高,優(yōu)化后的中國東部地區(qū)模型偏差值變化極小,均方根誤差精度提高17.8%,平均絕對誤差精度提高25.5%。經(jīng)優(yōu)化后的中國東部地區(qū)模型精度與濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型精度大致相當(dāng),提高了該模型在濟(jì)南地區(qū)的適用性。
表3 中國東部地區(qū)模型優(yōu)化精度對比分析 單位:K
3.1.2 外符合精度驗(yàn)證與分析
為了檢驗(yàn)濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型在其他年份是否適用,檢驗(yàn)分析其外符合精度,采用章丘探空站2020 年1 月1—18 日探空資料的Tm值為參考值,Tm(JN)模型計(jì)算值為預(yù)報(bào)值,同時(shí)與Tm(Bevis)模型、Tm(China)模型的預(yù)報(bào)值進(jìn)行對比,對比結(jié)果如表4 所示。
表4 不同模型預(yù)報(bào)值精度對比 單位:K
由表4 可知,Tm(China)模型的偏差值為1.648 5 K在三種模型中偏差值最大,均方根誤差與平均絕對誤差值也遠(yuǎn)大于其余兩種模型。Tm(JN)模型的均方根誤差、平均絕對誤差、偏差分別為2.736 8、2.135 9、-0.013 7 K,小于Tm(Bevis)模型及Tm(China)模型。Tm(JN)模型與Tm(Bevis)模型的均方根誤差及平均絕對誤差基本接近,但前者精度仍略高。因此在濟(jì)南地區(qū),使用構(gòu)建的Tm(JN)模型與大氣加權(quán)平均溫度吻合度更好、精度更高,表現(xiàn)出更好的適用性,提高了濟(jì)南地區(qū)GNSS 反演PWV 的精度,可以應(yīng)用于本地區(qū)的PWV 反演計(jì)算。
為了進(jìn)一步檢驗(yàn)濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型在該地區(qū)反演PWV 的精度,利用山東建筑大學(xué)連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations,CORS)SDJZ 站,2020 年1 月(年積日第1—31天共31 d)、2020 年7 月(年積日第182—212 天共31 d)的觀測數(shù)據(jù),以及濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型,對濟(jì)南地區(qū)的PWV 進(jìn)行解算。為減弱對流層效應(yīng)對解算結(jié)果的影響,引入三個(gè)國際GNSS 服務(wù)組織(International GNSS Service, IGS)站(即JFNG站、HKWS 站、LHAZ 站)的觀測數(shù)據(jù)組網(wǎng)解算。三個(gè)IGS 站、SDJZ CORS 站、濟(jì)南章丘區(qū)探空站站點(diǎn)位置分布如圖5 所示,其中SDJZ 站與章丘探空站相距約30 km。
圖5 IGS 站、SDJZ CORS 站、濟(jì)南章丘探空站站點(diǎn)位置
利用加米特(GAMIT)10.71 軟件進(jìn)行PWV反演實(shí)驗(yàn),解算得到1 月份及7 月份SDJZ 站00:00、12:00 的ZWD 值,分別通過Tm(JN)模型以及Tm(Bevis)模型,計(jì)算得到相應(yīng)的Tm(JN)的PWV 值、Tm(Bevis)模型的PWV 值,以RS/PWV 值作為參考值進(jìn)行對比分析,如圖6 所示。
由圖6(a)可知,1 月份的濟(jì)南模型的PWV、Bevis 模型的PWV 基本重合,且RS 的PWV 的變化趨勢基本保持一致。以年積日第6 天為例,在有降水事件發(fā)生前,PWV 值會(huì)急劇增加,當(dāng)降水結(jié)束時(shí),又會(huì)迅速減小。由圖6(b)可知,7 月份的濟(jì)南模型的PWV、Bevis 模型的PWV 以及RS 的PWV 的變化趨勢同樣保持一致,在年積日第185天、第187 天、第195 天、第205 天、第209 天發(fā)生降水時(shí),PWV 均發(fā)生迅速增加的現(xiàn)象,其中尤以第205 天最為明顯,降水發(fā)生前PWV 含量由21.15 mm 迅速增加至62.83 mm,由此可以判斷PWV 能夠?yàn)轭A(yù)報(bào)降水提供有力依據(jù)。
圖6 SDJZ 站大氣可降水量與實(shí)際降水關(guān)系
表5 為濟(jì)南模型的PWV、Bevis 模型的PWV的精度對比分析。
表5 濟(jì)南模型與Bevis 模型PWV 精度對比單位:mm
由表5 可知,1 月份的濟(jì)南模型的PWV 的偏差、均方根誤差、平均絕對誤差較Bevis 模型的PWV 分別降低0.07、0.04、0.05 mm;二者反演PWV精度大致相同,這可能與冬季天氣寒冷干燥,降水稀少有關(guān),但Tm(JN)模型仍優(yōu)于Tm(Bevis)模型。7 月份的濟(jì)南模型的PWV 的偏差、均方根誤差、平均絕對誤差較Bevis 模型的PWV 精度分別提高0.34、0.10、0.15 mm,與1 月份精度相比,濟(jì)南模型的反演精度有了較為明顯的提高。7 月份的均方根誤差、平均絕對誤差要明顯大于1 月份,這可能與夏季天氣濕熱多變,降雨頻繁,冬季天氣寒冷干燥有關(guān)。濟(jì)南模型7 月份的均方根誤差為3.405 mm,符合國際要求的3~4 mm 的精度要求[20]。通過以上精度對對比分析,本文構(gòu)建的濟(jì)南模型比Bevis 模型精度更高,更適合本地PWV 反演。
本文利用懷俄明大學(xué)提供的章丘探空站2015—2019 年的探空資料,利用數(shù)值積分解算出大氣加權(quán)平均溫度與ERA-5 再分析資料建立符合濟(jì)南地區(qū)的加權(quán)平均溫度模型并與Bevis 模型、中國東部地區(qū)模型進(jìn)行精度驗(yàn)證與分析,得到下列結(jié)論:
1)Tm值小于Ts值,而且二者變化趨勢均滿足以一年為單位的周期循環(huán),變化幅度也基本相同,在7 月達(dá)到峰值后逐月遞減。二者的相關(guān)系數(shù)為0.927 1,表現(xiàn)為線性強(qiáng)相關(guān)。根據(jù)逐月份Tm/Ts各相關(guān)參數(shù)可知,冬季各月份的均方根誤差分別為2.892、2.984、2.947 K,均大于全年的均方根誤差2.588 K;夏季各月份的均方根誤差分別為1.882、1.786、1.763 K,均小于全年的均方根誤差。冬季與夏季的均方根誤差的平均值分別為2.941、1.810 K,相差1.131 K。因此在進(jìn)行反演大氣可降水量時(shí),應(yīng)選擇相應(yīng)月份的模型進(jìn)行反演實(shí)驗(yàn)。
2)濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型擬合值與真值間的殘差滿足正態(tài)分布,殘差區(qū)間-3~3 K 所占的比重為75%,±5 K 區(qū)間內(nèi)的殘差為95%,濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型擬合程度很高。
3)Tm(JN)模型與Tm(Bevis)模型、Tm(China)模型相比,偏差值減小了1.5 K 及1.9 K,均方根誤差精度分別提高了20%和21%、平均絕對誤差精度分別提高了25%和23%,表明Tm(JN)模型較Tm(Bevis)模型、Tm(China)模型在濟(jì)南地區(qū)的精度更高,可靠性更好。在外符合精度檢驗(yàn)中,Tm(JN)模型均方根誤差、平均絕對誤差、偏差均小于其他兩種模型,精度略高于Tm(Bevis)模型,模型精度有所提高。Tm(JN)模型與大氣加權(quán)平均溫度吻合度更好、精度更高,表現(xiàn)出較好的適用性,可以應(yīng)用于本地區(qū)的PWV反演計(jì)算。
4)利用章丘探空站數(shù)據(jù)及最小二乘原理對中國東部地區(qū)模型進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的中國東部地區(qū)模型精度較優(yōu)化前有了大幅提高,其中均方根誤差精度提高 17.8%,平均絕對誤差精度提高25.5%。優(yōu)化后的中國東部地區(qū)模型與濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型精度大致相當(dāng),在濟(jì)南地區(qū)的適用性得到提高。
5)通過PWV 反演實(shí)驗(yàn),1 月份的反演實(shí)驗(yàn)濟(jì)南模型的PWV 與Bevis 模型的PWV 反演PWV精度大致相同,這可能與冬季天氣寒冷干燥,降水稀少有關(guān),但濟(jì)南模型仍優(yōu)于Bevis 模型。7 月份濟(jì)南模型PWV 的偏差、均方根誤差、平均絕對誤差較Bevis 模型的PWV 精度分別提高0.34、0.10、0.15 mm。對于濟(jì)南地區(qū)PWV 解算而言,本文構(gòu)建的濟(jì)南加權(quán)平均溫度模型更適合本地PWV 反演。