羅峰

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060)

基于廣州CORS的大氣水汽含量遙感

羅峰?

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060)

首先介紹了GPS氣象學(xué)原理以及計算對流層延遲量的方法，給出了對流層濕分量時延ZWD(Zenith Wet Delay)與可降水分PWV(Perceptible Water Vapor)的關(guān)系，最后利用廣州CORS系統(tǒng)各個基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)計算大氣水汽含量，驗證了廣州CORS系統(tǒng)應(yīng)用于大氣水汽含量遙感的可行性。

CORS；對流層；GPS氣象；PWV

1 引 言

對大氣中水汽的研究已經(jīng)成為現(xiàn)代氣象學(xué)的重要組成部分。近幾年興起的GPS氣象學(xué)正是這一研究的縱深發(fā)展。根據(jù)GPS接收機的位置，GPS遙感大氣水汽含量分為地基和空基兩種技術(shù)?？栈鵊PS遙感技術(shù)需要將GPS接收機置于低軌衛(wèi)星平臺，耗資大而難以實現(xiàn)，且目前可供研究的數(shù)據(jù)少。地基GPS技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取方法簡單，可供研究的數(shù)據(jù)多，是當(dāng)前研究的重點。GZCORS作為一個城市級別的CORS系統(tǒng)，在廣州全市域建立了8個永久GPS基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)通過光纖連接方式傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。通過對8個GPS基準(zhǔn)站靜態(tài)數(shù)據(jù)的處理可以計算廣州地區(qū)大氣中水汽的含量情況。

2 GPS氣象學(xué)原理

當(dāng)GPS發(fā)出的信號穿過大氣層中的對流層時，會受到對流層大氣的折射影響，信號要發(fā)生彎曲和延遲，其中信號的彎曲量很小，而信號的延遲量卻很大，通常在2.3 m左右。在GPS精密定位測量中，大氣折射的影響被當(dāng)作主要誤差源而要設(shè)法消除掉，這種情況下了解大氣特征是為了訂正大氣對精密定位的影響，這就是GPS定位中將大氣影響作為數(shù)據(jù)誤差源“噪聲”需要去除的所謂正問題。因此，GPS氣象學(xué)在大地測量學(xué)和氣象學(xué)中是一對正逆問題。由于GPS偽距觀測值中含有較大的噪聲，因此，可降水分的估計只能應(yīng)用相位觀測值。假設(shè)接收機i于歷元t接收到衛(wèi)星j的相位觀測值為:

3 對流層延遲量與GPS濕分量時延的關(guān)系

對流層延遲量的大小是由GPS信號穿過對流層時沿經(jīng)路徑上的大氣折射率來決定的。在處理對流層大氣折射時一般將空氣分為兩部分，一部分是干空氣，另一部分是濕空氣，一般假定對流層在測站上各個方位對稱，則任意方向的對流層時延遲量可由天頂方向的時延表示:

式中，Dz為天頂方向的干分量時延；Wt為天頂方向的濕分量時延，fw和fz為對應(yīng)的投影函數(shù)，投影函數(shù)有:Marini(1972)、Chao(1972)、Davis(1985)、Niell (1996)等模型。它們與高度角有關(guān)。

在解算得到對流層延遲量dtrop之后，可以利用對流層天頂折射經(jīng)驗?zāi)Ｐ?Saastamoinen、Hopfield和Black等模型)計算天頂干分量延遲Dz，通過CORS基站的已知坐標(biāo)和精密星歷計算出每個歷元的衛(wèi)星高度角，從而得到濕延遲分量Wt。

4 GPS濕分量時延與可降水分的關(guān)系

空間大地測量中，習(xí)慣用濕分量時延ZWD表征對流層中水汽對GPS信號的影響，GPS濕分量時延的大小反映了大氣中水汽含量的多少。大氣科學(xué)中，常用可降水分PWV表征大氣水汽含量，可降水分定義為單位面積上空的所有水汽凝結(jié)成液態(tài)水時的等效水柱高度。濕分量時延與可降水分的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為:

式中，ZWD為天頂方向的濕分量時延(因為可降水分是天頂方向的)；PWV為可降水量，K為ZWD到PWV的轉(zhuǎn)換因子；ρ＝103kg/m3為液態(tài)水密度；Rw＝461.495為水汽的氣體常數(shù)；K2和K3是大氣物理參數(shù)，它們的經(jīng)驗值分別為22.13(中誤差為±2.20)和3.739×105(中誤差為±0.012×105)；Tm是大氣加權(quán)平均溫度，它是測站上空水汽壓和絕對溫度沿天頂方向的積分值，其定義為:

目前常用的估算方法主要有兩種，一種是數(shù)值積分法，該方法需要測定不同高度處的水汽壓和氣溫，可操作性比較差；另外一種方法是回歸分析法，眾所周知，氣溫會隨著高程的增加而以某一變化率而減小，直至對流層頂為止。它與地面測站的氣溫Ts、對流層中的溫度廓線和水汽的垂直分布狀況有關(guān)，毛節(jié)泰等利用我國東部地區(qū)(東經(jīng)100°～130°，北緯20°～50°)1992年各氣象臺站的探空資料，建立了中國東部地區(qū)全年回歸方程:

用上式所求得的Tm的標(biāo)準(zhǔn)差為±1.06K。由于廣州CORS系統(tǒng)的8個基站中有5個站在廣州各區(qū)的氣象站場中建設(shè)的，并且每個基準(zhǔn)站附近都設(shè)有氣象儀，可以得到各個站點的地面氣溫值，因此可以利用回歸分析法來直接計算得到大氣加權(quán)平均溫度。

5 廣州CORS數(shù)據(jù)分析

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

試驗選用了廣州CORS系統(tǒng)的8個基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，其中5個站是在氣象站場建立，例如呂田站建立在從化呂田氣象局，基站附近安裝了精密的氣象儀器，可以獲得準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)。GPS觀測數(shù)據(jù)為2009年12月10日的數(shù)據(jù)。GPS衛(wèi)星星歷為IGS精密星歷，另外選用了其中5個站的氣象觀測資料。

(2)GAMIT軟件介紹

對流層延遲計算選用了高精密的GPS處理軟件GAMIT，GAMIT是美國麻省理工學(xué)院(MIT)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)聯(lián)合研制的高精度GPS處理軟件。主要由ARC(軌道積分模塊)、MODEL(組成觀測方程)、SINCIN(單差自動修復(fù)周跳)、DBCIN(雙差自動修復(fù)周跳)、CVIEW(人工交互式修復(fù)周跳)、SOIVE(最小二乘解算模塊)、DFMRG(數(shù)據(jù)融合模塊)、FXDRV(生成批處理文件)、GLOBK(運用卡爾曼濾波進(jìn)行網(wǎng)平差)等幾個模塊構(gòu)成。它不但精度高而且開放源代碼，因此，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。通過GAMIT可以解算衛(wèi)星軌道、測站坐標(biāo)、鐘差、大氣延遲、整周模糊度等。

(3)數(shù)據(jù)處理

在計算之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，首先需要組織和存放好GPS原始觀測數(shù)據(jù)，更重要的是還要配置好各項參數(shù)表文件，包括觀測文件(O文件)、導(dǎo)航文件(N文件)、星歷文件(sp3文件)、測段信息控制文件(Settbl)、測站信息控制文件(sittbl.)、Tables目錄文件等，而且解算結(jié)果的精度還依賴于這些表文件里的參數(shù)配置。

測段信息控制文件 表1

然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過以下批處理步驟:

MAKEXP:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備部分的驅(qū)動程序。

MAKEJ:生成衛(wèi)星鐘差文件。

MAKEX:將原始觀測數(shù)據(jù)的格式(RINEX)轉(zhuǎn)換成GAMIT所需的文件。

BCTOT(NGSTOT):將星歷格式(RINEX、SP3、SP1)轉(zhuǎn)換成GAMIT所需的文件。

FIXDRV:數(shù)據(jù)處理部分的驅(qū)動程序。

ARC:軌道積分模塊。

MODEL:求偏導(dǎo)數(shù)，生成觀測方程。

SINCLN、DBLCLN、AUTCLN、CVIEW:周跳修復(fù)模塊。

CFMRG:為SOLVE模塊創(chuàng)建一個文件(M)，定義和選擇有關(guān)參數(shù)。

SOLVE:利用最小二乘解算模塊。

輔助模塊:CTOX、XTORX、TFORM等。

通過GAMIT軟件解算結(jié)果生成的Q文件中有對結(jié)算精度和可靠性進(jìn)行評估的指標(biāo)，其中均方根殘差是衡量單天解質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，通常比較理想的值應(yīng)小于0.3，如果大于0.5，就意味著處理過程中未除去大的周跳或某一參數(shù)的解算存在很大偏差，或者解算模型設(shè)定有誤。具體原因可進(jìn)一步在autcln.sum中查找，也可利用CV IEW模塊進(jìn)行更詳細(xì)的分析處理。本文中測段的單天基線解在Q文件中的nrms值為0.312，表明基線解算滿足要求。

在GAMIT軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理完成后執(zhí)行sh＿metutil命令生成met文件，具體命令如下:

sh＿metutil－f ometca.314－m lvti3140.06m–i 60

其中－f后面是GAMIT軟件解算生產(chǎn)的O文件(如ometca.314)，－m后面的文件為五山站的氣象文件，－i文件后面是大氣延遲估計間隔，單位為秒。

可提取出呂田站的大氣延遲數(shù)據(jù)，如圖1為對流層干分量延遲量，圖2為對流層濕分離延遲量。

圖1 對流層干分量延遲量

圖2 對流層濕分離延遲量

可以看出干分量的延遲量在15 mm的區(qū)間變化，其變化幅度不大。而濕分離的延遲在40 mm區(qū)間變化，相對來說變化幅度比干分量大。而且從兩圖可以看出干濕分量曲線的變化規(guī)律并無明顯相關(guān)，這表明干濕空氣對GPS信號的時延是兩個獨立的過程。

根據(jù)以上所述的原理，和由GAMIT軟件估計得到的濕分離延遲量和基站附近的氣象數(shù)據(jù)可以計算出基站天頂上大氣水汽的含量。另外GAMIT軟件同時也可以提取出基站的PWV值，兩種估計值變化曲線如圖3所示。

但通過二者的比較在某些程度上揭示了兩種估計方法的水汽變化趨勢、幅度有較好的一致性。圖示期間，最大的可降水分為26 mm，最小的可降水分為21 mm，平均值為23.7 mm。試驗表明在當(dāng)前的觀測條件下，認(rèn)為基于廣州CORS的地基GPS技術(shù)可以作為一項有效手段，從時間和空間上加密現(xiàn)有的高空探測站分布，用于區(qū)域水汽含量的遙感。

圖3 不同模型估計水汽含量比較

[1] 鄭作亞，盧秀山，韓曉冬等.利用多參數(shù)估計法解算對流層延遲[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001(4)，82～84

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Remote Sensing the Water Vapor Content in Atmospheric Based on Guangzhou CORS

Luo Feng
(Guangzhou Urban Planning＆Design Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China)

This article first introduced the basic principles of GPS meteorology，and gives the calculation method of Tropospheric Delay；and finally gives the relationship Tropospheric humidity component delay ZWD(Zenith Wet Delay) with precipitation PWV(Perceptible Water Vapor)，and the end using Guangzhou CORS System Reference Station observation data computation of atmospheric water vapor content.proved feasibility of the application of remote sensing water vapor content.in atmospheric based on Guangzhou CORS.

CORS；troposphere；GPS meteorology；PWV

1672－8262(2010)06－87－03

P228

A

2010—06—04

羅峰(1984—)，男，助理工程師，所從事的工作:主要從事GPS數(shù)據(jù)處理等工作。