薛豐昌，高曉東，張亞琳

（1.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院，江蘇 南京210044；2.上海嘉定區(qū)氣象局，上海201800）

0 引 言

氣象研究的熱點(diǎn)之一是如何測(cè)定大氣中的水汽含量，監(jiān)測(cè)大氣中水汽分布及變化趨勢(shì)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)特別是中小尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。由于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電探測(cè)、衛(wèi)星紅外線(xiàn)探測(cè)和微波探測(cè)等手段自身存在的局限性，上世紀(jì)末有學(xué)者提出地基GPS技術(shù)可以作為一種新型大氣探測(cè)實(shí)用技術(shù)有效彌補(bǔ)探空資料在時(shí)間和空間上的不足，提供高精度、高容量、快速變化的水汽信息。

Bevis M［1］等人首先提出了利用GPS探測(cè)大氣總水汽量的方法，使得GPS成為探測(cè)大氣結(jié)構(gòu)的一種新手段。1994年美國(guó)GPS／STORM試驗(yàn)證明了利用地基GPS探測(cè)大氣總水汽含量技術(shù)的可行性，地基GPS探測(cè)大氣水汽含量的精度達(dá)0.1～0.2cm.與此同時(shí)，從1994年開(kāi)始，NOAA利用美國(guó)中部的GPS網(wǎng)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)5年的大氣水汽監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明該網(wǎng)能在高濕（大氣總水汽量超過(guò)4.0cm）和十分干燥（大氣總水汽量低于0.25cm）的條件下穩(wěn)定地運(yùn)行［2］。從GPS／STORM和GPSWISP94試驗(yàn)表明地基GPS／MET的應(yīng)用價(jià)值和特點(diǎn)以來(lái)，美國(guó)、日本、德國(guó)、歐盟、韓國(guó)等還紛紛建立地基GPS／MET應(yīng)用的連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。國(guó)內(nèi)從90年代中期由國(guó)家衛(wèi)星氣象中心和北京大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行空基、地基GPS／MET的研究，利用掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度及氣壓的反演。利用地基GPS資料，對(duì)大氣可降水量進(jìn)行了探測(cè)，上海氣象局和上海天文臺(tái)通過(guò)合作，對(duì)上海暴雨期間進(jìn)行了GPS觀測(cè)，得到大氣可降水量。中國(guó)科學(xué)研究院和地形形變監(jiān)測(cè)中心在華南暴雨試驗(yàn)中也進(jìn)行了GPS觀測(cè)。2000年，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心和北京大學(xué)聯(lián)合北京市氣象局進(jìn)行了我國(guó)第一次北京地區(qū)地基GPS／VAPOR試驗(yàn)。2001年，973暴雨項(xiàng)目的觀測(cè)試驗(yàn)課題在安徽進(jìn)行了GPS的外場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步完善了GPS探測(cè)技術(shù)，得到精度為2mm左右的GPS大氣可降水量和中層誤差為1K的溫度反演廓線(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所則開(kāi)發(fā)GPS折射角的四維變分同化系統(tǒng)。目前，GPS應(yīng)用在我國(guó)氣象領(lǐng)域迅速開(kāi)展，天津、山西、武漢、廣東等省市開(kāi)始進(jìn)行綜合應(yīng)用GPS建設(shè)。

GPS作為探測(cè)大氣的一項(xiàng)新手段，具有全球覆蓋、精度高、垂直分辨率高等優(yōu)點(diǎn)［3］，GPS技術(shù)可用于研究大氣中水汽的日變化特征，得到的區(qū)域性高時(shí)空分辨率的水汽資料進(jìn)行中尺度天氣預(yù)報(bào)，對(duì)城市環(huán)境預(yù)報(bào)、暴雨、冰雹及其他洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)能夠發(fā)揮重要作用［4］。

1 地基GPS信號(hào)反演水汽原理

GPS信號(hào)在穿越大氣過(guò)程中，由于大氣折射率梯度和大氣密度等的變化使其相對(duì)于在真空中直線(xiàn)傳播而言出現(xiàn)了延遲［5］。對(duì)精確定位、導(dǎo)航應(yīng)用來(lái)說(shuō)，必須消除或消弱地球大氣層對(duì)GPS信號(hào)傳播的種種影響，而當(dāng)GPS應(yīng)用到水汽反演中，正好與之相反，可以利用該延遲最終反演出大氣中的水汽含量。

GPS信號(hào)總延遲分為電離層延遲和對(duì)流層天頂延遲，其中對(duì)流層延遲分為干延遲（ZHD）和濕延遲（ZWD），其中干延遲亦稱(chēng)為靜力延遲，由大氣中的干空氣造成，而濕延遲主要由大氣中的水汽引起。電離層延遲可以通過(guò)雙頻接收機(jī)觀測(cè)技術(shù)訂正到毫米量級(jí)，接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差則用相對(duì)差分處理消除。余下的對(duì)流層天頂總延遲（ZTD），可利用軟件對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合IGS跟蹤站數(shù)據(jù)等進(jìn)行求解得出。干延遲可用精確的地面氣壓、溫度、濕度等氣象資料通過(guò)公式給出，可以訂正到毫米量級(jí)，這樣就得到了毫米量級(jí)的濕延遲［4］，其值一般在區(qū)間［0，40］cm內(nèi)［6］。濕延遲與大氣水汽存在著一定的轉(zhuǎn)換系數(shù)K，K值根據(jù)局部區(qū)域加權(quán)平均溫度模型計(jì)算出，由天頂濕延遲轉(zhuǎn)換而來(lái)，主要反映了大氣中水汽分布對(duì)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)傳播的影響，只要確定這一轉(zhuǎn)換系數(shù)，即可轉(zhuǎn)換得到大氣可降水汽量（PWV）［7］。

PWV相當(dāng)于同樣水汽含量的水柱高，可理解為某一時(shí)刻大氣中的水汽壓達(dá)到飽和時(shí)凝結(jié)成水全部降落所產(chǎn)生的降水量。反演過(guò)程如圖1所示［8］。

圖1 GPS數(shù)據(jù)反演PWV的流程

1.1 對(duì)流層天頂總延遲（ZTD）計(jì)算

利用測(cè)站的GPS數(shù)據(jù)，聯(lián)合測(cè)站周邊分布均勻、距離超過(guò)500km的IGS跟蹤站在同一時(shí)間段的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和廣播星歷、精密星歷等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)精密雙差定位定軌解算軟件Bernese，解算出測(cè)站上空高精度的對(duì)流層天頂總延遲。軟件計(jì)算流程如圖2所示［8］。

2 基線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理和ZTD計(jì)算流程

通過(guò)改正可計(jì)算所有解算時(shí)段的天頂總延遲，其內(nèi)符合精度為0.5～1mm，可用于大氣中水汽總量的反演估算。

1.2 大氣濕延遲（ZWD）

計(jì)算濕延遲的前提是獲得干延遲。計(jì)算干延遲有多種模型，如Saastamoinen模型、Hopfield模型和Black模型，這里采用Saastamoinen模型。

根據(jù)Saastamoinen模型，干延遲精度可以達(dá)到mm量級(jí)，公式如下

式中：P為測(cè)站的地面大氣壓，單位hpa；H為測(cè)站的高程，單位km；λ為測(cè)站緯度。

可獲得天頂濕延遲，它是計(jì)算水汽含量的前提。

1.3 大氣水汽含量（PWV）計(jì)算

計(jì)算PWV值的公式

式中：k′2為22.1±2.2K／hPa；k3為3.739×105±0.012×105K2／hPa，二者為大氣折射常數(shù)；ρ為液態(tài)水的密度，為1×103kg／m3；Rv是水汽的氣體常數(shù)為461.524J／Kg·K；Tm為地區(qū)加權(quán)平均溫度；Pv為垂直分布上某點(diǎn)的水汽分壓；T為同一點(diǎn)的氣溫（K）；Hs為測(cè)站的高程，單位是m.

由于Pv和T隨時(shí)間和空間變化而變化，Tm也是一個(gè)時(shí)空變化量，故轉(zhuǎn)換系數(shù)K也是一個(gè)變量，是將濕延遲轉(zhuǎn)換為水汽含量的關(guān)鍵量。如果要確定轉(zhuǎn)換系數(shù)K，就必須準(zhǔn)確地確定加權(quán)平均溫度Tm［9］.一般選取測(cè)站一段時(shí)間內(nèi)的氣象資料進(jìn)行線(xiàn)性回歸計(jì)算，獲取該站的加權(quán)平均溫度模型。作為近似，轉(zhuǎn)換系數(shù)K也可以簡(jiǎn)單的取為常數(shù)K≈0.15［10］.

利用式（2～6）計(jì)算Tm需要知道大氣水汽分壓和絕對(duì)溫度的垂直分布情況，需要利用無(wú)線(xiàn)電探空資料才能獲得，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。以下是幾個(gè)典型的經(jīng)驗(yàn)回歸公式［8］.

1）Bevis等人根據(jù)北美多個(gè)站點(diǎn)多年的無(wú)線(xiàn)電探空資料給出了大氣加權(quán)平均溫度與地面絕對(duì)溫度的線(xiàn)性回歸公式

式中Ts為地面絕對(duì)溫度。經(jīng)研究該式的相對(duì)誤差小于2%，推算綜合水汽含量的誤差小于4%。

2）李建國(guó)，毛節(jié)泰等人利用中國(guó)東部地區(qū)多個(gè)探空站1992年全年的資料給出了中國(guó)東部地區(qū)大氣加權(quán)平均溫度逐月和全年的回歸公式，年回歸公式為

3）谷曉平、王長(zhǎng)耀等人分析了大氣加權(quán)平均溫度的變化特征，認(rèn)為T(mén)m的變化主要受太陽(yáng)輻射以及地球大氣熱輻射的影響，并根據(jù)廣東清遠(yuǎn)站多年的探空資料利用最優(yōu)子集回歸技術(shù)建立了Tm與地表氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度（Td）以及水氣壓的局地回歸算式

2 GPS反演大氣水汽實(shí)例

現(xiàn)代高精度的GPS數(shù)據(jù)處理中，一般采用參數(shù)估計(jì)法估算對(duì)流層延遲值，將對(duì)流層延遲值作為未知參數(shù)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中連同其他參數(shù)一并解算出來(lái)。目前國(guó)際上流行的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件（Bernese，GAMIT，GIPSY等）都可以估算測(cè)站上空對(duì)流層的天頂延遲值，其估算方法主要有兩種：一種是利用最小二乘法，在整個(gè)測(cè)量時(shí)段內(nèi)每隔一定的時(shí)間間隔（例如半小時(shí)）引入一個(gè)對(duì)流層天頂延遲參數(shù)，并假設(shè)其在該時(shí)間間隔內(nèi)是固定不變的，在數(shù)據(jù)處理中采用最小二乘法將延遲參數(shù)連同測(cè)站坐標(biāo)一同解算出來(lái)；另一種方法是用隨機(jī)模型描述對(duì)流層天頂延遲的變化，采用卡爾曼濾波等方法估計(jì)對(duì)流層的延遲值。目前較常用的GPS精密數(shù)據(jù)處理軟件中Bernese，GAMIT采用的是最小二乘估計(jì)法，而GIPSY則采用的是卡爾曼濾波的方法［8］。

使用Bernese軟件計(jì)算出2010年4月24日13：00的天頂總延遲，其單位為m，依據(jù)式（1）、（2）、（3）計(jì)算出對(duì)流層濕延遲，而后依據(jù)式（4）計(jì)算出大氣水汽含量，其中由于氣象資料的缺乏，轉(zhuǎn)換系數(shù)K取近似值0.15［8］。五個(gè)基站各項(xiàng)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表2示出了利用MODIS數(shù)據(jù)反演出的2010年4月24日晴空5個(gè)基站所在像元的水汽含量值，單位為mm.

根據(jù)表2、表3所示，GPS反演的水汽數(shù)值與MODIS反演的水汽數(shù)值相近，兩種反演方法獲得的數(shù)值均值均在20mm左右，表明利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)反演大氣水汽是可行的?？傮w上看GPS數(shù)據(jù)反演的水汽數(shù)值略大于MODIS水汽反演的水汽數(shù)值，這是由于受氣象條件限制，利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)反演大氣水汽含量計(jì)算時(shí)的氣象資料缺乏，難以算出基站位置精確的加權(quán)平均溫度，所以只能將水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)K取近似值常數(shù)，而將濕延遲轉(zhuǎn)化為大氣水汽含量時(shí)，主要誤差來(lái)源是轉(zhuǎn)換系數(shù)K的誤差，由此導(dǎo)致了利用GPS觀測(cè)值最終算得的水汽含量存在一定誤差。

3 結(jié) 論

GPS探測(cè)水汽相對(duì)于傳統(tǒng)手段具有探測(cè)精度高、時(shí)間分辨率高、不需要標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，必將成為氣象現(xiàn)代探測(cè)的有效手段。目前，GPS水汽探測(cè)仍在發(fā)展中，有許多問(wèn)題需要解決和改進(jìn)。總結(jié)了GPS反演大氣水汽含量的原理并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了利用GPS反演大氣水汽含量的可行性，下一步應(yīng)提高其可靠性和穩(wěn)定性，為天氣預(yù)報(bào)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等提供服務(wù)。

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