張洛愷，楊 力，李 婧，2

（1.信息工程大學(xué)，河南 鄭州450001；2.61363部隊，陜西 西安710054）

0 引 言

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的飛速發(fā)展，它的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在地球動力學(xué)、大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、氣象學(xué)、災(zāi)害預(yù)報和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。20世紀90年代國際上興起了基于全球定位系統(tǒng)探測大氣水汽含量的新技術(shù)——GPS氣象學(xué)（GPS／MET），這種遙感水汽的方法具有高精度、高時空分辨率，長期穩(wěn)定，不受天氣影響，無需校正，費用低廉等特點，利用GPS進行大氣水汽探測能很好地克服傳統(tǒng)技術(shù)面臨的問題[1－2]。

1 地基GPS反演水汽基本原理

地球中性大氣對GPS信號的傳播會帶來路徑延遲，通常的做法是將每一個測站天頂延遲作為未知數(shù)進行估算，通過干、濕映射函數(shù)投影到信號傳播路徑上。實際觀測中，由于大氣各向異性的影響，還應(yīng)加入大氣水平梯度，由此GPS信號傳播路徑上的中性大氣延遲模型如下：

大氣干項比較穩(wěn)定，因此干延遲可通過測站地面的溫度、氣壓根據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸烙嫵鰜?，進而分離出濕延遲。國內(nèi)外研究較多的經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀蠬opfield、Saastamoinen、Black、UNB3、EGNOS和SHAO模型等[4]。獲取濕延遲后，可進一步轉(zhuǎn)化為與氣象有關(guān)的大氣可降水量（PWV），他們的關(guān)系可表示為[5]：

式中，轉(zhuǎn)換因子Π是中性大氣層加權(quán)平均溫度的函數(shù)Tm，可取近似值0.15[6].

2 GAMIT反演水汽流程

GAMIT是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）和美國加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所研制的高精度定軌、定位GPS數(shù)據(jù)分析軟件。GAMIT軟件基于Fortran編寫，采用雙差解算方法，具有處理結(jié)果準確、運算速度快、版本更新周期短等優(yōu)點，且開放源代碼，因此在國內(nèi)應(yīng)用廣泛。利用GAMIT軟件解算出的天頂對流層延遲總量和可降水量精度均可達到mm量級。利用GAMIT反演大氣水汽含量時可將參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 GAMIT／GLOBK中部分參數(shù)設(shè)置

研究結(jié)果表明：在氣象變化劇烈和低高度截止角情況下，附加水平梯度的對流層延遲模型有利于提高ZTD精度[7]。GAMIT軟件中的梯度模型為

式中：C＝0.003，GE、GN分別為東西方向和南北方向的大氣水平梯度；e為高度角；α為方位角。

GAMIT反演可降水量的流程主要分為表文件準備，配置文件設(shè)置、星歷文件準備、測站觀測數(shù)據(jù)準備、定位解算和水汽反演。GAMIT反演可降水量流程圖如圖1所示。

圖1 GAMIT反演可降水量流程圖

3 實例分析

3.1 參考站選取

地基GPS局域網(wǎng)中計算每個測站PWV時，先要進行定位解算，以國際GNSS服務(wù)（IGS）提供的武漢站wuhn為待測點，根據(jù)相關(guān)文獻中總結(jié)的參考站選取原則[8]，選擇附近均勻分布的3個全球IGS超級跟蹤站上海shao、北京bjfs、昆明kunm作為參考站，如圖2所示。由于相近測站對于同一顆衛(wèi)星高度角幾乎相等，GPS信號的傳輸路徑和所受大氣延遲量也基本相同，所以天頂方向延遲具有強相關(guān)性，這種相關(guān)性很容易在測站間求差而消除掉，使得解得的PWV值呈現(xiàn)出一種系統(tǒng)偏差[9]。解算時，為保證計算精度，其中對參考站bjfs、shao、kunm，加入長度超過500km的長基線以減小解算過程相關(guān)性，獲取絕對PWV值[10]。

圖2 站點分布圖

3.2 解算結(jié)果精度評定

采用IGS最終精密星歷，截止高度角為GAMIT默認的10°，采用13個對流層參數(shù)，計算出wuhn站在2012年第101至105天中兩小時間隔的ZTD值、PWV值以及它們的中誤差，由于篇幅限制只將101天的基線邊解算精度如表2所示。

表2 基線邊解算精度

該天解算的Q文件中標準化均方根誤差NRMS平均值為0.16，滿足一般要求的0.5[11]，基線解算的精度在10－9，滿足地殼形變分析要求的10－7，這為大氣水汽反演的精度奠定了基礎(chǔ)。查看其它幾天Q文件，基線解算精度同樣滿足要求。

根據(jù)武漢實際氣象資料按照氣象文件格式編寫了M文件，反演了武漢站可降水量。其中ZTD中誤差最大值為14.20mm，最小值為5.30mm，平均值為7.90mm，PWV的中誤差最大值為1.97 mm，最小值為0.85mm，平均值為1.27mm，解算的精度較高。將GAMIT的ZTD結(jié)果與IGS機構(gòu)下的CODE中心提供的參考值比較，最大偏差達到15.80mm，平均偏差為2.33mm，標準差為5.28mm。這是由于GAMIT軟件計算ZTD值采用精確線性模型（plecewisehnear），計算得到的結(jié)果相對平滑，但離散性較差[12]。探空值獲取時刻為12點和0點，將解算結(jié)果與IGRA提供的探空值分別求差，最大值為10.86mm，平均值為2.03 mm，標準差為3.58mm.另外計算時沒有采用適合當?shù)氐拇髿饧訖?quán)平均溫度模型，而是采用GAMIT默認設(shè)置，這對反演精度也會產(chǎn)生影響。

3.3 對流層參數(shù)個數(shù)設(shè)置

在GAMIT配置文件sestbl.中可設(shè)置對流層延遲參數(shù)的個數(shù)，一般可取13、25、49，分別對應(yīng)的時間分辨率為2h，1h，0.5h?，F(xiàn)采用事后精密星歷，截止高度角設(shè)為10°，將不同對流層參數(shù)解算的ZTD與IGS提供的參考值進行對比，如圖3所示?？梢钥闯鏊鼈兊内厔菖cIGS提供的參考值一致，分別將13參數(shù)、25參數(shù)、49參數(shù)ZTD值與IGS參考值的作差，差值非常接近，最大值依次為15.80mm、17.60mm、19.40mm，較差平均值依次為2.33mm、0.12mm、0.93mm，標準差依次為5.28mm、6.87mm、7.13mm.圖4示出了不同對流層參數(shù)解算PWV值對比，三條曲線走勢一致，兩兩之間差值最大不超過1mm.由于大氣水汽增量與降水量關(guān)系密切[2]，三種方案的解算結(jié)果與武漢2012年4月10日的降雨實情相符，在大氣水汽總量迅速增加后的6～7h，即當天14點至15點，降雨量達到了8mm，可見三種方案在中小尺度天氣預(yù)報中都能起到災(zāi)前提醒和預(yù)防的作用。

圖3 不同對流層參數(shù)解算天頂延遲量對比

圖4 不同對流層參數(shù)解算PWV值對比

實際應(yīng)用中，在精度符合要求的情況下我們往往要求提供的信息能更及時，從而對災(zāi)害事件的把握和防范就更充分，天氣預(yù)報一般需要在半小時甚至更短的時間內(nèi)提供新的信息，故0.5h的時間分辨率也更滿足實際應(yīng)用的需要。

3.4 衛(wèi)星星歷精度對PWV的影響

實驗分別利用IGS提供的超快星歷IGU的預(yù)報部分和實測部分、快速星歷IGR、事后星歷IGS對whun站可降水量進行解算，對流層參數(shù)個數(shù)設(shè)為25，截止高度角10°.星歷相關(guān)信息如表3所示，不同星歷解算天頂延遲量對比如圖5所示。

表3 衛(wèi)星星歷及其精度

圖5 不同星歷解算天頂延遲量對比

圖6 不同星歷解算PWV值對比

將ZTD結(jié)果與IGS參考值比較，超快星歷預(yù)報部分得到的平均偏差0.89mm大于實測部分的0.31mm，快速星歷的0.27mm和最終星歷的0.12mm.超快星歷預(yù)報、超快星歷實測、快速星歷、最終星歷與參考值較差的標準差很接近，依次為6.94mm、6.84mm、6.91mm 和6.87mm.圖6示出了不同星歷解算的PWV值，快速星歷和最終星歷反演結(jié)果幾乎相等，超快速星歷解算的PWV值與它們相差僅在1mm以內(nèi)，由此可見，超快速星歷預(yù)報部分引起的誤差是可以接受的。

3.5 截止高度角設(shè)置

衛(wèi)星高度角的變化影響著衛(wèi)星的空間幾何分布，從而影響對測站的坐標、對流層延遲量等的解算精算，通過設(shè)置高度角還可以減小多路徑效應(yīng)的影響。圖7示出了所有觀測站高度角統(tǒng)一設(shè)置5°、10°、15°、20°和25°時的ZTD 值，通過對比發(fā)現(xiàn)，當高度角取15°時解算結(jié)果與IGS提供ZTD的參考值符合最好，5°到25°的標準差（mm）依次為：6.87、6.87、6.37、7.07、8.53.對 比PWV 值 和IGRA 探空值發(fā)現(xiàn)高度角大于20°時，GPS遙感水汽值偏差較大，20°以下相差則較小，如圖8所示，因此不建議采用截止高度角大于20°。

圖7 所有站設(shè)置某高度角時的天頂延遲量

圖8 所有站設(shè)置某高度角時PWV值

為進一步驗證，將待測站wuhn的高度角設(shè)置為5°到25°不等，其他測站均設(shè)置15°，計算出PWV值并與探空值比較，所得結(jié)論同上，即當所有測站高度角設(shè)置為15°時精度最佳。圖9示出了設(shè)置不同高度角時與探空值比較得到的標準差。

圖9 不同高度角PWV值標準差

4 結(jié) 論

文中列出了利用GAMIT計算大氣水汽含量時的一些常用參數(shù)設(shè)置和計算的注意事項，如考慮控制站幾何布局，以及加入大于500km的控制站以減小解算過程的相關(guān)性等。GAMIT基線解算精度的保證，為大氣水汽的反演奠定了基礎(chǔ)，同時實驗結(jié)果與IGS提供的天頂對流層延遲量吻合良好，實驗解算PWV的中誤差在1mm左右。

通過設(shè)置不同天頂對流層延遲參數(shù)個數(shù)，解算不同時間分辨率的可降水量，它們相差在1mm以內(nèi)。因此在精度滿足要求的情況下，往往選擇半小時甚至15min提供一次信息，故將對流層參數(shù)設(shè)為49也更滿足實際應(yīng)用的需要。星歷精度對水汽含量的計算也有一定影響，但目前IGS提供的超快速星歷、快速星歷、事后星歷計算出PWV相差都在1mm以內(nèi)，因此采用超快速星歷能夠滿足實時水汽監(jiān)測的要求。研究了截止高度角對GPS反演可降水量的影響，實驗發(fā)現(xiàn)將截止高度角設(shè)為15°時遙感大氣水汽含量的精度最高。

致謝：感謝美國 MIT授權(quán)使用GAMIT／GLOBK軟件，感謝湖北氣象局提供武漢市氣象和降雨量數(shù)據(jù)。

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