馬會軍

（新疆地礦局第七地質(zhì)大隊，新疆 烏蘇833000）

水汽是水分和熱量傳遞的基質(zhì)，是一個極不穩(wěn)定的氣象參數(shù)，影響著輻射平衡、能量輸送、云的形成和降水。自1992年實現(xiàn)用地基GPS遙感大氣水汽以來［1］，其估計大氣可降水量PWV的精度不斷得到改善和證實［2－5］，該技術(shù)在氣象學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到重視［6］。高精度解算PWV主要受衛(wèi)星軌道精度影響［7］，而衛(wèi)星軌道精度由衛(wèi)星星歷決定。目前，利用最終精密星歷地基靜止平臺GPS測量水汽含量精度可達(dá)1 mm，滿足數(shù)值天氣預(yù)報的精度要求［8］。但I(xiàn)GS精密星歷延遲為13 d，不能滿足數(shù)值天氣預(yù)報等實時業(yè)務(wù)的需求。IGS中心從2000年開始提供可實時獲取的超快速星歷，這意味著利用超快星歷的預(yù)報軌道和預(yù)報鐘差能一定程度上滿足某些用戶要求［9］。

本文基于地基GPS遙感大氣水汽原理，結(jié)合香港CORS網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用超快速星歷估計PWV，并與IGS精密星歷估計的PWV和無線電探空資料反演的PWV進(jìn)行比較分析，探討利用超快速星歷估計PWV用于數(shù)值天氣預(yù)報的可行性。

1 地基GPS遙感大氣水汽原理

GPS信號在傳播過程中會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雙頻接收機來消除99%的影響，中性大氣層延遲可表示為［10］

式中：Nd，Nw分別為干、濕折射率指數(shù)；HD為靜力學(xué)延遲；WD為濕延遲。通過映射函數(shù)，將大氣延遲轉(zhuǎn)換到天頂方向 則天頂總延遲ZTD為

式中：ZHD為天頂靜力學(xué)延遲；Z WD為天頂濕延遲。

天頂總延遲ZTD可利用GA MIT等高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件求解，天頂靜力學(xué)延遲ZHD可通過Saastamoinen模型很好的估計得到，由此可分離得到天頂濕延遲ZWD，而PWV與ZWD成比例關(guān)系，有

式中：Π為轉(zhuǎn)換系數(shù)；Tm為地表加權(quán)平均溫度；K′2、K3和Rv均為常數(shù)。

2 實驗數(shù)據(jù)和方案

實驗數(shù)據(jù)選用香港CORS網(wǎng)中6個參考站2011年年積日152～171的20 d（6月1日～6月20日）的觀測文件和氣象文件，以及相應(yīng)時段的IGS精密星歷文件和IGU超快速星歷文件，6個站分別是粉嶺（HKFN）、小冷水（HKSL）、昂坪（HKNP）、昂船洲（HKSC）、石碑山（HKOH）和黃石（HKWS）。下載香港地區(qū)King’s Par k探空站相應(yīng)時段的數(shù)據(jù)，以驗證地基GPS遙感大氣水汽的精度。CORS網(wǎng)中各參考站及探空站的分布如圖1所示。

GA MIT是高精度的基線解算軟件之一，利用IGS最終精密星歷進(jìn)行解算時，對流層的解算精度可達(dá)5 mm，轉(zhuǎn)化為可降水量的精度約1 mm［6］。考慮到香港地區(qū)瀕臨海域，需在解算中引入海潮模型。由于香港CORS網(wǎng)中各站距離較近，為了獲取絕對PWV，需引入網(wǎng)外輔助站。此外，采用GA MIT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。采用GA MIT求解PWV的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 GAMIT求解PWV的方案及主要參數(shù)

3 實驗結(jié)果分析

從圖1可看出，King’s Par k探空站與昂船洲（HKSC）站相距最近。二者距離約2．5 k m，由King’s Par k探空資料反演的PWV與昂船洲站的PWV具有較好的可比性。圖2上部為昂船洲站分別由IGS精密星歷和IGU超快速星歷解算得到的PWV序列，及由King’s Par k探空資料反演得到的PWV序列，下部為最終精密星歷和超快速星歷計算結(jié)果的差值。

從圖2可看出，由IGU超快速星歷、IGS精密星歷和探空資料解算的PWV序列在趨勢上基本一致，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，計算結(jié)果的最大差異不超過3 mm。進(jìn)一步采用最小二乘法分別擬合IGS精密星歷和探空資料解算的PWV序列，及IGU超快速星歷和IGS精密星歷解算的PWV序列間的線性關(guān)系，并計算兩組數(shù)據(jù)的RMS和相關(guān)系數(shù)，分別如圖3和圖4所示。

由圖3可知，昂船洲站由IGS精密星歷解算的PWV與探空PWV間的相關(guān)系數(shù)為0．934 4，均方根誤差RMS為3．2 mm，兩者具有很好的一致性。因此，地基GPS遙感大氣水汽的精度是穩(wěn)定可靠的 由圖4可知 昂船洲站分別以精密星歷與超快速星歷解算的PWV序列的相關(guān)系數(shù)為0．999 4，均方根誤差RMS為0．24 mm，可見，采用超快速星歷得到的PWV與精密星歷結(jié)果一致 而超快速星歷可以實時獲取。因此，采用超快速星歷估計PWV用于數(shù)值天氣預(yù)報是切實可行的。

圖2 昂船洲站分別以IGS精密星歷和IGU超快速星歷解算的PWV序列及探空PWV序列

圖3 IGS最終精密星歷和探空資料解算的PWV序列間的線性擬合圖

4 結(jié)束語

超快速星歷可以實時獲取，滿足數(shù)值天氣預(yù)報等實時業(yè)務(wù)的需求。本文依托香港CORS網(wǎng)的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗，對比分析昂船洲站分別由IGU超快速星歷、IGS精密星歷和探空資料解算的PWV序列，三者在趨勢和數(shù)值上表現(xiàn)出較好的一致性，其中分別以精密星歷與超快速星歷解算的PWV序列的相關(guān)系數(shù)超過0．99。實際應(yīng)用中，可以利用超快速星歷替代精密星歷估計PWV進(jìn)行準(zhǔn)實時的數(shù)值天氣預(yù)報。

圖4 IGU超快速星歷和IGS精密星歷解算的PWV序列間的線性擬合圖

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