穆寶勝,劉洪飛

(鄭州測繪學(xué)校 地形地籍測量教學(xué)部,河南 鄭州 450015)

HNGICS反演大氣可降水量的應(yīng)用前景

穆寶勝,劉洪飛

(鄭州測繪學(xué)校 地形地籍測量教學(xué)部,河南 鄭州 450015)

本文首先介紹了GPS反演大氣可降水量的原理方法,并對GPS反演大氣可降水量的流程做了重點介紹。然后介紹了河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運行系統(tǒng),(HNGICS),最后重點介紹了如何利用HNGICS進行大氣可降水量的反演及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

GPS;反演;大氣可降水量;PWV;HNGICS

0 引 言

當GPS發(fā)出的信號穿過大氣層時,要受到電離層和對流層的折射影響,GPS信號發(fā)生彎曲和延遲,其中彎曲量很小,延遲量很大,則與大氣參數(shù)相關(guān)聯(lián)的折射率也會發(fā)生變化。在GPS精密定位測量中,這種大氣折射的影響被當作主要的誤差源而要盡可能將它的影響消除干凈。而在GPS氣象學(xué)中,與之相反,所要求得的就是大氣對GPS衛(wèi)星信號的折射量,再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數(shù)關(guān)系就可以求得大氣折射率。大氣折射率是氣溫、氣壓和水汽壓力的函數(shù),通過一定的數(shù)學(xué)模型關(guān)系,則可以求得我們需要的氣象信息,如水汽總量。

1 GPS反演大氣可降水量的基本原理

1.1 對流層天頂總延遲

眾所周知,大氣電離層對信號的延遲與傳播信號的頻率平方成反比。所以在數(shù)據(jù)的處理過程中可以通過對兩個不同頻率信號的延遲進行差分來估算電離層延遲。當然,也可以通過兩個頻率大氣延遲方程的線性組合直接消除電離層延遲。

ΔL=10-6×∫LN(s)ds=ΔLd+ΔLw+ΔLe，

(1)

式中: ΔLd為大氣的干延遲; ΔLw為大氣濕延遲; ΔLe為大氣電離層。

ΔL為對流層大氣的總延遲,即中性延遲,一般在2.5 m左右; ΔLd為靜力延遲,約為2.2 m; ΔLw為濕延遲,一般為十幾毫米,數(shù)量級為10 mm.ΔLd占ΔL的90%以上,數(shù)值較為固定,受天氣條件的影響不大。而ΔLw雖然在ZTD中不到10%,但受天氣條件的影響很大,其值的變化量可相差數(shù)倍。靜力延遲與地面氣壓具有很好的相關(guān)性,可以訂正到毫米量級,從而得到了毫米量級的濕項延遲。濕項延遲與水汽量可建立嚴格的正比關(guān)系,從而求解出可降水量。

對流層天頂總延遲可以根據(jù)GPS基準站連續(xù)觀測的原始數(shù)據(jù)通過專門的解算軟件解算得到,國際著名的解算軟件如表1所示。

表1 解算軟件

1.2 天頂靜力延遲計算模型

(2)

式中:P0為GPS接收機高度處的氣壓(hPa)。要注意的是上式中ΔLzh的單位為m.

f(φ,H)=1-0.00266cos2φ-0.00028H，

(3)

式中:φ為GPS測站的地理緯度;H為測站的海拔高度(km)。

1.3 天頂濕延遲計算模型

(4)

式中:Ts為測站地面氣溫;es為地面水汽壓。

在實際的計算中就要測得實時的地面水汽壓觀測值,這樣就會增大地面的氣象要素觀測誤差對濕延遲計算精度的影響,而且研究表明1%的地面相對濕度誤差就可能造成1～3 mm的大氣濕延遲誤差。所以在地基GPS氣象學(xué)中一般不利用Hopfield天頂濕延遲經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠碇苯映鲇嬎闾祉敐裱舆t,而是用天頂總延遲值減去所求的天頂靜力延遲來間接計算出天頂濕延遲。

1.4 大氣可降水量PWV的計算

可降水量(PWV),表示單位面積上垂直空氣柱內(nèi)水汽總量全部轉(zhuǎn)化成降水量的量,等效于單位面積水柱高度。實際使用時常用的公式為

(5)

(6)

式中:Π稱為天頂濕延遲和大氣可降水量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù),而且轉(zhuǎn)換系數(shù)的值隨季節(jié)和地域的不同而產(chǎn)生變化;ρwater為液態(tài)水密度,單位為(103kg·m-3)。由于可降水量PWV常取雨量單位mm,要注意把濕延遲ΔLzw轉(zhuǎn)換為mm單位;Tm為對流層水汽權(quán)重的平均溫度簡稱加權(quán)平均溫度,單位為K.

2 GPS反演大氣可降水量的特點

2.1 GPS/PWV與Radio/PWV的差別

1) Radio/PWV

日常探空觀測時,攜帶儀器的氣球從地面升到20 km高空的整個觀測過程約70 min,而且氣球在上升過程中有水平漂移。因此,嚴格講探空所獲得的各高度層的氣象記錄并不是測站天頂方向的真實大氣情況,而是代表氣球水平漂移范圍內(nèi)的平均狀況。

探空資料是以一個時刻和一個點的觀測資料代表一高度層上水平半徑為30 km范圍內(nèi)的30 min內(nèi)的平均大氣狀況。因此,Radio/PWV作為探空測站垂直方向的水汽的積分實質(zhì)上是在30 min內(nèi),高度8 km,水平半徑30 km的大氣柱體內(nèi)的平均水汽狀況。

2) GPS/PWV

一般GPS/PWV是根據(jù)GPS站30 min內(nèi)接收到仰角15°以上的所有的GPS衛(wèi)星斜路徑信號濕延遲在天頂方向投影的平均值。它實際代表的是以GPS接收機為頂點,頂角為150°的倒圓錐體內(nèi)大氣中水汽量的平均狀況,如圖1所示。

圖1 GPS反演大氣可降水量時GPS站接收機的GPS衛(wèi)星方位

根據(jù)上述探空資料的統(tǒng)計結(jié)果,98%～99%以上的水汽集中在8 km以下,對應(yīng)得到圓錐體的半徑為30 km,恰好與探空氣球30 min上升到8 km高度的水平漂移距離相當。因此,用Radio/PWV來檢驗GPS/PWV,其代表的時間和空間范圍與Radio/PWV匹配,但它是30 min內(nèi)所有觀測的平均值,比Radio/PWV更具有代表性。

2.2 GPS反演大氣可降水量的優(yōu)點

GPS反演大氣可降水量技術(shù),是隨著GPS迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的氣象遙感技術(shù),相較于常規(guī)觀測手段,GPS遙感水汽技術(shù)具有以下優(yōu)點:

1) GPS衛(wèi)星覆蓋全球,任何地面用戶在任何時刻均可接收到衛(wèi)星信號,空間覆蓋率高;

2) GPS衛(wèi)星不受云和氣溶膠粒子等天氣條件的限制,能夠全天候觀測,時間分辨率高;

3) GPS衛(wèi)星能夠連續(xù)觀測,并且從接收數(shù)據(jù)到得出結(jié)果僅需十幾鐘的時間,時間分辨率非常高,對于監(jiān)測暴風(fēng)雨、大冰雹、龍卷風(fēng)等惡劣劇烈天氣變化非常有效,為中短期天氣預(yù)報提供可靠的水汽數(shù)據(jù);

4) GPS接收機體積小,易于攜帶,易于維護,設(shè)備元件不受環(huán)境條件變化影響,投入成本低;

5) GPS反演水汽精度高,可以與水汽輻射計相比較,并可校準衛(wèi)星遙感等觀測結(jié)果;

6) GPS遙感水汽獲得的是絕對量,不需要校準;

7) GPS遙感水汽技術(shù)水平分辨率高,可以實現(xiàn)水汽與溫度的分離;

8) 從GPS數(shù)據(jù)推算得到的是PWV的綜合值,這些數(shù)據(jù)可以得到傳統(tǒng)地面觀測無法測得的大氣特征。

3 HNGICS反演大氣可降水量的應(yīng)用前景

3.1 HNGICS簡介

河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運行系統(tǒng)(HNGICS)是通過通訊網(wǎng)絡(luò)把分布在全省范圍內(nèi)的永久性全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)基準站連接起來,構(gòu)成的新一代網(wǎng)絡(luò)化的地質(zhì)信息連續(xù)采集系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上逐步建立起地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報、地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)、野外地質(zhì)工作質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、礦山井下與地面聯(lián)合實時定位監(jiān)控系統(tǒng)等綜合的地質(zhì)信息系統(tǒng),同時還向國土、測繪、地震、交通、氣象等部門提供高精度、連續(xù)的時間和空間基準。

系統(tǒng)在全省建設(shè)50個CORS基站,基準站全部采用美國TRIMBLE NetR5接收機,為河南全省提供一個動態(tài)的三維基準控制框架,為全省坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一、不同坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換以及各城市間的區(qū)域銜接提供了測繪基準。同時也為省內(nèi)各城市建設(shè)的CORS系統(tǒng)提供了一個很好的納入平臺,為帶動全省的測繪基準體系建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ),HNGICS的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)HNCORS的建成將成為河南省地理信息資源建設(shè)的基礎(chǔ)和重要保障。

圖2 HNGICS基準站分布圖

3.2 HNGICS反演大氣可降水量流程

1) 根據(jù)HNGICS原始觀測數(shù)據(jù)文件用GAMIT軟件解算出天頂總延遲量。

2) 由地面氣壓值根據(jù)天頂靜力延遲模型計算出天頂靜力延遲量。

為了準確地測定每個觀測值的地面氣壓,需要在每個觀測站單獨安裝氣壓測量設(shè)備,將氣壓數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)一起打包發(fā)給數(shù)據(jù)處理中心。

3) 用解算出的天頂總延遲量減去計算出的天頂靜力延遲量和天頂電離層延遲從而得到相應(yīng)的天頂濕延遲量。

4) 利用實時地面氣象資料根據(jù)Bevis經(jīng)驗公式或者局部加權(quán)平均計算模型計算出加權(quán)平均溫度Tm.

為了提高轉(zhuǎn)換的精度,應(yīng)根據(jù)具體的氣象資料數(shù)據(jù)計算出本地的加權(quán)平均溫度。

5) 根據(jù)資料數(shù)據(jù)可算出水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)Π;

6) 根據(jù)公式計算出GPS遙感的大氣可降水量PWV.

計算流程圖如圖3所示。

圖3 地基GPS遙感大氣可降水量流程圖

實際應(yīng)用中可以根據(jù)相關(guān)的流程開發(fā)出專門的軟件,通過軟件實現(xiàn)整個流程的一體化。

3.3 HNGICS反演大氣可降水量的應(yīng)用前景

HNGICS站點多、分布均勻、站間平均距離短,這完全可以滿足GPS反演大氣可降水量研究的需要。在應(yīng)用之前需要在各個觀測站點安裝配套的氣象數(shù)據(jù)采集儀器,對每個觀測站點的實時氣象數(shù)據(jù)進行觀測記錄,并與衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)一并打包發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心。

傳統(tǒng)的大氣可降水量探測技術(shù)有各自的優(yōu)缺點,如果能把傳統(tǒng)的探測技術(shù)和GPS反演技術(shù)結(jié)合起來,一定能進一步提高大氣可降水量探測的準確度和時效性,這對于全省的氣象預(yù)報都起到很重要的作用。除此之外,GPS反演大氣可降水量在其他方面也有著很好的應(yīng)用前景,具體如下:

1) GPS-PWV用于災(zāi)害性天氣監(jiān)測分析預(yù)報;

2) GPS-PWV為中尺度數(shù)值預(yù)報模式提供初始場;

3) GPS-PWV用于全球氣候變化的監(jiān)測和分析;

4) GPS-PWV為人工影響天氣作業(yè)提供依據(jù);

5) GPS-PWV用于確定水汽三維分布;

6) GPS-PWV用于空中水資源評估及開發(fā)利用;

7) GPS-PWV和其他氣象資料的同化應(yīng)用。

4 結(jié)束語

GPS反演大氣可降水量與傳統(tǒng)的探測大氣可降水量的方法相比有諸多的優(yōu)點,在用傳統(tǒng)的方法進行大氣可降水量探測的同時,GPS反演的方法可以作為輔助的手段,這樣就能進一步提高探測的準確度。GPS反演的大氣可降水量在災(zāi)害性天氣監(jiān)測分析、中尺度數(shù)值預(yù)報模式提供初始場、球氣候變化的監(jiān)測和分析等方面有著重要的作用。河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運行系統(tǒng)HNGICS均勻覆蓋整個河南省,基準站多、站間距離適中,適合作為反演大氣可降水量的基準站。所以,HNGICS系統(tǒng)反演大氣可降水量中有很好的應(yīng)用前景。

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HNGICS Inversion Atmospheric Precipitation Applications

MU Baosheng,LIU Hongfei

(ZhengzhouSurveyingandMappingSchool,TopographicandCadastralSurveyTeachingDepartment,Zhengzhou450015,China)

This paper first introduces the principle method of the GPS inversion atmospheric precipitation,And Highlighting introduced the process of the GPS inversion atmospheric precipitation. Then introduces the geological information of continuous acquisition operation system of henan province,Referred to as HNGICS.Finally introduced how to use HNGICS atmospheric precipitation inversion and its application prospect in the field of each.

GPS; inversion; atmospheric precipitation applications; PWV； HNGICS

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.019

2016-12-24

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0090-04

穆寶勝 (1986-),男,碩士生,主要從事測量教學(xué)工作。

聯(lián)系人: 穆寶勝 E-mail:mubaosheng2009@163.com