王東振，趙 斌，譚 凱，張彩紅

(中國(guó)地震局地震研究所 地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

利用全國(guó)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)反演天頂對(duì)流層延遲分布特征

王東振，趙 斌，譚 凱，張彩紅

(中國(guó)地震局地震研究所 地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

針對(duì)對(duì)流層延遲研究范圍小、時(shí)間跨度短的問(wèn)題，文中利用GAMIT軟件獲得2015年全國(guó)270個(gè)態(tài)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的對(duì)流層延遲值，通過(guò)GAMIT中的sh_metutil命令調(diào)用Metutil程序，計(jì)算并提取天頂對(duì)流層總延遲量、干延遲分量、濕延遲分量、溫度及氣壓值。對(duì)干、濕延遲的年平均量進(jìn)行分析，獲得全國(guó)對(duì)流層延遲分布特征；對(duì)影響干延遲量的因素進(jìn)行分析，得到其主要影響因素是氣壓和高程因素；最后分析濕延遲與降水量的關(guān)系，得到兩者的分布特征基本一致。

GAMIT；陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)；對(duì)流層延遲；分布特征

“十一五”期間國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一的“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”(以下簡(jiǎn)稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)是“九五”國(guó)家重大科學(xué)工程“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”(以下簡(jiǎn)稱“網(wǎng)絡(luò)工程”)的延續(xù)。截止2011年已完成260個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站的建設(shè)，利用這些站點(diǎn)可獲得大量高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用這些觀測(cè)數(shù)據(jù)可以求得連續(xù)的天頂對(duì)流層延遲(ZTD)，同時(shí)利用ZTD可以直接反映當(dāng)?shù)亟邓?，這對(duì)用于氣象預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測(cè)有著重要的意義[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用大量GPS觀測(cè)資料來(lái)獲得實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的對(duì)流層延遲和大氣水汽含量做了大量工作。曲建光等人提出無(wú)需其他轉(zhuǎn)換,利用對(duì)流層延遲可直接推算水汽含量的方法，且結(jié)果與水汽計(jì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果相當(dāng)[2]；唐超華等人利用天津地區(qū)CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行了小區(qū)域天頂對(duì)流層延遲年周期變化研究[3]；而對(duì)于全國(guó)大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的天頂對(duì)流層延遲解算研究甚少。本文將利用全國(guó)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)2015年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，解算得到各個(gè)站點(diǎn)天頂對(duì)流層總延遲、干延遲以及濕延遲量，分析全國(guó)不同地區(qū)對(duì)流層干延遲與氣壓、溫度及高程之間的關(guān)系，最后對(duì)比分析其濕延遲的反演結(jié)果與實(shí)際降水量的關(guān)系。

1 對(duì)流層延遲解算理論

由于GPS信號(hào)穿過(guò)對(duì)流層時(shí)，傳播速度會(huì)發(fā)生改變，傳播路徑也會(huì)發(fā)生彎曲，這種影響就叫做對(duì)流層延遲效應(yīng)。所以任意角度ε方向的對(duì)流層延遲可表示為[4-5]

ΔL(ε)=ZHDmfh(h)+ZWDmfw(h).

(1)

式中:ZHD和ZWD分別為干、濕分量；mfh(h)和mfw(h)分別為干、濕映射函數(shù)。

鑒于上式中的干、濕映射函數(shù)是基于大氣球?qū)ΨQ假設(shè)而建立的，這與實(shí)際狀況存在一定的差距，為此引入大氣梯度：

(2)

式中：ε為高度角；φ為方位角；GNS,GEW分別為南北、東西梯度。

由于改正模型只是根據(jù)多年的數(shù)據(jù)積累而建立的，并不能代表實(shí)際的對(duì)流層延遲，所以在沒(méi)有水汽計(jì)量觀測(cè)的情況下，提高對(duì)流層模擬折射精度的方法主要是參數(shù)估計(jì)法，常用的有單參數(shù)法、多參數(shù)法、隨機(jī)過(guò)程法和分段線性(PWL)方法，其實(shí)質(zhì)都是一階高斯馬爾科夫過(guò)程的近似[6]。

GAMIT采用PWL方法，PWL用步長(zhǎng)為kΔt的離散隨機(jī)過(guò)程表示對(duì)流層延遲隨時(shí)間的變化：

(3)

假設(shè)在歷元I～I(xiàn)+k之間，天頂對(duì)流層延遲隨時(shí)間線性變化：

(I≤j

(4)

適當(dāng)選擇k值使求解的測(cè)站天頂方向的對(duì)流層折射參數(shù)ρ(I)，ρ(I+k)等的個(gè)數(shù)較少，從而可以用最小二乘的方法估計(jì)參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理策略

本文所采用的數(shù)據(jù)資料主要是陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站2015年的全網(wǎng)觀測(cè)資料，圖1為站點(diǎn)分布。

圖1 陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)分布

數(shù)據(jù)處理是利用GAMIT軟件獲得測(cè)站和衛(wèi)星軌道的單日區(qū)域松弛解，該單日解給出了區(qū)域測(cè)站坐標(biāo)、極移、天頂對(duì)流層延遲、衛(wèi)星相位中心偏差和衛(wèi)星參數(shù)的松弛解和方差-協(xié)方差矩陣。解算過(guò)程中用到的改正模型見(jiàn)表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 全國(guó)范圍內(nèi)的對(duì)流層延遲

在數(shù)據(jù)解算中每1 h設(shè)置一個(gè)對(duì)流層天頂延遲參數(shù)，衛(wèi)星截止高度角為15°，首先每天取一個(gè)平均值作為一天的天頂對(duì)流層延遲，然后對(duì)2015年的對(duì)流層延遲值取平均，得到全國(guó)2015年對(duì)流層天頂延遲分布，見(jiàn)圖2。

圖2為2015年全國(guó)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)對(duì)流層天頂延遲年平均量，從圖2中可以看出，全國(guó)整體對(duì)流層天頂延遲量在1.3～2.6 m之間，可分為三個(gè)層次；其中對(duì)流層天頂延遲較大值集中在東南沿海地區(qū)，大約2.4 m；其次是東北、內(nèi)蒙、新疆及云南地區(qū)，大約為2.0 m；最小值集中在青藏高原地區(qū)。

表1 改正模型

圖2 2015年對(duì)流層天頂延遲年平均量

3.2 因素分析

天頂對(duì)流層總延遲包括濕延遲和干延遲，所以分別對(duì)2015年干、濕延遲的年平均量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由數(shù)值上可以看出，干延遲占總延遲量的80%～90%，且干延遲量的分布特征與總延遲量的分布特征基本一致。眾所周知，對(duì)流層干延遲分量主要與大氣壓、溫度以及高程有關(guān)，所以本文計(jì)算了各站點(diǎn)年平均氣溫、大氣壓以及站點(diǎn)高程，結(jié)果如圖4所示。

由圖4中(b)(c)可以看出，氣壓的大小與高程的大小成反比關(guān)系，且兩者分布特征與干延遲量的分布特征基本一致；由圖4(a)和圖3(a)比較可以看出，東北、華北以及華南地區(qū)并沒(méi)有因?yàn)闇囟鹊妮^大差異而導(dǎo)致這些地區(qū)干延遲量的明顯差異，說(shuō)明對(duì)于這些地區(qū)決定其對(duì)流層干延遲大小的主要因素是氣壓與高程。

圖3 2015年干、濕對(duì)流層延遲年平均量

圖4 各站點(diǎn)氣溫、氣壓和高程分布

圖5 濕延遲與降水量分布圖

濕延遲量的影響因素主要是大氣中的水汽含量，由于水汽含量很難測(cè)定[7-11]，所以本文采用氣象局提供的年平均降水量分布來(lái)驗(yàn)證反演對(duì)流層濕延遲的可靠性，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，濕延遲量分為4個(gè)層次，與國(guó)家氣候中心發(fā)布的全國(guó)年平均降水量分布圖基本一致。濕延遲量最大的地區(qū)主要是南部沿海地區(qū)，其次是華南、四川、云南等地，第三是東北、山東、河南、四川北部等地，最后新疆、西藏、內(nèi)蒙、甘肅、青海等地為第四層次。

4 結(jié) 論

通過(guò)本文的研究可以看出，天頂對(duì)流層延遲存在很強(qiáng)的地域性特征，其主要是受高程和氣壓因素的影響；天頂對(duì)流層延遲可分為干延遲和濕延遲，天頂對(duì)流層干延遲量占總延遲量的；利用GAMIT軟件對(duì)天頂對(duì)流層濕延遲進(jìn)行反演，其結(jié)果與年平均降水量結(jié)果相吻合，說(shuō)明該方法可以為氣象中短期預(yù)報(bào)等方面提供參考。

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The distribution of zenith troposphere delay inverted in the stations of “Crustal Movement Observation Network in China”

WANG Dongzhen,ZHAO Bin,TAN Kai,ZHANG Caihong

(Key Lab of Earthquabe Geodesy,Institute of Seismology,China Earthquabe Administration,Wuhai 430071,China)

Aiming at the problem that the existing tropospheric delay studies have a small range and a short time span, the tropospheric delay value of 270 land-based network sites in China is researched by GAMIT software in this paper. First, the metutil program is called by the sh_metutil command in GAMIT to calculate and extract the zenith total delay, tropospheric delay, dry wet delay component and temperature component and pressure. Then, its annual mean amount of dry and wet delay is analyzed, and the characteristics of tropospheric delay distribution are obtained. Furthermore, the factors affecting the dry delay are analyzed, and the results show that the main influencing factors are barometric pressure and altitude factor. Finally, the relation between the wet delay and precipitation is analyzed, and the conclusion is that the distribution characteristics of them are basically the same.

GAMIT; Crustal Movement Observation Network in China;troposphere delay；the characteristics of distribution

2017-01-01

中國(guó)地震局地震研究所資助項(xiàng)目(IS201526244)

王東振(1989-)，男，實(shí)習(xí)研究員.

著錄：王東振，趙斌，譚凱，等.利用全國(guó)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)反演天頂對(duì)流層延遲分布特征[J].測(cè)繪工程，2018，27(2)：32-36.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.006

P228.4

A

1006-7949(2018)02-0032-05

李銘娜]