竇世標(biāo) 宋淑麗 周偉莉 劉智敏陳欽明 鄭為民 陳后財(cái)

(1 國家測(cè)繪地理信息局第三大地測(cè)量隊(duì)成都610100)

(2 中國科學(xué)院上海天文臺(tái)上海200030)

(3 山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院青島266590)

(4 南京信息工程大學(xué)電子信息與工程學(xué)院南京210044)

1 引言

對(duì)流層延遲,即未被極化的大氣延遲是空間大地測(cè)量技術(shù)中的一項(xiàng)重要誤差源,包括對(duì)流層干延遲和濕延遲.濕延遲主要是大氣中的水汽對(duì)信號(hào)的延遲造成的,在模型化對(duì)流層對(duì)GPS信號(hào)影響過程中,濕延遲是最難量化的部分.水汽是大氣的重要組成成分,在天氣預(yù)報(bào)、氣候變化研究、輻射傳輸?shù)却髿庋芯恐芯哂兄匾牡匚籟1?2].為了獲取高精度對(duì)流層水汽測(cè)量結(jié)果,相繼開發(fā)了一系列技術(shù)和手段,主要包括WVR[3](Water Vapor Radiometer)、無線電探空儀[4](Radiosonde)、AERONET[5](Aerosol Robotic Network)、GNSS[6](Global Navigation Satellite System)、MODIS[7](Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)等.為了評(píng)定和驗(yàn)證不同技術(shù)間獲取的對(duì)流層總延遲、濕延遲、大氣可降水量之間的符合精度,Behrend等[8]在歐洲的3個(gè)并址站對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型(MM5)與VLBI、GPS、WVR獲取的對(duì)流層濕延遲進(jìn)行了對(duì)比分析,研究表明各技術(shù)間獲取對(duì)流層濕延遲(Zenith Wet Delay,ZWD)的相關(guān)系數(shù)在75%–95%之間;RMS(Root Mean Square)在±1.3–1.6cm之間.Yeh等[9]利用WVR和GPS在不同的天氣條件下獲取的對(duì)流層濕延遲進(jìn)行了對(duì)比,在晴天、小雨、中雨、大雨的情況下,處于平原地區(qū)的測(cè)站獲取的ZWD均值分別為0.31 m、0.36 m、0.38 m和0.40 m.GPS/ZWD與WVR/ZWD的差值范圍為1.31–2.57 cm,相關(guān)系數(shù)R為89%–93%.Haefele等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)GPS與WVR測(cè)量得到的對(duì)流層總延遲ZTD差值在4.5–5.3 mm之間.Liou等[11]在近熱帶地區(qū)對(duì)GPS/PWV(Precipitable Water Vapor)與WVR/PWV的研究發(fā)現(xiàn)二者之間的RMS值取決于大氣中的水汽含量.根據(jù)Liu等[12]通過Radiosonde、AERONET、GPS與WVR的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),利用GPS/ZWD進(jìn)行回歸分析是獲取WVR/ZWD最可靠且最合適的技術(shù)手段.

本文詳細(xì)討論了北京、上海、昆明、烏魯木齊4個(gè)GPS與WVR并址站W(wǎng)VR數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法,分析了影響水汽輻射計(jì)測(cè)量精度的因素.利用2015–2016年的4個(gè)并址站的GPS和WVR數(shù)據(jù),驗(yàn)證水汽輻射計(jì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性,通過GPS/ZWD對(duì)WVR/ZWD進(jìn)行了對(duì)比標(biāo)校分析.

2 水汽輻射計(jì)與GPS獲取對(duì)流層延遲原理

2.1 水汽輻射計(jì)獲取對(duì)流層濕延遲原理

本文使用的水汽輻射計(jì)(圖1)由中國電子科技集團(tuán)公司第22研究所(CETC-22)研制,通過23.8 GHz和31.2 GHz兩通道大氣輻射亮溫,可監(jiān)測(cè)路徑上大氣積分水汽含量和液態(tài)水總量,并能提供大氣延遲.通過測(cè)量云液態(tài)水對(duì)不透明大氣光譜的貢獻(xiàn)可以得出有限的云液態(tài)水[12].

水汽輻射計(jì)獲取大氣中的水汽含量、液態(tài)水含量、濕延遲都是通過亮溫來計(jì)算得到的[13].亮溫是水汽輻射計(jì)的直接測(cè)定量,根據(jù)大氣輻射傳輸方程,水汽輻射計(jì)向上觀測(cè)時(shí),它的物理意義相當(dāng)于該輻射強(qiáng)度的黑體輻射的溫度[14].在40 GHz以下頻率,大氣透過率主要由水汽和液態(tài)水含量所決定,水汽輻射計(jì)所測(cè)大氣輻射亮度溫度值與大氣中水汽含量和液態(tài)水總含量成線性關(guān)系,本文水汽輻射計(jì)獲取對(duì)流層濕延遲公式如下[15]:

式中,TB1,2為水汽輻射計(jì)雙通道測(cè)量的大氣輻射亮溫;k為常數(shù);Tm由地面大氣溫度采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算;Ts是宇宙背景輻射亮度溫度;α1和α2是大氣吸收系數(shù);Wm為權(quán)函數(shù),在水汽輻射計(jì)最佳工作頻率可視為與高度無關(guān)的常數(shù);s為積分路徑;f1和f2為水汽輻射計(jì)的工作頻率.

圖1 SHAO站配備液氮黑體定標(biāo)裝置的水汽輻射計(jì)Fig.1 WVR at SHAO station with a calibration device of the liquid nitrogen blackbody

2.2 GPS獲取對(duì)流層濕延遲原理

大氣延遲一般泛指從地面到50 km高度的非電離大氣對(duì)電磁波的折射,即中性延遲.由于折射的80%發(fā)生在對(duì)流層,又稱為對(duì)流層延遲.對(duì)流層大氣延遲在天頂方向上的總延遲量約為2.5 m,與測(cè)站所在地區(qū)的緯度、海拔等因素有關(guān).對(duì)流層延遲可分為靜力學(xué)延遲(Zenith Hydrostatic Delay,ZHD)和濕延遲兩部分[16].靜力學(xué)延遲又稱干延遲,與測(cè)站地面氣壓和坐標(biāo)有關(guān),濕延遲是大氣濕度和溫度的函數(shù).相對(duì)于濕延遲而言,干延遲更容易模型化,并且能夠獲得很好的精度,如Saastamoinen模型[17].濕延遲則取決于GPS信號(hào)穿過的大氣中的水汽含量.

在GPS數(shù)據(jù)處理中,采用GPS精密軌道和鐘差,對(duì)流層總延遲ZTD可以作為待求參數(shù)與測(cè)站位置等一起求取[18].對(duì)流層干延遲ZHD、對(duì)流層濕延遲ZWD[16?17]可采用下式求取:式中,P為測(cè)站表面大氣壓,單位為hPa;φ為測(cè)站緯度,以?為單位;H為測(cè)站大地高度,單位為km.

3 GPS/ZWD與WVR/ZWD對(duì)比標(biāo)校分析

水汽輻射計(jì)在進(jìn)行觀測(cè)前需要先進(jìn)行定標(biāo),本文對(duì)水汽輻射計(jì)在天氣晴好條件下8:00進(jìn)行天頂定標(biāo).水汽輻射計(jì)對(duì)周圍環(huán)境的變化非常敏感,例如溫度變化、云液水含量變化、電磁干擾、水汽凝結(jié)以及降水的發(fā)生等.因此,在分析水汽輻射計(jì)濕延遲之前需要將因外界環(huán)境變化引起的異常數(shù)據(jù)剔除.對(duì)于BJMY、YNKM、URUM各站的水汽輻射計(jì)獲取對(duì)流層濕延遲,首先將液態(tài)水含量>0.05 mm的數(shù)據(jù)剔除,目的是為了消除降水在水汽輻射計(jì)天頂罩殘留以及降水過程中空氣中含有的液態(tài)水造成的數(shù)據(jù)異常.因SHAO站降水較多,為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和利用率,將液態(tài)水含量>0.5 mm的數(shù)據(jù)剔除.需要說明的是,對(duì)BJMY、YNKM、URUM站設(shè)置液態(tài)水含量>0.05 mm的數(shù)據(jù)剔除、SHAO站設(shè)置液態(tài)水含量>0.5 mm的數(shù)據(jù)剔除是在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)制定的閾值,剔除后的WVR/ZWD與GPS/ZWD除系統(tǒng)差外,在某一時(shí)刻兩者無明顯較大異常差值,且具有較好的變化趨勢(shì)一致性.其次,對(duì)消除液態(tài)水之后的數(shù)據(jù)每5 min求均值,當(dāng)濕延遲與均值的差值>3σ時(shí)認(rèn)定為野值,在以下的分析過程當(dāng)中亦將其剔除,剔除野值后的數(shù)據(jù)每5 min取均值與GPS/ZWD進(jìn)行對(duì)比標(biāo)校分析.依據(jù)上述方法剔除野值后的數(shù)據(jù)利用率隨doy(day of year)的分布如圖2所示,通過對(duì)4個(gè)GPS、WVR并址站的ZWD分析發(fā)現(xiàn)BJMY站水汽輻射計(jì)數(shù)據(jù)利用率較差,僅為48.38%,最高的為SHAO站84.64%,YNKM站為73.88%,URUM站為76.50%.

通過觀察GPS/ZWD與WVR/ZWD數(shù)據(jù),兩者不僅有整體偏差,而且其數(shù)據(jù)幅度范圍也略有不同.為了便于進(jìn)行其整體比較及線性分析,需要以某一數(shù)據(jù)為參考,對(duì)另一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)校.本文將GPS/ZWD作為參考值,對(duì)WVR/ZWD數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)校.首先選取GPS/ZWD及WVR/ZWD數(shù)據(jù)連續(xù)的部分,進(jìn)行3次樣條插值,獲得同一時(shí)間序列的ZWD觀測(cè)值;對(duì)兩種手段獲取的ZWD插值結(jié)果進(jìn)行線性擬合,獲得其系統(tǒng)偏差與幅度比例;通過系統(tǒng)偏差與幅度比例系數(shù),對(duì)WVR/ZWD進(jìn)行重映射后得到校正后的數(shù)據(jù)WVR/ZWD′.經(jīng)過以上處理后,可見標(biāo)校后的數(shù)據(jù)WVR/ZWD′與GPS/ZWD數(shù)據(jù)間的系統(tǒng)偏差BIAS完全消除,同時(shí)STD(Standard Deviation)降低明顯,且保證了WVR/ZWD與GPS/ZWD數(shù)據(jù)間的相關(guān)性.

圖2 4臺(tái)站(YNKM、URUM、SHAO、BJMY)水汽輻射計(jì)獲取對(duì)流層延遲數(shù)據(jù)利用率Fig.2 The WVR/ZWD data using ratio of 4 stations(YNKM,URUM,SHAO,and BJMY)

3.1 YNKM站

云南昆明站水汽輻射計(jì)在2015年doy=131進(jìn)行了天頂定標(biāo)(利用水汽輻射計(jì)內(nèi)置黑體常溫定標(biāo),下同),定標(biāo)后持續(xù)觀測(cè)到doy=171,共40 d.YNKM站GPS/ZWD數(shù)據(jù)在doy=139、140、146、151、152、154、155、158-162期間缺失，WVR/ZWD數(shù)據(jù)在doy=141、170期間缺失，故實(shí)際對(duì)比天數(shù)共26 d.

圖3(a)為利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD前兩者時(shí)間序列,從圖中可以看出GPS/ZWD較WVR/ZWD整體偏高,但兩者存在較好的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系,且兩者之間存在較為明顯的系統(tǒng)偏差;圖3(b)為利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD后兩者時(shí)間序列,標(biāo)校后兩者的變化趨勢(shì)幾乎完全吻合.標(biāo)校前GPS/ZWD與WVR/ZWD間的整體相關(guān)系數(shù)R=97.01%,BIAS=95.68 mm,STD=8.55 mm;標(biāo)校后STD=7.97 mm.標(biāo)校后的WVR/ZWD′與GPS/ZWD間的BIAS消除,且STD減小(圖3).

3.2 URUM站

新疆南山站水汽輻射計(jì)在2016年doy=106進(jìn)行天頂定標(biāo),定標(biāo)后持續(xù)觀測(cè)到doy=127共計(jì)21 d,在此期間ZWD的值在100–450 mm之間浮動(dòng).

圖4(a)為利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD前兩者時(shí)間序列,從圖中可以看出GPS/ZWD較WVR/ZWD整體偏高,但兩者有較好的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系,且兩者之間存在較為明顯的系統(tǒng)偏差;圖4(b)為利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD后兩者時(shí)間序列,標(biāo)校后兩者的變化趨勢(shì)幾乎完全吻合.標(biāo)校前GPS/ZWD與WVR/ZWD間的BIAS=121.62 mm,STD=17.19 mm,R=90.83%;標(biāo)校后STD=12.91 mm.標(biāo)校后的數(shù)據(jù)WVR/ZWD′與GPS/ZWD BIAS消除,且STD明顯減小(圖4).

圖3 YNKM站GPS/ZWD與WVR/ZWD標(biāo)校前(a)后(b)時(shí)間序列對(duì)比圖,doy=131–171Fig.3 The comparison diagram of time series between GPS/ZWD and WVR/ZWD of YNKM station before(a)and after(b)calibration,doy=131–171

圖4 URUM站GPS/ZWD與WVR/ZWD標(biāo)校前(a)后(b)時(shí)間序列對(duì)比圖,doy=107–127Fig.4 The comparison diagram of time series between GPS/ZWD and WVR/ZWD of URUM station before(a)and after(b)calibration,doy=107–127

3.3 SHAO站

上海站水汽輻射計(jì)在2016年doy=79進(jìn)行了天頂定標(biāo),定標(biāo)后持續(xù)觀測(cè)到doy=108共29 d,因WVR/ZWD在doy=94 d缺失,故實(shí)際分析數(shù)據(jù)共28 d,其中共有21 d的R超過了90%,在此期間ZWD的值在20–320 mm之間浮動(dòng).

圖5(a)為利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD前兩者時(shí)間序列,從圖中可以看出WVR/ZWD較GPS/ZWD整體偏高,且變化幅度較大,說明水汽輻射計(jì)對(duì)濕延遲變化更為敏感,但兩者有較好的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系,且兩者之間存在較為明顯的系統(tǒng)差;圖5(b)為利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD后兩者時(shí)間序列,標(biāo)校后兩者的變化幾乎完全吻合.標(biāo)校前GPS/ZWD與WVR/ZWD間的BIAS= –81.40 mm,STD=46.27 mm,R=98.18%;標(biāo)校后STD=10.97 mm.標(biāo)校后的數(shù)據(jù)WVR/ZWD′與GPS/ZWD BIAS消除,且STD明顯減小(圖5).

圖5 SHAO站GPS/ZWD與WVR/ZWD標(biāo)校前(a)后(b)時(shí)間序列對(duì)比圖,doy=80–108Fig.5 The comparison diagram of time series between GPS/ZWD and WVR/ZWD of SHAO station before(a)and after(b)calibration,doy=80–108

3.4 BJMY站

北京密云站水汽輻射計(jì)在2016年doy=126進(jìn)行了天頂定標(biāo),分析的數(shù)據(jù)包括doy=127–152共26 d的數(shù)據(jù),由于GPS/ZWD數(shù)據(jù)在doy=131、132和147期間缺失,實(shí)際對(duì)比數(shù)據(jù)共23 d,在此期間ZWD的值在30–300 mm之間浮動(dòng).圖6(a)為利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD前兩者時(shí)間序列,從圖中可以看出WVR/ZWD較GPS/ZWD整體偏高,且變化幅度較大,說明水汽輻射計(jì)對(duì)濕延遲變化更為敏感,但兩者具有較好的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系,且兩者之間存在較為明顯的系統(tǒng)差;圖6(b)為利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD后兩者時(shí)間序列,標(biāo)校后兩者的變化幾乎完全吻合.標(biāo)校前GPS/ZWD與WVR/ZWD間的BIAS=–11.95 mm,STD=24.62 mm,R=86.61%;標(biāo)校后STD=17.55 mm.標(biāo)校后的數(shù)據(jù)WVR/ZWD′與GPS/ZWD BIAS消除,且STD明顯減小(圖6).

圖6 BJMY站GPS/ZWD與WVR/ZWD標(biāo)校前(a)后(b)時(shí)間序列對(duì)比圖,doy=127–152Fig.6 The comparison diagram of time series between GPS/ZWD and WVR/ZWD of BJMY station before(a)and after(b)calibration,doy=127–152

3.5 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表1可以看出,WVR/ZWD與GPS/ZWD之間STD較大,最大的為SHAO站46.27 mm,最小的為YNKM站8.55 mm;從RMS和BIAS可以看出,除BJMY站之外,其余3個(gè)臺(tái)站的值均較大,最大值出現(xiàn)在URUM站,分別為122.92 mm和121.62 mm;4臺(tái)站R均超過了85%,最高的為SHAO站,達(dá)到了98.18%.

結(jié)合表1、2可以得出,標(biāo)校精度與4臺(tái)站W(wǎng)VR/ZWD和GPS/ZWD之間的相關(guān)性具有直接關(guān)系,相關(guān)性越高,標(biāo)校效果越好.對(duì)WVR/ZWD數(shù)據(jù)稀疏兩倍處理后的標(biāo)校獲取的STD與稀疏處理前無明顯變化,這與GPS/ZWD采樣率低(5 min),WVR/ZWD采樣率較高(0.5 s),對(duì)剔除粗差后WVR/ZWD進(jìn)行稀疏處理仍有足夠的數(shù)據(jù)量參與標(biāo)校有關(guān).

表14 臺(tái)站標(biāo)校前GPS與WVR相對(duì)精度Table 1 Accuracy index of four stations before calibration including RMS,BIAS,and STD

表24 臺(tái)站W(wǎng)VR/ZWD數(shù)據(jù)稀疏前后及標(biāo)校前后精度對(duì)比Table 2 Comparison of STD before and after WVR/ZWD sparseness and calibration of four stations

4 結(jié)論

通過對(duì)YNKM、URUM、SHAO、BJMY 4個(gè)并址站,利用GPS/ZWD對(duì)WVR/ZWD進(jìn)行對(duì)比標(biāo)校分析發(fā)現(xiàn)GPS/ZWD與WVR/ZWD之間相關(guān)性較好,但存在明顯的系統(tǒng)差,且系統(tǒng)差較大,與觀測(cè)天氣條件和儀器自身差異有關(guān),特別是對(duì)流層濕延遲波動(dòng)較大時(shí)WVR/ZWD變化與GPS/ZWD之間存在明顯異常.

經(jīng)GPS/ZWD標(biāo)校后,兩者之間的STD均明顯減小,獲取的WVR/ZWD精度大幅提高.兩者之間的相關(guān)系數(shù)越高,標(biāo)校效果越好.因此,為保證利用GPS/ZWD標(biāo)校WVR/ZWD的精度,需要提升水汽輻射計(jì)自身性能,減少WVR/ZWD野值,保證WVR/ZWD數(shù)據(jù)的連續(xù)性,提高兩者之間的相關(guān)性.

致謝 感謝國家天文臺(tái)、新疆天文臺(tái)、云南天文臺(tái)和上海天文臺(tái)在水汽輻射計(jì)維護(hù)及數(shù)據(jù)上提供支持.感謝上海天文臺(tái)付乃鋒博士對(duì)本文提供幫助.