高志鈺，李建章，劉彥軍，劉江濤，張健琿

(1. 蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

可降水量(precipitable water vapor，PWV)對中小尺度災(zāi)害性天氣預(yù)報具有指示意義，是降雨強度預(yù)報的重要參數(shù)之一。自20世紀(jì)80、90年代起，國外已經(jīng)對GPS探測大氣可降水量進行了大量研究[1-2]。國內(nèi)最早由毛節(jié)泰引進并詳細介紹了地基GPS反演大氣可降水量的方法[3]，近年來發(fā)展迅速并取得了一定的成果[4-10]。隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)提供服務(wù)并不斷地建設(shè)完善，其已經(jīng)能夠應(yīng)用到氣象學(xué)領(lǐng)域，可以獲得大氣可降水量。文獻[11]利用河北省6個測站的數(shù)據(jù)分別估算GPS、BDS天頂總延遲量(zenith total delay，ZTD)，兩者之間的標(biāo)準(zhǔn)差為5～6 mm。文獻[12]利用亞太地區(qū)10個測站BDS數(shù)據(jù)采用精密單點定位方法進行大氣可降水量反演，反演結(jié)果與GPS結(jié)果相比均方根誤差為2 mm左右。文獻[13]采用精密單點定位方法，分別采用3種方案(BDS、GPS和BDS+GPS)來估算PWV，BDS精密單點定位可作為新的數(shù)據(jù)源，可獨立提供高精度的ZTD與PWV產(chǎn)品且精度較高，同時BDS+GPS組合系統(tǒng)反演得到的可降水量精度更高。文獻[14]利用上海市氣象局建立的北斗氣象站的觀測數(shù)據(jù)及PANDA軟件實現(xiàn)了基于北斗數(shù)據(jù)的大氣可降水量反演，與探空數(shù)據(jù)計算結(jié)果及GPS數(shù)據(jù)反演結(jié)果之間的均方根誤差約為3.5 mm，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。

此外，GAMIT軟件自10.5版本開始，就逐步加入對其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的支持。隨著10.61版本的發(fā)布，軟件已經(jīng)可以支持北斗觀測數(shù)據(jù)的解算，并且附帶的共用表文件也包含了多個GNSS系統(tǒng)的信息。截至目前，GAMIT軟件已更新到10.70版本。因此，本文首次利用GAMIT軟件對利用北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)反演大氣可降水量進行研究，并結(jié)合探空數(shù)據(jù)計算得到的PWV與GPS反演得到的PWV進行精度驗證，以期增強北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在大氣水汽監(jiān)測中的研究和應(yīng)用。

1 大氣可降水量計算方法

1.1 無線電探空資料大氣可降水量計算方法

基于探空氣球的大氣可降水量是利用探空氣球觀測氣象對流層中各高度上的比濕q(單位g/kg)，然后對大氣壓力p(單位hPa)從地面到對流層上界進行垂直積分而得，即

(1)

式中，PWV為可降水量，單位為mm；g為地球重力加速度。實際計算時，可以用各個標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的比濕值進行差分計算以代替積分，而且由于大氣水汽幾乎全部集中在氣象學(xué)定義的對流層(0～12 km)，計算時采用分層疊加的辦法進行。計算步驟如下：

(1) 根據(jù)各高度上的露點溫度測值，算出各高度上的水汽壓e(單位hPa)，計算式為

(2)

式中，Td為露點溫度,單位為℃。系數(shù)a、b的取值為：氣溫低于-40℃時，a=21.87，b=265.49；氣溫高于0℃時，a=17.26，b=237.29；若氣溫居于兩者之間，a、b用線性內(nèi)插算出。

(2) 根據(jù)各高度上的氣壓測值和式(2)算出的水汽壓，可計算比濕q，即

(3)

(3) 計算大氣可降水量PWV，計算式為

(4)

式中，p0為地面大氣壓力，單位為hPa。

1.2 地基GNSS反演可降水量

基于地基GNSS的大氣可降水量反演步驟為：①由高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件——GAMIT軟件根據(jù)原始觀測數(shù)據(jù)解算出各測站天頂總延遲量；②根據(jù)氣象觀測資料與天頂靜力延遲模型計算出天頂靜力學(xué)延遲量(zenith hydrostatic delay，ZHD)；③用天頂總延遲量減去天頂靜力延遲量獲得天頂濕延遲量(zenith wet delay，ZWD)，即ZWD=ZTD-ZHD；④結(jié)合下式，根據(jù)加權(quán)平均溫度模型確定水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)Π，將天頂濕延遲轉(zhuǎn)換為可降水量PWV。

PWV=ZWD·Π

(5)

(6)

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

基于近年發(fā)展起來的多模GNSS試驗跟蹤網(wǎng)(multi-GNSS experiment，MGEX)數(shù)據(jù)，選取澳大利亞地區(qū)的8個MGEX站2018年1月1日至2018年1月15日的原始觀測數(shù)據(jù)，均包括GPS、BDS、Galileo與GLONASS等數(shù)據(jù)，站點分布如圖1所示。圖中，YPPH為探空站，站點編號為94610，與CUT0站相距不到10 km。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用Matlab軟件編寫代碼讀取探空數(shù)據(jù)并計算相應(yīng)的大氣可降水量值，數(shù)據(jù)采樣間隔為12 h(分別為UTC 0時、12時)。采用GAMIT 10.70軟件分別進行基于GPS、BDS數(shù)據(jù)的大氣可降水量反演，GAMIT 10.70軟件已經(jīng)能夠處理RINEX 3格式的文件輸入，即在不進行格式轉(zhuǎn)換的情況下，可以直接對RINEX 3的觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星星歷進行處理。但其不足之處在于目前暫不支持RINEX 3格式的文件名，因此在解算之前，應(yīng)通過GAMIT自帶的腳本sh_rename_rinex3將RINEX 3格式的文件重命名為RINEX 2格式的文件。GAMIT解算時主要采用的解算策略為：①衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°；②歷元間隔為30 s；③采用消除電離層后的組合觀測值；④解算模式采用周跳自動修復(fù)技術(shù)；⑤采用CODE的電離層產(chǎn)品；⑥軌道解類型采用松弛解；⑦考慮大氣負荷和海潮負荷，海潮模型采用otl_FES2004.grid；⑧采用“全球氣壓和溫度”模型值作為某一測站的先驗氣壓和溫度；⑨加權(quán)平均溫度模型采用Bevis經(jīng)驗公式；⑩對流層折射模型采用Saastamoinen模型估算天頂延遲參數(shù)，投影函數(shù)采用VMF1模型，引入全球大氣映射函數(shù)模型文件map.grid，采用分段線性的方法估算折射量偏差參數(shù)，每兩小時估計一個參數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 基線解算結(jié)果

評判GAMIT基線解算結(jié)果的精度指標(biāo)較多，本文主要以標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(normalized root mean square，NRMS)和基線重復(fù)性作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。從年積日目錄下Q文件中提取NRMS值，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，GPS數(shù)據(jù)基線解算后所對應(yīng)的NRMS值均小于0.2，其平均值為0.168 8；而BDS數(shù)據(jù)基線解算后所對應(yīng)的NRMS值也均小于0.2，平均值為0.176 3，略大于GPS數(shù)據(jù)所對應(yīng)的NRMS平均值。統(tǒng)計基線重復(fù)性結(jié)果可得出，GPS數(shù)據(jù)、BDS數(shù)據(jù)所對應(yīng)的基線解算的精度都在10-8量級以上，GPS基線重復(fù)性結(jié)果精度略高于BDS，均滿足地殼形變要求的10-7量級。因此，較高的基線解算結(jié)果精度為大氣可降水量反演的精度奠定了基礎(chǔ)。

3.2 與探空數(shù)據(jù)計算結(jié)果的對比

無線電探空儀是氣象部門常用的大氣數(shù)據(jù)探測方法，精度較高，常用作新方法的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。CUT0站與探空站YPPH相距幾千米，因此對兩者進行對比。此外，由于探空站YPPH采樣間隔為12 h，而且在2018年1月10日UTC 12時、2018年1月15日UTC 12時沒有觀測數(shù)據(jù)，因此總共有28期結(jié)果可進行對比分析。對比結(jié)果如圖2、表1所示。其中，探空資料計算得到的大氣可降水量結(jié)果用Radio_PWV表示；通過GPS與BDS數(shù)據(jù)反演得到的大氣可降水量分別用GPS_PWV與BDS_PWV表示。

從圖2和表1可以看出，基于GPS、BDS反演得到的大氣可降水量與無線電探空數(shù)據(jù)計算得到的大氣可降水量變化趨勢基本保持一致，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，反演結(jié)果相對應(yīng)的平均絕對誤差與均方根誤差均小于2 mm，相關(guān)系數(shù)均大于0.98。不難看出，BDS反演結(jié)果精度較GPS反演結(jié)果精度差一點，但是能滿足氣象觀測需要，符合目前國際上要求的3～4 mm的精度[15]。

PWV/mm/mmRadio_PWVGPS_PWV280.90141.15260.9932Radio_PWVBDS_PWV281.39291.85700.9800

3.3 與GPS反演結(jié)果對比

由于篇幅有限，僅對CUT0、KARR、MCHL、MRO1這4站反演結(jié)果進行對比，分別繪制反演結(jié)果比較圖，如圖3所示。可以看出，在4站中，GPS、BDS反演結(jié)果趨勢基本一致。經(jīng)統(tǒng)計分析，其精度對比見表2。在4站中，BDS_PWV與GPS_PWV之間的平均絕對誤差均小于3 mm，最大為2.045 8 mm；在均方根誤差方面，BDS_PWV與GPS_PWV之間的均方根誤差均小于3 mm，最大值為2.691 5 mm。在相關(guān)系數(shù)方面，明顯可以看出，相關(guān)系數(shù)均大于0.96，基本滿足氣象觀測需要，也符合目前國際上要求的3～4 mm的精度。

表2 GPS與BDS反演結(jié)果精度分析

4 結(jié) 論

本文通過選取MGEX數(shù)據(jù)網(wǎng)站提供的2018年1月1日至2018年1月15日15天的混合星歷的原始觀測數(shù)據(jù)，包括RINEX格式的觀測值文件與氣象數(shù)據(jù)文件、精密星歷文件及廣播星歷文件，進行了基于GAMIT軟件的BDS大氣可降水量反演研究，并與探空數(shù)據(jù)計算得到的大氣可降水量及GPS反演得到的大氣可降水量進行了對比，得出以下結(jié)論：

(1) BDS數(shù)據(jù)基線解算的NRMS值均小于0.2，精度在10-8量級，略低于GPS數(shù)據(jù)基線解算結(jié)果，總體而言基線解算結(jié)果精度較高，為大氣可降水量反演精度奠定了基礎(chǔ)。

(2) 通過GPS、BDS反演得到的可降水量與探空數(shù)據(jù)計算結(jié)果之間的均方根誤差小于2 mm，相關(guān)系數(shù)均大于0.98，GPS反演結(jié)果精度與探空數(shù)據(jù)計算結(jié)果更接近，均符合目前國際上要求的3～4 mm的精度。

(3) BDS數(shù)據(jù)反演得到的大氣可降水量與GPS反演結(jié)果之間的均方根誤差小于3 mm，相關(guān)系數(shù)均大于0.96，均能滿足氣象觀測需要。

(4) 由于區(qū)域的差異性，本文所采用Bevis經(jīng)驗公式進行研究區(qū)域的大氣可降水量反演時，可能產(chǎn)生局域模型系統(tǒng)誤差。此外，對流層折射模型與映射函數(shù)等均會使反演得到的大氣可降水量產(chǎn)生誤差，因此得到的大氣可降水量值并非最優(yōu)值。