王勇，董思思，劉嚴萍，任棟，李江波

(1.天津城建大學 地質(zhì)與測繪學院，天津 300384；2.天津城建大學 經(jīng)濟與管理學院，天津 300384；3.河北省氣象臺，石家莊 050021)

0 引言

近年來我國城市暴雨內(nèi)澇頻發(fā)，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響。水汽的變化是引發(fā)暴雨災害的關(guān)鍵要素之一。中分辨率成像光譜儀MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)具有空間分辨率高和覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，受地面光譜反射誤差等影響，MODIS水汽精度不高影響了其在氣象領(lǐng)域的應用。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(global navigation satellite system)水汽具有不受天氣影響和時間分辨率高的優(yōu)勢，受地基GNSS站點密度的限制，僅可提供離散點的水汽值，難以反映詳細的空間水汽變化情況。綜合二者優(yōu)勢，利用GNSS水汽校正MODIS水汽具有重要的研究價值。多位學者利用MODIS數(shù)據(jù)研究區(qū)域水汽變化并用于InSAR大氣校正[1-6]。張俊東等[6-9]以GNSS水汽為標準值，研究建立MODIS近紅外水汽改進反演算法以提高水汽反演精度。在對GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性分析基礎(chǔ)上，建立MODIS水汽校正模型，校正后的MODIS水汽精度可達到mm級[10-12]。以上研究多為基于短期數(shù)據(jù)相關(guān)性分析并建立模型或者基于單站點長期數(shù)據(jù)建立的MODIS水汽校正模型。

MODIS獲取的水汽為大面積連續(xù)數(shù)據(jù)，單站點模型校正MODIS區(qū)域水汽的效果難以保證。因此，有必要針對某一區(qū)域，選擇多個GNSS站點進行區(qū)域MODIS水汽校正研究。由于季節(jié)性差異，不同季節(jié)的水汽差異較大，對于MODIS水汽的校正需要分季節(jié)構(gòu)建。以河北省為例，利用連續(xù)觀測參考站網(wǎng)CORS(continuously operating reference system)GNSS觀測和MODIS水汽開展區(qū)域MODIS水汽模型修正，為MODIS水汽數(shù)據(jù)應用于短時天氣預報提供參考。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

河北省地處華北平原，東臨渤海，內(nèi)環(huán)京津，省內(nèi)包含山區(qū)、平原等地理環(huán)境。依據(jù)地理位置、地形條件以及降水異常區(qū)域特點[13]將河北省分為3個區(qū)域，分別是南部平原區(qū)(安國、平山、南和、涉縣)、冀北山地區(qū)(沽源、淶源、尚義、懷來)、東部濱海平原區(qū)(樂亭、文安、棗強、吳橋)。

1.2 研究數(shù)據(jù)

論文研究數(shù)據(jù)涉及MODIS水汽和GNSS水汽，數(shù)據(jù)時間為2014年1月至2015年4月，GNSS水汽計算和MODIS水汽獲取如下所示。

1)GNSS水汽。收集2014年1月至2015年4月河北省CORS GNSS觀測數(shù)據(jù)，水汽解算方案如下：選用高精度GNSS處理軟件GAMIT結(jié)合IGS精密星歷，采用松弛解計算模式，引入同期國內(nèi)IGS站點WUHN、BJFS、SHAO等數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，站點天頂對流層延遲的解算為獨立的估計值，結(jié)合站點氣象觀測數(shù)據(jù)可以獲得12個城市GNSS站點時值水汽，單位為mm。

2)MODIS水汽。NASA可提供MODIS水汽產(chǎn)品(https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，包含MOD05和MYD05水汽產(chǎn)品。MOD數(shù)據(jù)由TERRA衛(wèi)星觀測得到，該衛(wèi)星每日地方時上午過境，稱為上午星；而MYD由AQUA衛(wèi)星觀測獲得，其為每日地方時下午過境，稱為下午星。二者數(shù)據(jù)的區(qū)別僅為同一個地點不同時間段觀測數(shù)據(jù)。下載2014年1月至2015年4月MOD05和MYD05水汽產(chǎn)品，利用ENVI軟件，獲取與12個GNSS站點相同坐標格網(wǎng)的MOD05和MYD05數(shù)據(jù)。MODIS (MOD05、MYD05)水汽為一天兩次數(shù)據(jù)，單位為mm。

河北省站點多，若每個城市均構(gòu)建MODIS水汽校正模型，模型個數(shù)多，使用不方便。本文根據(jù)河北省分區(qū)構(gòu)建3個區(qū)域模型。

2 MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性比較

為了構(gòu)建GNSS的MODIS水汽校正模型，有必要先進行MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性比較。本節(jié)分別以城市和區(qū)域2個層面、全年和季節(jié)分別開展MODIS水汽與GNSS水汽的比較，分析二者的相關(guān)性，為模型構(gòu)建提供基礎(chǔ)。

2.1 區(qū)域GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性比較

為了減少MODIS水汽建模次數(shù)，本研究按照地理位置、地形條件以及降水異常區(qū)域特點將河北省分為3個區(qū)域，分別進行各區(qū)域GNSS站點與MODIS水汽的相關(guān)性分析(表1)。為比較區(qū)域和站點GNSS水汽與MODIS水汽的差異，在每個區(qū)域隨機選擇一個GNSS站點開展GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性比較(圖1)。

表1 MODIS水汽與GNSS水汽相關(guān)性結(jié)果統(tǒng)計

注：表示在 0.01 水平(雙側(cè)) 上顯示相關(guān)。

圖1 MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性比較

由表1可知，通過3個GNSS站點和區(qū)域全年的MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性系數(shù)、均方根誤差統(tǒng)計，全年相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明二者顯著正相關(guān)。結(jié)合圖1可得：夏季MODIS水汽與GNSS水汽值較大，冬季MODIS水汽與GNSS水汽較小，春季和秋季MODIS水汽與GNSS水汽值介于夏季和冬季之間，MODIS水汽與GNSS水汽二者變化趨勢基本一致，但存在一定的偏差。針對河北省四季分明、不同季節(jié)水汽差異較大的特點，以下按季節(jié)對區(qū)域及站點的MODIS水汽與GNSS水汽進行相關(guān)性、平均偏差和均方根誤差的統(tǒng)計分析。

2.2 不同季節(jié)GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性比較

分別以南部平原、冀北山地、東部濱海平原3個區(qū)域類型開展MODIS水汽與GNSS水汽的分季節(jié)性相關(guān)性比較，統(tǒng)計各區(qū)域四季MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性系數(shù)、平均偏差和均方根誤差(表2)。

表2 不同季節(jié)的MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性統(tǒng)計

注：表示在 0.01 水平(雙側(cè)) 上顯示相關(guān)。

由表2可知，3種區(qū)域類型的MODIS水汽與GNSS水汽的比較中，河北省3個區(qū)域夏季MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性系數(shù)最低，其中濱海平原地區(qū)最小值達到0.683，均方根誤差達到9.03 mm。由圖1結(jié)合表1、表2的統(tǒng)計分析，說明在河北省研究區(qū)域MODIS水汽存在一定的偏差，鑒于MODIS水汽與GNSS水汽的顯著正相關(guān)特性，可采用GNSS水汽進行MODIS水汽分季節(jié)的校正。

3 融合GNSS的MODIS水汽修正模型

MODIS水汽校正分季節(jié)構(gòu)建，4個季節(jié)的數(shù)據(jù)時間分別為：春季2014年3—5月以及2015年3—4月；夏季2014年6—8月；秋季2014年9—11月；冬季2014年1—2月、2014年12月—2015年2月。選取各季節(jié)的最后10天(樣本數(shù)20)進行季節(jié)模型可靠性檢驗，其他時間的數(shù)據(jù)均用于季節(jié)模型構(gòu)建。

3.1 融合GNSS的MODIS水汽修正模型構(gòu)建

為了比較區(qū)域模型的有效性，可選用GNSS站點所在城市模型與之進行比較。因此，論文分季節(jié)分別構(gòu)建GNSS站點所在城市和區(qū)域的MODIS水汽校正模型。鑒于GNSS水汽與MODIS水汽之間的高度相關(guān)性，利用GNSS水汽構(gòu)建MODIS水汽的校正模型，以MODIS水汽為自變量，GNSS水汽為應變量，采用線性回歸方法獲得。

表3為分季節(jié)構(gòu)建的城市MODIS水汽校正模型和區(qū)域MODIS水汽校正模型。

表3 MODIS水汽校正模型(城市和區(qū)域)

表3中的R2為決定系數(shù)，即擬合的模型能解釋因變量變化的個數(shù)占總樣本的比值。由于各季節(jié)城市模型和區(qū)域模型的R2夏季最低，其他季節(jié)均高于夏季，表明夏季各個模型能夠解釋因變量變化情況劣于其他季節(jié)。

3.2 模型可靠性檢驗

由于論文篇幅的限制，本文以沽源為例，開展GNSS站點城市和區(qū)域MODIS水汽校正模型的可靠性驗證，以GNSS水汽為標準值，通過城市和區(qū)域模型分季節(jié)分別反演相同站點的MODIS水汽校正值，結(jié)合MODIS水汽原始值，比較模型校正效果(圖2)。

由圖2可知，與MODIS水汽相比，4個季節(jié)城市模型和區(qū)域模型校正的MODIS水汽值更為接近GNSS水汽值。

以GNSS水汽為標準值，分別以城市模型、區(qū)域模型反演的MODIS水汽值與GNSS水汽值差值進行模型可靠性檢驗。表4為分季節(jié)統(tǒng)計的MODIS校正水汽與GNSS水汽的平均偏差和均方根誤差。

圖2 城市模型、區(qū)域模型MODIS水汽與GNSS水汽比較

表4 城市、區(qū)域MODIS水汽修正模型可靠性檢驗統(tǒng)計 mm

由表4可知，依據(jù)MODIS水汽校正值與GNSS水汽的差值的平均偏差和均方根誤差，區(qū)域MODIS水汽校正模型與城市MODIS水汽校正模型精度基本一致，不同季節(jié)的MODIS校正模型精度存在差異，區(qū)域MODIS水汽校正模型夏季精度為6.58 mm，冬季均方根誤差優(yōu)于1 mm，春、秋季均方根誤差2 mm左右。夏季模型校正精度較其他3個季節(jié)低的原因在于，河北地區(qū)夏季為雨季，云量和降水較多，影響了MODIS水汽的反演精度。兩類模型均優(yōu)于未校正之前的MODIS水汽精度，區(qū)域模型對于區(qū)域內(nèi)的各個測站都有良好的校正效果，具有較好的普適性，精度基本滿足氣象領(lǐng)域應用要求。

4 結(jié)束語

本文以河北省為研究區(qū)域，開展了GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性分析，以城市和區(qū)域類型分季節(jié)構(gòu)建了MODIS水汽校正模型，并對模型可靠性進行了驗證。得到以下結(jié)論：

①GNSS水汽與MODIS水汽比較，二者存在顯著相關(guān)性，四季中夏季相關(guān)性系數(shù)最低，均方根誤差最大，相關(guān)性最低。

②構(gòu)建了不同季節(jié)城市和區(qū)域MODIS水汽校正模型，冬季模型精度小于1 mm。夏季均方根誤差最大。城市模型和區(qū)域模型均可有效提高MODIS水汽精度，滿足氣象預報應用的要求。