陳永貴，朱玉香，安春華

（1. 河南測繪職業(yè)學院，鄭州 451464；2. 河南省科學院地理研究所，鄭州 451464）

0 引言

水汽分布的不均勻性和形態(tài)錯綜的變化會引起全球天氣變化。水汽在大氣中占據(jù)比例很低，卻是大氣中最活躍的成分。針對復雜多變的水汽，如何準確地確定其分布特征及變化規(guī)律，是氣象學的主要問題之一[1-3]。自從貝維斯（Bevis）首次提出“全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）氣象學”的概念以來，GNSS氣象學就得到了快速發(fā)展和實際應用[4]。在GNSS氣象學中，探測大氣可降水量（precipitable water vapor, PWV）常用的手段包括探空站、微波輻射、衛(wèi)星遙感和太陽光譜分析等[5]，這些技術探測PWV成本較高，操作難度大且復雜；而地基GNSS探測水汽，具有高時空分辨率、低成本、高實時性和靈活性等優(yōu)點。我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system,BDS）也已全球組網(wǎng)，這為GNSS氣象學的發(fā)展提供了豐富的數(shù)據(jù)支撐[6]。

國際GNSS服務（International GNSS Service,IGS）中心提供的最終精密星歷（IGS final products,IGF）精度較高，但更新時間較慢，不具備實時性，無法滿足實時水汽反演的需要。國內外許多學者就快速精密星歷（IGS rapid products, IGR）和超快速精密星歷（IGS ultra-rapid products, IGU）是否可以代替最終精密星歷等諸多實際應用問題進行了研究。文獻[7]選取不同的衛(wèi)星星歷產品，分別進行了靜態(tài)精密單點定位實驗，與IGS發(fā)布的產品進行對比分析，結果表明：采用最終星歷、快速星歷和超快星歷的計算結果與實測靜態(tài)精密單點定位結果的精度一致；而采用超快星歷進行外推計算時，精度略低。文獻[8]針對香港地區(qū)二次暴雨發(fā)生過程，基于IGF星歷反演得到的PWV，與實際降雨量進行對比分析，其結果表明，大氣環(huán)境越不穩(wěn)定，降水概率也就越高。文獻[9]借助上海地區(qū)全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）觀測數(shù)據(jù)反演PWV時，確定了計算方式的選擇、站坐標的確定和約束、軌道的使用方法、網(wǎng)外輔助站最佳數(shù)量、海潮對實時計算PWV的影響、實時應用于氣象服務時的端部效應等問題的最佳方案。文獻[10]針對衛(wèi)星星歷的時效性差異導致低軌衛(wèi)星精密軌道獲取滯后的問題，對比分析了不同星歷對定軌的精度影響，實驗結果表明，IGF/IGR/IGU定軌結果精度相當。文獻[11]用快速精密星歷和超快速精密星歷代替最終精密星歷，對實測的連續(xù)運行參考站（continuously operating reference stations, CORS）數(shù)據(jù)進行基線解算，其結果表明，使用這2種星歷代替最終精密星歷進行基線解算是可行的。

1 IGF/IGR/IGU產品對比分析

IGS中心提供IGF、IGR、IGU產品服務，不同的星歷產品在軌道精度、鐘差精度、滯后時間、更新率和采樣率方面存在差異，IGU星歷的軌道時長48 h，包括實測和外推2個部分（其中前24 h是實測軌道，后24 h是外推預報軌道）。IGF/IGR/IGU產品具體參數(shù)如表1所示。

表1 IGF/IGR/IGU產品對比分析表

從表1可以看出：IGF星歷的軌道、鐘差精度都優(yōu)于IGR、IGU星歷，但是滯后時間較長（12～18 d），更新率較慢；IGF、IGR、IGU星歷軌道采樣率都為15 min；鐘差采樣率IGF、IGR星歷優(yōu)于IGU星歷；IGU-pre星歷具有實時性的特點，這是其他類型星歷所不具備的。因此，基于IGU-pre星歷可以實時地反演CMONOC站點的大氣可降水量。

2 地基GNSS反演大氣可降水量原理

近年來，隨著GNSS技術的快速發(fā)展，地基GNSS氣象學也快速發(fā)展起來，數(shù)據(jù)處理軟件也快速發(fā)展?；贕NSS高精度數(shù)據(jù)處理的軟件有加米特（GAMIT）、格洛布克（GLOBK）等，可以用GAMIT/GLOBK軟件獲取對流層天頂總延遲，結合氣象觀測資料和天頂靜力延遲計算模型，就可以得到天頂靜力學延遲，即對整個CMONOC/PWV的反演結果，站點分布如圖1所示。

式中：?為測站的緯度；0h為測站海拔高度，單位為km；P為測站地面氣壓，單位為hPa；ZHD（zenith hydrostatic delay）為天頂靜力學延遲，單位為cm，此處采用薩斯塔莫寧（Saastamonien）模型計算得到。天頂對流層延遲（zenith tropospheric delay, ZTD）減去ZHD就能得到天頂濕延遲（zenith wet delay, ZWD），即

再利用貝葉斯經驗公式計算出加權平均溫度Tm，進而得到水汽轉換系數(shù)Π。天頂濕延遲與水汽轉換系數(shù)相乘即可得到大氣可降水量，即

式中Π是無量綱轉換因子，估計值約為0.15[12-14]。

3 實驗與結果分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

本次實驗選取CMONOC站點中，數(shù)據(jù)連續(xù)性好、數(shù)據(jù)質量為合格或為優(yōu)的觀測數(shù)據(jù)。觀測站均勻分布在中國大陸地區(qū)，能夠較好反映不同星歷

學生在高等院校接受教育的過程中，學校、教師可以利用“微媒體”對學生進行精神文明教育，比如在學習大學思政課中 《建設中國特色社會主義》這一知識點內容教學時，教師事先可以利用微信、QQ等軟件組建一個討論組，教師在課前準備階段可以利用網(wǎng)絡渠道搜集建設中國特色主義相關的影音資料，讓學生自主觀看，讓學生思考并預習〔7〕。教師還可以在學生的課下時間在群里發(fā)布一些關于弘揚社會主義核心價值觀和建設精神文明的小視頻。讓學生在閑暇之余觀看、分享，在一定程度上培養(yǎng)學生的精神文明建設。

圖1 站點分布

從美國懷俄明州立大學網(wǎng)站[15-17]上獲取探空站數(shù)據(jù)，解算過程中加入BJFS站、CHAN站、SHAO站、TWTF站和WUHN站的數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算，其目的是為了削弱對流層相關性。IGS觀測數(shù)據(jù)和星歷產品通過IGS發(fā)布中心獲取[8]。

3.2 方案設計

借助GAMIT/GLOBK軟件，分別按方案1至方案4進行解算，解算策略如表2所示。表2中，GMF（global mapping function）為全球投影函數(shù)；LC_HELP為無電離層組合。

表2 解算方案

在解算時，把CMONOC觀測站中的XJKL站、TASH站、NMEJ站、QHTT站、SCQT站、MMNS站、NMZL站、ZHNZ站、HLWD站、JLCB站及ZJJD站作為參考站一同解算，4個方案區(qū)別在于，解算過程中使用的衛(wèi)星星歷產品的不同，以此來判斷IGF/IGR/IGU-obs/IGU-pre對反演CMONOC/PWV的精度影響。

3.3 結果分析

3.3.1 IGF/IGR/IGU基線結果對比分析

標準化均方根誤差（normalized root mean square, NRMS）用來表示GAMIT基線解算結果中基線值偏離加權平均值的程度。一般情況下認為：NRMS值越小，基線解算結果越好、精度越高，反之越差。一般情況下，NRMS小于0.3；若大于0.3，則認為基線解算失敗，其原因可能是周跳未修復或起算坐標有誤等，需重新解算。采用4種不同星歷產品，對2018年年積日第1—7天的觀測數(shù)據(jù)進行基線解算，不同星歷IGF/IGR/IGU-obs/IGU-pre對應基線解算結果如圖2所示。

由圖2可知，IGF/IGR/IGU-obs/IGU-pre對應基線解算結果的NRMS值都小于0.25，可以認為參與基線解算的數(shù)據(jù)都是合格的，且同一天4種星歷產品基線解算的NRMS值都很接近，說明不同精密星歷對基線解算結果沒有明顯的差異，可以使用IGR/IGU-obs/IGU-pre代替IGF進行基線解算，其結果是合理的，且具備實時性的特點。

圖3 不同星歷解算ZTD與CGPS產品對比分析

圖2 IGF/IGR/IGU-obs/IGU-pre對應基線解算結果

3.3.2 IGF/IGR/IGU對ZTD的解算精度分析

基于CMONOC觀測數(shù)據(jù)反演PWV值的精度，主要是由ZTD的精度決定的。將不同星歷解算得到的ZTD數(shù)據(jù)，與中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產品服務平臺（GNSS Data Products of China Earthquake Administration, CGPS）公布的對流層產品進行對比分析，來驗證IGF/IGR/IGU對ZTD的影響。由于篇幅限制，在此僅給出ZJJD站對比分析結果，如圖3和表3所示。

表3 不同星歷解算ZTD的偏差結果 單位：mm

由圖3可以看出：IGF產品解算ZTD精度最高，IGR產品次之，IGU-obs和IGU-pre產品效果最差；IGU-obs和IGU-pre產品解算ZTD的精度相當。其余10個未給出結果的測站與ZJJD站結果一致。

通過表3可以得出：不同星歷產品解算得到的ZTD與CGPS之間均方根誤差（root mean square error, RMSE）分別為3.52、8.26、12.72和13.95 mm；不同星歷產品解算得到的ZTD與CGPS之間的標準差（standard deviation, STD）分別為3.45、8.22、12.67和13.92 mm；IGU-obs/ZTD和IGU-pre/ZTD的RMSE和STD差值都在2 mm內，二者精度相當。圖4給出了CMONOC反演ZTD的RMSE值。

圖4 CMONOC不同星歷反演ZTD RMSE值

由圖4可知：各個測站對不同星歷反演ZTD精度具有較好的一致性，IGF/ZTD的精度最高，RMSE在2 mm左右；IGR/ZTD的精度次之， RMSE在8 mm左右；IGU-obs/ZTD和IGU-pre/ZTD的精度最低，RMSE在12 mm左右，且二者精度相當。

3.3.3 IGF/IGR/IGU對PWV解算的精度分析

圖5 不同星歷解算PWV與探空產品的差值

美國懷俄明州立大學提供的探空數(shù)據(jù)產品被認為是當今精度最高的水汽產品。探空站產品向用戶提供時間分辨率為12 h（UTC 00:00 和UTC 12:00）的數(shù)據(jù)。選取探空站（YANJI, 42662）的探空數(shù)據(jù)產品與CMONOC中JLCB站的數(shù)據(jù)，來分析不同星歷對反演PWV的精度影響。探空站YANJI站與CMONOC中的JLCB站，在地理位置上距離小于5 km，可以忽略二者在地理位置上的差異而引起的PWV的細小差異?；?018年年積日為第2—31天共計30 d，60組JLCB站的觀測數(shù)據(jù)來驗證IGF/IGR/IGU對PWV的影響，探空站PWV數(shù)據(jù)記為Radio/PWV，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，IGF/PWV、IGR/PWV、IGU-obs/PWV和IGU-pre/PWV的差值△PWV分別為[-1, 1]、[-2, 2]、[-4, 4]、[-4, 4]，這些數(shù)據(jù)說明：IGF/PWV精度較高，優(yōu)于1 mm；IGR/PWV精度次之，優(yōu)于2 mm；IGU-obs/PWV和IGU-pre/PWV精度最差，但優(yōu)于4 mm，且二者反演PWV的精度相當。

4 結束語

本文借助CMONOC的觀測數(shù)據(jù)，評估了最終精密星歷、快速星歷、超快星歷產品反演大氣可降水量的精度，得到以下結論：

1）不同星歷產品解算CMONOC PWV的精度相當；

2）最終精密星歷產品反演ZTD的精度最高，快速星歷產品次之，超快速星歷產品精度最低，RMSE分別為2、8、12 mm；

3）最終精密星歷產品反演PWV的精度最高，快速星歷產品次之，超快速星歷產品精度最低，其結果都優(yōu)于1 cm，在未公布最終精密星歷產品情況下，可以用快速精密星歷和超快速精密星歷產品代替最終精密星歷產品進行反演大氣可降水量，其精度可以滿足實時短期預報的需求，為進行短臨天氣預報提供依據(jù)。

致謝：中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產品服務平臺和美國懷俄明州立大學提供了數(shù)據(jù)支撐。