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        ERA-Interim資料計算對流層天頂延遲方法及精度分析

        2021-09-13 09:01:30張朝怡康佳佳劉彬彬
        測繪工程 2021年5期
        關(guān)鍵詞:對流層測站站點

        張朝怡,覃 凱,康佳佳,冉 豪,劉彬彬

        (中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100089)

        無線電信號在穿過對流層時會受到折射的影響,使其信號發(fā)生彎曲和延遲,因此對流層延遲是無線電大地測量技術(shù)的主要誤差源之一。對流層延遲量在天頂方向時約為2 m,而接近地面方向時其影響可達(dá)20 m以上。對于該項誤差,最常用的方法是建立對流層大氣延遲改正模型加以改正[1-5]。

        近年來,許多研究機構(gòu)提供了基于氣象觀測的數(shù)值預(yù)報資料,并且隨著地球觀測技術(shù)的發(fā)展,這些氣象預(yù)報資料的精度和時空分辨率在不斷提高。目前比較常用的有歐洲中尺度氣象預(yù)報中心(ECMWF)提供的ECMWF系列資料以及美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的NCEP再分析資料,利用氣象觀測的數(shù)值預(yù)報資料計算對流層天頂延遲(ZTD)成為了一種新的有效手段[6-11]。

        雖然相關(guān)學(xué)者對基于氣象觀測的數(shù)值預(yù)報資料計算ZTD的方法及精度評價已經(jīng)開展了很多研究,如馬志泉等[8]通過分布于中國地區(qū)的28個中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)2004年的GPS數(shù)據(jù)評估了ECMWF提供的ERA-Interim資料計算ZTD的精度,但文中未分析ERA-Interim資料計算ZTD的季節(jié)變化。華新榮等[10]利用中國大陸地區(qū)7個IGS站2011年實測的高精度ZTD數(shù)據(jù)對ERA-Interim資料計算ZTD的精度進(jìn)行評估,但并未說明全球地區(qū)計算的ZTD年均偏差是否有季節(jié)變化。黃瑾芳等[9]分析再分析資料在中國區(qū)域?qū)α鲗友舆t解算的適用性問題,并分析其時空分布上的差異,但其對季節(jié)變化特征分析較為籠統(tǒng)。因此不同地區(qū)在不同季節(jié)的ZTD精度以及誤差變化特征還有待進(jìn)一步分析,本文利用ERA-Interim資料計算BJFS、HKWS、HKSL、DAV1、DARW、VNDP等6個IGS站點處一年的ZTD,并結(jié)合IGS提供的對流層延遲參考值評價其精度,并分析其季節(jié)變化特征。

        1 數(shù)據(jù)和方法

        1.1 ERA-Interim數(shù)據(jù)以及IGS ZTD產(chǎn)品

        歐洲中尺度氣象預(yù)報中心(ECMWF)的再分析資料垂直分辨率為37層,頂層高度約為47 km,每層上的氣壓值處處相等。每層有發(fā)散、云量的分?jǐn)?shù)、地勢、潛在渦度、相對濕度等14種數(shù)據(jù)。時間分辨率最小為6 h,最小平面分辨率0.125°×0.125°,最大為3°×3°,可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的區(qū)域。

        文中的研究使用了2018年全年的ERA-Interim資料。作為IGS的數(shù)據(jù)分析中心,CDDIS網(wǎng)站提供了每個IGS站點的氣象文件以及ZTD產(chǎn)品。測站的氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用于利用ERA-Interim估計ZTD的計算流程中。CDDIS網(wǎng)站提供的ZTD值作為參考,可以用來評價ERA-Interim資料計算的ZTD的精度。

        1.2 ERA-Interim計算ZTD的方法

        利用ERA-Interim估計ZTD通常有分層積分法和模型估計法兩種方法,文獻(xiàn)[11]分析對比了ECMWF資料采用這兩種方法計算ZTD的精度,結(jié)果表明積分法計算的是分層大氣資料,其BIAS和RMSe明顯優(yōu)于Saastamoinen模型法,因此采用分層積分法估計ZTD。首先根據(jù)ERA-Interim資料計算各層的水汽壓。

        e=q×P/0.622,

        (1)

        q=RH×qs/100,

        (2)

        (3)

        (4)

        其中,es為飽和水汽壓;qs為飽和比濕;q為比濕;RH為相對濕度(無量綱),P為壓強。

        計算各層的大氣折射率N。其中IGS站點處的大氣折射率利用的是測站氣象文件的氣溫T、氣壓P、相對濕度RH氣象數(shù)據(jù)。

        (5)

        其中,取k1=77.604K/mbar,k2=64.79 K/mbar,k3=377 600.0 K/mbar。

        采用分層積分法,可以反演格網(wǎng)點在IGS站點高度上的值。

        (6)

        式中:HIGS為IGS站點的高程;HTOP為ERA-interim資料頂層高度;i為層數(shù);N是大氣折射指數(shù);Ni是第i層的大氣折射指數(shù);ΔHi是第i層的高差。由于IGS站點的高程與附近4個格網(wǎng)點的高程并不一致,所以不能僅采用內(nèi)插法對IGS站點進(jìn)行插值,會導(dǎo)致精度降低。因此下載了IGS站的氣象數(shù)據(jù),從而直接積分計算IGS站附近4個格網(wǎng)點在IGS站點高度的ZTD,保證IGS站和其附近4個格網(wǎng)點高程相同,提高了所求IGS站的ZTD的精度。

        求得IGS站附近4個格網(wǎng)點的ZTD后,通過內(nèi)插求IGS站的ZTD。

        需要注意的是,對于高度,ECMWF資料上提供的是位勢,而GPS站提供的是大地高,兩者高度基準(zhǔn)不一致,因此,在使用nc文件中的高度數(shù)據(jù)之前,要將高度統(tǒng)一,所用算式為:

        (7)

        (8)

        此外,由于ERA-Interim資料的各種參數(shù)是對應(yīng)等壓面的,如果直接采用等壓面的數(shù)據(jù)計算大氣層折射率N,并分層積分延遲得到ZTD,會導(dǎo)致計算結(jié)果與高精度值產(chǎn)生10~20 cm的差異,因此對相鄰兩等壓面的大氣折射率取平均,然后再計算分層積分延遲。

        2 ERA-interim 資料計算ZTD的精度分析

        選擇位于中國的BJFS、HKSL和HKWS站、位于澳大利亞的DARW站、南極洲的DAV1站以及位于美國的VNDP站,3個中國的站點分析ERA-interim資料計算ZTD在中國地區(qū)的精度,位置較近的HKSL及HKWS站保證計算結(jié)果的正確性,南極洲的DAV1站可以表明溫度對ZTD的影響,并與其他測站一起研究ZTD與經(jīng)度的關(guān)系,美國的VNDP站用來表明ZTD與緯度是否有關(guān)。測站具體信息見表1。

        表1 IGS站點信息

        圖1顯示了2018年各IGS站利用ERA-interim 資料計算的ZTD值,由圖可知,HKSL和HKWS兩站實際相距非常近,它們之間的ZTD非常接近,BJFS、HKWS、HKSL、VNDP站在200 d左右ZTD較大,DARW站在200 d左右ZTD較小,這是由于南北半球的差異,DAV1站全年ZTD較平穩(wěn)。圖2顯示了各IGS站計算的ZTD與IGS ZTD的偏差,由圖可知,各站偏差在-0.04~0.04 m之間,具體BIAS和RMSe的統(tǒng)計結(jié)果見表2。因此利用ERA-interim資料計算的ZTD的結(jié)果的精度在cm級。

        表2 各IGS的誤差相關(guān)信息 m

        圖1 各IGS站2018年利用ERA-Interim資料計算的ZTD

        3 ERA-Interim資料計算ZTD的計算誤差的季節(jié)性特征

        對利用2018年ERA-Interim資料計算的ZTD做月度均值統(tǒng)計,變化如圖3,ZTD的BIAS及RMSe變化如圖4、圖5所示。由圖可知,各站計算的每月ZTD均值都在2.2~2.6 m之間,其中北京地區(qū)7—8月份的ZTD明顯偏高,澳大利亞7—8月份的ZTD明顯減小,呈現(xiàn)明顯的起伏,而香港地區(qū)和美國則比較平緩,但仍可明顯看出夏季比冬季ZTD高,南極洲基本不變且明顯低于其他各測站,合理推測溫度對ZTD有影響,且溫度越高ZTD越大,具有年度周期性特征。BJFS、HKWS、HKSL、DAV1站每月的偏差BIAS都在0.012 m以下,VNDP站每月的偏差在0.02 m以下,DARW站每月的偏差在0.04 m以下,BJFS、HKWS、HKSL、DAV1站每月的中誤差在0.016 m以下,DARW和VNDP站每月的中誤差在0.04 m以下,且香港地區(qū)和澳大利亞的偏差和中誤差會出現(xiàn)兩次明顯起伏,具有半年周期性特征,北京地區(qū)和美國只會出現(xiàn)一次明顯起伏,具有年度的周期性特征,南極洲起伏不明顯。

        圖2 各IGS站2018年利用ERA-interim資料計算的ZTD與IGS ZTD的偏差

        圖3 BJFS、HKWS、HKSL、DAV1、DARW、VNDP站2018年ERA-interim資料計算的ZTD月均值

        圖4 BJFS、HKWS、HKSL、DAV1、DARW、VNDP站2018年ERA-interim資料計算ZTD的月均偏差BIAS

        圖5 BJFS、HKWS、HKSL、DAV1、DARW、VNDP站2018年ERA-interim資料計算ZTD的逐月RMSe

        對ERA-interim資料計算ZTD的BIAS和RMS分別作季節(jié)統(tǒng)計,結(jié)果如圖6所示。DAV1站的ZTD整體比其他各個測站的ZTD低,北半球夏季ZTD最大,南半球夏季ZTD最小。BJFS、HKWS、HKSL、DAV1站每個季度的偏差BIAS都在0.01 m以下,DARW、VNDP站每個季度的偏差在0.03 m以下,HKWS、HKSL、DARW測站有明顯的半年周期特征。BJFS、HKWS、HKSL、DAV1站每個季度的中誤差都在0.015 m以下,DARW、VNDP站每個季度的中誤差在0.03 m以下,HKWS、HKSL、DARW圖像有兩次明顯升高,有明顯的半年度周期性特征,BJFS、VNDP站有一次圖像明顯升高,年度特征較明顯,夏季中誤差最大,DAV1站圖像變化不明顯。

        4 對流層模型在GNSS單點定位中的應(yīng)用

        采用DAV1、DARW站2018年年積日233、270的IGS ZTD以及ERA-Interim ZTD應(yīng)用于GNSS單點定位,測站為靜態(tài)觀測站,每天的精確坐標(biāo)使用的是P1-P2消電離層組合產(chǎn)生的單歷元定位結(jié)果,將動態(tài)坐標(biāo)與靜態(tài)坐標(biāo)比較后得到不同對流層模型的ZTD值下的定位結(jié)果與真實坐標(biāo)在N,E,U方向的偏差[12],結(jié)果表明,采用IGS ZTD和ERA-Interim ZTD改正后的偏差很接近,但還是有細(xì)微差別,差別在亞毫米級。加ERA-Interim ZTD改正后,其偏差在N,E,U方向上的改善見表3。由表可知,偽距定位的結(jié)果在各個方向都得到了改善,U方向最明顯,能達(dá)到0.5 m左右。

        圖6 BJFS、HKWS、HKSL、DAV1、DARW、VNDP 2018年ERA-Interim資料計算各個季節(jié)ZTD、BIAS、RMSe

        表3 加ERA-Interim ZTD改正對單點定位結(jié)果偏差的改善 cm

        5 結(jié) 論

        文中利用6個IGS站點的IGS ZTD產(chǎn)品對ERA-Interim資料計算的ZTD做了分析評估。結(jié)果表明,利用分層積分法再加上氣象數(shù)據(jù)的改正,計算得出的ZTD與IGS提供的ZTD產(chǎn)品相比誤差在cm級。對利用ERA-Interim資料計算的ZTD的誤差做了月均與季均分析,結(jié)果表明,不同緯度的計算偏差和中誤差有不同的季節(jié)特征。6個站點的ZTD值都體現(xiàn)出年度變化周期。BJFS、VNDP站的ZTD的偏差和中誤差具有年度周期,而HKWS、HKSL、DARW測站的ZTD計算偏差和中誤差具有明顯的半年周期,VNDP全年平穩(wěn)。在DAV1、DARW兩站將IGS ZTD和ERA-Interim ZTD應(yīng)用于GNSS單點定位中,改正后的偏差很接近,差別在亞毫米級,ERA-Interim ZTD改正后的偏差在各個方向都得到了改善,U方向最明顯,能達(dá)到0.5 m左右。

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