楊友森

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)(Continuously Operating Reference Stations,CORS)憑借著其定位精度高、覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)、全天候、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛被用于定位、地震、氣象等各個(gè)方面。在全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)反演水汽中,氣溫和氣壓等氣象參數(shù)是估計(jì)PWV的必要參數(shù),但絕大部分CORS網(wǎng)中都缺少氣象參數(shù),因此,很多學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究。ANDREI[1]利用數(shù)值天氣模型插值得到全球18個(gè)國(guó)際GNSS服務(wù)站(International GNSS Service,IGS)站的氣象參數(shù),插值結(jié)果與IGS站實(shí)測(cè)的結(jié)果一致,用插值氣象參數(shù)計(jì)算的對(duì)流層延遲的偏差為4.5 cm。SCHULER[2]利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的格網(wǎng)數(shù)據(jù)插值得到印度21個(gè)GPS站的地表氣象參數(shù),并利用得到的氣象參數(shù)進(jìn)行估計(jì)大氣可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV),證明了利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型進(jìn)行氣象參數(shù)插值及PWV估計(jì)的可能性,但在高度起伏大的地形精度稍差。王俊杰等[3]利用NCEP資料對(duì)香港地區(qū)的GPS測(cè)站氣溫和氣壓進(jìn)行插值,并在插值過程中顧及平均海平面高改正,進(jìn)一步提高氣象數(shù)據(jù)和估計(jì)PWV的精度。趙靜旸等[4]利用ECMWF資料插值中國(guó)地區(qū)的氣象參數(shù)并估計(jì)PWV,結(jié)果表明氣溫的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)在2.45 K,氣壓的RMSE在0.85 hpa,估計(jì)的大氣可降水量RMSE在1 mm左右,且精度受經(jīng)度和季節(jié)影響,中國(guó)東部的精度高于西部,夏季精度高于冬季。這些研究表明利用再分析資料插值氣象參數(shù)及估計(jì)GPS/PWV的可行性,本文將對(duì)ECMWF在河南地區(qū)的精度進(jìn)行評(píng)定,以此解決河南CORS系統(tǒng)無氣象參數(shù)的問題。

1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供6 h時(shí)間分辨率,每天4次的全球網(wǎng)格數(shù)據(jù)[5-6]。網(wǎng)格平面分辨率最小為0.125°×0.125°,分層數(shù)據(jù)有60層,包括溫度、氣壓、位勢(shì)等,地面數(shù)據(jù)有溫度,氣壓等。本文選用平面分辨率0.5°×0.5°,時(shí)間分辨率6 h的地面溫度、位勢(shì)高和平均海平面氣壓的數(shù)據(jù)。

(1)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù):開封站(HAKF)、平頂山站(HAPD)的氣象數(shù)據(jù)(m文件);

(2)CORS觀測(cè)數(shù)據(jù):開封站(HAKF)、平頂山站(HAPD)、洛陽站(HALN)、鄭州站(ZZGY)、南陽站(NYNZ)、舞陽站(LHWY)、新鄉(xiāng)站(XXYY)、周口站(HAZK);

(3)IGS站數(shù)據(jù):長(zhǎng)春站(CHAN)、泰國(guó)站(CUSV)、拉薩站(LHAZ)、上海佘山(SHAO)、烏魯木齊(URUM);

(4)無線電探空數(shù)據(jù)[7]:河南鄭州(57083)和南陽(57178)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的探空數(shù)據(jù)。

2 測(cè)站氣象參數(shù)估計(jì)

2.1 格點(diǎn)選擇

根據(jù)GPS測(cè)站的經(jīng)度、緯度,確定該測(cè)站所屬網(wǎng)格。

2.2 求四個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)在平均海平面上的氣象參數(shù)

氣壓數(shù)據(jù)就是在平均海平面高度上,故不需轉(zhuǎn)化。溫度數(shù)據(jù)為地面溫度,所以需根據(jù)位勢(shì)數(shù)據(jù)把四個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的溫度轉(zhuǎn)化為平均海平面溫度。

T=Ts+0.006 5H

(1)

式中,T為格點(diǎn)在平均海平面高度的溫度；Ts為格點(diǎn)溫度;H為格點(diǎn)位勢(shì)高。

2.3 求GPS測(cè)站在平均海平面上的氣象參數(shù)

根據(jù)平均海平面高度上四個(gè)格點(diǎn)氣象參數(shù),反距離加權(quán)插值(Inverse Distance Weighted，IDW)得到GPS測(cè)站在平均海平面高度上的氣象參數(shù)[8]。

2.4 將測(cè)站在平均海平面上的氣象參數(shù)轉(zhuǎn)化到測(cè)站高度

將測(cè)站在平均海平面高度上氣象參數(shù)轉(zhuǎn)化到測(cè)站實(shí)際位置

PGPS=P(1-2.26×10-5h)5.225

(2)

TGPS=T-0.006 5h

(3)

式中,PGPS,TGPS分別為測(cè)站在某一時(shí)刻的氣壓和氣溫；h為位勢(shì)高。

2.5 測(cè)站氣象參數(shù)在時(shí)間域上的插值[9]

由于ECMWF每天只提供4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的網(wǎng)格數(shù)據(jù),本文利用拉格朗日插值法,以d為單位,得到每小時(shí)的氣象數(shù)據(jù)。

3 精度分析

根據(jù)上述方法計(jì)算出開封站和平頂山站2016年年積日069～084的氣壓和氣溫,將實(shí)測(cè)的氣象參數(shù)作為真值,對(duì)插值的結(jié)果進(jìn)行精度分析,進(jìn)而用插值的氣象參數(shù)估計(jì)GPS/PWV,與實(shí)測(cè)/PWV進(jìn)行對(duì)比分析。目前估計(jì)PWV精度最高的為無線電探空站,河南省內(nèi)只有鄭州和南陽兩個(gè)無線電探空站,因此,利用ECMWF插值得到鄭州和南陽2016年年積日025～039的GPS/PWV,與無線電探空(Radio Sounding)的PWV進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)一步對(duì)ECMWF的插值精度進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 氣象參數(shù)的精度分析

圖1～圖2為開封站和平頂山站ECMWF插值的氣溫氣壓與實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)的對(duì)比圖,可得到如下結(jié)論:

(a) 平頂山站

(a) 平頂山站

(b) 開封站圖2 氣溫序列對(duì)比圖

(1)從整體上看,兩個(gè)測(cè)站插值的氣象數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)走勢(shì)相同,相關(guān)性較好。

(2)插值的氣壓與實(shí)測(cè)氣壓曲線基本重合,精度非常的高。從圖1可看出,ECMWF-P曲線與實(shí)測(cè)-P曲線相比,更加平滑,這是由于ECMWF的時(shí)間分辨率為6 h,因此不能反映6 h內(nèi)天氣的突變。

(3)插值的氣溫與實(shí)測(cè)氣溫雖走勢(shì)相同,但在每天溫度最高、最低時(shí)偏差較大,下面從誤差圖進(jìn)行更加直觀的分析,并對(duì)精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),圖3～4分別為開封站、平頂山站ECMWF插值的氣壓和氣溫的偏差序列圖,表1為兩測(cè)站插值參數(shù)的精度統(tǒng)計(jì)。

從圖3～4、表1可得到如下結(jié)論:

(a) 開封站

(b) 平頂山站圖3 氣壓偏差序列對(duì)比圖

(a) 開封站

(b) 平頂山站圖4 氣溫偏差序列對(duì)比圖

表1 測(cè)站氣象參數(shù)插值精度統(tǒng)計(jì)

(1)兩個(gè)測(cè)站的氣壓偏差較小,在0 hpa附近浮動(dòng),基本維持在3 hpa以內(nèi),最大偏差分別為3.0和3.4 hpa。

(2)兩個(gè)測(cè)站的溫度偏差相比氣壓偏差來說,溫度的偏差較大,最大偏差為12 K。溫度偏差是呈規(guī)律性變化的,且與ECMWF插值的氣溫趨勢(shì)相似,具有較強(qiáng)相關(guān)性。

(3)開封站與平頂山的氣壓相對(duì)誤差在0.1%,平均偏差都在1 hpa以內(nèi),均方根誤差在1 hpa左右,而1 hpa的氣壓引起的ZHD誤差不足2 mm,引起的PWV誤差不超過1 mm,因此,ECMWF插值的氣壓精度很高。

(4)開封站與平頂山的氣溫平均相對(duì)誤差都為1.58%,平均偏差在4.5 K左右,均方根誤差較大,分別為5.48,5.44 K。在計(jì)算PWV的過程中,根據(jù)誤差傳播率知,氣溫的誤差對(duì)加權(quán)平均溫度的影響會(huì)被縮小,5 K的誤差會(huì)引起不足1%的加權(quán)平均溫度誤差,引起的PWV誤差為2 mm左右。

3.2 基于ECMWF的GPS/PWV精度分析[10]

GPS/PWV計(jì)算過程:(1)利用GAMIT得到天頂對(duì)流層總延遲ZTD;(2)利用插值得到的氣象參數(shù)結(jié)合靜力學(xué)延遲模型解算ZHD,本文選用Black模型;(3)根據(jù)ZTD和ZHD得到天頂對(duì)流層延遲ZWD;(4)利用ZWD和轉(zhuǎn)換系數(shù)得到PWV。

3.2.1 ECMWF-PWV和實(shí)測(cè)-PWV的精度分析

根據(jù)ECMWF的插值氣象數(shù)據(jù)[12],求得開封和平頂山的PWV,與實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算的PWV進(jìn)行對(duì)比分析。圖5為開封站、平頂山站實(shí)測(cè)-PWV與ECMWF-PWV的偏差圖。

(a) 開封站

(b) 平頂山站圖5 PWV偏差序列對(duì)比圖

從圖5和表2得到如下結(jié)論:

(1)開封和平頂山兩個(gè)站,兩種方法計(jì)算的PWV曲線基本重合,相關(guān)性極高。

(2)開封站的PWV偏差基本都在1 mm以內(nèi),0 mm上下浮動(dòng),最大偏差在1.25 mm。平頂山站PWV的偏差稍大,基本都在1.5 mm以內(nèi),最大為1.8 mm。

(1)兩個(gè)站的平均偏差和均方根誤差都特別小,開封站的平均相對(duì)誤差和均方根誤差在0.4 mm左右,平頂山站則在0.5 mm左右,兩個(gè)站的相對(duì)誤差都在3.9%

(2)ECMWF-PWV和實(shí)測(cè)-PWV精度基本相同,氣溫的相對(duì)較大偏差的影響也在過程中被縮小。

表2 測(cè)站PWV插值精度統(tǒng)計(jì)

3.2.2 ECMWF-PWV和Radio-PWV的精度分析

目前估計(jì)大氣可降水量精度最高方法就是利用無線電探空技術(shù)進(jìn)行估計(jì)PWV,因此,下面就利用河南省僅有的兩個(gè)探空點(diǎn),鄭州(57083)和南陽(57178),對(duì)ECMWF氣象參數(shù)估計(jì)PWV的精度進(jìn)行評(píng)估[11-12]。

選用2016年年積日025～039,共15 d的數(shù)據(jù),因?yàn)樘娇諗?shù)據(jù)只有每天的0時(shí)和12時(shí)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù),所以利用ECMWF求解的PWV也只取這兩個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括鄭州站(ZZGY)和南陽站(NYNZ)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)、ECMWF地面氣溫、平均海平面氣壓、位勢(shì)高網(wǎng)格數(shù)據(jù)、鄭州和南陽兩個(gè)無線電探空點(diǎn)的探空數(shù)據(jù)。

根據(jù)上面數(shù)據(jù),分別計(jì)算鄭州站、南陽的ECMWF-PWV和Radio-PWV,圖6為鄭州、南陽ECMWF-PWV與Radio-PWV對(duì)比的時(shí)間序列圖。由圖6可得出:

(a) 鄭州站

(b) 南陽站圖6 PWV序列對(duì)比圖

(1)從整體上看,鄭州和南陽利用兩種方法計(jì)算的PWV走勢(shì)相似,具有良好的相關(guān)性。

(2)在年積日031～032、034～035,南陽的PWV急劇上升,查資料知南陽地區(qū)這幾天都是雨天。在年積日030～031,鄭州站的PWV急劇變化,查資料知鄭州地區(qū)這兩天為小雪天氣。

(3)不管是南陽還是鄭州,在雨雪天氣時(shí),兩種方法計(jì)算的PWV幾乎重合,故ECMWF-PWV可以很好反映極端天氣,精度不會(huì)受極端天氣的影響。

下面繪制兩個(gè)站PWV誤差圖,更直觀地分析ECMWF-PWV精度。圖7為鄭州站、南陽站ECMWF-PWV與Radio-PWV之間偏差的時(shí)間序列圖,表3為這兩個(gè)測(cè)站的PWV的平均偏差和均方根誤差的精度統(tǒng)計(jì),

(a) 鄭州站

(b) 南陽站圖7 PWV偏差序列對(duì)比圖

由圖7和表3可得出以下結(jié)論:

(1)從總體上看,兩個(gè)站的PWV都沒有出現(xiàn)較大偏差,而且都在0 mm附近上下浮動(dòng)。

(2)鄭州站PWV偏差基本都在2 mm以內(nèi),最大偏差發(fā)生在年積日039這天,為2.3 mm,但2 mm的偏差對(duì)估計(jì)PWV來說精度已經(jīng)非常高。而且鄭州的平均偏差和均方根誤差都在1 mm以下,因此鄭州站ECMWF-PWV精度是非常高的。

(3)南陽站PWV的最大偏差達(dá)到了4.2 mm,發(fā)生在年積日030,但基本都在4 mm以內(nèi)。平均偏差為1.62 mm,均方根誤差為2.02 mm,相對(duì)鄭州站的精度來說,南陽站精度稍差,但也完全滿足需求,利用GAMIT解算的PWV精度也在1～2 mm。

(4)南陽站相比鄭州站精度稍差,可能是因?yàn)槟详朑PS測(cè)站的地址與無線電探空距離較遠(yuǎn),而鄭州站兩個(gè)地址距離較近。

表3 ECMWF-PWV與Radio-PWV精度統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

利用ECMWF全球網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值得到河南測(cè)站的氣象參數(shù),進(jìn)而得到GPS/PWV,并對(duì)氣象參數(shù)和GPS/PWV的精度進(jìn)行評(píng)估,結(jié)論如下:

(1)開封站、平頂山站ECMWF-P與實(shí)測(cè)-P偏差很小,平均偏差和均方根誤差都在1 hpa以內(nèi), ECMWF-T與實(shí)測(cè)-T偏差很小平均偏差和均方根誤差都在5 K左右。

(2)利用ECMWF-T、ECPWF-P估計(jì)的開封站、平頂山站ECMWF-PWV與實(shí)測(cè)-PWV平均偏差和均方根誤差都在0.5 mm左右,最大偏差為1.8 mm。

(3)鄭州站、南陽站的ECMWF-PWV與Radio-PWV相比,鄭州站的精度相對(duì)較高平均偏差和均方根誤差都在1 mm以內(nèi),最大偏差為2.3 mm。南陽站精度相對(duì)較低,平均偏差為1.62 mm,均方根誤差為2.02 mm,最大偏差為4.3 mm,可能是由于GPS站與南陽無線電探空站的距離過遠(yuǎn),但這兩站PWV的精度完全能達(dá)到使用要求。

(4)建立的溫度改正模型對(duì)開封站、平頂山站的溫度改正較好,能提高50%左右的精度。