基于CORS系统反演大气水汽含量

[摘 要 ]论述了利用CORS系统观测数据反演大气水汽含量的基本原理和方法,分析其反演大气降雨过程.利用区域CORS站及国内IGS站的观测数据进行解算,反演出的大气水汽含量.

[关键词]天顶对流层延迟 加权平均温度 大气水汽含量

[中图分类号] P49 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-1-126-1

0引言

随着连续运行参考站在全国各个地区的建立,为各个地区提供了稳定的GPS气象观测数据源,GPS技术在气象学中的研究和应用有了更大的突破.目前把GPS技术应用到天气预报和气侯监测中已经进展到了实际应用阶段.与水汽辐射计及探空等传统的气象观测技术相比,GPS技术在气象预报和监测中有着分辨率高,易维护等优势.本文基于探空资料建立了广西区域静力学延迟模型和加权平均温度模型,且对其进行了比较,得出区域模型的可用性.利用区域CORS站,从中选取了3个基准站不同年积日的观测数据,结合国内3个IGS参考站的观测数据进行了解算与分析得出天顶方向对流层延迟量,通过模型反演出水汽含量,与探空水汽含量进行比较得出其精度可靠.

1GPS反演理论基础及其反演流程

GPS反演大气水汽含量,其理论依据是GPS接收机在接受卫星信号时,由于中性大气层的作用,使得信号发生延迟如式1,

式中 为对流层延迟量； C△t为GPS信号在对流层中的真实传播路径；n为大气折射系数,其值与大气气温T、压强P及湿度e等因数有关,因此要求解信号传播路径上各处的大气折射系数n,实际上就是要求得各处的气象元素.

常规的利用GPS观测值估计天顶对流层延迟的方法有双差法和非差精密单点定位法[1][2],其解算精度都较高.在GPS反演水汽含量的过程中,湿延迟量求解的精度直接关系到反演水汽的精度,而湿延迟量由于随地理纬度、季节及大气状况等因素变化而变化,所以很难用模型来反应和解算.因此只有通过求解干延迟量来反推出湿延迟量如式2.

式中,△LZW为湿延迟量,△LZtotal为天顶总延迟量, △LZd为干延迟量.天顶方向静力学延迟量（干延迟量）的求解,在很多文献中已得到验证和使用,这其中包括了经验模型和区域模型,实验证明如果气压测量精确,静力学天顶延迟可预测到亚毫米级,湿天顶延迟能精确到厘米级,其在中纬度表现优于低纬度,而且不依赖于气象资料的模型有着很高的精确度[1],所以建立区域干延迟模型是很有必要的.

2实验及精度分析

2.1数据解算

本文基于广西连续运行参考站,分别选取了JZ01、JZ03、JZ05三个基准站不同年积日的观测数据,通过GAMIT软件对其进行处理,在处理之前需要对一些重要的文件和参数进行设置,其设置参见文献[4],本文中为了使得采样分辨率更高,对天顶延迟参数估计设置间隔为一个小时.

2.2解算策略

在对天顶延迟进行处理时由于各个基准站间的距离较短,站与站之间具有一定的相关性,使所解算的延迟量独立性降低,这很容易导致解算结果存在系统性的误差,所以需要引入IGS站,使最后解得的延迟量为独立解.本文引入了北京房山（BJFS）、上海（SHAO）、武汉（WUHN）三个IGS站一起进行解算.根据探空资料对广西南宁区的一个基准站的可降水量进行分析,分别选取了年积日为2010-112、2010-150两天,其经过解算反演得出结果如右图：

图中虚线部分是无线电探空数据所得PWV,中间黑线部分是区域模型反演得出的PWV,其余两条线分别为SA、H模型反演得出的可降水量.通过与探空PWV相比得出反演精度如表1.

从图1可以看出三种模型反演出的可降水量其变化趋势具有一致性,说明了区域模型反演大气水汽含量的可靠性.

3结论

本文基于GPS气象学理论知识,对其反演大气水汽含量的关键技术进行了分析研究,通过对广西CORS站数据进行处理,提出了解算策略,为了提高解算天顶对流层延迟量的精度,数据解算时需要设置卫星截止高度角为15度,且为了使得采样分辨率更高,对天顶延迟参数估计设置间隔为一个小时.通过反演得出的大气水汽含量随时间的变化呈现一致性,且与无限性探空PWV数据具有强相关性,进一步证明了该区域模型的可靠性和可用性.