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利用單GPS站獲取空間水汽分布特征

2014-08-15 06:34:54張鵬飛張雙成楊曉春王建鵬
測繪通報 2014年1期
關鍵詞:天頂測站水汽

張鵬飛,張雙成,楊曉春,王建鵬

(1. 中國科學院 國家授時中心,陜西 西安 710600; 2. 長安大學 地質工程與測繪學院, 陜西 西安 710054; 3. 西安市氣象局,陜西 西安 710016)

一、引 言

水汽是地球大氣中活躍多變的成分,水汽的運動影響天氣的變化,但是目前傳統(tǒng)的水汽探測方法不足,尤其是在短時期、強對流天氣中尤為明顯。地基GPS反演水汽以其成本低、時空分辨率高、精度高等優(yōu)點被廣泛采用。隨著地基GPS遙感水汽空間三維分布研究的不斷深入,國外學者對其作了深入研究。Bevis等最先提出了地基GPS探測水汽含量的原理[1];1993年Rocken等提出了相對PWV計算的方法,并且提出了引入遠距離GPS站以省去網(wǎng)內(nèi)水汽輻射計的思想[2]。在國內(nèi),1993年毛節(jié)泰首先對GPS氣象作了深入研究[3];2004年宋淑麗使用無電離層影響的GPS非差觀測組合直接計算SWV[4];2006年毛輝等利用GPS傾斜路徑信號構筑了水汽的時空分布圖[5];畢研盟等利用雙差處理法并結合濕梯度、殘差遙感斜路徑方向大氣總量,并用微波輻射計的數(shù)據(jù)作了驗證[6]。

上述學者的深入研究無疑驗證了地基GPS反演斜路徑水汽的可行性。本文主要針對無法組網(wǎng)的GPS單站利用絕對VSWV和相對VSWV反映測站周圍一定區(qū)域的水汽時空特點的可行性作了驗證,并對單站GPS所能覆蓋的范圍作了初步分析。

二、利用單GPS站獲取水汽空間分布的基本原理

目前在高精度GPS斜路徑SWV獲取過程中,常采用非差精密單點定位PPP和雙差相對定位兩種模式。相比之下,PPP定位方法具有估計模型簡單、站間不相關、無需引入遠距離測站等優(yōu)點,并且能夠直接求解大氣延遲各向異性參數(shù)。本文采用高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件包Bernese的精密單點定位模塊,設Bernese軟件估計的天頂總延遲為ZTD,采用GPS觀測站氣象元素和干延遲分量模型計算得到ZHD,最后在從天頂總延遲ZWD中扣除ZHD就得到天頂濕延遲分量ZWD,同時考慮了由于大氣不均勻及可變性和各種未消除的誤差引起的殘差R,以及大氣方位不對稱性引起的梯度Δnρ和Δeρ。地基GPS遙感大氣天頂方向水汽總量主要是通過天頂方向的GPS信號的濕延遲ZWD來確定的,即

PWV=Π×ZWD

(1)

式中,無量綱的Π是水汽轉換系數(shù),可以由加權平均氣溫得到,約為0.15,主要受測站上空水汽壓和絕對氣溫的影響。

綜上所述,計算SWV的公式如下

SWV=mwet×PWV+Π×(f(e)×(ΔnρcosA+

ΔeρsinA)+R)

(2)

式中,mwet為斜路徑映射函數(shù);f(e)為梯度映射函數(shù);e為衛(wèi)星高度角;A為衛(wèi)星方位角;Δnρ為南北方向的梯度參數(shù);Δeρ為東西方向的梯度參數(shù)。

如上文所述,SWV為衛(wèi)星信號方向上的水汽含量,考慮到衛(wèi)星的空間位置分布的廣泛性,SWV就能反映測站周圍上空的水汽分布。鑒于衛(wèi)星在同一時刻高度角不同,利用濕映射函數(shù)把SWV映射投影到天頂方向,得到絕對VSWV,計算公式如下

(3)

天頂方向水汽總量PWV實質上是絕對VSWV的時空平均,因此就可以得到相對VSWV,計算公式如下

相對VSWV=絕對VSWV-PWV

(4)

絕對USWV和PWV、SWV關系如圖1所示。

圖1 絕對VSWV和PWV、SWV關系示意圖

三、反演香港暴雨過程中GPS斜路徑水汽總量

2010年7月22日香港地區(qū)受臺風“燦都”外圍雨帶影響,香港天文臺于下午4時35分(UTC8時35分)發(fā)出黃色暴雨警告,于5時20分(UTC9時20分)發(fā)出紅色暴雨警告,再于5時30分(UTC9時30分)發(fā)出黑色暴雨警告。受暴雨影響,港島、九龍、新界多處水浸,以新界北部較嚴重,由于水浸關系,全港許多地區(qū)交通嚴重擠塞。

為了揭示單站GPS在探測水汽的時空分布特征,本文算例采用這次暴雨過程中香港CORS網(wǎng)HKPC和HKSC測站予以對比驗證,兩站相距大約為10 km,主要分析在暴雨過程中測站HKSC的絕對VSWV和相對VSWV的時空分布及變化,如圖2、圖3所示。同時,為了分析同一顆衛(wèi)星在距離10 km不同的測站HKSC與HKPC上的水汽變化,對當天處于不同方位的PRN09和PRN17兩顆衛(wèi)星予以分析,如圖4、圖5所示,橫軸為時間(UTC),縱軸為絕對VSWV,單位為毫米(mm)。

圖2 測站HKSC絕對VSWV時空分布圖

圖3 測站HKSC絕對VSWV時空分布圖

由圖2~圖5可以得出以下結論:

1) 圖2顯示測站上空各個方向上的絕對VSWV是不均勻的,在UTC8時左右,多個方位處均形成了水汽分布中心,與氣象臺發(fā)布預警的時間比較吻合,并且在方位角90°—120°方位處空氣中水汽含量最大,UTC12時后水汽量逐漸減少,水汽分布中心逐漸消失。

圖4 PRN09在兩個測站的絕對VSWV圖

圖5 PRN17在兩個測站的絕對VSWV圖

2) 圖3表明測站上空相對VSWV也能很好地反映一天中的水汽分布和變化,并且與暴雨發(fā)生的時間比較吻合,暴雨期間相對VSWV分布中心的不同更能反映水汽方向水汽的運動規(guī)律。

3) 圖4和圖5顯示PRN09與PRN17衛(wèi)星在兩個距離約10 km的測站HKSC與HKPC上絕對VSWV的分布和變化,兩站絕對VSWV隨時間變化的一致性說明空氣中水汽變化的趨勢,水汽量的差異性正好是測站之間的水汽含量變化量,因此一個測站的絕對VSWV可以探測一定區(qū)域的空氣中的水汽量及其變化。

綜上所述,單個測站絕對VSWV和相對VSWV能很好地反映水汽的時空變化。通常情況下,水汽主要集中在大氣高度4 km范圍內(nèi),并且考慮到GPS衛(wèi)星受到影響的條件很多,衛(wèi)星高度角過低,仰角小的衛(wèi)星受到大氣的影響較大,同時衛(wèi)星信號強度弱、信噪比低,容易產(chǎn)生多路徑效應,導致觀測數(shù)據(jù)中低質量的數(shù)據(jù)過多,進而影響數(shù)據(jù)的整體質量。衛(wèi)星高度角過高,使觀測范圍變小,觀測衛(wèi)星數(shù)顯著減小,數(shù)據(jù)量又達不到要求。因此,本文選擇了GPS常用高度截止角15°和30°,嘗試分析了單個GPS站所能覆蓋的范圍,結果顯示單個GPS站約為10 km左右(見表1),這對于布設GPS網(wǎng)具有一定的參考意義。

表1 單GPS站所能覆蓋的范圍

四、結束語

GPS的絕對VSWV和相對VSWV能很好地反映測站周圍一定范圍的水汽時空變化,尤其是對于GPS站個數(shù)不足采用組網(wǎng)的方式層析水汽三維分布而言,絕對VSWV和相對VSWV勢必提供了另一個工具探測大氣的水汽分布及變化。盡管本文的結果與氣象臺預報的時間非常吻合,但是缺少具體的降水量數(shù)據(jù),接下來有待進一步精化,這對于研究降水量與斜路徑的可降水量的關系具有重要意義。

致謝:感謝香港地政總署測繪處提供香港CORS網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

參考文獻:

[1] BEVIS M, BUSINGER S, HERRING T A,et al.GPS Meteorology: Romote Sensing of Atmospheric Water Vapor Using the Global Positioning System [J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,1992,97(D14):15787-15801.

[2] ROCKEN C,HOVE T V,JOHNSON J,et al.GPS/STORM-GPS Sensing of Atmospheric Water Vapor for Meteorology[J].Journal Atmospheric and Ocean Technol,1995,12(3):468-478.

[3] 毛節(jié)泰. GPS的氣象應用[J].氣象科技,1993(4):45-49.

[4] 宋淑麗,朱文耀,程宗頤,等. GPS信號斜路徑方向水汽含量的計算方法[J].天文學報,2004,45(3):338-346.

[5] 毛輝,毛節(jié)泰,畢研盟,等. 遙感GPS傾斜路徑信號構筑水汽時空分布圖[J].中國科學:D輯,2006,36(12):1177-1186.

[6] 畢研盟,毛節(jié)泰,劉曉陽,等. 應用地基GPS遙感傾斜路徑方向大氣水汽總量[J].地球物理學報,2006,49(2):335-342.

[7] 畢研盟,毛節(jié)泰,李成才,等. 利用GPS的傾斜路徑觀測暴雨過程中的水汽空間分布[J].大氣科學,2006,30(6):1169-1176.

[8] BAR-SEVER Y E, KROGER P M, BORJESSON J A. Estimating Horizontal Gradients of Tropospheric Path Delay with a Single GPS Receiver [J].Journal of Geophysical Research,103(B3):5019~5035

[9] 張雙成,劉經(jīng)南,葉世榕,等. 顧及雙差殘差反演GPS信號方向的斜路徑水汽含量[J].武漢大學學報:信息科學版,2009,34(1):100-104.

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