基于广州CORS的大气水汽含量遥感

罗峰

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

基于广州CORS的大气水汽含量遥感

罗峰∗

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

首先介绍了GPS气象学原理以及计算对流层延迟量的方法，给出了对流层湿分量时延ZWD(Zenith Wet Delay)与可降水分PWV(Perceptible Water Vapor)的关系，最后利用广州CORS系统各个基准站的观测数据计算大气水汽含量，验证了广州CORS系统应用于大气水汽含量遥感的可行性。

CORS；对流层；GPS气象；PWV

1 引 言

对大气中水汽的研究已经成为现代气象学的重要组成部分。近几年兴起的GPS气象学正是这一研究的纵深发展。根据GPS接收机的位置，GPS遥感大气水汽含量分为地基和空基两种技术。空基GPS遥感技术需要将GPS接收机置于低轨卫星平台，耗资大而难以实现，且目前可供研究的数据少。地基GPS技术的数据获取方法简单，可供研究的数据多，是当前研究的重点。GZCORS作为一个城市级别的CORS系统，在广州全市域建立了8个永久GPS基准站，基准站数据通过光纤连接方式传输数据到数据中心。通过对8个GPS基准站静态数据的处理可以计算广州地区大气中水汽的含量情况。

2 GPS气象学原理

当GPS发出的信号穿过大气层中的对流层时，会受到对流层大气的折射影响，信号要发生弯曲和延迟，其中信号的弯曲量很小，而信号的延迟量却很大，通常在2.3 m左右。在GPS精密定位测量中，大气折射的影响被当作主要误差源而要设法消除掉，这种情况下了解大气特征是为了订正大气对精密定位的影响，这就是GPS定位中将大气影响作为数据误差源“噪声”需要去除的所谓正问题。因此，GPS气象学在大地测量学和气象学中是一对正逆问题。由于GPS伪距观测值中含有较大的噪声，因此，可降水分的估计只能应用相位观测值。假设接收机i于历元t接收到卫星j的相位观测值为:

3 对流层延迟量与GPS湿分量时延的关系

对流层延迟量的大小是由GPS信号穿过对流层时沿经路径上的大气折射率来决定的。在处理对流层大气折射时一般将空气分为两部分，一部分是干空气，另一部分是湿空气，一般假定对流层在测站上各个方位对称，则任意方向的对流层时延迟量可由天顶方向的时延表示:

式中，Dz为天顶方向的干分量时延；Wt为天顶方向的湿分量时延，fw和fz为对应的投影函数，投影函数有:Marini(1972)、Chao(1972)、Davis(1985)、Niell (1996)等模型。它们与高度角有关。

在解算得到对流层延迟量dtrop之后，可以利用对流层天顶折射经验模型(Saastamoinen、Hopfield和Black等模型)计算天顶干分量延迟Dz，通过CORS基站的已知坐标和精密星历计算出每个历元的卫星高度角，从而得到湿延迟分量Wt。

4 GPS湿分量时延与可降水分的关系

空间大地测量中，习惯用湿分量时延ZWD表征对流层中水汽对GPS信号的影响，GPS湿分量时延的大小反映了大气中水汽含量的多少。大气科学中，常用可降水分PWV表征大气水汽含量，可降水分定义为单位面积上空的所有水汽凝结成液态水时的等效水柱高度。湿分量时延与可降水分的转换关系可表示为:

式中，ZWD为天顶方向的湿分量时延(因为可降水分是天顶方向的)；PWV为可降水量，K为ZWD到PWV的转换因子；ρ＝103kg/m3为液态水密度；Rw＝461.495为水汽的气体常数；K2和K3是大气物理参数，它们的经验值分别为22.13(中误差为±2.20)和3.739×105(中误差为±0.012×105)；Tm是大气加权平均温度，它是测站上空水汽压和绝对温度沿天顶方向的积分值，其定义为:

目前常用的估算方法主要有两种，一种是数值积分法，该方法需要测定不同高度处的水汽压和气温，可操作性比较差；另外一种方法是回归分析法，众所周知，气温会随着高程的增加而以某一变化率而减小，直至对流层顶为止。它与地面测站的气温Ts、对流层中的温度廓线和水汽的垂直分布状况有关，毛节泰等利用我国东部地区(东经100°～130°，北纬20°～50°)1992年各气象台站的探空资料，建立了中国东部地区全年回归方程:

用上式所求得的Tm的标准差为±1.06K。由于广州CORS系统的8个基站中有5个站在广州各区的气象站场中建设的，并且每个基准站附近都设有气象仪，可以得到各个站点的地面气温值，因此可以利用回归分析法来直接计算得到大气加权平均温度。

5 广州CORS数据分析

(1)数据准备

试验选用了广州CORS系统的8个基准站的数据，其中5个站是在气象站场建立，例如吕田站建立在从化吕田气象局，基站附近安装了精密的气象仪器，可以获得准确的气象数据。GPS观测数据为2009年12月10日的数据。GPS卫星星历为IGS精密星历，另外选用了其中5个站的气象观测资料。

(2)GAMIT软件介绍

对流层延迟计算选用了高精密的GPS处理软件GAMIT，GAMIT是美国麻省理工学院(MIT)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)联合研制的高精度GPS处理软件。主要由ARC(轨道积分模块)、MODEL(组成观测方程)、SINCIN(单差自动修复周跳)、DBCIN(双差自动修复周跳)、CVIEW(人工交互式修复周跳)、SOIVE(最小二乘解算模块)、DFMRG(数据融合模块)、FXDRV(生成批处理文件)、GLOBK(运用卡尔曼滤波进行网平差)等几个模块构成。它不但精度高而且开放源代码，因此，在国内得到了广泛的应用。通过GAMIT可以解算卫星轨道、测站坐标、钟差、大气延迟、整周模糊度等。

(3)数据处理

在计算之前需要进行数据的准备，首先需要组织和存放好GPS原始观测数据，更重要的是还要配置好各项参数表文件，包括观测文件(O文件)、导航文件(N文件)、星历文件(sp3文件)、测段信息控制文件(Settbl)、测站信息控制文件(sittbl.)、Tables目录文件等，而且解算结果的精度还依赖于这些表文件里的参数配置。

测段信息控制文件 表1

然后进行数据处理，经过以下批处理步骤:

MAKEXP:数据准备部分的驱动程序。

MAKEJ:生成卫星钟差文件。

MAKEX:将原始观测数据的格式(RINEX)转换成GAMIT所需的文件。

BCTOT(NGSTOT):将星历格式(RINEX、SP3、SP1)转换成GAMIT所需的文件。

FIXDRV:数据处理部分的驱动程序。

ARC:轨道积分模块。

MODEL:求偏导数，生成观测方程。

SINCLN、DBLCLN、AUTCLN、CVIEW:周跳修复模块。

CFMRG:为SOLVE模块创建一个文件(M)，定义和选择有关参数。

SOLVE:利用最小二乘解算模块。

辅助模块:CTOX、XTORX、TFORM等。

通过GAMIT软件解算结果生成的Q文件中有对结算精度和可靠性进行评估的指标，其中均方根残差是衡量单天解质量的重要指标之一，通常比较理想的值应小于0.3，如果大于0.5，就意味着处理过程中未除去大的周跳或某一参数的解算存在很大偏差，或者解算模型设定有误。具体原因可进一步在autcln.sum中查找，也可利用CV IEW模块进行更详细的分析处理。本文中测段的单天基线解在Q文件中的nrms值为0.312，表明基线解算满足要求。

在GAMIT软件对数据进行批处理完成后执行sh＿metutil命令生成met文件，具体命令如下:

sh＿metutil－f ometca.314－m lvti3140.06m–i 60

其中－f后面是GAMIT软件解算生产的O文件(如ometca.314)，－m后面的文件为五山站的气象文件，－i文件后面是大气延迟估计间隔，单位为秒。

可提取出吕田站的大气延迟数据，如图1为对流层干分量延迟量，图2为对流层湿分离延迟量。

图1 对流层干分量延迟量

图2 对流层湿分离延迟量

可以看出干分量的延迟量在15 mm的区间变化，其变化幅度不大。而湿分离的延迟在40 mm区间变化，相对来说变化幅度比干分量大。而且从两图可以看出干湿分量曲线的变化规律并无明显相关，这表明干湿空气对GPS信号的时延是两个独立的过程。

根据以上所述的原理，和由GAMIT软件估计得到的湿分离延迟量和基站附近的气象数据可以计算出基站天顶上大气水汽的含量。另外GAMIT软件同时也可以提取出基站的PWV值，两种估计值变化曲线如图3所示。

但通过二者的比较在某些程度上揭示了两种估计方法的水汽变化趋势、幅度有较好的一致性。图示期间，最大的可降水分为26 mm，最小的可降水分为21 mm，平均值为23.7 mm。试验表明在当前的观测条件下，认为基于广州CORS的地基GPS技术可以作为一项有效手段，从时间和空间上加密现有的高空探测站分布，用于区域水汽含量的遥感。

图3 不同模型估计水汽含量比较

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Remote Sensing the Water Vapor Content in Atmospheric Based on Guangzhou CORS

Luo Feng
(Guangzhou Urban Planning＆Design Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China)

This article first introduced the basic principles of GPS meteorology，and gives the calculation method of Tropospheric Delay；and finally gives the relationship Tropospheric humidity component delay ZWD(Zenith Wet Delay) with precipitation PWV(Perceptible Water Vapor)，and the end using Guangzhou CORS System Reference Station observation data computation of atmospheric water vapor content.proved feasibility of the application of remote sensing water vapor content.in atmospheric based on Guangzhou CORS.

CORS；troposphere；GPS meteorology；PWV

1672－8262(2010)06－87－03

P228

A

2010—06—04

罗峰(1984—)，男，助理工程师，所从事的工作:主要从事GPS数据处理等工作。