亚洲地区ECMWF／NCEP资料计算ZTD的精度分析

陈钦明，宋淑丽，朱文耀

1 中国科学院上海天文台，上海 200030

2 中国科学院研究生院，北京 100049

3 西南科技大学，四川绵阳 621010

亚洲地区ECMWF／NCEP资料计算ZTD的精度分析

陈钦明1，2，3，宋淑丽1，朱文耀1

1 中国科学院上海天文台，上海 200030

2 中国科学院研究生院，北京 100049

3 西南科技大学，四川绵阳 621010

对流层延迟是卫星导航定位的主要误差源，气象观测的数值预报资料可用来计算对流层延迟改正量.本文通过分布于亚洲地区的49个GPS台站一年的实测ZTD资料，对利用欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）分析资料、美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料和NCEP预报资料，计算对流层天顶延迟（ZTD）改正的有效性和可能达到的精度进行了评估，分析了ECMWF和NCEP在亚洲地区的适用程度和其分辨率对计算ZTD精度的影响.研究结果表明：（1）相对于GPS实测ZTD，用ECMWF资料计算ZTD的bias和rms分别为－1.0cm和2.7cm，优于NCEP再分析资料，可用于高精度ZTD研究和应用；NCEP预报数据计算ZTD的bias和rms分别为2.4cm和6.8cm，足以满足广大GNSS实时导航定位用户对流层延迟改正的需要.（2）bias和rms呈现明显的季节性变化，总体上夏季大，冬季小；在空间分布上随着纬度的变化不明显，但随高度的增加rms总体上有递减趋势.另外还发现，亚洲东部地区夏季日平均bias和rms和南部热带地区冬季的日平均bias和rms变化相对较大.（3）ECMWF2.5°和0.5°的资料进行了对比分析，发现0.5°分辨率资料的rms比2.5°减小1～5mm.这些结果，为在亚洲地区的空间大地测量、导航定位和INSAR等工作中，应用ECMWF／NCEP的资料进行对流层大气延迟改正的有效性和可能达到的精度提供了重要参考.

全球定位系统（GPS），对流层天顶延迟（ZTD），ECMWF，NCEP

1 引 言

在全球导航卫星系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）中，对流层对无线电信号的延迟从天顶方向到地平方向，延迟量约为2m到20m，是一个必须考虑的误差源.GNSS观测中信号路径的大气延迟量，通常是由接收机的对流层天顶延迟（ZTD，Zenith Tropospheric Delay）通过映射函数投影得到.因此，在卫星导航定位中，特别是准实时定位中如何简单获取一定精度的ZTD，是当前卫星导航定位重要研究内容之一，利用气象观测的数值预报资料是计算ZTD的一种有效手段［1－5］.目前国际上已有多种数值预报资料可供使用，如欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF，the European Center for Medium－Range Weather Forecasts）提供了分析资料，美国国家环境预报中心（NCEP，the United States National Centers for Environmental Prediction）的再分析资料和预报资料等［6］.北美和欧盟已将ECMWF／NCEP数据用于导航定位中对流层延迟改正的研究，建立了一些用于北美和欧盟地区的对流层延迟改正模型［7－8］.但在亚洲地区这个方面研究较少，迫切需要开展相关研究.为充分认识ECMWF／NCEP数据资料在亚洲地区的适用程度，本文通过分布于亚洲地区的49个基准站2004全年的实测ZTD资料，对利用ECMWF／NCEP事后资料和NCEP预报资料计算ZTD的有效性和可能达到的精度进行了研究和评估.同时分析了ECMWF和NCEP在亚洲地区的适用程度和其分辨率对计算ZTD精度的影响.结果表明，相对于GPS实测ZTD，用ECMWF资料计算ZTD的精度稍优于NCEP再分析资料，可用于高精度ZTD研究和应用；NCEP预报数据计算ZTD的精度也能满足广大GNSS实时导航定位用户对流层延迟改正的需要.这些研究结果为建立亚洲地区导航定位中精度较高、实用性较强的对流层延迟改正模型提供重要参考.

2 数据介绍

本文的研究主要用了2004年全年的ECMWF分析资料，NCEP再分析资料和预报数据，以及亚洲地区GPS基准站的实测数据.

（1）ECMWF分析资料

时间分辨率为6h，平面分辨率为0.5°×0.5°，分层数据的垂向分辨率为60层，顶层高度约为65km.分层数据用到的气象参数为：气压、温度、比湿和每层的高度；地面数据有气压、2m露点温度.

（2）NCEP再分析资料和预报数据

时间分辨率为6h，平面分辨率为2.5°×2.5°，分层数据垂向分辨率为17层，顶层高度约为34km.分层数据有气压、温度、比湿和位势高度，其中比湿有8层.地面数据有地面温度、气压、相对湿度和地面位势高度.NCEP预报数据为相同平面分辨率的地面气象参数，时间分辨率为12h，包括平均海平面气压、地面2m露点温度和地面位势高度.

（3）亚洲地区GPS基准站的实测数据

包括中国地壳运动监测网络（CMONOC，the Crustal Movement Observation Network of China）的28个GPS基准站和亚洲地区的21个IGS站的观测数据解算出来的ZTD时间序列，分辨率为2h；当前GPS事后实测的ZTD的精度可与高精度的水汽辐射计（WVR）的结果相比，CMONOC的GPS基准站解算ZTD的精度约为1～1.5cm，IGS站解算ZTD的精度可优于厘米，详见文献［9－11］.

本文研究的范围是10°N—60°N，70°E—145°E.GPS站位置分布情况如图1所示.

图1 亚洲地区的GPS站的分布Fig.1 The distribution of the GPS sites over Asian area

3 计算方法

由于ECMWF、NCEP的格网点与GPS台站位置不在一起，为了将ECMWF、NCEP资料计算的ZTD和GPS站实测ZTD进行对比，先计算各个格网点的ZTD，然后再用格网点ZTD计算GPS站点位置的ZTD，最后进行比较分析.本文简叙如下（详见文献［12］）：

（1）格网点ZTD计算方法

对分层资料采用积分方法计算ZTD，对地面资料采用Saastamoinen模型［13］计算，计算出的ZTD为最底层（分层资料）或地面（地面资料）上格网点的ZTD.

（2）从格网点ZTD计算GPS站位置ZTD

对格网点与GPS站间水平位置偏差的处理，可采用最近格网点法和加权插值法两种方法.文献［9］已对这两种方法做了比较，结果表明相差不大.本文采用了最近格网点法来处理，即采用最近格网点的ZTD来代替GPS台站与最近格网点同高度位置上的ZTD.然后根据文献［12］得到的高程改正系数，将此ZTD通过高程改正，计算出GPS台站位置的ZTD.

4 亚洲地区ECMWF／NCEP资料计算ZTD的精度评估

以亚洲地区GPS台站实测ZTD时间序列为标准，与ECMWF／NCEP资料计算出来的GPS台站位置的ZTD进行比较，求其残差，统计bias和rms，然后对其时空分布特性进行分析.

4.1 bias和rms在时间上的分布特点

4.1.1 年均bias和rms

把用ECMWF／NCEP资料计算的ZTD相对于GPS台站2004年实测ZTD的年均bias和rms进行统计，如表1所示，int表示积分法，saas是Saastamoinen模型方法的缩写（后面如果没有特别说明，都按这一缩写进行描述），表中距离和高差栏是GPS台站相对于ECMWF／NECP资料最近格网点的水平距离和高差的统计.

从表1可以看出：

（1）对同一资料（如单独分析ECMWF或NCEP），分层资料用积分法和地面资料用Saastamoinen模型方法计算的ZTD和GPS实测ZTD相比，积分法计算的rms明显优于模型计算的rms：如对ECMWF，用积分法计算的年平均bias和rms分别为－1.0cm和2.7cm，用Saastamoinen模型计算的ZTD的bias和rms分别为－0.1cm和3.8cm；对NCEP，用积分法为－1.0cm和3.3cm，Saastamoinen模型计算的为2.2cm和5.1cm.这说明积分法计算的ZTD和GPS实测ZTD吻合度较好，精度较高.

表1 GPS各站年均bias和rms的平均值、最小值和最大值Table 1 The mean，minimum and maximum values for the yearly bias and rms of GPS sites

（2）从ECMWF和NCEP的比较来看，无论是用积分法还是用Saastamoinen模型法，ECMWF计算的bias和rms（主要是rms）均优于NCEP.这在一定程度上反映了ECMWF的资料更符合亚洲地区的实际情况.

4.1.2 月平均bias和rms

为分析bias和rms在季节上的变化特点，把49个GPS台站的bias和rms按月进行统计，然后进行绘图和分析，如图2所示.

图2说明：

（1）bias和rms有明显的季节效应.rms夏季月份的值明显增加，冬季月份的值相对较小.bias也有类似的季节性变化，但NCEP预报资料的bias在秋季和冬季增加明显.

（2）ECWMF／NCEP用积分法计算的bias和rms月变化相对比较平缓，也存在一定的系统偏差，在后续的工作中将对其进一步研究.

另外还可以从图2分析出与4.1.1节一致的结论.4.1.3 日平均bias和rms

为了分析bias和rms每天的变化情况，将各个站的残差值按日进行统计和分析，图3和4给出了亚洲地区西部（POL2站）、北部（IRKT站）、南部（YONG站）和东部（MIZU站）各个代表站用ECMWF分层资料积分法计算ZTD的日平均bias和rms.

图3和图4说明，西部POL2站、北部IRKT站和东部MIZU站有明显的季节性变化，夏日bias和rms变化较大，且东部的MIZU站受海洋气候影响，bias和rms在夏日的变化幅度相对较大，南部的YONG站，受热带气候和海洋气候的综合影响，冬季变化相对较大.

4.2 年均bias和rms在空间上的分布特点

4.2.1 年均bias和rms在纬度上的分布特点

图2 GPS各站每月平均bias和rms变化情况Fig.2 The variation for the monthly bias and rms of GPS sites

亚洲地区广泛分布有陆地和海洋，地形地貌复杂，气候多变，ZTD的变化存在多样性.为了分析bias和rms空间上的分布情况，把GPS台站按照纬度递增方式排序，然后分析ECMWF／NCEP分层资料用积分法计算的ZTD相对于GPS实测ZTD的年均bias和rms在纬度上的分布特点，如表2所示.

为了直观分析年均bias和rms的分布情况，对表2进行绘图分析，如图5所示，横坐标为GPS台站（按纬度递增排序），纵坐标为年均bias和rms.图中为ECMWF／NCEP分层资料用积分法计算的ZTD相对于GPS实测ZTD的年均bias和rms分布线划图.

从表2和图5可以看出：ECMWF分层资料用积分法计算的ZTD相对于GPS实测ZTD的bias变化幅度总体上小于NCEP分层资料，但是二者仍然存在系统偏差（bias都平均约为－1cm），此问题需要进一步研究.从rms上看，两者的变化幅度基本上都在6cm以内（前者平均约为2.7cm，后者平均约为3.3cm），大部分站上ECMWF资料rms小于NCEP资料.但从总体上看bias和rms随纬度的变化趋势不是很明显.

4.2.2 年均bias和rms在高度上的分布特点

亚洲地区地形起伏较大，ZTD的分布与高度有密切的关系，因此其变化也比较复杂.为了分析年均bias和rms在高度上的分布特点，本文按照0～500m，500～1000m，1000～1500m，1500～2000m，和＞2000m的高度范围对亚洲地区各个GPS台站的年均bias和rms进行了统计分析，如图6所示，横坐标为高度范围.

表2 年均bias和rms随纬度变化统计表（GPS台站按纬度递增排序）Table 2 The variation of the yearly bias and rms with latitude（GPS sites sorted by latitude increasing）

从图6可以看出rms随GPS站高度的增加总体都有递减的趋势，且分层资料用积分法算出来的rms递减趋势要小些，但是bias随高度的变化趋势不明显.

4.3 分辨率的影响

为了分析分辨率对ECMWF资料精度的影响，把其2.5°和0.5°分辨率的资料用积分法和Saastamoinen模型法分别计算ZTD，然后与GPS实测ZTD进行对比分析，结果如表3所示，表中距离和高差栏为GPS台站分别和ECMWF资料两种分辨率的最近格网点的水平距离和高差统计情况.

从表3可以看出，当把分辨率从2.5°提高到0.5°后，GPS台站和最近格网点距离平均能减小50%以上，但平均高差相差不大（分别为－170m和－173m）.平均bias变化不大，rms有1～5mm的减小，说明亚洲地区水汽空间分布小于2.5°.

5 结 论

本文以亚洲地区49个GPS基准站2004全年实测的ZTD为基准，分析评估了在亚洲地区利用ECMWF／NCEP分析、再分析和预报资料生成ZTD的精度情况，统计并分析了bias和rms的时空分布特点，对其应用于亚洲地区对流层天顶延迟改正的有效性和可能达到的精度进行了研究和评估.结论如下：

表3 ECMWF 2.5°和0.5°分辨率资料的平均bias和rms统计Table 3 The mean bias and rms for ECMWF data with the resolution of 2.5°and 0.5°

（1）从ECMWF和NCEP的比较来看，在ECMWF／NCEP为同一分辨率（2.5°）情况下，无论是用积分法还是用Saastamoinen模型法，ECMWF计算的bias和rms（主要是rms）优于NCEP.这在一定程度上反映了ECMWF的资料更符合亚洲地区的实际情况.利用ECMWF分析资料计算的年均bias和rms分别为－1.0cm和2.7cm，已达到相当高的精度，可用于高精度ZTD研究和应用；NCEP预报资料计算ZTD的年均bias和rms分别为2.4cm和6.8 cm，足以满足广大GNSS实时导航定位用户对流层延迟改正的需要.

（2）利用ECMWF／NCEP资料计算ZTD，可采用积分法和Saastamoinen模型计算两种方法.由于积分法计算的是分层大气资料，其bias和rms明显优于Saastamoinen模型法.

（3）年均bias和rms随着纬度的变化趋势不明显，但随着GPS站高度的增加rms总体上有递减趋势.

（4）分析了bias和rms的季节性变化特征，发现它们的月平均和日平均值均呈现明显的季节性变化，总体上夏季大，冬季小.亚洲东部地区受海洋气候影响，夏季日平均bias和rms变化幅度较大，而在南部热带地区，受热带气候和海洋气候综合影响，冬季的日平均bias和rms变化相对较大.

（5）把ECMWF 2.5°和0.5°资料进行对比分析，发现0.5°资料的rms有1～5mm的减小，bias变化不大，说明亚洲地区水汽的空间分布小于2.5°.致 谢 感谢匿名审稿人提出的建议和意见.感谢ECMWF，NCEP／NOAA／NCAR，CMONOC和IGS提供相关的数据资料.

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An analysis of the accuracy of zenith tropospheric delay calculated from ECMWF／NCEP data over Asian area

CHEN Qin－Ming1，2，3，SONG Shu－Li1，ZHU Wen－Yao1
1 Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China
2 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China
3 Southwest University of Science and Technology，Sichuan Mianyang621010，China

The tropospheric delay is an important error source for the satellite navigation and positioning，and the numerical forecast data derived from meteorological instruments can be used to calculate the tropospheric delay.In this study，the zenith tropospheric delay（ZTD）observedfrom 49Global Positioning System（GPS）sites distributed in Asian area is used to assess the effectiveness and accuracy of ZTD calculated with the data from the European Center for Medium－Range Weather Forecasts（ECMWF）and the United States National Centers for Environmental Prediction（NCEP）.The practicability of ECMWF／NCEP data in Asian area and the relation between the resolution and the accuracy for the ECMWF data are also studied.The results are：（1）relative to GPS observed ZTD（GPS ZTD），the bias and rms for the ECMWF data are－1.0 cm and 2.7cm respectively，which are better than that for the NCEP data and can be used for ZTD study and application with high accuracy；the bias and rms for the NCEP forecast data are 2.4cm and 6.8cm，which are sufficient for the tropospheric delay correction in the real－time GNSS navigation and positioning.（2）The bias and rms show a seasonal variation，which generally show larger values in summer months and smaller values in winter months；however，the relation between the bias and rms and the latitude is not obvious，but the rms decreases with increasing altitude.In addition，the daily bias and rms at eastern Asian area in summer and at southern in winter have a relatively larger variation.（3）The resolutions of 2.5degree and 0.5 degree ECMWF data are compared；the rms for the latter is decreased by 1～5mm than the former.These results provide a reference for the effectiveness and accuracy of the ECMWF／NCEP data used for calculating the tropospheric delay in the space geodesy，navigation and positioning，and INSAR，etc.

GPS，ZTD，ECMWF，NCEP

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.011

P228

2011－07－11，2012－04－23收修定稿

国家自然科学青年基金项目（10603011）、国家高技术研究发展计划863项目（2009AA12Z307）、2009中国科学院上海天文台知识创新工程青年

（20090304）、测绘遥感信息工程国家重点实验室资助项目（10P02）和中国卫星导航学术年会青优资助课题（CSNC2011－QY－2）资助.

陈钦明，男，1979年生，博士研究生，主要从事空间大地测量和GNSS气象学等方面研究.E－mail：qmchen＠shao.ac.cn

陈钦明，宋淑丽，朱文耀.亚洲地区ECMWF／NCEP资料计算ZTD的精度分析.地球物理学报，2012，55（5）：1541－1548，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.011.

Chen Q M，Song S L，Zhu W Y.An analysis of the accuracy of zenith tropospheric delay calculated from ECMWF／NCEP data over Asian area.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1541－1548，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.011.

（本文编辑 何 燕）