HNGICS反演大气可降水量的应用前景

穆宝胜,刘洪飞

(郑州测绘学校 地形地籍测量教学部,河南 郑州 450015)

HNGICS反演大气可降水量的应用前景

穆宝胜,刘洪飞

(郑州测绘学校 地形地籍测量教学部,河南 郑州 450015)

本文首先介绍了GPS反演大气可降水量的原理方法,并对GPS反演大气可降水量的流程做了重点介绍。然后介绍了河南省地质信息连续采集运行系统,(HNGICS),最后重点介绍了如何利用HNGICS进行大气可降水量的反演及其在各个领域的应用前景。

GPS;反演;大气可降水量;PWV;HNGICS

0 引 言

当GPS发出的信号穿过大气层时,要受到电离层和对流层的折射影响,GPS信号发生弯曲和延迟,其中弯曲量很小,延迟量很大,则与大气参数相关联的折射率也会发生变化。在GPS精密定位测量中,这种大气折射的影响被当作主要的误差源而要尽可能将它的影响消除干净。而在GPS气象学中,与之相反,所要求得的就是大气对GPS卫星信号的折射量,再通过大气折射率与大气折射量之间的函数关系就可以求得大气折射率。大气折射率是气温、气压和水汽压力的函数,通过一定的数学模型关系,则可以求得我们需要的气象信息,如水汽总量。

1 GPS反演大气可降水量的基本原理

1.1 对流层天顶总延迟

众所周知,大气电离层对信号的延迟与传播信号的频率平方成反比。所以在数据的处理过程中可以通过对两个不同频率信号的延迟进行差分来估算电离层延迟。当然,也可以通过两个频率大气延迟方程的线性组合直接消除电离层延迟。

ΔL=10-6×∫LN(s)ds=ΔLd+ΔLw+ΔLe，

(1)

式中: ΔLd为大气的干延迟; ΔLw为大气湿延迟; ΔLe为大气电离层。

ΔL为对流层大气的总延迟,即中性延迟,一般在2.5 m左右; ΔLd为静力延迟,约为2.2 m; ΔLw为湿延迟,一般为十几毫米,数量级为10 mm.ΔLd占ΔL的90%以上,数值较为固定,受天气条件的影响不大。而ΔLw虽然在ZTD中不到10%,但受天气条件的影响很大,其值的变化量可相差数倍。静力延迟与地面气压具有很好的相关性,可以订正到毫米量级,从而得到了毫米量级的湿项延迟。湿项延迟与水汽量可建立严格的正比关系,从而求解出可降水量。

对流层天顶总延迟可以根据GPS基准站连续观测的原始数据通过专门的解算软件解算得到,国际著名的解算软件如表1所示。

表1 解算软件

1.2 天顶静力延迟计算模型

(2)

式中:P0为GPS接收机高度处的气压(hPa)。要注意的是上式中ΔLzh的单位为m.

f(φ,H)=1-0.00266cos2φ-0.00028H，

(3)

式中:φ为GPS测站的地理纬度;H为测站的海拔高度(km)。

1.3 天顶湿延迟计算模型

(4)

式中:Ts为测站地面气温;es为地面水汽压。

在实际的计算中就要测得实时的地面水汽压观测值,这样就会增大地面的气象要素观测误差对湿延迟计算精度的影响,而且研究表明1%的地面相对湿度误差就可能造成1～3 mm的大气湿延迟误差。所以在地基GPS气象学中一般不利用Hopfield天顶湿延迟经验模型来直接出计算天顶湿延迟,而是用天顶总延迟值减去所求的天顶静力延迟来间接计算出天顶湿延迟。

1.4 大气可降水量PWV的计算

可降水量(PWV),表示单位面积上垂直空气柱内水汽总量全部转化成降水量的量,等效于单位面积水柱高度。实际使用时常用的公式为

(5)

(6)

式中:Π称为天顶湿延迟和大气可降水量之间的转换系数,而且转换系数的值随季节和地域的不同而产生变化;ρwater为液态水密度,单位为(103kg·m-3)。由于可降水量PWV常取雨量单位mm,要注意把湿延迟ΔLzw转换为mm单位;Tm为对流层水汽权重的平均温度简称加权平均温度,单位为K.

2 GPS反演大气可降水量的特点

2.1 GPS/PWV与Radio/PWV的差别

1) Radio/PWV

日常探空观测时,携带仪器的气球从地面升到20 km高空的整个观测过程约70 min,而且气球在上升过程中有水平漂移。因此,严格讲探空所获得的各高度层的气象记录并不是测站天顶方向的真实大气情况,而是代表气球水平漂移范围内的平均状况。

探空资料是以一个时刻和一个点的观测资料代表一高度层上水平半径为30 km范围内的30 min内的平均大气状况。因此,Radio/PWV作为探空测站垂直方向的水汽的积分实质上是在30 min内,高度8 km,水平半径30 km的大气柱体内的平均水汽状况。

2) GPS/PWV

一般GPS/PWV是根据GPS站30 min内接收到仰角15°以上的所有的GPS卫星斜路径信号湿延迟在天顶方向投影的平均值。它实际代表的是以GPS接收机为顶点,顶角为150°的倒圆锥体内大气中水汽量的平均状况,如图1所示。

图1 GPS反演大气可降水量时GPS站接收机的GPS卫星方位

根据上述探空资料的统计结果,98%～99%以上的水汽集中在8 km以下,对应得到圆锥体的半径为30 km,恰好与探空气球30 min上升到8 km高度的水平漂移距离相当。因此,用Radio/PWV来检验GPS/PWV,其代表的时间和空间范围与Radio/PWV匹配,但它是30 min内所有观测的平均值,比Radio/PWV更具有代表性。

2.2 GPS反演大气可降水量的优点

GPS反演大气可降水量技术,是随着GPS迅速发展而出现的一种新的气象遥感技术,相较于常规观测手段,GPS遥感水汽技术具有以下优点:

1) GPS卫星覆盖全球,任何地面用户在任何时刻均可接收到卫星信号,空间覆盖率高;

2) GPS卫星不受云和气溶胶粒子等天气条件的限制,能够全天候观测,时间分辨率高;

3) GPS卫星能够连续观测,并且从接收数据到得出结果仅需十几钟的时间,时间分辨率非常高,对于监测暴风雨、大冰雹、龙卷风等恶劣剧烈天气变化非常有效,为中短期天气预报提供可靠的水汽数据;

4) GPS接收机体积小,易于携带,易于维护,设备元件不受环境条件变化影响,投入成本低;

5) GPS反演水汽精度高,可以与水汽辐射计相比较,并可校准卫星遥感等观测结果;

6) GPS遥感水汽获得的是绝对量,不需要校准;

7) GPS遥感水汽技术水平分辨率高,可以实现水汽与温度的分离;

8) 从GPS数据推算得到的是PWV的综合值,这些数据可以得到传统地面观测无法测得的大气特征。

3 HNGICS反演大气可降水量的应用前景

3.1 HNGICS简介

河南省地质信息连续采集运行系统(HNGICS)是通过通讯网络把分布在全省范围内的永久性全球导航卫星系统(GNSS)基准站连接起来,构成的新一代网络化的地质信息连续采集系统,并在此基础上逐步建立起地质灾害监测预报、地面沉降监测系统、野外地质工作质量监控系统、矿山井下与地面联合实时定位监控系统等综合的地质信息系统,同时还向国土、测绘、地震、交通、气象等部门提供高精度、连续的时间和空间基准。

系统在全省建设50个CORS基站,基准站全部采用美国TRIMBLE NetR5接收机,为河南全省提供一个动态的三维基准控制框架,为全省坐标系统的统一、不同坐标系统间的转换以及各城市间的区域衔接提供了测绘基准。同时也为省内各城市建设的CORS系统提供了一个很好的纳入平台,为带动全省的测绘基准体系建设奠定良好的基础,HNGICS的数据采集子系统HNCORS的建成将成为河南省地理信息资源建设的基础和重要保障。

图2 HNGICS基准站分布图

3.2 HNGICS反演大气可降水量流程

1) 根据HNGICS原始观测数据文件用GAMIT软件解算出天顶总延迟量。

2) 由地面气压值根据天顶静力延迟模型计算出天顶静力延迟量。

为了准确地测定每个观测值的地面气压,需要在每个观测站单独安装气压测量设备,将气压数据和观测数据一起打包发给数据处理中心。

3) 用解算出的天顶总延迟量减去计算出的天顶静力延迟量和天顶电离层延迟从而得到相应的天顶湿延迟量。

4) 利用实时地面气象资料根据Bevis经验公式或者局部加权平均计算模型计算出加权平均温度Tm.

为了提高转换的精度,应根据具体的气象资料数据计算出本地的加权平均温度。

5) 根据资料数据可算出水汽转换系数Π;

6) 根据公式计算出GPS遥感的大气可降水量PWV.

计算流程图如图3所示。

图3 地基GPS遥感大气可降水量流程图

实际应用中可以根据相关的流程开发出专门的软件,通过软件实现整个流程的一体化。

3.3 HNGICS反演大气可降水量的应用前景

HNGICS站点多、分布均匀、站间平均距离短,这完全可以满足GPS反演大气可降水量研究的需要。在应用之前需要在各个观测站点安装配套的气象数据采集仪器,对每个观测站点的实时气象数据进行观测记录,并与卫星观测数据一并打包发送给数据处理中心。

传统的大气可降水量探测技术有各自的优缺点,如果能把传统的探测技术和GPS反演技术结合起来,一定能进一步提高大气可降水量探测的准确度和时效性,这对于全省的气象预报都起到很重要的作用。除此之外,GPS反演大气可降水量在其他方面也有着很好的应用前景,具体如下:

1) GPS-PWV用于灾害性天气监测分析预报;

2) GPS-PWV为中尺度数值预报模式提供初始场;

3) GPS-PWV用于全球气候变化的监测和分析;

4) GPS-PWV为人工影响天气作业提供依据;

5) GPS-PWV用于确定水汽三维分布;

6) GPS-PWV用于空中水资源评估及开发利用;

7) GPS-PWV和其他气象资料的同化应用。

4 结束语

GPS反演大气可降水量与传统的探测大气可降水量的方法相比有诸多的优点,在用传统的方法进行大气可降水量探测的同时,GPS反演的方法可以作为辅助的手段,这样就能进一步提高探测的准确度。GPS反演的大气可降水量在灾害性天气监测分析、中尺度数值预报模式提供初始场、球气候变化的监测和分析等方面有着重要的作用。河南省地质信息连续采集运行系统HNGICS均匀覆盖整个河南省,基准站多、站间距离适中,适合作为反演大气可降水量的基准站。所以,HNGICS系统反演大气可降水量中有很好的应用前景。

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HNGICS Inversion Atmospheric Precipitation Applications

MU Baosheng,LIU Hongfei

(ZhengzhouSurveyingandMappingSchool,TopographicandCadastralSurveyTeachingDepartment,Zhengzhou450015,China)

This paper first introduces the principle method of the GPS inversion atmospheric precipitation,And Highlighting introduced the process of the GPS inversion atmospheric precipitation. Then introduces the geological information of continuous acquisition operation system of henan province,Referred to as HNGICS.Finally introduced how to use HNGICS atmospheric precipitation inversion and its application prospect in the field of each.

GPS; inversion; atmospheric precipitation applications; PWV； HNGICS

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.019

2016-12-24

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0090-04

穆宝胜 (1986-),男,硕士生,主要从事测量教学工作。

联系人: 穆宝胜 E-mail:mubaosheng2009@163.com