顾及时空因素的高精度全球对流层关键参量模型构建研究

黄良珂

桂林理工大学测绘地理信息学院,广西 桂林 541004

对流层在全球水循环、灾害天气形成与演变中扮演着极为重要的角色。大气加权平均温度(Tm)、对流层天顶延迟(ZTD)和天顶湿延迟(ZWD)等均属于对流层关键参量,其中ZWD/ZTD是影响GNSS等空间技术高精度导航定位的重要因素,而Tm是GNSS水汽探测的关键参数。随着GNSS导航定位及水汽探测对实时高精度对流层关键参量的要求日趋增强,对流层关键参量的实时高精度全球精化模型构建成为近年来的研究热点。论文针对已有对流层关键参量全球经验模型存在的问题,联合最新的MERRA-2资料和GGOS大气格网产品等多源数据,开展了对流层关键参量的实时高精度全球模型构建研究。论文主要工作和贡献如下。

(1) 针对尚无文献对MERRA-2资料在全球计算ZWD/ZTD的精度进行评估的问题,论文联合全球IGS站精密ZTD产品和探空资料,对MERRA-2资料计算的ZWD/ZTD进行了精度检验。结果表明:以2015—2017年全球IGS站ZTD为参考值,MERRA-2资料在全球积分计算ZTD的精度优于1.35 cm;以2015年全球探空资料为参考值,MERRA-2资料在全球积分计算ZWD和ZTD的精度分别优于1.35、1.45 cm。由此说明MERRA-2资料在全球计算ZWD/ZTD具有较高的精度和稳定性,可作为全球ZWD/ZTD建模的数据源。

(2) 首次提出了基于滑动窗口的ZWD/ZTD垂直剖面格网模型构建方法,构建了顾及时空因素的高精度全球ZWD/ZTD垂直剖面模型(分别简称为GZWD-H和GZTD-H)。利用2017年全球的探空资料和IGS站ZTD产品对模型进行了精度检验。结果表明:以全球探空数据计算的ZWD/ZTD分层剖面信息为参考值,模型在全球的垂直插值中均表现出了最优的精度和稳定性,相对于GPT2w-1和GPT2w-5模型,GZWD-H模型的精度分别提升了4%和7%,而GZTD-H模型提高了10%;以全球探空数据和IGS ZTD为参考值,相对于GPT2w模型,GZWD-H和GZTD-H模型分别在GGOS大气格网ZWD和ZTD空间插值的精度均具有较显著的改善;相对于GPT2w-1模型,模型进一步减少和优化了模型参数,因此增强了其在GNSS精密定位和水汽探测中的适用性。

(3) 提出了一种全球ZTD格网模型建立的方法,并构建了实时高精度的全球ZTD格网模型(GGZTD模型)。综合未参与建模的全球GGOS格网产品和全球IGS ZTD产品,检验了模型的精度和适用性。结果表明:以GGOS大气格网产品和IGS站ZTD产品为参考值,GGZTD模型在全球的精度分别为3.58、3.62 cm,相对于UNB3m和GPT2w模型计算的ZTD信息,GGZTD模型在全球表现了最优的精度和稳定性,其相对于GPT2w模型仍具有一定的改善;在ZTD计算时GGZTD模型相对于GPT2w模型显著地减少了模型参数。

(4) 解决了Tm区域模型的全球适用化难题,建立了顾及时空因素的高精度全球Tm格网模型(GGTm模型)。论文结合未参与建模的全球GGOS大气格网Tm数据和探空站资料,验证了GGTm模型的精度和适用性。结果表明:以GGOS大气格网Tm数据和探空站资料为参考值,GGTm模型在全球计算Tm的精度分别为2.89、3.54 K,其与Bevis公式和GPT2w模型相比体现出了最优的精度和稳定性,尤其在高海拔地区具有显著的优势;相比于GPT2w-1和GPT2w-5计算的Tm信息,GGTm模型在全球的精度分别提升了8%和12%。此外,将GGTm模型用于全球GNSS水汽反演,其引起的水汽估计理论RMS误差和相对误差分别为0.26 mm和1.28%。由于GGTm模型在使用时不依赖于气象参数且能提供高精度的Tm信息,因此其在全球实时高精度GNSS水汽探测中具有重要的应用。