地基GPS水汽探测若干研究进展

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

GPS的出现在各个领域都产生了深远影响，其应用范围已远远超过了其设计初衷，利用地基GPS遥感大气水汽便是 GPS在气象中的重要应用之-。水汽是大气的重要成分，水汽的扩散与输送对诸如对流、云形成、降雨等各种天气过程的形成至关重要 ；水汽也是主要的温室气体之-， 控制着地球上的热量平衡；同时水汽还是各种尺度水文循环的重要内容，对地球气候变化有重要影响。但是其在大气中所占比例很小，仅0.1%～3.0%，而且水汽分布随时空变化显著，特别是在特殊天气条件下变化尤其剧烈，因此精确监测水汽要素的难度很大。

传统用于气象业务的水汽探测方法主要包括无线电探空仪、卫星遥感等手段。无线电探空可以提供高垂直分辨率水汽廓线，但-次性观测设备成本较高，使得观测站间距和时间间隔都较大；卫星遥感数据空间分辨率较高，但是受观测条件和卫星轨道限制，精度和时间分辨率有限。

随着高分辨率数值天气预报模式的发展，这些方法的时空分辨率已经很难满足高精度预报的需求。另外，在现阶段气候研究中，研究大气水汽长期变化趋势的主要实测数据来源是从 1940年左右起全球布设的无线 电探空站网的探空数据[1。]，但是由于探空仪器更换、观测时间变化以及分析策略不同造成的相对湿度偏差可达 20%，这也导致其得到的水汽时间序列的不连续。为了弥补传统观测技术的局限性，若干新的探测技术逐渐发展起来，地基 GPS探测水汽便是其中之-。 该技术具有全天候、高精度、低成本连续观测水汽的优势，可以直接得到天顶或者倾斜方向的水汽绝对含量，不存在观测值标定等问题，十分适合用于实时高精度水汽变化监测。因此，随着多个卫星导航系统的建成以及数值天气预报模式的发展，地基 GPS气象学作为大地测量学与气象学的交叉学科，受到大地测量学家以及气象学家的共同关注，成为了两个领域内的研究热点之-，取得了丰富的研究成果。本文将对近些年来相关领域的最新研究进展做简要介绍。

2 地基 GPS遥感天顶水汽2.1 基本原理GPS信号在传播过程中会受到地球大气电离层与中性大气层两种不同性质的延迟影响，其中中性大气层延迟 80%以上发生在对流层，因此又称对流层延迟。电离层延迟为色散性延迟，可以通过多频 GPS数据组合加以消除，而对流层延迟为非色散性延迟，在高精度数据处理中，-般将测站天顶对流层延迟(zenith troposheric delay，ZTD)作为待估参数与位置参数-起解算。1992年，Bevis等[4]第-次提出了GPS气象学的概念，指出天顶干延迟(zenith hydrostatic delay，ZHD)可25l - 。nese 。u na.。 Na u e lv。 .35 N。.4 lREvIEv ARTIcLE以由地面气压观测结合延迟模型[ 精确确定，进而从总延迟中分离得到天顶湿延j(zenith wetdelay，ZWD)，根据天顶湿延迟和大气加权平均温度 就可计算出天顶可降水(precipitable watervapoL PwV)。简要的原理如图 1所示。

天顶可降水量水汽中性大气层垂直方向天顶顶湿H-瞎 H<算图 l GPS探测 PwV原理图目前 天 顶 干 延 迟 ZHD 改 正 多 采 用Saastamoninen模型，该模型的精度可达几个毫米，但是在区域 GPS水汽探测网中，该模型可能需要进-步订正。订正的方法可以以无线电探空仪实测的天顶干延迟为真值，利用探空值与模型计算值长时间序列之间的差异进行逐步回归分析[8。加权平均温度 对于GPS反演Pwv精度影响显著，目前常用的精度较高的 确定方法主要有两种：(1)由气象资料沿垂直方向积分，气象资料可以是探空资料，也可以是数值分析资料等9]。该方法精度最高，但是由于气象资料的获取需要耗费-定的时间，难以满足GPS遥感水汽的实时性要求，因此-般用于事后处理分析。(2)由地面温度观测值通过经验公式计算得到。Bevis等 o]利用美国无线电探空资料统计建立了回归经验模型，该公式基本成为通用公式，其他学者也针对各自研究区域的特点对该模型进行了验证与调整 H]。这种方法只需要得到地面温度，便于实现实时快速计算，因此也成为最常用的方法2.2 研究进展经过二十多年的研究发展，地基 GPS遥感天顶水汽技术取得的巨大进步，通过与其他各类水I 252汽探测手段(如VLBI、RS、微波探测等)的比较，其探测精度已经得到了众多研究验证[15-17]，充分证明了该技术完全满足气象监测与预报的精度要求，并且由于其独特的优点，正逐步在气象业务中扮演着越来越重要的角色↑些年来，有关地基 GPS遥感天顶水汽技术的研究与应用主要可以概括为以下几个方面：(1)地基 GPS天顶水汽含量计算模型研究地基 GPS遥感天顶水汽含量大致可先后分为GPS解算得到ZTD，以及由ZTD结合各类气象资料转换得到 PwV两个步骤，两个步骤中的误差因素不尽相同，有必要研究各类来源的误差影响以及改正方法。例如，Walpersdorf等n 8]研究了非洲地区地基 GPS计算 ZTD的主要误差源，结果表明即使在该地区电离层活跃期问，电离层延迟也并非GPS-PwV主要误差来源，而大洋潮汐对于 GPS-PwV 的影响可以达到士2 mm。

ZTD估计的影响与卫星轨道误差的方向、GPS数据处理策略和地基 GPS站的分布有关，而这些影响在 GPS数据处理中可以被其他误差源吸收，Ka6mafika等[20]也得出了类似结论。Ortiz等 ]通过与探空和太阳光度计两年的数据比较，认为在 GPS数据处理中采用绝对相位中心改正可以比采用相对相位中心改正提高 GPS.PwV的精度达 2～3 inln。李黎等[2 ]采用精密单点定位(precisepoint positioning，PPP)处理策略，对PPP各项误差进行了精确改正，得到 GPS-ZTD时间序列，得出了高频率实时 ZTD及其增量变化对-般雷暴天气和热带气旋暴雨的短临预报均有-定的参考价值和预示作用的结论。

(2)地基GPS天顶水汽产品在数值天气预报模式中的同化研究地基 GPS可以以较高的时空分辨率提供高精度天顶水汽观测产品，这也为数值天气预报(numerical weather prediction，NWP)模式增加了可靠的数据来源，如何将地基GPS天顶水汽产品在 NWP模式中进行同化也成为该领域研究的热点之-[23-28]。Smith 在北美地区进行了详细的研究，其同化 GPS-IPW 的实验时间跨度长达5年 ，指出随着地基 GPS观测站数的增加，自筮.褒志 第35卷第4期 GPS-IPW 同化对于短期相对湿度预报结果的改善效果也会提升，并且同化对于3、6、9、12小时的预报结果尤其是前两者的改善十分明显。

Boniface等[ 以发生在法国南部西地中海地区的两次不同的降雨过程为研究对象，在 3D-Var系统中对期间欧洲地区 200多个 GPS测站的GPS-ZTD进行了同化，结果表明对两次降雨过程的改善程度并不-致，并认为同化改善效果与天气过程的可预测性成反比。Yan等[2 5j的GPS-ZTD同化研究则明显改善了短期定量降雨预报和中低层水汽廓线的结果，并且对于预报难度较大的强降雨亦有改善，而且发现提高预报模式分辨率有助于提高同化效果，等等。受预报模式以及实验条件(GPS观测站分布、气象条件、实验时间跨度等)差异的影响，这些研究得到的结论存在-定差别，但是都肯定了同化地基 GPS天顶水汽观测值的积极效果，这也说明该技术还有很大的研究空间。

(3)地基 GPS天顶水汽产品用于多尺度上的气象研究地基 GPS天顶水汽观测值除了用于改善数值天气预报结果外，也可以直接用于研究多尺度天气过程 [29-351，小到-次冷锋过境，大到全球气候变化，研究区域从赤道到极地，研究内容形式多样，反映了地基 GPS气象学应用范围的广泛。

例如，Van Baelen等[2 9]巧妙地利用-个法国小型地基 GPS网观测站之间的高差，反演得到垂直方向上各个测站之间 GPS.1wV之差，依此为基础研究了实验期间边界层的水汽变化特征，并认为GPS.1wV有揭示云形成过程的潜力。Seco[3o1研究分析了西班牙 Pamplona地区降雨、大气压强以及 GPS-PwV长达 9年的观测数据，分析了该地区三者间的联系，并以此建立了-套降水预测模型，得到了较好的降雨预报结果。Roman等[31]利用 NOAA NPN和NCAR位于美国大平原以及中西部的地基GPS网反演得到的GPS-PWv时间序列及其变化趋势评估了若干全球气候模型在该地区的精度与可靠性。全球尺度上，Vey等[3 ]在考虑绝对相位中心改正以及 GPS天线整流罩等可能造成 GPS-PwV误差的因素基础上，得到了1 994-2004年全球分布的连续的GPS PwV时间序列，通过分析各个测站的时间序列得到全球各地区 PwV变化趋势，分析了不同区域水汽含量与大气温度以及诸如厄尔尼诺、拉尼娜等气候现象之间的联系。

(4)地基GPS探测天顶水汽范围从陆地走向海洋相比陆地而言，海洋上的气象观测资料更加缺乏，绝大部分来自卫星遥感和海面浮标传感器提供的有限的观测资料，而利用架设在海上移动平台(例如船只 )上的GPS来探测水汽含量则可以作为这些资料的重要补充。Fujita等[3 ]采用PPP定位处理模式处理船载GPS观测值，反演得到了印度洋上2个月的GPS-PwV时间序列，通过与期间超过300次探空结果的比较，认为海基 GPS-PwV的精度与陆基 GPS.PwV大致相当，可以作为数值天气预报数据来源以及遥感数据校正之用。Kealy等[3 6]则对船载 GPS数据进行双差处理，获得了夏威夷群岛近海地区为期 1O天的沿载体船舶轨迹的GPS-Pwv时间序列，并成功利用该组时间序列结合其他观测数据揭示了实验期间多个中小尺度天气过程。Boniface等[371L较了地中海北部洋面上船载GPS-1wv、MODIS.1wV和NWP-1wV的观测结果，证明了三者总体符合较好，但是在某些天气条件会使三者间的差异明显增大。这些研究都证明了船载GPS探测水汽含量技术的可行性。

3 地基 GP$反演水汽三维分布3.1 基本原理地基 GPS遥感天顶水汽只能提供二维水汽分布信息，随着数值天气预报的发展，精确的水汽三维分布信息对于提高预报精度特别是定量降雨预报精度十分关键，而每个 GPS信号实际上都含有信号传播路径上的水汽信息。因此，通过加密地基 GPS站网实现信号对站网上空大气的密集扫描，从而反演得到三维水汽场的技术发展了起来。

地基 GPS估计得到的天顶对流层延迟实际是该测站所有 GPS观测路径对流层延迟投影到天顶方向上的平均值，其可以通过干、湿映射函253 - - ch nese 。u na。。 Na u e lv。.35 N。4 lREvIEv ARTIcLE数投影到信号传播路径上[38-40]，再以水平梯度表达大气在水平方向的不对称分布，并假设 GPS相位观测值后验残差主要为未被估计的对流层延迟造成，由式f1)即可得到信号传播路径对流层延迟 STD，结合气象资料即可反演得到倾斜路径水汽含量 s、 ，计算方法与反演 GPS-Pwv- 致。

△乙n。 ， ) △ ·Md(e)ALw·Mw( (P， ) ，(1)其中△ 廿。、△ 、△ 分别为对流层倾斜路径总延迟、天顶方向干延迟与天顶方向湿延迟，Md、 分别为干、湿映射函数， d为水平梯度，e、 为倾斜路径高度角与方位角， 为该路径 GPS相位观测值残差。研究表明，地基GPS 可 以以毫米 级 的精度 获取倾 斜 路径sWV[41-421。在得到信号传播路径上的对流层延迟或者水汽含量后，既可以利用这些观测值构建层析模型(如图2所示)，反演得到水汽的三维分布信息，也可以在数值天气预报中对其进行同化，改善预报的精度。 、图2 地基GPS层析水汽原理示意图4驯3.2 研究进展Flores等[4 在 2000年最早对地基 GPS层析水汽技术进行了实验研究，因此该技术发展的时间并不长，目前还主要处于研究阶段，经过众多研究人员的努力，已经积累了大量研究经验。

层析算法方面，受卫星及地基站数量与空间分布的限制，直接利用斜路径观测值建立的层析方程往往是不适定的，因此不能直接对原始观测方程进行最小二乘求解，-般需要添加额外的约 - 254束条件消除观测方程的不适定性 ，或者运用Kalman滤波求解↑些年来，若干研究人员针对传统方法的不足之处，提出了-些新的算法。

例如，Bender 5]认为添加约束后进行分解求逆运算的计算量较大，提出了代数重构技术用于水汽层析，该方法为迭代算法，每次迭代都只需-个观测值对相关变量进行修正，计算量很小，便于实现并行计算。另外，利用高斯平滑滤波技术可以使得层析得到的水汽信息覆盖所有网格，作者共研究了6种代数重构算法，得到了它们各自最优的松弛参数以及收敛条件，并且发现斜路径观测值噪声的放大对于迭代过程的稳定性并没有较大影响，这也是该算法的优点之-。王维等[4 ]也对代数重构算法之-的联合迭代重构层析算法进行了研究，发现其结果在部分区域出现了不合理值 ，认为该算法还需要进-步研究改进。Rohm[471则认为虚拟约束方程的添加实质上是为了平衡层析结果的精度与稳定性，特别是水平约束使得层析结果在水平方向上缺乏足够的区分度，因此其研究了不添加此类约束方程，而直接利用多个历元叠加的原始观测方程分解求逆的算法，由于奇异值分解过程中小的奇异值会过度放大观测值噪声，影响解的稳定性，因此作者研究了3种不同的奇异值截取策略，并利用仿真实验证明了该方法的有效性。另外，在-般的层析模型构建过程中，都会假设单-网格内的水汽分布均匀不变，这与实际情况是有出入的，因此，Perler等48]提出了利用数值积分算法实现对倾斜路径延迟进行离散化，并采用不同的插值算法得到观测方程系数矩阵。这种方法克服了前述的不合理的假设，并且待求参数数量也并未明显增加，在得到观测模型后，采用 Kalman滤波求解，其仿真实验表明新的参数化方法可以更好地反演得到水汽垂直廓线的逆增层，位于瑞士的地基 GPS网实测数据实验也表明新的参数化方法总体精度上要优于传统的参数化方法。除去直接利用斜路径水汽观测值进行层析外，与GPS-ZTD- 样，GPS-STD也可以在数值天气预报模式中进行同化。Bauer等[491研究了在MM5 4D.Var系统中同化 GPS.STD对定量降水预报结果的影响，结果表明，同化 GPS-STD有利于得到更好的水自星未志 第35卷第4期 专题综述汽三维分布以及降水 日变化信息，有助于改善实时与短期定量降水预报，并且增加地基 GPS站可以提高这种改善效果，等等。

影响层析结果的因素有很多，研究人员针对不同因素的影响开展了若干研究。Bender等L5 0j基于位于德国的地基GNSS站网以及卫星星座的空间分布信息，采用仿真研究的方式研究了综合利用多个 GNSS系统(GPS、GLONASS、Galileo)采集的倾斜路径水汽信息对于水汽层析的影响。

结果表明，不仅观测值的数量大大增加，而且观测值以及观测值间交汇点的空间分布都得到了很大的改善。相比利用单独的GPS系统，得到相同密度分布所需的观测时间间隔、网格在水平与垂直方向上的边长等都会大大减小，有利于得到误差均匀分布的层析解；但是研究尧现仅仅依靠观测卫星的增加很难解决底层网格缺乏观测值通过的问题。另外，受地面测站数量与空间分布的限制，利用现有的层析算法也不能有效体现观测值的增加对于层析最终结果的改善效果。

Rohm等[5I]则对层析过程中所有的误差影响因素的不确定度进行了详细评定，其中包括 ZTD、气压、温度、测站高度、卫星高度角等测量误差以及映射函数、水汽压计算系数等模型误差♂合误差传播定律以及各变量间的函数关系得到了网格水汽压的不确定度，即层析最终结果的不确定度，研究表明层析结果的不确定度与观测方程系数矩阵的拓扑结构紧密相关，即观测值数量、地基站与卫星的数量和分布等因素对层析结果的影响最为显著。于胜杰等[5 在传统附加约束层析算法的基础上，研究了不同的约束条件下以及不同测站高程分布条件下的层析结果精度，采用仿真研究的方法设计了三种不同的垂直约束方程以及两种不同的测站高程分布♂果表明，高精度垂直约束信息有利于提高地基层析得到的水汽垂直轮廓线精度，但是当地面测站分布较为平坦时，即使高精度垂直约束信息也难以探测到垂直轮廓线中的逆增层。增加测站间高差则可以在不借助高精度垂直约束信息的情况下得到高精度的垂直轮廓线，并且可以探测得到逆增层的存在。因此，在布设用于气象探测研究的地基GPS站网时，有必要使得各个测站间存在较大的相对高差。

4 结语地基 GPS水汽探测技术是利用中性大气层对GPS信号产生的延迟来反演大气水汽信息，其产品主要有天顶水汽含量和信号传播路径水汽含量两种。天顶方向水汽反演技术已经基本成熟，目前的研究主要集中在计算模型的精化、产品的运用和探测范围的扩展等。利用地基 GPS反演信号传播路径水汽含量以层析水汽三维分布技术仍存在-些技术问题需要解决，例如更好地解决观测方程不适定问题、提高边界层结果精度等，因此需要更多的研究以提高层析解的精度与可靠性。另外，各类地基 GPS水汽产品在数值天气预报中的同化也持续受到研究人员的关注，模型的调整与修正、同化技术的改进、观测值的质量控制等将会得到进-步的研究。

随着包括北斗、伽利略在内多个导航定位系统的发展以及地基 GPS站网的逐渐加密，地基GPS探测水汽将会成为未来大气探测的重要手段，其产品也会在天气监测与预报、气候研究、水文学、遥感等领域得到广泛应用。