摘要：水汽是一種在全球氣候系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的溫室氣體，它不僅吸收和輻射太陽(yáng)能量，對(duì)低層大氣的化學(xué)作用也有影響，我們?cè)O(shè)法利用GPS定位中的誤差源來(lái)反演大氣中的水汽。文章選自：《黑龍江氣象》是由中華人民共和國(guó)新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開(kāi)發(fā)行的優(yōu)秀期刊。自創(chuàng)刊以來(lái)，以新觀點(diǎn)、新方法、新材料為主題，堅(jiān)持"期期精彩、篇篇可讀"的理念。黑龍江氣象內(nèi)容詳實(shí)、觀點(diǎn)新穎、文章可讀性強(qiáng)、信息量大，眾多的欄目設(shè)置，黑龍江氣象公認(rèn)譽(yù)為具有業(yè)內(nèi)影響力的雜志之一。黑龍江氣象并獲中國(guó)優(yōu)秀期刊獎(jiǎng)，現(xiàn)中國(guó)期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)全文收錄期刊。

　　1地基GPS氣象學(xué)技術(shù)的基本原理

　　如果地面上的GPS接收機(jī)的精確三維坐標(biāo)通過(guò)其他方法確定，則可從GPS接收機(jī)測(cè)量的衛(wèi)星信號(hào)傳播的總延遲量中提取水汽造成的濕延遲，進(jìn)而反演出信號(hào)路徑上水汽的累積量。這就是地基GPS氣象學(xué)的基本原理。GPS反演大氣可降水量流程如圖1所示。

　　2地基GPS反演大氣可降水量處理流程

　　在應(yīng)用GAMIT軟件處理GPS數(shù)據(jù)反演可降水量時(shí)，GPS數(shù)據(jù)處理按照4個(gè)步驟進(jìn)行。首先是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，包括GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)(rinex格式的o文件)、廣播星歷(brdc文件)、精密星歷文件(igs)、氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)表文件;接著用GAMIT軟件處理各時(shí)段GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到一個(gè)基線解算文件;然后用GLOBK(卡爾曼濾波)進(jìn)行多時(shí)段綜合解算，以得到網(wǎng)平差的結(jié)果及各個(gè)測(cè)站的平均坐標(biāo)和速度等參數(shù);最后把精確的測(cè)站坐標(biāo)帶回GAMIT，對(duì)待求測(cè)站進(jìn)行強(qiáng)約束，反演對(duì)流層的天頂延遲，得到可降水量。如果解算時(shí)發(fā)現(xiàn)各個(gè)時(shí)段的坐標(biāo)相差較大，應(yīng)該分析原因，重新進(jìn)行解算。

　　3南極地基GPS數(shù)據(jù)解算實(shí)例

　　3.1站點(diǎn)選擇和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

　　本次實(shí)驗(yàn)所選取的站點(diǎn)采取引入長(zhǎng)距離測(cè)站的方式獲得絕對(duì)PWV。本次實(shí)驗(yàn)參與解算的站包括7個(gè)IGS站，分別是VESL，SYOG，MAW1，DAV1，CAS1，DUM1，MCM4;此外，還有中國(guó)的兩個(gè)南極跟蹤站長(zhǎng)城站GRW1和中山站ZHN1(如圖3所示)。為了在解算時(shí)較精確地得到可降水量，我們從SOPAC網(wǎng)站上查到2009年7個(gè)IGS站的精確坐標(biāo)，長(zhǎng)城站和中山站的坐標(biāo)可以通過(guò)解算得到。這樣在解算時(shí)對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)給予較強(qiáng)的約束。本次解算的是2009年全年9個(gè)站的GPS數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備好所有的數(shù)據(jù)文件后，便可以執(zhí)行GAMIT的批處理命令讓其自動(dòng)解算一年的數(shù)據(jù)，就可以自動(dòng)解算出9個(gè)站一年的數(shù)據(jù)。

　　3.2可降水量的提取及其精度分析

　　3.2.1提取可降水量

　　在GAMIT中提取可降水量的命令為sh_metutil。由于參與計(jì)算的天數(shù)有365d，要比對(duì)的站有5個(gè)，逐天逐條每個(gè)站下命令將很麻煩。這時(shí)，可以利用Linux系統(tǒng)的SHELL的功能，編寫(xiě)一個(gè)小程序，實(shí)現(xiàn)三重循環(huán)。用VI編輯器編寫(xiě)一個(gè)三重循環(huán)，以CAS1站為例，編寫(xiě)一個(gè)名為xunhuan.sh的文件，然后通過(guò)命令chmod使之成為可執(zhí)行文件，具體命令為:Chmod+xxunhuan.sh。通過(guò)調(diào)用./xunhuan.sh來(lái)批量執(zhí)行幾百條命令，這樣就比較方便，其他幾個(gè)站以此類推。得到各個(gè)站點(diǎn)每天的可降水量，然后通過(guò)grep命令提取各個(gè)站點(diǎn)的可降水量。通過(guò)數(shù)據(jù)的整理分析，每個(gè)站點(diǎn)整理出一個(gè)可降水量文件。

　　3.2.2GPS/PWV與探空Radio/PWV的比較

　　目前，世界氣象部門對(duì)大氣中水汽的探測(cè)主要還是依賴于探空氣球的探測(cè)，為了驗(yàn)證GPS/PWV的正確性和穩(wěn)定性，將GPS/PWV和Radio/PWV進(jìn)行比較。本次參與解算的9個(gè)站中有5個(gè)附近同時(shí)安裝有探空站，分別是SYOG，DAV1，CAS1，DUM1，MCM4。下面將就這5個(gè)站解算出的GPS/PWV和探空PWV進(jìn)行比較，其中探空PWV數(shù)據(jù)可以從美國(guó)懷俄明州大學(xué)的網(wǎng)站上下載。把2009年5個(gè)站點(diǎn)的GPS/PWV和Radio/PWV進(jìn)行比較。由于兩者的PWV在數(shù)值上比較接近，數(shù)據(jù)量又較大，為了能在圖上清晰的顯示，圖4至圖8畫(huà)出GPS/PWV的時(shí)間序列圖，以及GPS/PWV減去Radio/PWV的差值的時(shí)間序列圖。5幅圖中上面的曲線代表GPS/PWV，下面的曲線代表它和Radio/PWV的差值。從定性上去分析圖4至圖8可以得出以下特點(diǎn):1)除個(gè)別點(diǎn)外，GPS/PWV比探空Radio/PWV系統(tǒng)性偏大，這說(shuō)明用GPS探測(cè)水汽有偏高的跡象，并且當(dāng)PWV值偏大時(shí)，GPS所測(cè)的數(shù)值會(huì)表現(xiàn)的更敏感一些，也就是說(shuō)當(dāng)絕對(duì)PWV較小時(shí)兩者更為接近。2)圖像顯示PWV兩端較大。差不多是年積日的0～50和300～365這兩個(gè)范圍PWV較大，這個(gè)時(shí)間段恰好是南極的夏天，天氣較為濕潤(rùn)，出現(xiàn)降雨的可能性大些，這樣和實(shí)際降水測(cè)量較為一致，解算的結(jié)果正確地反映了降水量的變化趨勢(shì)，體現(xiàn)了解算的合理性和正確性。個(gè)別站點(diǎn)如CAS1站和SYOG中間也有一段時(shí)間(150～200d)PWV也偏大，這與南極部分地區(qū)季風(fēng)性氣候有關(guān)，造成這一時(shí)段降水天氣的可能性增大。由上述5個(gè)圖表顯示及分析可知，GPS/PWV和Ra-dio/PWV在整體上是比較一致的，少部分天數(shù)兩者的差距較大。總的來(lái)說(shuō)，5個(gè)站點(diǎn)的PWV值常年都比較小，有少部分天數(shù)PWV急劇上升，這些天數(shù)發(fā)生降雨的可能性就很大。為了得到更為精確的數(shù)據(jù)分析，表1從數(shù)理統(tǒng)計(jì)方面分別進(jìn)行定性分析。1)從平均偏差來(lái)看從表1中的平均偏差數(shù)據(jù)可知，GPS站反演的PWV高于探空站資料計(jì)算的PWV，不同站點(diǎn)的差異各不相同。從表1看出，SYOG站點(diǎn)差異較為明顯，分析原因可知，該站點(diǎn)使用的探空儀器是VaisalaRS2-91傳感器，這種傳感器的誤差較大，這可能是造成兩者之間偏差較大的一個(gè)重要因素;SYOG站在垂直方向上的高差相差較大，這也是造成兩者偏差大的一個(gè)因素;MCM4站GPS和探空站在垂直方向上的高差最大，但由于它的可降水量太小，故沒(méi)能在平均偏差中反映出和其他站點(diǎn)顯著的差異。造成Radio/PWV和GPS/PWV差異的因素還有很多，這些差異與各地的氣候特征、其站點(diǎn)分布的各自海拔高程以及兩者探測(cè)水汽方法本身的精度密切相關(guān)。2)從均方差和相對(duì)方差來(lái)看從表1中數(shù)據(jù)可以看出，除SYOG站外，其他4個(gè)站的均方差都在0.9mm以內(nèi)，說(shuō)明利用GPS觀測(cè)資料反演PWV具有一定的精度。均方差比平均偏差的值稍大，5個(gè)站的均方差值和平均方差值顯示出一定的相關(guān)性，一般來(lái)說(shuō)，平均偏差大的，均方差也偏大。5個(gè)站的相對(duì)方差，除SYOG站外，都在20%以下，最小的CAS1站為7.91%，該站離中山站最近，約110km，對(duì)中山站的可降水量有著較大的參考價(jià)值。在檢驗(yàn)GPS/PWV的精度時(shí)，不能單純以均方差大小衡量GPS/PWV的精度，還要結(jié)合相對(duì)方差的大小。3)從相關(guān)系數(shù)來(lái)看從表1可以看出，用GPS和探空兩種方法計(jì)算的PWV相關(guān)系數(shù)很高，都在92%以上，說(shuō)明GPS/PWV和Radio/PWV在變化上有很好的一致性，即使偏差較大的SYOG站也不會(huì)像其他3個(gè)指標(biāo)那樣表現(xiàn)明顯。這充分說(shuō)明了用GPS反演可降水量的變化方面有著很高的精度。如果需要得到更為細(xì)致的結(jié)論，應(yīng)該把一年分成幾個(gè)季節(jié)或按月份來(lái)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。但由于南極地區(qū)的絕對(duì)PWV值比較小，所以只把整年的數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行分析。

　　3.2.3GPS/PWV的誤差分析

　　和任何一種測(cè)量手段一樣，用GPS來(lái)反演可降水量，它的誤差是不可避免的?？偟脕?lái)說(shuō)，有以下3個(gè)來(lái)源。1)GPS測(cè)量的誤差。包括電離延遲誤差、接收機(jī)鐘差、多路徑效應(yīng)等測(cè)量誤差。2)靜力延遲量誤差。由于對(duì)流層模式不是很完善，再加上測(cè)量大氣元素氣溫、氣壓等氣象要素的誤差，這些將最終表現(xiàn)在延遲量上，造成對(duì)流層延遲估算不準(zhǔn)確。3)反演誤差。由濕延遲反演到PWV的主要誤差有濕延遲和轉(zhuǎn)換因子誤差。以上三個(gè)方面將綜合影響GPS探測(cè)PWV的最終精度，我們必須注意用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢⑦@些誤差盡量減少，以提高探測(cè)精度。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于地基GPS氣象學(xué)技術(shù)，運(yùn)用GAMIT軟件對(duì)南極地區(qū)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了運(yùn)算處理，獲得可降水量，并且和探空資料進(jìn)行了比對(duì)，得到了較好的結(jié)果。分析了用GAMIT軟件處理GPS數(shù)據(jù)獲得可降水量的技術(shù)要點(diǎn)，實(shí)際解算了2009年南極地區(qū)的9個(gè)站點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)，提取了它們各自的可降水量(PWV)，分別得到了各個(gè)站點(diǎn)的濕分量(ZWD)和PWV的聯(lián)系數(shù)K值。把其中的5個(gè)和探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，畫(huà)出了它們的PWV時(shí)間序列圖，分別從平均偏差、均方差、相對(duì)方差、相關(guān)系數(shù)4個(gè)方面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，總體來(lái)說(shuō)，兩者具有較高的一致性，驗(yàn)證了用GPS技術(shù)在南極地區(qū)探測(cè)PWV的可行性和精度保證。地基GPS氣象學(xué)對(duì)今后南極地區(qū)氣象和氣候研究的參考資料，對(duì)以后的南極水汽交換及其對(duì)冰蓋體積的研究都具有重要的參考意義。