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第 33 卷 第 2 期 2016 年 4 月 海 洋 预 报 MARINE FORECASTS Vol.33,No.2 Apr.2016 DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2016.02.003 基 于 我 国 沿 海 GPS 站 点 数 据 提 取 天 顶 水 汽 含 量 的 方 法 对 比 研 究 卢 勇 夺 1, 刘 思 晗 1, 王 朝 阳 2, 周 东 旭 2 1, 燕 丹 晨 (1. 国 家 海 洋 环 境 预 报 中 心, 北 京 10001;2. 国 家 海 洋 局 第 一 海 洋 研 究 所, 山 东 青 岛 266061) 摘 要 : 基 于 我 国 沿 海 地 基 GPS 数 据 与 海 洋 站 气 象 数 据, 利 用 相 关 干 对 流 层 模 型 湿 对 流 层 模 型 等, 提 取 了 东 海 沿 海 北 茭 崇 武 2 个 GPS 站 天 顶 水 汽 含 量, 并 与 MODIS 水 汽 产 品 数 据 做 比 对 分 析 结 果 表 明 : 干 对 流 层 模 型 与 Beivs 湿 对 流 层 模 型 组 合 而 成 的 提 取 方 法 较 好, 其 平 均 偏 差 小 于 0.50 均 方 根 误 差 小 于 5.10, 其 结 果 检 验 了 沿 海 GPS 提 取 水 汽 含 量 的 可 行 性 与 有 效 性 关 键 词 :GPS; 海 洋 站 ; 水 汽 含 量 ;Bernese 中 图 分 类 号 :P732 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1003-0239(2016)02-0016-06 1 引 言 水 汽 是 大 气 层 重 要 的 动 态 物 理 参 数, 其 对 云 层 降 水 的 形 成 及 演 变 具 有 显 著 效 应, 亦 是 海 - 气 相 互 作 用 的 重 要 因 子, 在 海 洋 气 象 海 洋 环 境 预 报 等 方 面 发 挥 着 不 可 或 缺 的 角 色 全 球 定 位 系 统 (GPS) 北 斗 等 导 航 定 位 系 统 在 气 象 学 上 的 应 用 与 研 究 越 来 越 广 泛 国 内 外 多 位 学 者 利 用 陆 基 GPS [1-4] 开 展 了 提 取 大 气 水 汽 含 量 的 研 究, 已 逐 步 成 为 陆 地 大 气 监 测 的 重 要 手 段 但 现 有 的 GPS 水 汽 提 取 主 要 针 对 大 陆 地 区 GPS 站, 较 少 涉 及 沿 海 海 上 [1] GPS 站, 针 对 我 国 沿 海 地 区 GPS 站 的 水 汽 提 取 研 究 则 更 为 缺 失, 因 此 其 相 关 研 究 工 作 一 定 程 度 上 是 我 国 沿 海 GPS 海 洋 气 象 监 测 应 用 的 基 础 本 文 以 我 国 东 海 沿 海 地 基 GPS 数 据 和 同 步 海 洋 站 气 象 实 测 数 据 为 基 础, 结 合 卫 星 遥 感 理 论 和 MODIS 水 汽 数 据, 开 展 我 国 沿 海 GPS 水 汽 提 取 分 析, 研 究 适 合 我 国 东 部 沿 海 的 GPS 水 汽 提 取 方 法 2 GPS 数 据 处 理 与 方 法 当 GPS 发 出 的 电 磁 信 号 穿 过 大 气 对 流 层 时, 会 受 到 对 流 层 大 气 折 射 的 影 响, 发 生 信 号 延 迟 [5] 对 流 层 延 迟 包 含 两 部 分 : 一 部 分 主 要 是 由 大 气 水 汽 引 起, 称 为 湿 对 流 层 延 迟 ; 另 一 部 分 由 氮 氧 等 水 汽 以 外 的 气 体 引 起, 这 部 分 延 迟 被 称 为 干 对 流 层 延 迟 湿 对 流 层 延 迟 (Zenith Wet Delay,ZWD) 与 信 号 传 播 路 径 上 的 大 气 水 汽 含 量 或 可 降 水 量 (Precipitable Water,PW) 近 似 成 正 比 关 系, 其 关 系 公 式 可 表 示 为 : PW = F ZWD (1) F = 10 6 u R ( k 3 v Tm + k 2 - w k 1 ) (2) 式 中 :F 为 转 换 因 子,u 为 水 的 密 度,R v 为 水 汽 常 量,k 1 k 2 k 3 为 大 气 折 射 因 子, w 为 水 汽 分 子 与 干 空 气 分 子 的 质 量 比,T m 为 对 流 层 加 权 平 均 温 度,T m 与 地 面 温 度 存 在 一 定 关 系, 可 通 过 某 种 模 型 求 解 得 [6] [7] 到, 常 见 T m 模 型 有 Bevis 模 型 毛 节 泰 (Mao) 模 型 收 稿 日 期 :2015-03-13 基 金 项 目 : 国 家 海 洋 局 海 洋 公 益 性 行 业 科 研 专 项 (201105017); 中 国 科 学 院 海 洋 环 流 与 波 动 重 点 实 验 室 开 放 基 金 课 题 (KLOCAW1410) 作 者 简 介 : 卢 勇 夺 (1986-), 男, 工 程 师, 硕 士, 主 要 从 事 海 洋 遥 感 信 息 提 取 与 应 用 研 究 和 数 据 管 理 应 用 平 台 开 发 等 E-mail:luyd@nmefc.gov.cn

2 期 卢 勇 夺 等 : 基 于 我 国 沿 海 GPS 站 点 数 据 提 取 天 顶 水 汽 含 量 的 方 法 对 比 研 究 17 等, 另 外 F 常 取 经 验 值 0.15 [8] 通 过 物 理 变 换, 将 湿 对 流 层 分 量 延 迟 转 化 成 大 气 水 汽 含 量 干 对 流 层 延 迟 (Zenith Dry Delay,ZDD ) 与 气 压 温 度 等 因 素 有 关, 可 利 用 某 种 干 对 流 层 模 型 求 [9] 解 得 到, 干 对 流 层 模 型 有 模 型 [10] [11] [12] Hopfied 模 型 模 型 及 模 型 等 其 具 体 形 式 分 别 如 下 : ZDD S = 0.227 1-0.0026 cos( 2φ) - 0.00028H (3) ZDD H = 1.552(40.082 + 0.14898( T S - 273.16) - H) P S T S P S (4) ZDD B = 0.2343(T S - 4.12) P S T S (5) ZDD E =(2.2779 ± 0.0024) 1-0.00266 cos( φ) - 0.00028H P S (6) 式 (3) (6) 中 :P S 表 示 GPS 站 点 地 面 气 压,φ 表 示 GPS 站 点 纬 度,H 表 示 GPS 站 点 海 拔 高 度,T S 表 示 GPS 站 点 地 面 绝 对 温 度 GPS 对 流 层 延 迟 (Zenith Total Delay,ZTD) 可 通 过 Bernese 处 理 软 件 解 算 得 到, 其 与 干 对 流 层 延 迟 湿 对 流 层 延 迟 的 关 系 可 以 表 示 为 : 含 量 ZTD = ZDD + ZWD (7) 通 过 式 (1) (6) 分 别 求 解 得 到 GPS 天 顶 水 汽 我 国 沿 海 GPS 观 测 系 统 由 分 布 于 我 国 沿 海 海 岸 及 部 分 岛 屿 上 数 十 个 海 洋 站 点 组 成, 为 我 国 沿 海 可 降 水 量 提 取 及 台 风 监 测 奠 定 了 基 础 考 虑 到 我 国 沿 海 台 风 受 灾 情 况 与 GPS 站 点 数 据 连 续 情 况, 我 们 选 取 2013 年 6 10 月 我 国 东 部 沿 海 的 北 茭 崇 武 GPS 站 天 顶 延 迟 及 气 温 气 压 等 数 据 开 展 水 汽 提 取 分 析 研 究 由 于 我 国 沿 海 海 洋 站 尚 未 有 连 续 观 测 的 无 线 电 探 空 仪 水 汽 辐 射 计 等 资 料, 本 文 选 取 了 已 广 泛 应 用 的 MODIS 水 汽 产 品 作 为 检 验 分 析 GPS PW 的 参 考 值, 其 空 间 分 辨 率 为 5 km, 产 品 精 度 约 为 5 本 文 以 平 均 偏 差 (Bias) 均 方 根 误 差 (RMS) 相 关 系 数 (Corr) 等 作 为 评 价 因 子 为 研 究 分 析 不 同 水 汽 提 取 方 法 对 GPS PW 的 影 响, 本 文 利 用 GPS 对 流 层 延 迟 数 据 ZTD 计 算 GPS PW 时, 干 对 流 层 模 型 采 用 了 模 型 Hopfield 模 型 模 型 及 模 型 等, 湿 对 流 层 模 型 ( 模 型 ) 采 用 了 常 数 模 型 (F=0.15) Bevis 模 型 及 Mao 模 型 等 3 分 析 结 果 与 讨 论 基 于 2013 年 6 10 月 北 茭 崇 武 GPS 对 流 层 延 迟 及 气 象 数 据, 本 文 采 用 不 同 水 汽 含 量 提 取 方 法 求 解 GPS 水 汽 含 量 PW, 并 与 MODIS PW 比 对 分 析, 以 检 验 分 析 不 同 水 汽 提 取 方 法 的 可 行 性 与 有 效 性, 相 关 结 果 见 表 1 表 2 表 3 从 表 1 可 见, 在 Tm 为 常 数 模 型 下, 采 用 不 同 干 表 1 Tm 为 常 数 2013 年 6 10 月 北 茭 与 崇 武 GPS PW 与 沿 海 GPS 站 点 北 茭 崇 武 干 对 流 层 模 型 MODIS PW 对 比 结 果 平 均 偏 差 / -3.75-7.34-6.80-3.28-4.22-7.14-6.79-3.88 均 方 误 差 / 5.83 4.27 4.46 4.89 4.42 3.88 3.51 3.95 相 关 系 数 0.759 4 0.870 6 0.857 3 0.825 4 0.823 3 0.884 7 0.905 4 0.859 5 表 2 Bevis Tm 模 型 2013 年 6 10 月 北 茭 与 崇 武 GPS PW 与 沿 海 GPS 站 点 北 茭 崇 武 MODIS PW 对 比 结 果 干 对 流 层 模 型 平 均 偏 差 / -0.03-4.13-3.50 0.42-0.42-3.84-3.39-0.09 均 方 误 差 / 6.11 4.21 4.47 5.03 4.54 3.86 3.58 4.02 相 关 系 数 0.757 7 0.874 3 0.857 6 0.820 2 0.822 9 0.897 3 0.912 4 0.858 2 表 3 Mao Tm 模 型 2013 年 6 10 月 北 茭 与 崇 武 GPS PW 与 沿 海 GPS 站 点 北 茭 崇 武 MODIS PW 对 比 结 果 干 对 流 层 模 型 平 均 偏 差 / 0.11-4.01-3.37 0.56-0.28-3.72-3.26 0.06 均 方 误 差 / 6.13 4.21 4.47 5.04 4.55 3.86 3.59 4.02 相 关 系 数 0.757 4 0.874 4 0.857 6 0.819 8 0.822 8 0.897 7 0.912 6 0.858 1

18 海 洋 预 报 33 卷 对流层模型求解得到的 GPS PW 与 MODIS PW 均 GPS PW 大于 0.82 是由于崇武站与 MODIS 数据空 有 较 好 的 相 关 性 相 关 系 数 均 大 于 0.76 崇 武 站 间匹配更好造成的 其均方根误差 RMS 较小 约 图 1 北茭海洋站 GPS PW 与 MODIS L2 PW 之间比对散点图 (左侧一列 Tm 为常数 中间一列为 Beivs Tm 模型 右侧一列为 Mao Tm 模型)

2期 卢勇夺等 基于我国沿海 GPS 站点数据提取天顶水汽含量的方法对比研究 图 2 崇武海洋站 GPS PW 与 MODIS L2 PW 之间比对散点图 左侧一列 Tm 为常数 中间一列为 Beivs Tm 模型 右侧一列为 Mao Tm 模型 19

20 海 洋 预 报 33 卷 为 4.50 反 映 了 不 同 模 型 提 取 的 GPS PW 与 MODIS PW 精 密 性 较 好 但 不 同 干 对 流 层 模 型 求 解 得 到 的 GPS PW 与 MODIS L2 PW 的 平 均 偏 差 差 别 较 大, 模 型 最 大, 约 为 7.00, 模 型 次 之, 模 型 最 小, 约 为 3.50, 且 均 为 负 值, 反 映 了 利 用 Tm 为 常 数 求 解 GPS PW 时 可 能 存 在 系 统 偏 差, 可 能 是 因 为 该 模 型 未 考 虑 气 温 气 压 变 化 对 大 气 水 汽 含 量 的 动 态 影 响 从 表 2 3 可 见, 在 湿 对 流 层 Bevis Tm 模 型 与 Mao Tm 模 型 下, 不 同 干 对 流 层 模 型 求 解 得 到 的 GPS PW 相 关 结 果 与 Tm 为 常 数 模 型 存 在 较 好 的 相 似 性 表 1 2 3 结 合 可 见, 利 用 不 同 湿 对 流 层 Tm 模 型 求 解 的 GPS PW 与 MODIS PW 对 比 结 果 不 甚 相 同 以 干 对 流 层 模 型 为 例,Tm 为 常 数 模 型 求 解 得 到 的 GPS PW 平 均 偏 差 最 大, 约 为 7.00,Bevis Tm 模 型 与 Mao Tm 模 型 GPS PW 平 均 偏 差 较 小, 均 为 4.00 左 右, 均 为 负 值, 反 映 模 型 求 解 GPS PW 可 能 存 在 系 统 偏 差 ; 同 一 干 对 流 层 模 型 下, 不 同 Tm 模 型 的 GPS PW 均 方 根 误 差 (RMS) 差 别 较 小, 均 为 4.00 左 右 ; 图 1 图 2 分 别 给 出 了 北 茭 崇 武 GPS PW 与 MODIS PW 之 间 比 对 散 点 图 从 图 中 可 以 看 出,2013 年 6 10 月 北 茭 崇 武 两 站 Tm 为 常 数 模 型 与 不 同 干 对 流 层 模 型 结 合 求 解 得 到 的 GPS PW 整 体 上 较 MODIS PW 偏 小, 但 其 散 点 分 布 相 对 集 中, 表 1 GPS PW 与 MODIS PW 的 平 均 偏 差 与 均 方 根 误 差 亦 说 明 了 这 一 点,Beivs Tm 与 Mao Tm 模 型 求 解 得 到 的 散 点 基 本 对 角 线 两 侧 分 布 集 中 从 图 1 图 2 还 可 以 看 出 : 和 模 型 下 与 不 同 Tm 模 型 结 合 求 解 得 到 的 GPS PW 整 体 上 比 MODIS PW 偏 小, 散 点 分 布 相 对 集 中, 表 1 2 3 GPS PW 与 MODIS PW 的 平 均 偏 差 和 均 方 根 误 差 亦 能 说 明 这 一 点, 模 型 散 点 相 对 分 散, 模 型 散 点 对 角 线 两 侧 集 中 分 布 综 上 所 述, 不 同 干 对 流 层 模 型 与 湿 对 流 层 模 型 相 组 合 求 解 得 到 的 GPS PW, 与 MODIS PW 相 比, 其 平 均 偏 差 均 方 根 误 差 与 相 关 系 数 存 在 一 定 差 异 模 型 与 Tm 为 常 数 模 型 组 合 求 解 得 到 的 GPS PW 平 均 偏 差 最 大, 大 于 7.10, 其 均 方 根 误 差 约 为 4.30, 初 步 判 定 其 模 型 组 合 存 在 一 定 系 统 偏 差, 未 考 虑 气 温 等 因 素 对 水 汽 提 取 的 影 响 ; 模 型 与 湿 对 流 模 型 组 合 求 解 的 GPS PW 平 均 偏 差 较 小, 但 均 方 根 误 差 较 大, 分 布 相 对 发 散 ; 模 型 与 湿 对 流 层 模 型 组 合 求 解 的 GPS PW 均 方 根 误 差 较 小, 分 布 相 对 集 中, 但 平 均 偏 差 较 大 ; 模 型 与 Beivs 模 型 组 合 求 解 的 GPS PW 平 均 偏 差 较 小, 其 值 小 于 0.6, 均 方 根 误 差 约 为 4.00, 分 布 较 为 集 中, 整 体 而 言, 沿 海 GPS 站 点 水 汽 含 量 提 取 宜 这 一 模 型 组 合 4 结 论 与 展 望 利 用 我 国 东 部 沿 海 北 茭 与 崇 武 海 洋 站 GPS 站 2013 年 6 10 月 监 测 的 天 顶 对 流 层 延 迟 数 据 和 气 象 数 据 等, 采 用 不 同 水 汽 含 量 提 取 方 法 求 解 GPS PW, 并 与 MODIS PW 进 行 比 对 分 析, 检 验 了 GPS 不 同 水 汽 含 量 提 取 方 法 求 解 的 GPS PW 的 可 行 性 与 有 效 性, 得 到 如 下 结 论 : (1) 不 同 干 对 流 层 模 型 对 GPS PW 均 方 根 误 差 影 响 不 大, 但 对 GPS PW 平 均 偏 差 具 有 较 为 显 著 影 响 与 MODIS PW 相 比,Hopfield 模 型 求 解 的 GPS PW 平 均 偏 差 最 大, 模 型 平 均 偏 差 次 之. 模 型 平 均 偏 差 最 小 ; (2) 不 同 湿 对 流 层 模 型 的 GPS PW 平 均 偏 差 存 在 一 定 差 异, 但 均 方 根 误 差 区 别 不 大,Bevis Tm 模 型 与 Mao Tm 模 型 GPS PW 平 均 偏 差 较 小 ; (3) 不 同 水 汽 含 量 提 取 方 法 求 解 得 到 的 GPS PW 平 均 偏 差 均 方 根 误 差 存 在 一 定 差 异, 整 体 而 言, 模 型 与 Beivs 模 型 组 合 而 成 的 水 汽 含 量 提 取 方 法 平 均 偏 差 均 方 根 误 差 均 较 小, 适 于 我 国 东 部 沿 海 GPS 水 汽 提 取 ; 在 下 一 步 研 究 中, 我 们 将 开 展 湿 对 流 层 模 型 加 权 平 均 温 度 的 本 地 化 订 正 研 究, 以 进 一 步 提 高 GPS PW 的 提 取 精 度, 为 GPS 海 洋 气 象 研 究 应 用 等 提 供 参 考 参 考 文 献 : [1] Xu G R, Cui C G, Wan R, et al. Applicability of Methods for Estimating GPS Precipitable Water in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2012, 89: 76-82. [2] 张 化 疑, 刘 焱 雄, 周 兴 华, 等. 渤 海 区 域 对 流 层 加 权 平 均 温 度 研 究 [J]. 测 绘 信 息 与 工 程, 2010, 35(4): 1-2.

2 期 卢 勇 夺 等 : 基 于 我 国 沿 海 GPS 站 点 数 据 提 取 天 顶 水 汽 含 量 的 方 法 对 比 研 究 21 [3] 李 国 平. 地 基 GPS 遥 感 大 气 可 降 水 量 及 其 在 气 象 中 的 应 用 研 究 [D]. 成 都 : 西 南 交 通 大 学, 2007. [4] 何 平, 徐 宝 祥, 周 秀 骥, 等. 地 基 GPS 反 演 大 气 水 汽 总 量 的 初 步 试 验 [J]. 应 用 气 象 学 报, 2002, 13(2): 179-183. [5] 丁 金 才. GPS 气 象 学 及 其 应 用 [M]. 北 京 : 气 象 出 版 社, 2009: 11-18. [6] Bevis M, Businger S, Chiswell S, et al. Gps Meteorology: Mapping Zenith Wet Delays Onto Precipitable Water[J]. Journal of Applied Meteorology, 1994, 33(3): 379-386. [7] 毛 节 泰, 李 建 国. 使 用 GPS 系 统 遥 感 中 国 东 部 地 区 水 汽 分 布 原 理 和 回 归 分 析 [C]// 全 球 定 位 系 统 气 象 学 (GPS/MET) 研 究 论 文 汇 编. 北 京 : 中 国 气 象 局 国 家 卫 星 气 象 中 心, 1997. [8] 刘 焱 雄, 陈 永 奇. 地 基 GPS 技 术 遥 感 香 港 地 区 大 气 水 汽 含 量 [J]. 武 汉 测 绘 科 技 大 学 学 报, 1999, 24(3): 245-248. [9] J. Contributions to the Theory of Atmospheric Refraction. Part II. Refraction Corrections in Satellite Geodesy[J]. Bulletin Géodésique (1946-1975), 1973, 107(1): 13-34. [10] Hopfield H S. Tropospheric Effect on Electromagnetically Measured Range: Prediction from Surface Weather Data[J]. Radio Science, 1971, 6(3): 357-367. [11] H D, Eisner A. Correcting Satellite Doppler Data for tropospheric Effects[J]. Journal of Geophysical Research, 1984, 89(D2): 2616-2626. [12] G, Davis J L, Herring T A, et al. Geodesy by Radio Interferometry-Water Vapor Radiometry for Estimation of the Wet Delay[J]. Journal of Geophysical Research, 1991, 96(B4): 6541-6555. Extracting methods comparison of zenith precipitable water from China's coastal GPS station data LU Yong-duo 1, LIU Si-han 1, WANG Zhao-yang 2, ZHOU Dong-xu 2, YAN Dan-chen 1 (1.National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081 China; 2. The First Institute of Oceangraphy,State Oceanic Administration, Qingdao 266061 China) Abstract:Based on GPS data and marine station meteorological data along China coastal sea, the dry tropospheric model and wet troposphere delay model, the zenith PW at Bei Jiao and Chong Wu GPS stations located in the East China Sea coast was extracted and compared with water vapor data from MODIS. The results showed that, assembly of s dry tropospheric delay model and Bevis wet troposphere delay model could be better. The smallest Bias was less than 0.50 and RMS was less than 5.10, which verified the extracting PW from China coastal GPS data. Key words:ground-based GPS; marine atation; precipitable water; Bernese