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武汉地区GPS气象网应用研究


第36卷第2期 2007年5月

测绘学报
ACTA GEODAETICA
et

V01.36.NO.2 May,2007

CARTOGRAPHICA SINICA

文章编号:1001.1595(2007)02—0141—05

中图分类号:P228.4<

br />
文献标识码:A

武汉地区GPS气象网应用研究


勇1,2,4,柳林涛1,郝晓光1,肖建华3,王厚之3,许厚泽1

(1.中国科学院测量与地球物理研究所,湖北武汉430077;2.河北理工大学交通与测绘学院,河北唐山063009;3.武 汉市勘测设计研究院,湖北武汉430022;4.中国科学院研究生院,北京100049)

http://www.konlan.com.cn/

The Application Study of the GPS

Meteorology

Network in

Wuhan

Region

WANG Yon91'2…,LIU Lin-ta01,HAO Xiao—guan91,XIAO Jian—hua3,WANG Hou—zhi3,XU Hou—zel
(1.Institute

of Geodesy&Geophysics Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430077,China;2.College of Traffic and Surveying Engineering and Surveying Institute,Wuhan

Hebei Polytechnic University,Tangshan 063009,China;3.Wuhan Geotechnical 430022,China;4.Graduate School

of Chinese Academy of Science,BeQing 100049,China)

Abstract:There

are

three applications

to

the GPS Meteorology Network in

Wuhan

Region.Firstly

it is the

computa—

tion of the model of the weighted mean temperature of the atmosphere in

Wuhan Region with the radiosonde data of
wa—

Wuhan,which is different from the model of Bevis.Then the article deducts the rehable research of precipitable
ter

of the GPS Meteorology Network in vapor
root

Wuhan Region.With the comparison of GPS precipitable
mm and the correlative

water

vapor

and the data of radiosonde,the the utilization of monitoring

mean square is 3.9

coefficient is 0.933.In the end it is
the GPS precipitable
water

the conversion

of autumn in

Wuhan

Region with
was

vapor, 1 1‘“

which the beginning of the conversion of autumn in hour,263 day.

Wuhan Region

14m hour

in 262 day and ending in


Key words:GPS Meteorology Network in Wuhan Region;weighted mean temperature of the atmosphere;preeip—
itable
water

vapor;radiosonde

摘要:针对武汉地区GPS气象网进行了3方面的应用研究。首先为利用武汉地区的无线电探空资料推算了
适合武汉地区的大气加权平均温度计算模型,该模型与Bevis模型存在一定的区别;其次为武汉地区GPS气象

网的可降水量的可靠性研究,将GPS可降水量与无线电探空数据比较,得到两者差值的均方根为3.9 mm,相
关系数为0.933。最后为武汉地区GPS气象网的可降水量序列对武汉地区2005年入秋季节的转换进行了监 测,得到武汉地区的入秋转换为2005年262日14时开始,263日11时完成。 关键词:武汉地区GPS气象网;大气加权平均温度;可降水量;无线电探空

1引言
水汽随时空的变化对气象预报特别是水平尺 度100 km左右、生命史只有几个小时的中小尺 度灾害性天气(暴雨、冰雹、雷雨、龙卷风等)的监 视和预报有特别重要的意义L1,2 J。将地基GPS监 测的连续Pwv同化到数值天气预报模式中,也 可提高数值预报模式初始场的精度。30 min甚 至更短的采样率使得GPS.PwV特别适合为快速 推断恶劣的雷暴雨天气提供资料。为了更加充分

利用现有的连续运行卫星定位服务系统资源和服 务于短期中小尺度灾害性天气的监视和预报,很 有必要对现行的连续运行卫星定位服务系统进行 GPS气象学的研究。 http://www.zglmm.com/ 湖北位于长江中下游地段,由于梅雨季节、夏 季集中暴雨期、秋汛造成的连日暴雨、大暴雨、特 大暴雨给湖北省造成了严重的洪涝灾害,1999年 的汛期造成的各类直接经济损失达96.74亿 元[3]3。武汉地区GPS气象网研究在武汉市勘察 设计研究院建立的GPS—CORS系统基础上,并人

收稿日期:2006.06.06;修回日期:2007一01—29

基金项目:中国科学院百人计划项目;国家自然科学基金项目(40574009) 作者简介:王勇(1978一),男,江西宁都人,研究方向为GPS气象学和GPS数据处理。

E-m缸:wangyong@asch.whigg.ac.cn

万   方数据

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中科院测量与地球物理研究所的九峰站、湖北省 气象局的咸宁站进行研究。 相对于无线电探空仪、微波辐射计、卫星观测 等常规方法GPS技术应用于探测地球大气中的 水汽,具有以下优点:时间分辨率高;精度高;仪器 价格低廉;全天候观测等。GPS气象学(GPS.Me. teorology)1992年由Michael Bevis提出。地面 GPS探测大气基本原理Hj:综合各种技术,得到 精确站坐标和精密GPS卫星轨道(由IGS分析中 心解算出),反求噪声的大气效应(其中主要是湿 大气影响),并作为气象研究中的有用信号,与气 象参数相联系,得到可降水量(气候研究和天气预 报中很重要的参数)。 http://www.yhkssb.com/ GPS反演可降水量的过程如下:①计算对流 层延迟,在载波相位观测方程b J中将对流层延迟 作为未知参数,在解算结果中对流层延迟作为 GPS处理结果的改正值得到;②分离出对流层湿 延迟,根据测站大气压和测站位置坐标采用干延 迟模型【4,6,7J计算干延迟,对流层延迟与干延迟差 值即为湿延迟;③计算可降水量,通过湿延迟与 可降水量之间的函数关系№娟j可以求出可降水
量。

站基线最长为91

371.49

m,最短为7

719.707

in,

平均基线长度为48

100 m。

图1武汉地区GPS气象网
Fig.1 GPS Meteorology Network in

Wuhan Region

3武汉地区大气加权平均温度乙研究
GPS对流层延迟转化为可降水量的最大误 差在于湿延迟与可降水量的转化,而湿延迟转化 为可降水量主要有两种方法:
1.方法一:
PWV=n*ZWD

在GPS反演的湿延迟、可降水量的可信度方 面,很多学者对其与水汽辐射计、无线电探空数据 进行比较∽ ̄11|,得到了GPS可降水量可以达到 与水汽辐射计、无线电探空接近的精度,可以进行 可降水量的预报。作者在对武汉地区GPS气象 网GPS数据处理时,分别采用了精密星历和快速 预报星历计算对流层延迟,发现两者结果数值基 本一致,相关性也达到了99%[12 J,说明GPS解算 中星历的影响不是很大,下文采用了精密星历解 算GPS数据。

(1)

1I=10—6(k3 Tml+k2’)R。

(2)

式(1)中,Ⅱ为对流层湿延迟与可降水量的转换系 数,式(2)中k3,k27,R。均为常数,关键就是确定 大气加权平均温度丁。。 2.方法二也是一种通用方法,就是将转换系 数取为一常数,为0.156,该方法得到的结果要稍 差一些。 大气加权平均温度r。的计算主要有两种模 型:①Bevis利用探空仪数据推出的适合于中纬 度(27。N一65。N)地区的线性回归公式r。=70.2
+0.72

2武汉地区GPS气象网简介
武汉地区GPS气象网主要由8个GPS测站 组成,分别为汉口(WHHK)、东湖(WHDH)、汉南 (WHHN)、新洲(WHXZ)、蔡甸(WHCD)、黄陂 (WHHP)、九峰(WHJF)、咸宁(HBXN),其中前面 6个GPS测站已经于2005年7月正常运行,成宁 站2005年12月正常运行。武汉地区GPS气象
网图见图1。

Ts[41;②李建国利用MM4中尺度气象模

式输出的各网格点上的温、湿参数,用统计回归的 方法,确定了适合我国东部地区的回归公式【16]
T。=44.05+0.81 T,。

由于本文处理的GPS数据为2005年9。11 月数据,咸宁站当时还未启用,故本文主要针对武 汉地区的GPS测站组成的网络进行处理,GPS测

在此我们探讨武汉地区区域性的大气加权平 均温度丁。的计算模型,采用武汉地区的无线电 探空数据推算武汉地区的大气加权平均温度丁。

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计算公式,以此公式计算GPS可降水量,再与无 线电探空结果比较来检验该公式的精确度。 通过探空资料推算r。的公式[17]如下:

地区GPS气象试验网的GPS数据一起解算,这 样得到的对流层延迟为独立估计值。 GPS数据处理完成后,对流层延迟可以从解 算结果中提取出来,利用Saastimoinen模型结合 气压数据、测站坐标可以算出对流层干延迟,对流 层延迟与干延迟作差得到湿延迟,经过转换可以 得到可降水量。为了检验GPS可降水量的可靠 性,选取了东湖(WHDH)站的GPS可降水量作为 研究对象,将GPS可降水量(武汉地区丁。模型解 算的GPS可降水量、Bevis模型推算的GPS可降水 量)与无线电探空可降水量进行比较,见图2。

f譬dz
”』

∑百Pvi.Ahi
ta)


h—f景d彳一∑面Pvi.Ahi


式(3)中,丁。为大气加权平均温度(K);Pvi为 第i层大气的平均水汽压(hDa);Ti为第i层的大 气平均温度(K);Ahi为第i层的大气层厚度m)。 根据无线电探空的观测数据(2005年第244 日至282日),可以计算出每次观测时问的大气加 权平均温度丁。。以r。实际值为因变量,地面温 度t为自变量,通过回归分析建立大气加权平 均温度丁。与地面温度t的回归模型,回归模型 如下: http://www.daocheleid.com/
T。=170.76+0.382Ts

由此可以看出,武汉地区丁。回归模型与Be— vis模型存在一定的不同。


GPS可降水量的可靠性研究
为了武汉地区GPS气象网的正常运行与使
图2
Fig.2

GPS可降水量与无线电探空可降水量的比较
Comparisons of GPS/PWV

用,首先需要对该网GPS可降水量的可靠性进行 检验。本文采用了无线电探空可降水量、武汉地 区r。模型解算的GPS可降水量,Bevis模型推 算的GPS可降水量进行比较,根据比较结果来分 析GPS可降水量的可靠性程度。 GPS可降水量的获取首先需要求得GPS对 流层延迟,再利用大气压、温度数据根据一定的模 型转换为可降水量。对流层延迟的解算利用武汉 地区GPS气象网2005年第283日至326日(年 积日)的GPS测站数据,采用高精度定位定轨软 件GAMIT和IGS精密星历、计算方式采用松弛 解模式(RELAX)解算出测站天顶对流层延迟,逐 天解算。GPS数据的采样间隔为30 S,每天的观 测时问为UTC时间00:00~24:00。在用 GAMIT处理GPS数据时,基线长度应长于
500

and Radiosonde/P形y

图2中GPS/PWV(Wuhan)曲线代表 WHDH站的武汉地区丁。模型解算的GPS可降 水量,GPS/PWV(Bevis)曲线代表Bevis模型解算 的GPS可降水量,Radiosonde/PWV曲线代表无 线电探空可降水量。在GPS可降水量与无线电 探空的比较中,可以发现两者在数值上非常接近, 在发展趋势上也一致。计算两者间的均值、均方 根和相关系数,结果见表1。
表1
Tab.1

GPS可降水量与无线电探空可降水量的比较 o哪|p疆is蛐s
of

GPS/PWV

and

Radiosonde/PWV

GPS/PWV(Wuhan).Ra.GPS/PWV(Bevis)一
diosonde/.P形y Radiosonde/P形y

km,这样得到的各测站的湿延迟是独立的估 在WHDH站GPS可降水量与无线电探空的 比较中,GPS可降水量与无线电探空可降水量在 数值上和发展趋势上比较接近,这也证明了武汉 地区GPS气象网GPS可降水量的可靠性,同时 也说明了武汉地区r。计算模型的可用性。武汉

计值;否则,结果会有偏差,这个偏差对于整个 GPS网来说是一个常数(时间函数,与空间无 关),从而得到的湿延迟为测站问的相对估计 值[2,7,” ̄1 5|。为了使求解出来的对流层延迟为 独立的估计值,本研究添加了北京房山(BJFS)、 上海(SHAO)、拉萨(LHAS)3个IGS站,与武汉

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144

测绘学报

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地区丁。计算模型虽然与Bevis模型存在明显的 不同,但在与无线电探空结果的比较中,两者达到 的精度基本相同。

换进行了监测,每1小时给出一组武汉地区GPS 网测站上空可降水量的变化值,GPS可降水量序 列可以反映出武汉地区入秋季节变换的详细过 程。提取2005年255~274日武汉地区GPS气 象网各测站的可降水量值,绘制可降水量变化图,
见图3。

5武汉地区人秋季节的转换监测
利用连续运行的武汉地区GPS气象网的 GPS观测资料对武汉地区2005年的入秋季节转

图3武汉地区GPS气象网监测入秋季节的转换
Fig.3 Monitor of the conversion of autumn of GPS Meteorology Network in

Wuhan

Region

由图3可以看出,在第262日至263日GPS 可降水量序列急剧下降,各测站可降水量值在这 一天内至少下降了10 mm,可降水量值在入秋前 后有明显的季节差异。为了更好地说明人秋季节 变化,选取WHDH站进行分析,从图3可以看出, GPS可降水量在入秋前后有明显的季节差异, WHDH可降水量平均值入秋前60 mm,人秋后
46

得到以下结论:

1.推算了适合武汉地区的大气加权平均温 度计算模型,模型为T。=170.76+0.382T,; 2.武汉地区的大气加权平均温度模型推算 的GPS可降水量与无线电探空可降水量的比较, 两者差值的均方根为3.9 mm,相关系数为 0.933,这说明了武汉地区GPS网GPS可降水量 可以满足气象应用的要求。 3.通过武汉地区GPS气象网的可降水量序 列对武汉地区2005年人秋季节的转换进行了监 测,得到武汉地区的人秋转换为2005年262 14时开始,263 13 11时完成。 致谢:感谢湖北省气象局王海军、武汉市勘测设计 研究院李江卫提供无线电探空资料和GPS数据!
13

mm,入秋季节为第262

13

14时开始,263日

11时结束。

6结论
本文主要进行了三方面问题的探讨:①武汉 地区大气加权平均温度的研究,得到适合武汉地 区的大气加权平均温度模型;②以武汉地区的大 气加权平均温度模型推算GPS可降水量、Bevis 模型计算的可降水量与无线电探空数据进行比 较,进行武汉地区GPS气象网GPS可降水量的 可靠性研究;③武汉地区入秋季节的转换监测。

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(责任编辑:丛树平)

万   方数据

武汉地区GPS气象网应用研究
作者: 作者单位: 王勇, 柳林涛, 郝晓光, 肖建华, 王厚之, 许厚泽, WANG Yong, LIU Lin-tao, HAO Xiao-guang, XIAO Jian-hua, WANG Hou-zhi, XU Hou-ze 王勇,WANG Yong(中国科学院,测量与地球物理研究所,湖北,武汉,430077;河北理工大学,交 通与测绘学院,河北,唐山,063009;中国科学院,研究生院,北京,100049), 柳林涛,郝晓光 ,许厚泽,LIU Lin-tao,HAO Xiao-guang,XU Hou-ze(中国科学院,测量与地球物理研究所,湖 北,武汉,430077), 肖建华,王厚之,XIAO Jian-hua,WANG Hou-zhi(武汉市勘测设计研究院 ,湖北,武汉,430022) 测绘学报 ACTA GEODAETICA ET CARTOGRAPHICA SINICA 2007,36(2) 3次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

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引证文献(3条) 1.王晓英.宋连春.戴仔强.曹云昌 香港地区加权平均温度特征分析[期刊论文]-南京信息工程大学学报 2011(1) 2.宋玉珍.刘炼 利用GPS探测海洋大气环境和大气波导[期刊论文]-舰船电子工程 2010(7) 3.岳迎春.明祖涛.俞艳 南极长城站与IGS站组网解算的最佳站数探讨[期刊论文]-测绘科学 2009(4)

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