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能量，對低層大氣的化學(xué)作用也有影響，我們設(shè)法利用GPS定位中的誤差源來反演大氣中的水汽。文章選自：《黑龍江氣象》是由中華人民共和國新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。自創(chuàng)刊以來，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優(yōu)秀期刊獎，現(xiàn)中國期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫全文收錄期刊。

　　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)通過其他方法確定，則可從GPS接收機(jī)測量的衛(wèi)星信號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，GPS數(shù)據(jù)處理按照4個步驟進(jìn)行。首先是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，包括GPS觀測數(shù)據(jù)(rinex格式的o文件)、廣播星歷(brdc文件)、精密星歷文件(igs)、氣象觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)表文件;接著用GAMIT軟件處理各時段GPS的觀測數(shù)據(jù)，得到一個基線解算文件;然后用GLOBK(卡爾曼濾波)進(jìn)行多時段綜合解算，以得到網(wǎng)平差的結(jié)果及各個測站的平均坐標(biāo)和速度等參數(shù);最后把精確的測站坐標(biāo)帶回GAMIT，對待求測站進(jìn)行強(qiáng)約束，反演對流層的天頂延遲，得到可降水量。如果解算時發(fā)現(xiàn)各個時段的坐標(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)采取引入長距離測站的方式獲得絕對PWV。本次實(shí)驗(yàn)參與解算的站包括7個IGS站，分別是VESL，SYOG，MAW1，DAV1，CAS1，DUM1，MCM4;此外，還有中國的兩個南極跟蹤站長城站GRW1和中山站ZHN1(如圖3所示)。為了在解算時較精確地得到可降水量，我們從SOPAC網(wǎng)站上查到2009年7個IGS站的精確坐標(biāo)，長城站和中山站的坐標(biāo)可以通過解算得到。這樣在解算時對坐標(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解算一年的數(shù)據(jù)，就可以自動解算出9個站一年的數(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。由于參與計算的天數(shù)有365d，要比對的站有5個，逐天逐條每個站下命令將很麻煩。這時，可以利用Linux系統(tǒng)的SHELL的功能，編寫一個小程序，實(shí)現(xiàn)三重循環(huán)。用VI編輯器編寫一個三重循環(huán)，以CAS1站為例，編寫一個名為xunhuan.sh的文件，然后通過命令chmod使之成為可執(zhí)行文件，具體命令為:Chmod+xxunhuan.sh。通過調(diào)用./xunhuan.sh來批量執(zhí)行幾百條命令，這樣就比較方便，其他幾個站以此類推。得到各個站點(diǎn)每天的可降水量，然后通過grep命令提取各個站點(diǎn)的可降水量。通過數(shù)據(jù)的整理分析，每個站點(diǎn)整理出一個可降水量文件。

　　3.2.2GPS/PWV與探空Radio/PWV的比較

　　目前，世界氣象部門對大氣中水汽的探測主要還是依賴于探空氣球的探測，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個站中有5個附近同時安裝有探空站，分別是SYOG，DAV1，CAS1，DUM1，MCM4。下面將就這5個站解算出的GPS/PWV和探空PWV進(jìn)行比較，其中探空PWV數(shù)據(jù)可以從美國懷俄明州大學(xué)的網(wǎng)站上下載。把2009年5個站點(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畫出GPS/PWV的時間序列圖，以及GPS/PWV減去Radio/PWV的差值的時間序列圖。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)除個別點(diǎn)外，GPS/PWV比探空Radio/PWV系統(tǒng)性偏大，這說明用GPS探測水汽有偏高的跡象，并且當(dāng)PWV值偏大時，GPS所測的數(shù)值會表現(xiàn)的更敏感一些，也就是說當(dāng)絕對PWV較小時兩者更為接近。2)圖像顯示PWV兩端較大。差不多是年積日的0～50和300～365這兩個范圍PWV較大，這個時間段恰好是南極的夏天，天氣較為濕潤，出現(xiàn)降雨的可能性大些，這樣和實(shí)際降水測量較為一致，解算的結(jié)果正確地反映了降水量的變化趨勢，體現(xiàn)了解算的合理性和正確性。個別站點(diǎn)如CAS1站和SYOG中間也有一段時間(150～200d)PWV也偏大，這與南極部分地區(qū)季風(fēng)性氣候有關(guān)，造成這一時段降水天氣的可能性增大。由上述5個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。總的來說，5個站點(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)計方面分別進(jìn)行定性分析。1)從平均偏差來看從表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水汽方法本身的精度密切相關(guān)。2)從均方差和相對方差來看從表1中數(shù)據(jù)可以看出，除SYOG站外，其他4個站的均方差都在0.9mm以內(nèi)，說明利用GPS觀測資料反演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，一般來說，平均偏差大的，均方差也偏大。5個站的相對方差，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，對中山站的可降水量有著較大的參考價值。在檢驗(yàn)GPS/PWV的精度時，不能單純以均方差大小衡量GPS/PWV的精度，還要結(jié)合相對方差的大小。3)從相關(guān)系數(shù)來看從表1可以看出，用GPS和探空兩種方法計算的PWV相關(guān)系數(shù)很高，都在92%以上，說明GPS/PWV和Radio/PWV在變化上有很好的一致性，即使偏差較大的SYOG站也不會像其他3個指標(biāo)那樣表現(xiàn)明顯。這充分說明了用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)該把一年分成幾個季節(jié)或按月份來分別進(jìn)行統(tǒng)計分析。但由于南極地區(qū)的絕對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

　　和任何一種測量手段一樣，用GPS來反演可降水量，它的誤差是不可避免的。總得來說，有以下3個來源。1)GPS測量的誤差。包括電離延遲誤差、接收機(jī)鐘差、多路徑效應(yīng)等測量誤差。2)靜力延遲量誤差。由于對流層模式不是很完善，再加上測量大氣元素氣溫、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。以上三個方面將綜合影響GPS探測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，以提高探測精度。

　　4結(jié)束語

　　本文基于地基GPS氣象學(xué)技術(shù)，運(yùn)用GAMIT軟件對南極地區(qū)的GPS觀測數(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，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)，分別得到了各個站點(diǎn)的濕分量(ZWD)和PWV的聯(lián)系數(shù)K值。把其中的5個和探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，畫出了它們的PWV時間序列圖，分別從平均偏差、均方差、相對方差、相關(guān)系數(shù)4個方面進(jìn)行了統(tǒng)計分析，總體來說，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PWV的可行性和精度保證。地基GPS氣象學(xué)對今后南極地區(qū)氣象和氣候研究的參考資料，對以后的南極水汽交換及其對冰蓋體積的研究都具有重要的參考意義。