用中国地区ERA-Interim资料计算ZTD和ZWD的精度分析*

马志泉 陈钦明 高德政

(1)西南科技大学环境与资源学院，绵阳 621010 2)中国科学院上海天文台，上海 200030 3)中国科学院研究生院，北京100039)

用中国地区ERA-Interim资料计算ZTD和ZWD的精度分析*

马志泉1)陈钦明2，3)高德政1)

(1)西南科技大学环境与资源学院，绵阳 621010 2)中国科学院上海天文台，上海 200030 3)中国科学院研究生院，北京100039)

对欧洲中尺度气象预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim资料在中国地区的可行性和精度进行了评估分析，探讨了ERA-Interim资料计算对流层天顶总延迟(ZTD)和湿延迟(ZWD)的处理方法，并和全国28个GPS台站实测值计算的ZTD和ZWD进行比较。结果显示ECMWF资料计算ZTD的总体平均偏差和中误差分别约为-1 cm和2 cm，ZWD在BJFS和LHAS站的偏差和中误差绝对值分别约为1 cm和1.6 cm。

ECMWF;GPS;InSAR;ZTD;ZWD

1 引言

在对地观测技术中，对流层大气延迟是无线电信号的重要误差源，随着基于气象观测的数值预报资料精度的提高，可以用其进行对流层大气延迟研究。欧洲和北美相关研究人员已将欧洲中尺度气象预报中心(ECMWF)和美国国家环境预报中心(NCEP)数据用于研究导航定位中的对流层延迟改正，建立了一些用于欧盟和北美地区的对流层延迟改正模型和映射函数模型［1-5］。A W Moore等人［6］研究了融合ECMWF和GPS数据建立的SBLM (Stretched Boundary Layer Model)模型用于InSAR对流层延迟改正，国内外多位研究人员也对InSAR对流层延迟改正做了多方面研究，研究结果表明将ECMWF资料用于 InSAR有助于提高结果的精度［7-11］。

ECMWF向全球用户提供了最新的全球大气数值预报再分析资料(ERA-Interim)，是继早期资料(如EAR-15，EAR-40)后的新产品，其作用在于提供ECMWF早期产品和新一代产品之间的衔接，目的是对EAR-40等资料进行完善，从而逐渐取代ERA-40［12］。Balsamo G等人［13］2010年对ERA-Interim降雨量资料在美国地区的精度进行了首次评估，C.Szczypta等人［14］2011年对ERA-Interim降雨量，温度和湿度资料在法国地区的适用性进行了分析验证，发现总体精度较好，但在山区和近海等地区精度有待提高［14］。中国地区ERA-Interim关于对流层大气延迟的相关气象资料还有待验证，切需要对其进行评估分析。本文对中国地区ERA-Interim资料计算对流层天顶总延迟(ZTD)和对流层天顶湿延迟(ZWD)的精度情况进行了分析，为该资料用于中国地区GNSS导航定位，InSAR对流层延迟改正和GNSS气象学研究等提供参考。

2 数据

本文使用的ERA-Interim资料为2004年分层气象资料，时间分辨率为6小时(每天0，6，12，18 UTC有气象参数值)，平面分辨率为1.5°×1.5°，垂向分辨率为37层(顶层高度约为47 km)，每层包括位势高度、温度、比湿、相对湿度和气压。

采用中国地壳运动监测网络GPS基准站2004年观测数据，利用GAMIT/GLOBK完成ZTD解算。计算中采用分段线性模型进行对流层天顶延迟和水平梯度估计，每2小时估计1个ZTD，每24小时观测时段估计1个东西向梯度和1个南北向梯度。由此获得每个GPS基准站时间分辨率为2小时的ZTD时间序列［15］。

3 处理方法

3.1 对流层天顶总延迟处理方法

文献［15］采用积分方法和Saastamoinen方法分别对ECMWF资料计算ZTD的精度进行了分析，结果表明采用积分方法能得到精度较高的ZTD。在用ECMWF资料计算GPS台站位置ZTD的内插方法中，待插值点和附近4个最近格网点的高度一般不相等，传统的反距离加权方法没有考虑大气延迟随高度变化的物理特性，导致插值精度较低。文献［10］考虑了一种改进的反距离加权内插法，采用南加里福利亚GPS综合网实测ZTD内插到待插值点，能得到偏差和标准差分别为1.3 cm和6.5 cm的平均精度，但这种方法最优影响因子较难确定;文献［15］利用ECMWF资料，采用积分法结合最近格网点方法，并从分析ZTD递减率特点来进行高程改正，能得到偏差和中误差分别为-1.1 cm和2.4 cm的平均精度，但递减率和时空分布有很大关系，较难精确确定待插值点递减率。

本文针对ERA-Interim资料的特点，探讨两类数据处理方法(传统处理方法和改进方法)，并以GPS台站实测值计算的ZTD(GPS ZTD)作为参考，评估EAR-Interim资料计算ZTD(ECMWF ZTD)的精度。

传统处理方法:先用积分法算出地面上格网点的ZTD，公式为:

ZTDint_sfc为地面格网点上的ZTD值，h_sfc为地面格网点高度，h_top为ECMWF资料顶层高度，N为总折射率，ZTDtop为格网点顶层以上的ZTD值，其具体计算方法可见文献［15］。在地面格网点上积分出ZTD后，再采用传统反距离加权方法(IDW)［10］内插到待插值点上，本文把这种方法简称为IDWc(Inverse Distance Weighted Custom)。

改进方法:不精细分析对流层大气延迟随高度变化的物理特性，用积分方法算出格网点上给定待插值点高度的ZTD，其公式为:

式中ZTDint_given为格网点给定的待插值点高度上的ZTD值，h_given为给定的待插值点的高度。积分出格网点上给定高度的ZTD后，再采用反距离加权方法和Kriging方法［7］内插出待插值点位置的ZTD，分别把这种方法简称为 IDWm(Inverse Distance Weighted Modified)和Kriging。

3.2 对流层天顶湿延迟处理方法

本文对ECMWF资料计算对流层天顶湿延迟(EMWF ZWD)方法的可行性进行探讨，采用积分方法计算ECMWF ZWD，所用的公式为:

k1=77.604 K/Pa，k2=64.79 K/Pa，k3=377 6000.0 K2/Pa。Nw是水汽折射数，P是大气压，e是水汽压，h是比湿。计算出湿折射数后，计算ZWD的公式为:

式中Nwi为第i层的大气湿折射数，Δsi为第i层的高度。在计算出格网点上待插值点高度后，采用反距离加权方法［7］内插到待插值点上。

IGS为本文提供了 BJFS和 LHAS两个台站2004年的实测气象资料，对其采用Saastamoinen模型方法［16］计算对流层天顶干延迟(ZDD)，在GPS ZTD中减去ZDD，就可以计算出GPS台站位置的天顶湿延迟(GPS ZWD)。

4 分析讨论

研究采用3种处理方法(IDWc，IDWm，Kriging)计算GPS台站位置的ZTD，与中国地区28个台站2004年实测资料计算的ZTD和ZWD进行比较，求其残差值，在此基础上对ERA-Interim资料计算ZTD和ZWD的精度情况进行分析。

首先对比分析了28个台站上3种方法计算的GPS ZTD和ECMWF ZTD时间序列，图1是BJFS、SHAO、TASH和LHAS 4个站的时间序列，浅灰色叉号代表GPS ZTD，星号代表用传统处理方法计算得到的ZTD(IDWc ZTD)，圈号代表用第一种改进方法计算得到的ZTD(IDWm ZTD)，点号代表用改进方法计算得到的ZTD(Kriging ZTD)。

图1表明在BJFS和SHAO站3种方法(IDWc，IDWm，Kriging)计算得到的ZTD和GPS ZTD都比较吻合;但在TASH和LHAS站，IDWc方法计算得到的ZTD和GPS ZTD吻合度明显下降，IDWm和Kriging方法计算的ZTD和GPS ZTD仍然吻合较好。

为了分析3种方法计算ECMWF ZTD的精度情况，统计了各站年平均偏差和中误差(表1，图2)，其中台站按照高度递增排序。表1最后3行中的平均值为3种方法计算的各站年平均偏差和中误差的总体平均值，最小值和最大值为各站年平均偏差和中误差绝对值的最大值和最小值。

从表1可以看出，IDWc方法得到的偏差的总体平均值为1.6 cm(其绝对值最小值为0，最大值为20.3 cm)，中误差总体平均值为4.3 cm(最小值为1.2 cm，最大值为20.4 cm);IDWm和Kriging方法得到的偏差和中误差总体平均值相当，都分别约为-1.1 cm和2 cm，与文献［15］结果相比，中误差总体平均减少4 mm，精度有所提高。

图1 3种方法计算得到的ZTD和GPS ZTD时间序列Fig.1 Time series of GPS ZTD and ZTD derived from ECMWF with three methods

图2为各台站年平均偏差和中误差与高度的关系，在高度较低的站3种方法精度相当，在高度较高的站(如XNIN，DLHA，TASH，LHAS等)IDWc方法精度较差。IDWm和Kriging方法在各个站上的精度相当，说明这两种方法可以用于计算ECMWF ZTD。

表1 各GPS站年平均偏差和中误差统计表(单位：cm) Tab.1 Yearly mean bias and rms for each GPS site(unit：cm)

为分析偏差和中误差在各个高度区间的分布特点，高度区间按照0～100 m，100～500 m，500～1 000 m，1 000～2 000 m，2 000～3 000 m和大于3 000 m的范围进行划分，把ERA-Interim资料用3种方法(IDWc，IDWm和Kriging)计算ZTD的偏差和中误差进行统计，期结果如图3所示。

从图3可以看出，IDWm和Kriging方法计算的ECMWF ZTD精度相当，偏差和中误差随高度变化的趋势不明显，而IDWc方法计算的ECMWF ZTD在高度较高的地方精度明显降低。

图2 各GPS台站年平均偏差和中误差Fig.2 Yearly mean bias and rms for each GPS site

图3 偏差和中误差在各高度区间的变化Fig.3 Variation of the bias and rms with the altitude

对于ERA-Interim资料计算ZWD的精度，由于只获得了BJFS和LHAS两台站的实测气象数据，所以图4只列出了两台站的ECMWF ZWD和GPS ZWD时间序列。从图4可以看出，ZWD时间序列吻合比较好，偏差绝对值都约为1 cm，中误差约为1.6 cm。ZWD具有季节性变化特点，在夏季月份达到最大值，说明夏季水汽含量较大。LHAS站位置较高，ZWD总体变化幅度相对较小。另外结合表1和图2可以看出，ECMWF ZWD的精度和ECMWF ZTD比较接近，说明计算ECMWF ZTD的误差主要是水汽造成的。

5 结论

1)数据处理方法上，IDWm和Kriging方法不用确定插值最优影响因子或大气延迟随高度变化的物理特性，计算简单，对ERA-Interim分层气象资料计算的ZTD精度相当，且在GPS台站较高的地方精度优于IDWc方法;

图4 ECMWF ZWD和GPS ZWD时间序列对比Fig.4 Comparison between the time series of ECMWF ZWD and GPS ZWD

2)ERA-interim分层气象资料用改进方法(IDWm和Kriging)计算ZTD的偏差和中误差约为-1 cm和2 cm，且偏差和中误差随高度的变化趋势不是很明显;

3)在BJFS站和LHAS站，ECMWF ZWD和GPS ZWD吻合较好，偏差和中误差绝对值分别约为1 cm和1.6 cm。ZWD具有季节性变化特点，夏季月份变化幅度较大，且在较高位置(LHAS站)ZWD变化幅度相对较小。另外ECMWF ZWD的精度和ECMWF ZTD比较接近，说明ERA-Interim资料计算ZTD的误差主要是由水汽造成的。

致谢 衷心感谢ECMWF提供数据资料、IGS提供GPS台站气象数据和Keith Fielding博士提供建议和帮助!

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STUDY ON ACCURACY OF ZTD AND ZWD CALCULATED FROM ERA-INTERIM DATA OVER CHINA

Ma Zhiquan1)，Chen Qinming2，3)and Gao Dezheng1)

(1)Southwest University of Science and Technology，School of Environment and Resource，Mianyang 621010 2)Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030 3)Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039)

The zenith tropospheric delay(ZTD)and zenith wet delay(ZWD)derived from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts data(ECMWF ZTD/ZWD)were assessed by calculating ZTD/ZWD from GPS observations，and the calculation method was also discussed.The results show that the bias and rms for the ECMWF ZTD are about-1 cm and 2 cm respectively，the absolute values of which for ECMWF ZWD at BJFS and LHAS sites are 1 cm and 1.6 cm respectively.

ECMWF;GPS;InSAR;ZTD;ZWD

1671-5942(2012)02-0100-05

2011-11-07

测绘遥感信息工程国家重点实验室资助项目(10p02);中国卫星导航学术年会青年优秀论文资助课题(CSNC2011-QY-2)

马志泉，女，工程师，主要研究方向为航空摄影测量、InSAR技术理论与应用研究.E-mail:mazhiquan@swust.edu.cn

P128.1;P227

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