PLAOD支持下高时间分辨率的可降水量分析

葛玉辉,熊永良,徐韶光,李新忠

(1. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251; 2. 西南交通大学测绘工程系，四川 成都 611756)

GE Yuhui,XIONG Yongliang,XU Shaoguang,LI Xinzhong

PLAOD支持下高时间分辨率的可降水量分析

葛玉辉1,熊永良2,徐韶光2,李新忠2

(1. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251; 2. 西南交通大学测绘工程系，四川 成都 611756)

Analysis of PWV for High Temporal Resolution Based on PLAOD

GE Yuhui,XIONG Yongliang,XU Shaoguang,LI Xinzhong

摘要：针对短期临近天气和气象业务预报，为了更好地分析和提供实时的可降水量(PWV)，获取高时间分辨率的GPS可降水量数据，本文选用PLAOD数据处理软件，可实现30 s采样间隔的对流层延迟近实时解算。以武汉站为例，分别用PLAOD和GAMIT取1 h的时间分辨率对解算出的可降水量数据进行了对比试验，验证了PLAOD软件的可靠性和实用性。

引文格式： 葛玉辉,熊永良,徐韶光,等. PLAOD支持下高时间分辨率的可降水量分析[J].测绘通报，2015(9)：51-53.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0277

关键词：可降水量(PWV)；PLAOD；GAMIT；对比试验

中图分类号：P22

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2015)09-0051-03

收稿日期：2014-08-22

基金项目：国家自然科学基金(41274044)

作者简介：葛玉辉(1986—)，男，硕士生，主要从事高精度GNSS数据处理、GNSS气象学等方面的研究。E-mail:geyuhui923@126.com

一、引言

水汽是大气中的一种主要成分，也是大气变化中唯一能够发生相变的成分，在天气变化中非常重要，也是现代科学研究关注的热点。由于实时水汽分布在微气象学、全球气候变化、灾害性天气预报、InSAR大气改正等领域具有很高的应用价值，因此利用GNSS(global navigation satellite system)获取水汽与预报水汽具有重要意义。目前获取水汽已趋于成熟，而水汽的预报仍然有待研究。水汽无论是在时间还是地域分布都存在着不均匀性，准确预测的难度较大，不少学者采取各种方法来探索准确预报水汽的方法。对于短临天气预报，反演大气可降水汽量一般选用30 min、15 min间隔，有的间隔甚至更短，即所谓“第一时间”提供一次水汽含量资料，目前GPS可降水量的数据未能满足该需求[1]。为了更好地分析和提供实时的可降水量数据，在短期气象临近预报和数值天气预报应用方面获取高时间分辨率的GPS可降水量数据，对现代气象学和短期水汽预测具有重要的理论意义和实用参考价值。

由于可降水量与天顶对流层延迟的解算结果密切相关，因此如何从GPS观测数据中解算出高精度的对流层延迟(ZTD)显得尤为重要。目前，国内外常用的实现估算对流层天顶延迟功能的GPS定轨定位数据处理软件主要有GAMIT、GIPSY、BERNESE和PANDA等[2]。中国科学院测量与地球物理研究所的李军等[3]选取东亚地区13个GPS

点2002年84天的观测资料，分别用Bernese、GAMIT和GIPSY 3种软件进行试验和比较分析，得出了GIPSY和GAMIT的解算结果差异较小，而Bernese与GIPSY和GAMIT两种软件解算结果差别比较大，其中GAMIT数据处理软件和IGS更为一致的结论。针对大气可降水量的近实时解算需要，本文利用由西南交通大学测绘工程系GNSS联合实验室研发的PLAOD(precise location and orbit determination)高精度数据处理软件，可实现30 s采样间隔的对流层延迟近实时解算。选取武汉站2013年8月1号IGS站精密星历、气象数据等，分别用PLAOD和GAMIT取1 h的时间分辨率对解算出的可降水量数据进行了对比试验，以验证PLAOD软件的可靠性和实用性。

二、PLAOD数据处理软件

PLAOD高精度数据处理软件是由西南交通大学测绘工程系GNSS联合实验室研发的，是一个用于GNSS定位和数据分析的软件包，它的全称是精密定位和轨道确定。开发PLAOD最初是为了获取对流层延迟，后来发展成可获取定位目标的精密坐标及其他副产品。定位目标可以是静止的GNSS台站，也可以是高速运动的低轨卫星,它所采用的算法遵循标准精密单点定位算法[4]。经过加入各种模型改正,通过卡尔曼滤波平差得到单天解，与IGS最终坐标相比，所获取结果的精度在1 cm左右，其模块结构如图1所示。

图1　PLAOD高精度数据处理软件结构[4]

1. PLAOD软件数据解算操作步骤

1) 准备观测文件(30 s采样率)、精密星历文件(第二天第一个历元的星历附在文件末尾)、卫星钟差文件，其中星历可以采用分机构的星历，卫星钟差可用5 min的或30 s的,建议采用30 s的。

2) 点击Read Obs按钮选取要处理的数据。

3) 选取最终星历(Final)或包星历(Predict)，然后点击Read SP3。

4) 点击Read Clk读取钟差文件。

5) 选择Static选项。

6) 点击Kalman Filter进行处理数据，下面绿色的进度条完成表示数据处理完毕。

7) 生成的文件结果在自己建立的文件夹(F:leotest)下，格式为yyyymmddmakeppp.txt。

8) 生成的结果解算出大气对流层延迟和可降水汽。

2. PLAOD软件数据解算结果

通过以上操作即可求出GPS对流层延迟，取2013年8月1号武汉站GPS资料和IGS气象站数据及超快预报星历，用PLAOD软件进行数据处理，采样率取30 s一个历元，解算结果见表1。

表1　2013年8月1日武汉站30 s间隔的GPS数据解算结果

注：CLK为接收机钟差；ZTD为天顶总延迟；Sigma为对流层中误差；GR-NS为对流层南北方向梯度；GR-EW为对流层东西方向梯度；N—atm为北方向与对流层的相关系数；E—atm为东方向与对流层的相关系数；U—atm为高程方向与对流层的相关系数；DT—atm为接收机钟差与对流层的相关系数。

用PLAOD数据处理软件解可算出高时间分辨率的GPS对流层延迟，并结合气压、温度或测站地理坐标计算出静力学延迟，由对流层延迟和静力学延迟之差得到对流层湿延迟，利用可降水量转换模型，得出高时间分辨率的可降水量。

三、实例分析

以武汉站2013年8月1日GPS可降水汽量数据为研究对象，通过武汉站的GPS观测资料，外加上海站和拉萨站2个辅助站，利用GAMIT软件取1 h的时间间隔解算得到对流层延迟，结合同一时间的气象数据得到GPS可降水量数据，作为本次试验的基准数据，另外用PLAOD软件同样取1 h的时间分辨率对GPS数据进行处理，计算出对流层延迟，并结合地区气象数据、可降水量转化模型，最终算出降水量数据并做对比试验。其PLAOD和GAMIT可降水量结果对比值见表2和图2，PLAOD和GAMIT可降水量结果残差值见图3。

表2　PLAOD和GAMIT可降水量解算结果对比值　mm

从表2和图2可以看出，PLAOD和GAMIT可降水量解算结果对比值很接近，两种软件计算的可降水量结果绝对值最大值为2.6 mm，最小值为0.04 mm，绝对值平均值为1.09 mm。从图3可以看出，序列1和序列2的误差较大，其他序列误差比较均匀。这是由于PLAOD数据处理软件开始时模糊度没有收敛而造成的。

图2　PLAOD和GAMIT可降水量解算结果对比

图3　PLAOD和GAMIT可降水量残差对比

四、结束语

对于短临天气预报，反演大气可降水量一般选用30 min、15 min间隔，有的间隔甚至更短，这样才能反映水汽快速变化的特性，以满足对中、小尺度恶劣天气进行短临预报的需要。针对大气可降水量的近实时解算需要，本文采用PLAOD高精度数据处理软件可实现30 s采样间隔的高时间分辨率对流层延迟近实时解算。为了验证PLAOD软件的可靠性和实用性，选取武汉站2013年8月1日IGS站精密星历、气象数据等，分别用PLAOD和GAMIT取1 h的分辨率进行对比试验。两种软件计算的可降水量绝对值最大值为2.6 mm，最小值为0.04 mm，平均值为1.09 mm，表明PLAOD软件具有足够的精度来计算对流层延迟，满足了可降水汽预报研究所需的高时间分辨率数据的要求。对GPS可降水量短期预测，快速、准确地获取GPS气象学在短期天气预报的应用具有实用参考价值。

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