河南省GPS数据反演大气可降水量与卫星产品对比分析

刘磊

摘 要：本文利用河南省本地的地基GPS网，以2018年9月20日的数据为研究范围，并与MODIS卫星大气可降水量数据集MOD05相比，讨论了GPS探空可降水量与MODIS卫星数据的对比分析。结果表明：两者相关系数较好，相关系数在0.8左右，相对误差平均值在30%以内。说明MOD05产品与GPS数据反演大气可降水量在一定程度上保持一致性;MOD05产品与GPS数据反演大气可降水量和地面相对湿度无明显相关。此外，卫星反演的可降水量不能说明当时地面相对湿度的状态。

关键词：GPS;大气可降水量;MOD05;相对湿度

中图分类号：P412.2;P457.6 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）05-0144-05

Abstract： In this paper， based on the local ground-based GPS network in Henan Province， the comparative analysis of GPS sounding precipitable water and MODIS satellite data was discussed in comparison with MODIS Atmospheric precipitable water data set MOD05. The results showed that the correlation coefficients were good， the correlation coefficients were about 0.8， and the average relative error was less than 30%. It showed that the retrieval of Atmospheric precipitable water from MOD05 and GPS data was consistent to a certain extent， and there was no significant correlation between the retrieval of atmospheric precipitable water from MOD05 and GPS data and the relative humidity of the ground. In addition， the precipitation retrieved by satellite could not explain the relative humidity of the ground at that time.

Keywords： GPS;atmospheric precipitation;MOD05;relative humidity

大气中的水汽在天气演变和气候变化中扮演着重要角色，其影响大气辐射和太阳辐射，从而影响气候。目前，水汽的三维空间分布主要依靠国家业务探空网来提取。探空站之间的间距均在200、300km以上，很难捕捉空间尺度小于100km的中尺度天气系统。而在已有的替代方法中，双通道微波辐射计等观测手段，不但费用昂贵，不能全天候观测，而且需经常标定，难以大范围密集设置站网和实现观测业务化。此外，气象卫星资料直接反演的水汽精度又较低，误差约为20%[1]。而利用稠密的地基GPS技术探测大气水汽含量具有费用低和可以全天候观测等优点，因此，其在气象领域得到广泛应用。

在GPS气象学方面，王小亚[2]等通过天顶干延迟和天顶湿延迟的分离及天顶湿延迟到可降水量的转换，得到了精度为1～2mm的可降水量的计算结果。将这些结果与实测探空仪资料计算的结果相比较，两者基本符合。试验的结果初步验证了地面GPS观测为气象服务的可行性和可靠性。施闯[3]等分析了国家高精度GPS網中的粗差观测量的特点，提出了采用相关分析的粗差探测理论，对国家高精度GPS网的各子网和相邻子网进行粗差探测，并采用稳健估计的平差方法，消除粗差对平差结果的影响，大大提高了国家高精度GPS网的整体平差精度。李杰[4]等详细介绍应用GAMIT软件进行高精度GPS定位解算。陈小雷[5]等详细分析了地基GPS遥测大气可降水量在天气分析诊断中的应用。

河南省GPS基准站点网络是河南省气象局联合省地矿厅和测绘局共同兴建的，仪器由地矿和测绘部门购买，维护由气象部门负责，仪器安装在气象观测站，数据为各单位共享。

本文将GPS数据反演得到的大气可降水量与卫星数据进行对比，分析了解GPS得到的大气可降水量与卫星红外通道得到的可降水量的相关性。

2 数据与数据处理方法

2.1 数据

2.1.1 GPS数据。河南省气象局与河南省测绘局、河南省地矿厅等单位协作，共建立了38个GPS基准站进行资料实时共享，使陆上基准站的密度小于100km，河南省的GPS站点分布如图1所示，不同的站点符号代表来自不同的部门（其中☆为省测绘局，△为地矿厅）。

2.1.2 GAMIT软件介绍。GAMIT是由麻省理工学院（MIT）、美国加利福尼亚斯克瑞布斯（SCRIPPS）海洋研究所（SIO）等研制的用于大地测量的GPS分析软件，之后经许多人不断改进而成为应用面较为广泛的高精度GPS数据分析和处理软件，是目前国际上著名的GPS定位定轨软件之一。GAMIT集GPS定位定轨于一体，可以解算卫星轨道和站坐标以及其他一些辅助参数，如钟差、大气延迟改正参数和整周模糊度参数等。

GAMIT软件的Q文件和O文件等经计算得到大气总延迟ZTD，计算可降水量PWV经编程处理气象要素，分离出天顶湿延迟，最后计算出可降水量。

2.1.3 MOD05大气可降水量产品。研究中使用的第二种遥感数据为美国宇航局（NASA）地球观测计划（EOS）发射的中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据。其共有两颗星，上午星TERRA于每日地方时上午10∶30和晚上22∶30过境，大气可降水量数据集为MOD05L2;下午星AQUA于下午14∶30和凌晨02∶30每日地方时13∶30左右过境，大气可降水量数据集为MYD05L2。每颗星每次均包括红外和近红外两种数据集。由于近红外在夜间无法使用，故每天均有6次数据可用，其中近红外分辨率为1km，可用数据每天2次;红外分辨率5km，可用数据每天4次。

2.2 数据处理方法

2.2.1 MOD05数据处理。对于MOD05数据，可以使用ENVI软件直接处理。通过对MOD05数据进行辐射定标、投影转换、图像校正、图像拼接、去除异常值和无效值等步骤后，得到近红外和红外两个波段的降水量数据集。如果数据量较大，可以使用专门处理MODIS大气数据的软件HEG，HEG软件的可视化界面如图2所示。软件可以在MODIS网站的工具页面下载。本文使用HEG软件处理MOD05数据。

为了最大限度地利用MOD05大气可降水量，减少空间不稳定性，使异常数据得到平滑处理，故可将所有的数据加权平均，公式如下：

式中[，PWV]为过程平均红外可降水量;[PWVnir]为近红外大气可降水量;[PWVir]为红外大气可降水量。根据式（1）可以得出河南省2018年9月20日上午10：30左右红外大气可降水量，其数值分布在0～38mm。MOD05大气可降水量产品数据见图3。

2.2.2 气象数据与GPS探空可降水量。本研究的GPS数据分析处理按照四个步骤进行。首先，数据准备;其次，用GAMIT软件处理各时段GPS的观测数据，得到各个时段的解;再次，用GLOBK（卡尔曼滤波）进行多时段综合解算，以得到平差的结果及测站的平均坐标和速度等参数;最后，把平差后得到的测站坐标带回GAMIT，对待求测站进行强约束，反演对流层的天顶延迟值。得到天顶延迟（ZTD）还需要同时段站点的气象数据，包括气压与温度，最后计算出数据中所用时段的值[6]。由于气象数据使用的是逐小时，所有计算出来的PWD时间分辨率为小时。本文使用的2018年9月20日上午11：00的GPS数据反演的大气可降水量数值。同时，从自动站数据库中提取2018年9月20日上午11：00的小时相对湿度。GPS数据反演的大气可降水量数值与同时刻相对湿度见图4。

3 结果与分析

GPS数据反演大气可降水量与MOD05大气可降水量产品相比线性相关较好，相关系数在0.8左右，如图5（a）所示。在数据上GPS反演的数值普遍大于MODIS产品。主要原因是反演的原理不同：MODIS产品是通过红外和近红外波段的亮温利用分裂窗算法得出;GPS把各个部分相互作用的延迟量引入解算模型中，考虑误差来源并予以消除后对高精度的大气延迟量与定位参数一起求解，然后通过双频技术订正电离层延迟到毫米量级，通过地面气压观测量订正干空气的延迟到毫米量级，最后得到毫米量级的湿空气延迟，由此提取大气总的水汽含量。红外和近红外受到气溶胶、云的影响相对更大。

GPS数据反演大气可降水量与相对湿度线性一般[见图5（b）]。相对湿度观测的是地面数据，对整层可降水量影响较小。豫西部分观察站海报较高，对相对湿度的数值也有影响。MODIS产品对相对湿度的线性相关较差，相关系数在0.4左右，如图5（c）所示。

4 结论

本文利用MOD05产品与GPS数据反演大气可降水量数据进行对比，结果表明：两者相关系数较好，相关系数在0.8左右，相对误差平均值在30%以内。可见，MOD05产品与GPS数据反演大气可降水量在一定程度上保持一致性。MOD05产品在晴空下反演的数值较GPS数据反演大气可降水量明显小。由于卫星能在各种气象条件下监测地球大气，其长期稳定性、分辨率、覆盖范围和精度都是前所未有的。其为地球表面上难于进行定期测量的地区提供了一个全新的测定大气剖面的方法，这对广阔的海洋、沙漠和近极地等荒漠地区上空的大气可降水量研究具有特定的意义。

MOD05产品和GPS数据反演大氣可降水量与地面相对湿度无明显相关。卫星反演的可降水量不能说明当时地面相对湿度的状态。

参考文献：

[1]刘敏，郭鹏，叶其欣，等.上海地区地基GPS水汽三维层析技术和初步应用[J].天文学报，2010（3）：299-308.

[2]王小亚，朱文耀，严豪健，等.地面GPS探测大气可降水量的初步结果[J].大气科学，1999（5）：605-612.

[3]施闯，刘经南.国家高精度GPS网整体平差中的粗差分析[J].武汉测绘科技大学学报，1999（2）：107-111.

[4]李杰，王晓强.应用GAMIT软件进行高精度GPS定位解算[J].内陆地震，2001（4）：355-359.

[5]陈小雷，马翠平.GPS遥测大气可降水量原理与方法[J].河北气象，2005（4）：37-38.

[6]李成才，毛节泰.GPS地基遥感大气水汽总量分析[J].应用气象学报，1998（4）：470-477.