在伊朗桑姜使用永久单一GPS站的精确水汽估计外文翻译资料

 2022-12-25 11:12

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气象应用程序

Meteorol. Appl. 24: 415–422 （2017）

在Wiley在线图书馆在线发布

（wileyonlinelibrary.com）DOI:10.1002 / met.1639

在伊朗桑姜使用永久单一GPS站的精确水汽估计

Saeed Abbasy，a* Madjid Abbasi，a Jamal Asgarib和Abdolreza Ghodsc

a 伊朗桑姜大学测量工程系，伊朗

b 伊朗伊斯法罕大学测量工程系，伊朗

c 地球科学学院，基础科学高级研究所（IASBS），桑姜，伊朗

摘要：利用全球定位系统（GPS）进行的气象研究是建立在昂贵的永久性网络基础上的，而且在全球范围内还没有形成。在本研究中，我们确认单站GPS气象学是可行的，在那里不可能发展复杂的高密度GPS网络。自2011年1月1日起，在伊朗的桑姜省的基础科学研究所已经安装了一个GPS站，那里没有高空气象数据。对GPS数据进行处理来估计对流层的GPS信号的总时延（ZTD），然后利用ERA-Interim的全球可用湿度和温度垂直剖面将估计的ZTD转化为可精确的水汽(PWV)。对PWV进行了三种验证，并合理地证明了GPS结果的有效性:（1）实测地表水汽压和露点温度分别与预估的PWV相关，分别为87.8%和86.6%；（2）PWV在桑姜三个相邻城市 （Tabriz, Tehran， Kermanshah）使用无线电探测仪测量，与GPS PWV时间序列相比，几乎相同的气候系统分别显示81.1%、71.7%和66.4%的相关性；（3） 桑姜的全球再分析数据显示与GPS结果的相关性为89.2%。这些验证表明，在缺乏永久GPS网络的情况下，如果采用适当的数据处理策略，可以将低成本单站GPS气象学作为气象监测的一种可能。

关键词：单站GPS气象学、水汽、无线电探空仪测量、加权平均温度

2016年3月3日收到； 2016年9月30日修订；2016年11月8日接收

1 简介

水蒸汽是一种高效的温室气体，是全球变暖的一个指标，因为越温暖的空气会储存越多的水蒸气（Elgered et al.， 1997）。可预测的水汽(PWV)是大气中水汽量的指标。因此，精确测量PWV可以提高气候和农业气象学的监测/评价（Revuelta et al.，1985）。定量降水预报，水平水分通量的测定，辐射预算研究和可能的最低温度是PWV的知识有用的一些领域（Tuller, 1977）。此外，在水文气象和电磁波传播研究（Reber和Swope，1972）中也需要测量这个参数，这对云的客观预测（Viswanadham，1981）非常重要。由Hong et al.（2015）对PWV的应用解释我们可以知道，PWV的信息可以作为数值天气预报（NWP）数据同化的一个约束，或者作为一个独立的数据源来验证NWP模型，并且在寻找气候变化趋势时是一个有用的工具（Emardson和Derks，2000）。

有几种测定PWV的方法，它们可以分为卫星（空间到地球）和地面（地球到空间）。下面介绍了一些基于地面的方法。

最广泛使用的仪器是无线电探空仪。这些系统测量了不同高度的温度、相对湿度、气压、露点温度、混合比和风向等几个气象参数，从而得出了垂直剖面，并达到了相当大的测量精度。然而，地球上无线电探空仪的分布相对稀疏，导致空间分辨率较低。此外，由于测量成本高，无线电探空仪主要使用两次，从而产生较低的时间分辨率。由于这些限制，人们已经做出一些努力，用其他方法来估计PWV，例如太阳光度计、红外辐射计（Clay et al.，1998；Brooks et al.，2007；Maghrabi et al.，2009； Maghrabi and Clay，2010）地面微波辐射计和光探测和测距系统（Gerding et al.，2004；Kuwahara et al.，2008）。

在气象学中使用卫星可以追溯到20世纪60年代早期，发射的是TIROS-1卫星。从那时起，许多搭载气象传感器的卫星都已发射。由空间获得的PWV具有全球覆盖的巨大优势。然而，根据卫星的轨道高度，数据的空间和时间分辨率不够高（Seeber, 2003）。湿度观测精度的限制，以及在时间和空间上的覆盖，常常会导致短期预测的失败，特别是关于云层和降水（Yang et al.，1999）。

PWV可以通过使用全球导航卫星系统（GNSS）来评估，该系统有三个主要系统:全球定位系统（GPS）、GLONASS和Galileo。该系统适用于任何天气和任何时间。对流层会导致从卫星到地面接收器的发射信号延迟。这种延迟是定位的一个重要错误来源，而对于气象学来说，它包含了来自于信号轨迹的水蒸气含量的信息。GPS网络（如果有的话）可以提供比其他气象网络更高的空间分辨率（即2013年）。GNSS气象学的一大优势是测量采样率高的可能性。一个永久的GNSS网络可以提供近连续、准确、全天候、实时的湿度数据，可以帮助研究中尺度模型和数据同化、恶劣天气、降水、云动力学、区域气候和水文（Ware et al.，2000）。因此，GPS感知PWV数据可用于改善风暴系统分析（Rocken et al.，1995；Businger et al.，1996）。

在此基础上，简要介绍了GPS气象学的历史概况。Bevis等人（1992）提出了一种用GPS对对流层进行遥感探测的新理论方法。然后，在一次实际经验中，Rocken et al.（1993）在科罗拉多安装了两个GPS接收器和两个水蒸汽辐射计（WVRs）在50公里基线的末端，并观察到在WVR和GPS上的相对PWV的大约1毫米的差异。他们还在1995年进行了GPS/风暴试验。Duan等人(1996)估计了绝对PWV，而不使用一个1.0-1.5 mm的均方根误差。Elgered等人（1997）在瑞典使用了4天的GPS网络数据，研究了空气质量系统的详细运动。他们发现，GPS估算的水气与无线电探空仪和WVR的数据一致，在1毫米的均方根范围内。roken et al. （1997）， Emardson等（1998），Fang et al.（1998）， Peter et al.（1999）和Niell等（2001）进行了类似的研究，并取得了关于GPS在PWV估计中的适用性的令人满意的结果。通过GNSS方法增加估计的PWV量，使其包含在天气预报模型中。Ben-nitt和Jupp（2012）从2007年开始在Met Office的北大西洋和欧洲NWP模型中对GPS zenith总延迟（ZTD）观测进行了操作。Means（2013）使用GPS估计PWV在2003-2009年期间超过500个地点，作为对加利福尼亚和内华达州的北美季风的诊断，并表明南加州沙漠经历了与北美季风相关的大气水汽的大量增加。

这类研究通常需要一个永久的GPS网络，通常是为地球动力学目的而安装的，而这些数据是通过被称为差分法的方法来处理的。这种网络的安装、维护和计算的费用非常高。因此，在地球上的任何地方都没有这样的网络。本研究的目的是在未安装GPS网络的地区引入GPS气象学的单一站策略。

2011年1月，在伊朗桑姜的基础科学研究所（IASBS）安装了一个永久性GPS工作站。桑姜坐落在伊朗西北部高原36.70∘N,48.51∘E地理坐标平均海拔约1700米西南部的里海（图1）。伊朗在这一地区的气候变化非常高:一般大雪的冬天是寒冷和低于冰点的气温在12月,1月和2月（记录绝对最低minus;30∘C）。春天和秋天是相对温和,夏天干燥和热（记录绝对最大40∘C），年平均气温为11摄氏度。伊朗西北部的气候可分为Csa-地中海气候类型和Kouml;ppenminus;Geiger气候类型（Farajzadeh和Matzarakis，2009）。每年平均降雨量约为300毫米。桑姜地区的湿度受南部里海潮湿气候的影响，干燥的空气质量来自于南部阿拉伯地区，以及来自大西洋和地中海的潮湿空气质量。

图1 在Tabriz、Kermanshah和德黑兰的无线电探空站的地理位置，一个永久的GPS站位于桑姜海拔约1800米的高度，这在很大程度上受来自里海的气团潮湿的影响

伊朗伊斯兰共和国气象组织（IRIMO）负责伊朗的气象数据测量和管理。地面气象记录相对密度在高空测量无线电探空仪和辐射计非常稀疏的地区（图1）。新成立的IASBS GPS站的优点是：它为我们提供了观测桑姜地区对流层和电离层的大气动态状况。

在本研究中，研究了单个GPS站中PWV的提取过程，并通过其它方法的PWV估计验证了结果。在第2节中，介绍了本研究中使用的数据集。第3节概述了GPS数据处理的精确定位（PPP）方法，并给出了PWV的计算过程。第4节给出了数值调查的结果及其相关验证。最后一部分是关于结论的。

2 数据

本研究使用了六种数据，如下所示。

  1. IASBS GPS永久站的数据。本站采用双频率微调5700 II接收器，西风大地天线，接收方可以接收到L1和L2和其中可观察到的C1和P2的码，观察率设为10 s，本研究使用2011年1月1日至2014年7月20日的观察结果。
  2. IASBS气象站每隔2分钟收集的气压数据。
  3. ERA-Interim数据（Dee et al.， 2011），这是1979年的全球大气重新分析，实时更新。时间，由欧洲中程天气预报中心提供。数据可从http://apps.ecmwf.int/datasets/data
  4. /interim-full-daily/ levtype = pl /。本研究中所使用的数据是相对湿度、温度和在37个气压水平下的重力势。
  5. 来自桑姜天气观测站的压力、空气温度、露点温度和水汽压力数据。
  6. PWV时间序列从在Tabriz、德黑兰和Kermanshah无线电探测站的观察中提取。这些数据是来自怀俄明州大学大气科学系的网站（http://weather.uwyo.edu/）。
  7. 采集时间序列从全球再分析数据集可以从http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridde
  8. d/reanailsis/.该网站与美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室的物理科学部门相对应。

3 方法

3.1 GPS数据处理

观测距离和几何距离的差异主要是由于GPS信号的对流层延迟，这就是GPS气象学的概念。因此，单站GPS气象学的主要步骤是高精度计算天线位置。

由Anderle（1976）首次提出了固定精确的轨道解决方案和多普勒卫星观测的单站定位，并将该方法命名为PPP （Kouba和Heroux，2001）。在这种方法中，高坐标精度约为1厘米，可以实现具有合适天线的双频率接收器，并且具有足够高的采样率，且不超过24小时的连续观测（Zumberge et al.，1997；Gao，2006）。国际GNSS服务和相关网站提供了精确的卫星轨道和点定位时钟。本文简要介绍了静态PPP方法中点坐标的计算过程。

  1. 使用相位测量平滑代码观察。
  2. 电离层自由线性组合的代码和相位的观察计算。
  3. 介绍了精确的卫星轨道和时钟数据。已知参数为观测方程，其余的未知数现在是地球中心固定（ECEF）参考框架的3点坐标，以及一个接收机时钟偏差、一个相位模糊和对每个卫星的倾斜对流层延迟（STDs）。为了克服由于多个STDs引起的差异性问题，需要一个映射函数将STDs转换为单个ZTD的时间。
  4. 前一步的六个未知量由每个观测时期的最小二乘法估计。
  5. 估计的未知量被用作下一步估计过程的初始值。

GPS数据由GPS软件（GPSS）处理。该软件由Asgari（2005）开发，用于PPP GPS数据处理，它在接收器独立交换(RINEX)格式和精确的星历表中使用原始数据，它包括额外的可视化和数据质量控制工具，ZTD可以通过PPP方法和绝对定位来估计。

3.2 从ZTD中转化水汽含量

上一节中GPSS估计的ZTD在两个步骤中转化为PWV。

从ZTD中提取了天顶静力延迟（ZHD）来获得ZWD。利用Saastamoinen对流层延迟模型的流体静力成分（Andrei and Chen，2009）计算ZHD：

在这些公式中，g′是标准重力，为测站的地心大地纬度，为测站大地高，为地面水气压。根据Andrei and Chen（2009），该模型给出了在静止对流层延迟的最高精度。

现在，ZWD通过由（Bevis et al.，1994）给出的转换因子Q转化为PWV：

在该等式中，式中与为大气折射常数，，，为液态水的密度，，为水汽气体常数，。是大气的水汽加权平均温度（以N为代表）。它定义和近似于Davis等人（1985）：

其中T是开尔文的大气温度，z表示垂直方向的距离。是hectopascals中水汽的分压，Wang et al.（2005）为：

其中RH为相对湿度，为Tetens

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