厦门市台风事件CORS站网数据水汽反演及分析.pdf
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1、西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第6 0卷2 0 2 4年第1期 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 0 2 0 2 4 N o.1 D O I:1 0.1 6 7 8 3/j.c n k i.n w n u z.2 0 2 4.0 1.0 1 3收稿日期:2 0 2 3 0 9 0 2;修改稿收到日期:2 0 2 3 1 2 3 0基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2 0 2 0 J 0 1 3 5 6);
2、龙岩学院博士启动项目(L B 2 0 1 8 0 3 8)作者简介:王洪(1 9 7 8),男,黑龙江绥化人,副教授,博士研究生.主要研究方向为G N S S测量与数据处理、工程测量.E m a i l:w a n g h o n g 3 1 3 l y u n.e d u.c n*通信联系人,女,四川泸州人,本科.主要研究方向为G N S S测量与数据处理.E m a i l:2 5 1 1 3 0 2 1 3 6q q.c o m厦门市台风事件C O R S站网数据水汽反演及分析王 洪1,2,赖 杰1*,亓信玖1(1.龙岩学院 资源工程学院,福建 龙岩 3 6 4 0 1 2;2.中国矿业
3、大学 环境与测绘学院,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6)摘要:针对厦门市3次台风事件,利用厦门市连续运行参考站(C OR S)的G N S S观测数据,使用 P AN D A软件进行解算,反演出大气可降水量(PWV),将获取的E R A 5再分析数据与反演出的PWV数据进行对比分析,在此基础上分析厦门市受台风影响期间G N S S-PWV变化特征与实际降雨量的关系.结果表明:PWV与E R A 5数据具有较好的一致性;G N S S反演PWV具有较高的精度;G N S S-PWV能够较好地反映台风期间水汽的时空动态变化过程,其与降水量之间呈现出明显的相关性.关键词:连续运行参考站(C OR
4、S);GN S S气象学;台风;大气可降水量中图分类号:P 2 2 8.4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1-9 8 8(2 0 2 4)0 1-0 0 8 4-0 7W a t e r v a p o r r e t r i e v a l a n d a n a l y s i s o f C O R S n e t w o r k d a t ao f X i a m e n t y p h o o n e v e n tWANG H o n g1,2,L A I J i e1,Q I X i n-j i u1(1.S c h o o l o f R e s o u r c e
5、E n g i n e e r i n g,L o n g y a n U n i v e r s i t y,L o n g y a n 3 6 4 0 1 2,F u j i a n,C h i n a;2.S c h o o l o f E n v i r o n m e n t S c i e n c e a n d S p a t i a l I n f o r m a t i c s,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y,X u z h o u 2 2 1 1 1 6,J i
6、a n g s u,C h i n a)A b s t r a c t:I n v i e w o f t h e t h r e e t y p h o o n s i n X i a m e n C i t y,t h e GN S S o b s e r v a t i o n d a t a o f X i a m e n C o n t i n u o u s O p e r a t i o n R e f e r e n c e S t a t i o n(C O R S)w a s u s e d f o r c a l c u l a t i o n w i t h P AN
7、D A s o f t w a r e.T h e o b t a i n e d E R A 5 r e a n a l y s i s d a t a w a s c o m p a r e d w i t h t h e PWV d a t a o f t h e c o u n t e r-p e r f o r m a n c e.O n t h i s b a s i s,t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n GN S S-PWV v a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n
8、 d a c t u a l r a i n f a l l d u r i n g t y p h o o n i n X i a m e n w a s a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t:PWV a n d E R A 5 d a t a h a v e g o o d c o n s i s t e n c y;GN S S i n v e r s i o n o f PWV h a s h i g h p r e c i s i o n;GN S S-PWV c a n w e l l r e f l e c t t
9、 h e s p a t i o-t e m p o r a l d y n a m i c c h a n g e p r o c e s s o f w a t e r v a p o r d u r i n g t y p h o o n s,a n d h a s a s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n w i t h r a i n f a l l.K e y w o r d s:c o n t i n u o u s o p e r a t i o n r e f e r e n c e s t a t i o n s(C O R
10、 S);GN S S m e t e o r o l o g y;t y p h o o n;PWV0 引言全球导航卫星系统(G l o b a l N a v i g a t i o n S a t e l l i t e S y s t e m,GN S S)气象学最早形成于2 0世纪8 0年代的美国,是一门新兴的交叉学科1.在众多学者的研究中,大气水汽被认为是对天气变化产生最为显著影响的各种气象要素之一2.大气水汽又称大气可降水量(P r e c i p i t a b l e W a t e r V a p o r,PWV),48 2 0 2 4年第1期 王 洪等:厦门市台风事件C O
11、R S站网数据水汽反演及分析 2 0 2 4 N o.1W a t e r v a p o r r e t r i e v a l a n d a n a l y s i s o f C OR S n e t w o r k d a t a o f X i a m e n t y p h o o n e v e n t它表示在任何时候单位底部面积内的所有对流层大气水蒸气 凝结 成液态水 而产生 的 水 柱 的 一 定 高度3.它是大气中最为活跃多变的部分,虽然它在大气成分中的占比极低,但却是形成和演变各种灾害天气的主要驱动因素,它的变化直接与降水相关.因此,为了实现区域气候变化的精准预测,对P
12、WV进行有效的监测和充分的利用是关键所在.本文以GN S S气象学为基础,基于厦门市连续运行参考站(C o n t i n u o u s l y O p e r a t i n g R e f e r e n c e S y s t e m,C O R S)的GN S S观测数据,利用P AN D A软件进行解算,反演得到高精度的PWV值,并验证其可靠性.以2 0 1 7年、2 0 2 0年以及2 0 2 1年影响厦门地区的“纳沙、海棠”双台风、“米克拉”、“卢碧”3次台风事件为研究对象,分析台风暴雨前后PWV值的时空分布特征,对比分析实际降雨量与PWV之间的关系,利用其关联性为沿海地区提供
13、及时准确的极端天气状况的预报,提高强降雨、台风等强对流天气引发的各类气象灾害的监测和预警能力.本研究对各种灾害来临前采取有效的应对措施,实现防灾减灾具有重大的意义.1 GN S S反演PWV原理及可靠性分析1.1 数据来源本文研究所使用的数据包括台风影响期间的GN S S观测数据、气象台站实测降雨数据和E R A 5再分析资料.GN S S数据采用的是厦门市C O R S站网的观测数据,C O R S站网站点分布如图1所示.气象站实测降雨数据从国家气象数据中心(h t t p:/d a t a.c m a.c n)下载;E R A 5再分析资料从欧洲中尺度天 气 预 报 中 心(E CMWF)
14、下 载(h t t p s:/c d s.c l i m a t e.c o p e r n i c u s.e u)4.图1 C O R S站网站点分布F i g 1 C O R S s t a t i o n s d i s t r i b u t i o n1.2 地基G N S S反演PWV的基本原理地基GN S S反演PWV的具体步骤如下:原 始 观 测 数 据 经 过P AN D A、B e r n e s e、GAM I T、G I P S Y等GN S S高精度数据处理软件进行处 理,解 算 得 出 天 顶 总 延 迟 量(Z e n i t h T o t a l D e l
15、 a y,Z T D)5;Z HD与地面气压密切相关,利用地表气压参数和站点三维坐标值等数据,根据S a a s t a m o i n e n模型6,精 确计算出高 精度的天顶 静力延迟量(Z e n i t h H y d r o s t a t i c D e l a y,Z HD)7,其公式为Z HD=0.0 0 2 2 7 6 8P1-0.0 0 2 6 6 c o s(2)-0.0 0 0 2 8H,(1)其中,P表示地面气压(h P a),表示接收机的纬度(r a d),H表示测站大地高(k m).ZWD的变化与空气中的水汽含量息息相关,其规律性难以通过经验公式精确计算8,所以可
16、通过Z T D减去计算得到的Z HD来获得天顶湿延迟(Z e n i t h W e t D e l a y,ZWD)9,其公式为ZWD=Z T D-Z HD(2)利用地面气温观测数据,运用B e v i s经验公式1 0,推算出各站点的加权平均温度(Tm),其公式为Tm=7 0.2+0.7 2Ts,(3)利用AN(A s k n e N o r d i u s)模型1 1,构造出的大气湿延迟与可降水量参数之间关系的计算公式,反演得到大气可降水量(PWV),其公式为PWV=ZWD,(4)式中称为无量纲比例因子或可降水量与湿延迟的转换关系,通常表示为=1 06wRvk 2+k3Tm ,(5)k
17、2=k2-k1RdRv ,(6)其中,w为液态水的密度(一般取为1 1 03 k gm-3;Rd和Rv分别代表干空气和水汽的比气体常数,即Rd=2 8 7Jk g-1K-1,Rv=4 6 1.5Jk g-1K-1;k1,k2,k3分别 是水汽折射常数,本文采用k1=7 7.6 8 9 Kh P a-1,k2=7 1.2 9 5 Kh P a-1,k3=3 7 5 4 6 3 K2 h P a-1.但 需 要 注 意 采 用 上 述 数 值 时,PWV与ZWD的单位应相同,Tm的单位应是K.Tm是大气加权平均温度,可用于计算转换因子,计算公式为58西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第6
18、 0卷 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 0 Tm=hseTdhhseT2dh,(7)其中,e是水汽压(h p a),T是温度(K),hs是测站高(m),h是高度(m).此公式需要已知测站上空的温度和水汽压垂直廓线信息1 2.1.3 G N S S-PWV可靠性分析本 文 选 取2 0 1 7-0 7-1 82 0 1 7-0 8-1 2反 演 的PWV与E R A 5大气再分析资料进行对比分析1 3.图2给出了厦门市2
19、0 1 7年3个C O R S站的PWV与E R A 5所提供的3个C O R S站的PWV之间的对比情况.由图2可知,每站的两组数据差值总体均维持在-4 mm4 mm之间,说明两者具有较好的一致性.鉴于单一指标的评估范围有限,本文选取4个统计评估指标:平均偏差(B I A S)、标准差(S T D)、均方根误差(RM S)以及皮尔逊相关系数R来验证C O R S站反演PWV精度的评估1 4,评估指标计算如式下:B I A S=1nni=1xi,(8)S T D=ni=1(xi-yi)2n-1,(9)RMS=1nni=1(xi-yi)2,(1 0)R=ni=1(xi-x)(yi-y)ni=1(
20、xi-x)2ni=1(yi-y)2.(1 1)以上各式中,n为样本总数,x和y分别为E R A 5提 供 的PWV与 厦 门C O R S数 据 反 演 的PWV;x和y分别为x和y的平均值.将2 0 1 7-0 7-1 82 0 1 7-0 8-1 2 XMDM站 反 演 的PWV与E R A 5(XMDM)反演PWV进行线性回归分析;将2 0 1 7-0 7-1 82 0 1 7-0 8-1 2厦门3个C O R S站与E R A 5的解算PWV进行精度相关性分析,线性拟合结果如图4所示,以E R A 5-PWV为基准值,GN S S-PWV精度评估结果如表1所示.由图3可知,GN S S
21、-PWV与E R A 5-PWV的相关系数R为0.9 3,说明两者具有强相关性.由图2 E R A 5-PWV与G N S S-PWV差值图F i g 2 d i f f e r e n c e d i a g r a m o f E R A 5-PWV a n dG N S S-PWV表1精度评估结果可知,每个测站的B I A S、S T D与RM S数 值 都 很 小,说 明C O R S站 解 算 出 的PWV与E R A 5计算出的PWV较为接近,具有较高的一致性,能反映出较为真实的水汽含量.综上所述,基 于 地 基GN S S观 测 数 据 反 演 的GN S S-68 2 0 2
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