論南極氣象學(xué)的現(xiàn)狀及管理制度

1、-精品word文檔 值得下載 值得擁有-論南極氣象學(xué)的現(xiàn)狀及管理制度摘要：水汽是一種在全球氣候系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的溫室氣體，它不僅吸收和輻射太陽能量，對低層大氣的化學(xué)作用也有影響，我們設(shè)法利用GPS定位中的誤差源來反演大氣中的水汽。1地基GPS氣象學(xué)技術(shù)的基本原理如果地面上的GPS接收機(jī)的精確三維坐標(biāo)通過其他方法確定，則可從GPS接收機(jī)測量的衛(wèi)星信號傳播的總延遲量中提取水汽造成的濕延遲，進(jìn)而反演出信號路徑上水汽的累積量。這就是地基GPS氣象學(xué)的基本原理。GPS反演大氣可降水量流程如圖1所示。2地基GPS反演大氣可降水量處理流程在應(yīng)用GAMIT軟件處理GPS數(shù)據(jù)反演可降水量時，GPS數(shù)據(jù)處理按照4

2、個步驟進(jìn)行。首先是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，包括GPS觀測數(shù)據(jù)(rinex格式的o文件)、廣播星歷(brdc文件)、精密星歷文件(igs)、氣象觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)表文件;接著用GAMIT軟件處理各時段GPS的觀測數(shù)據(jù)，得到一個基線解算文件;然后用GLOBK(卡爾曼濾波)進(jìn)行多時段綜合解算，以得到網(wǎng)平差的結(jié)果及各個測站的平均坐標(biāo)和速度等參數(shù);最后把精確的測站坐標(biāo)帶回GAMIT，對待求測站進(jìn)行強(qiáng)約束，反演對流層的天頂延遲，得到可降水量。如果解算時發(fā)現(xiàn)各個時段的坐標(biāo)相差較大，應(yīng)該分析原因，重新進(jìn)行解算。3南極地基GPS數(shù)據(jù)解算實(shí)例3.1站點(diǎn)選擇和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備本次實(shí)驗(yàn)所選取的站點(diǎn)采取引入長距離測站的方式獲得絕對PWV。本次實(shí)

3、驗(yàn)參與解算的站包括7個IGS站，分別是VESL，SYOG，MAW1，DAV1，CAS1，DUM1，MCM4;此外，還有中國的兩個南極跟蹤站長城站GRW1和中山站ZHN1(如圖3所示)。為了在解算時較精確地得到可降水量，我們從SOPAC網(wǎng)站上查到2009年7個IGS站的精確坐標(biāo)，長城站和中山站的坐標(biāo)可以通過解算得到。這樣在解算時對坐標(biāo)點(diǎn)給予較強(qiáng)的約束。本次解算的是2009年全年9個站的GPS數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備好所有的數(shù)據(jù)文件后，便可以執(zhí)行GAMIT的批處理命令讓其自動解算一年的數(shù)據(jù)，就可以自動解算出9個站一年的數(shù)據(jù)。3.2可降水量的提取及其精度分析3.2.1提取可降水量在GAMIT中提取可降水量的命令為

4、sh_metutil。由于參與計算的天數(shù)有365d，要比對的站有5個，逐天逐條每個站下命令將很麻煩。這時，可以利用Linux系統(tǒng)的SHELL的功能，編寫一個小程序，實(shí)現(xiàn)三重循環(huán)。用VI編輯器編寫一個三重循環(huán)，以CAS1站為例，編寫一個名為xunhuan.sh的文件，然后通過命令chmod使之成為可執(zhí)行文件，具體命令為:Chmod+xxunhuan.sh。通過調(diào)用./xunhuan.sh來批量執(zhí)行幾百條命令，這樣就比較方便，其他幾個站以此類推。得到各個站點(diǎn)每天的可降水量，然后通過grep命令提取各個站點(diǎn)的可降水量。通過數(shù)據(jù)的整理分析，每個站點(diǎn)整理出一個可降水量文件。3.2.2GPS/PWV與探空

5、Radio/PWV的比較目前，世界氣象部門對大氣中水汽的探測主要還是依賴于探空氣球的探測，為了驗(yàn)證GPS/PWV的正確性和穩(wěn)定性，將GPS/PWV和Radio/PWV進(jìn)行比較。本次參與解算的9個站中有5個附近同時安裝有探空站，分別是SYOG，DAV1，CAS1，DUM1，MCM4。下面將就這5個站解算出的GPS/PWV和探空PWV進(jìn)行比較，其中探空PWV數(shù)據(jù)可以從美國懷俄明州大學(xué)的網(wǎng)站上下載。把2009年5個站點(diǎn)的GPS/PWV和Radio/PWV進(jìn)行比較。由于兩者的PWV在數(shù)值上比較接近，數(shù)據(jù)量又較大，為了能在圖上清晰的顯示，圖4至圖8畫出GPS/PWV的時間序列圖，以及GPS/PWV減去R

6、adio/PWV的差值的時間序列圖。5幅圖中上面的曲線代表GPS/PWV，下面的曲線代表它和Radio/PWV的差值。從定性上去分析圖4至圖8可以得出以下特點(diǎn):1)除個別點(diǎn)外，GPS/PWV比探空Radio/PWV系統(tǒng)性偏大，這說明用GPS探測水汽有偏高的跡象，并且當(dāng)PWV值偏大時，GPS所測的數(shù)值會表現(xiàn)的更敏感一些，也就是說當(dāng)絕對PWV較小時兩者更為接近。2)圖像顯示PWV兩端較大。差不多是年積日的050和300365這兩個范圍PWV較大，這個時間段恰好是南極的夏天，天氣較為濕潤，出現(xiàn)降雨的可能性大些，這樣和實(shí)際降水測量較為一致，解算的結(jié)果正確地反映了降水量的變化趨勢，體現(xiàn)了解算的合理性和正

7、確性。個別站點(diǎn)如CAS1站和SYOG中間也有一段時間(150200d)PWV也偏大，這與南極部分地區(qū)季風(fēng)性氣候有關(guān)，造成這一時段降水天氣的可能性增大。由上述5個圖表顯示及分析可知，GPS/PWV和Ra-dio/PWV在整體上是比較一致的，少部分天數(shù)兩者的差距較大?？偟膩碚f，5個站點(diǎn)的PWV值常年都比較小，有少部分天數(shù)PWV急劇上升，這些天數(shù)發(fā)生降雨的可能性就很大。為了得到更為精確的數(shù)據(jù)分析，表1從數(shù)理統(tǒng)計方面分別進(jìn)行定性分析。1)從平均偏差來看從表1中的平均偏差數(shù)據(jù)可知，GPS站反演的PWV高于探空站資料計算的PWV，不同站點(diǎn)的差異各不相同。從表1看出，SYOG站點(diǎn)差異較為明顯，分析原因可知，

8、該站點(diǎn)使用的探空儀器是VaisalaRS2-91傳感器，這種傳感器的誤差較大，這可能是造成兩者之間偏差較大的一個重要因素;SYOG站在垂直方向上的高差相差較大，這也是造成兩者偏差大的一個因素;MCM4站GPS和探空站在垂直方向上的高差最大，但由于它的可降水量太小，故沒能在平均偏差中反映出和其他站點(diǎn)顯著的差異。造成Radio/PWV和GPS/PWV差異的因素還有很多，這些差異與各地的氣候特征、其站點(diǎn)分布的各自海拔高程以及兩者探測水汽方法本身的精度密切相關(guān)。2)從均方差和相對方差來看從表1中數(shù)據(jù)可以看出，除SYOG站外，其他4個站的均方差都在0.9mm以內(nèi)，說明利用GPS觀測資料反演PWV具有一定

9、的精度。均方差比平均偏差的值稍大，5個站的均方差值和平均方差值顯示出一定的相關(guān)性，一般來說，平均偏差大的，均方差也偏大。5個站的相對方差，除SYOG站外，都在20%以下，最小的CAS1站為7.91%，該站離中山站最近，約110km，對中山站的可降水量有著較大的參考價值。在檢驗(yàn)GPS/PWV的精度時，不能單純以均方差大小衡量GPS/PWV的精度，還要結(jié)合相對方差的大小。3)從相關(guān)系數(shù)來看從表1可以看出，用GPS和探空兩種方法計算的PWV相關(guān)系數(shù)很高，都在92%以上，說明GPS/PWV和Radio/PWV在變化上有很好的一致性，即使偏差較大的SYOG站也不會像其他3個指標(biāo)那樣表現(xiàn)明顯。這充分說明了

10、用GPS反演可降水量的變化方面有著很高的精度。如果需要得到更為細(xì)致的結(jié)論，應(yīng)該把一年分成幾個季節(jié)或按月份來分別進(jìn)行統(tǒng)計分析。但由于南極地區(qū)的絕對PWV值比較小，所以只把整年的數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行分析。3.2.3GPS/PWV的誤差分析和任何一種測量手段一樣，用GPS來反演可降水量，它的誤差是不可避免的?？偟脕碚f，有以下3個來源。1)GPS測量的誤差。包括電離延遲誤差、接收機(jī)鐘差、多路徑效應(yīng)等測量誤差。2)靜力延遲量誤差。由于對流層模式不是很完善，再加上測量大氣元素氣溫、氣壓等氣象要素的誤差，這些將最終表現(xiàn)在延遲量上，造成對流層延遲估算不準(zhǔn)確。3)反演誤差。由濕延遲反演到PWV的主要誤差有濕延遲和轉(zhuǎn)

11、換因子誤差。以上三個方面將綜合影響GPS探測PWV的最終精度，我們必須注意用適當(dāng)?shù)姆椒?，將這些誤差盡量減少，以提高探測精度。4結(jié)束語本文基于地基GPS氣象學(xué)技術(shù)，運(yùn)用GAMIT軟件對南極地區(qū)的GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了運(yùn)算處理，獲得可降水量，并且和探空資料進(jìn)行了比對，得到了較好的結(jié)果。分析了用GAMIT軟件處理GPS數(shù)據(jù)獲得可降水量的技術(shù)要點(diǎn)，實(shí)際解算了2009年南極地區(qū)的9個站點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)，提取了它們各自的可降水量(PWV)，分別得到了各個站點(diǎn)的濕分量(ZWD)和PWV的聯(lián)系數(shù)K值。把其中的5個和探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，畫出了它們的PWV時間序列圖，分別從平均偏差、均方差、相對方差、相關(guān)系數(shù)4個方面進(jìn)行了統(tǒng)計分