海口地区GPS反演大气可降水量中加权平均温度模型构建及其应用

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-06-1081

摘要/Abstract

摘要：

地基GPS反演大气可降水量（precipitable water， PW）中，加权平均温度（T_m）是一个非常重要的参数。为提高海南岛PW反演的精度和可靠性，基于海口站2008—2010年探空数据计算的T_m，分析T_m时间变化特征及其与地面气象要素的关系，在此基础上利用2008—2012年数据建立T_m单因子、多因子回归模型和加入年积日的回归模型，并利用2013—2014年数据对模型进行检验。进一步基于2012年5—10月数据对基于T_m单因子和多因子模型的GPS反演PW进行检验。结果表明：本地化单因子、两因子T_m模型均方根误差分别为2.000和1.978 K，与Bevis公式、常数法相比，本地模型误差较小，与探空资料计算的T_m有良好的一致性。与Bevis模型相比，基于本地单因子和多因子T_m模型的GPS反演PW与探空资料计算的PW相关性更高，偏差更小；与多因子线性模型相比，基于加入年积日的T_m模型的GPS反演PW精度明显提高。本地化T_m模型能更好满足海口地区地基GPS反演PW。

关键词: 大气可降水量, 加权平均温度, 地基GPS, 多元回归, 海口

Abstract:

Weighted mean temperature (T_m) is a key parameter in the retrieval of atmospheric precipitable water (PW) from ground-based Global Positioning System (GPS). In order to improve the accuracy and reliability of the retrieval of PW in Hainan Island, temporal variation characteristics of T_m calculated based on Haikou radiosonde data during 2008-2010 and the relation with meteorological factors at Haikou station are analyzed. On this basis, based on radiosonde and surface observation data during 2008-2012, single-factor and multi-factor T_m regression equations and T_m regression models with day of year factor are established at Haikou, and the models are validated by using radiosonde and surface observation data during 2013-2014. Based on the local T_m regression models, the ground-based GPS PW retrieval of Haikou is performed from May to October 2012, and the retrieval accuracy is verified. The results show that: by comparison of the true T_m, the RMSE of single-factor and two-factor local T_m models are 2.000 and 1.978 K, superior to Bevis and constant model. The local model of T_m has good consistency with T_m calculated by radiosonde data. The GPS PW from single-factor T_m model exhibits much stronger correlations with radiosonde PW than GPS PW based on Bevis model, and the RMSE of GPS PW by single-factor T_m model is lower than that based on Bevis model. Compared with the multi-factor linear T_m model, GPS PW based on the T_m model with day of year factor has significantly improved accuracy. The local models could meet the accuracy requirements of the PW from ground-based GPS data of Haikou.

Key words: precipitable water, weighted average temperature, ground-based GPS, multiple regression, Haikou

中图分类号:

P426

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图/表 11

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站名	样本量/个	T_m平均值/K				RMSE/K
站名	样本量/个	探空积分法	Bevis公式	常数法1	常数法2	Bevis公式	常数法1	常数法2
海口	2017	288.30	283.55	281.00	269.70	5.30	8.15	18.95
武汉	2110	280.98	278.64	281.00	269.70	3.97	8.01	13.83
北京	1982	274.28	274.85	281.00	269.70	4.81	13.05	12.09

站名	样本量/个	T_m平均值/K				RMSE/K
站名	样本量/个	探空积分法	Bevis公式	常数法1	常数法2	Bevis公式	常数法1	常数法2
海口	2017	288.30	283.55	281.00	269.70	5.30	8.15	18.95
武汉	2110	280.98	278.64	281.00	269.70	3.97	8.01	13.83
北京	1982	274.28	274.85	281.00	269.70	4.81	13.05	12.09

季节	模型公式	样本量/个	RMSE/K	决定系数
春季	T_m=83.02+0.69T_s	852	2.28	0.5750
夏季	T_m=73.92+0.72T_s	816	1.81	0.3338
秋季	T_m=114.59+0.58T_s	839	2.14	0.3676
冬季	T_m=44.70+0.83T_s	892	2.26	0.6444
夏半年	T_m=88.78+0.67T_s	1638	1.95	0.3201
冬半年	T_m=72.83+0.73T_s	1761	2.31	0.6412
全部样本	T_m=107.64+0.61T_s	3399	2.21	0.6281

季节	模型公式	样本量/个	RMSE/K	决定系数
春季	T_m=83.02+0.69T_s	852	2.28	0.5750
夏季	T_m=73.92+0.72T_s	816	1.81	0.3338
秋季	T_m=114.59+0.58T_s	839	2.14	0.3676
冬季	T_m=44.70+0.83T_s	892	2.26	0.6444
夏半年	T_m=88.78+0.67T_s	1638	1.95	0.3201
冬半年	T_m=72.83+0.73T_s	1761	2.31	0.6412
全部样本	T_m=107.64+0.61T_s	3399	2.21	0.6281

模型名称	模型公式	样本量/个	RMSE/K	决定系数
Bevis	T_m=70.2+0.72T_s	3399	5.087	0.5549
F1^*	T_m=107.64+0.61T_s	3399	2.212	0.6281
F9^*	T_m=103.59+0.61T_s+0.03RH	3399	2.195	0.6339
F11	T_m=97.91+0.62T_s+0.004P_s+0.03RH	3399	2.195	0.6339
F15^*	T_m=-72.32+1.21T_s+0.14RH-0.45P_es	3399	2.154	0.6474
F17	T_m=74.80+2.005T_s-1.41T_d+0.006P_s+0.310P_es	3399	2.185	0.6370
F19^*	T_m=-35.59+1.23T_s-0.04P_s+0.15RH-0.50P_es	3399	2.150	0.6486
F20^*	T_m=-36.65+1.66T_s-0.47T_d-0.037P_s+0.23RH-0.47P_es	3399	2.149	0.6489