《电子技术应用》

GNSS系统监测雾霾对天顶对流层延迟的影响

2016年电子技术应用第4期 作者:陈 林,郭承军,范进伟
2016/5/11 13:30:00

陈  林,郭承军,范进伟

(电子科技大学 电子科学技术研究院,四川 成都611731)


    摘  要: 利用GPS/GLONASS组合精密单点定位(ppp)技术监测近年来北京地区雾霾天气对天顶对流层延迟的影响。研究表明,在雾霾发生时间段,天顶对流层延迟明显上升,天顶对流层延迟的变化趋势与雾霾严重程度整体体现一致性。结合北京雾霾天气特性,单日雾霾变化与天顶对流层延迟变化走势呈一致性。可以利用GPS/GLONASS组合精密单点定位估计的天顶对流层延迟来监测雾霾发生时间段雾霾程度的变化趋势。

    关键词: 雾霾;GPS/GLONASS;PPP;天顶对流层延迟

    中图分类号: P228;P426

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.027


    中文引用格式: 陈林,郭承军,范进伟. GNSS系统监测雾霾对天顶对流层延迟的影响[J].电子技术应用,2016,42(4):95-98.

    英文引用格式: Chen Lin,Guo Chengjun,Fan Jinwei. Monitoring effects of haze weather on zenith tropospheric delay by GNSS[J].Application of Electronic Technique,2016,42(4):95-98.

0 引言

    雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细颗粒物(PM 2.5),一旦排放超过大气循环能力和承载度,细颗粒物浓度将持续积聚,此时如果受静稳天气等影响,极易出现大范围的雾霾。近几年来雾霾天气越来越受到人类重视,许多城市都受到雾霾天气的困扰,在雾霾到来之际,空气质量极差,能见度也受到雾霾严重程度影响而降低。更重要的是,雾霾天气空中浮游大量尘粒和烟粒等有害物质,会对人体的呼吸道造成伤害,甚至引发肺部癌变的风险。采用合理手段对雾霾天气进行监测显得必要而紧迫。在全球导航卫星定位系统发展成熟的今天,已经实现利用GNSS进行对流层水汽反演并且基本满足数值天气预报要求。这使得结合全球导航卫星系统实现对雾霾天气的监测成为可能[1-2]

    另外,国内外学者在利用精密单点定位技术估计天顶对流层延迟方面做出了许多的研究工作[3-4],研究多是基于单系统[5-6]。相对于单系统,利用多星座组合系统进行对流层监测能够有更多的数据来源,有利于获得高精度的对流层延迟信息[7-8]

    基于此,本文利用GPS/GLONASS双系统组合精密单点定位方法,结合北京地区雾霾时段IGS测站数据研究雾霾天气对对流层延迟的影响,并利用IGS延迟产品对延迟影响程度进行评估。

1 GPS/GLONASS组合精密单点定位估计

    通过精密轨道和钟差,利用伪距和相位的双频消电离层组合观测值,估计测站坐标、接收机钟差、天顶对流层延迟和整周模糊度等参数。GPS/GLONASS无电离层组合观测模型如下[9-10]

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式中,gps和glo分别代表GPS卫星和GLONASS卫星,PIF和ΦIF为伪距和相位消电离层观测值。fi为Li载波频率(i=1,2),Pi和Φi为Li载波上伪距和相位观测值(i=1,2),ρ为卫星到测站几何距离,c为光速,Tr为接收机钟差,M为映射函数,dzwd为天顶方向对流程延迟,NIF为消电离层组合模糊度,ε为观测噪声及其他残差。 

2 研究数据

    污染物在清晨即7:00~8:00 am间开始迅速增加,到10:00开始进入线性增加期,而到傍晚时分开始下降,并于晚间回归较低的值。因为白天在水气和阳光的作用下,一次排放的污染物发生二次反应,从而快速积累,而人的活动也在白天达到高峰,排放物的增加和积累促使污染在下午达到高峰;而晚间,由于光照的减少,二次反应降低,排放也因为人们的活动减少而降低,从而使得空气污染得到缓解。但是北京的雾霾曲线则与普通的空气污染曲线不同,空气污染往往在晚间达到峰值,而白天则处于不断积累的过程中。表明北京的空气污染有其特殊性。

    根据北京近年来雾霾发生的情况,通过查阅分析过去历史气象资料可知,2015年11月底,北京经历了2015年以来最严重的一轮空气重污染。11月27日14时启动空气重污染黄色预警;29日上午10时升级为橙色预警,12月1日解除,共持续了106个小时(4天零10个小时)。在12月7日北京更是启动历史上首个重污染红色警报。2014年10月8日~12日北京雾霾污染为严重污染级别,PM2.5也达到300 μg/m3以上。2013年1月的30天里北京有26天出现雾霾天气,其中10日~14日最为严重,有两天为严重污染,3天为重度污染[11],其中12日最为严重,PM2.5甚至短暂达到1 000 μg/m3

    本文选取北京2015年11月27日~12月7日,2014年10月7日~14日,2013年1月10日~14日这三个时间段的雾霾天气为研究对象,利用分布在北京地区的IGS站点BJFS站的观测数据,数据采样间隔为30 s,采用IGS提供的精密星历通过GPS/GLONASS组合精密单点定位模型进行解算,估计天顶对流层总延迟量。并利用IGS提供的BJFS站气象观测数据计算静力学延迟,也即对流层干延迟分量。将估计的天顶对流层总延迟减去干延迟分量,得到湿延迟分量,再通过转换因子便可转换为可降水量信息。

3 组合模型估计天顶对流层延迟可靠性验证

    利用IGS提供的对流层延迟产品来评估GPS/GLONASS组合精密单点定位估计的对流层延迟精度。并对比GPS单系统站点数据解算得到的天顶对流层延迟估计值,验证GPS/GLONASS组合精密单点定位计算的天顶对流层延迟估计值的可靠性。

    图1给出了北京近三年雾霾天气BJFS站各5天的PPP估计的天顶对流层延迟与IGS差值的统计数据,由图可以得到PPP的估计值与IGS产品存在偏差,但总体上与IGS产品结果相符。另外可以看出与GPS相比,GPS/GLONASS组合精密单点定位估计的ZPD值同IGS具有更好的一致性。由此可以说明双系统组合模型的ZPD估计值是可靠的。

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4 雾霾天气对GPS/GLONASS组合定位天顶对流层延迟影响

4.1 2015年雾霾时段

    由图2可以看出, 11月27日(0时)开始ZPD值达到2.44 m,随后几天呈逐步下降趋势,并在12月1日(100 h左右)降至最低值。从1日~7日,天顶对流层延迟值又逐渐呈上升趋势,甚至达到11月27日天顶对流层延迟量水平。这也与7日北京启动历史上首个重污染红色警报相一致。

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    从图3可知, 27日当天ZPD总体呈上升趋势,27日凌晨到上午7时,ZPD值从2.43 m下降至2.423 m,随后急剧上升,下午15时左右延迟量达到白天最大值,这与北京市27日14时启动空气重污染黄色预警时间相一致。15时~21时延迟量略有下降,21时后直到28日凌晨对流层天顶延迟呈显著上升趋势并达到当日峰值。根据北京空气污染特性,北京空气污染往往在晚间达到峰值,而白天则处于不断积累的过程中。27日的ZPD变化值很好体现了单日雾霾发生时间段与天顶对流层延迟变化走势的一致性。

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    图4所示为12月1日当天的天顶对流层延迟变化情况,天顶对流层延迟在当天上午7时左右降至最低,随后逐步上升直到晚间达到当日峰值,再一次体现了单日雾霾发生时间段与天顶对流层延迟变化走势呈一致性。但相对于前几日,1日ZPD估计值仍处于较低值,这与北京市12月1日解除雾霾污染橙色预警相一致。

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    总体而言,这段时间雾霾天气对GPS/GLONASS组合定位天顶对流层延迟影响与实际雾霾天气变化相一致。

4.2 2014年雾霾时段

    图5可看出,从10月7日(0 h)到11日凌晨(100 h)这段时间,对流层天顶延迟在缓慢上升,总体变化较为平稳,在2.357~2.367 m之间。11日~12日(120 h)ZPD变化明显,20小时内从2.36 m升到2.388 m,并且在12日整日维持在较高水平。12日过后从13日开始,ZPD呈明显下降趋势。

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    总体而言,从7日~12日估计的天顶对流层延迟呈逐步上升趋势,且在12日达到峰值,这与北京气象局发布的8日~12日北京雾霾污染为严重污染级别相一致。

4.3 2013年雾霾时段

    从图6中可以看出整个1月份除了1日(0~25 h)、6日(100~125 h)、7日(125~150 h)、18日(400~425 h)、25日(570~600 h)这4个时间段的ZPD较低外,其他时间的天顶对流层延迟估计值都相对偏高,且每日变化差距都较大。这与历史气象资料指出的“2013年1月30天里北京有26天出现雾霾天气”相一致,并且由此可以推断5天没有出现雾霾的天气应出现在上述时间段。通过查询历史气象数据,证实了上述推测。因此可以利用GPS/GLONASS组合精密单点定位估计的天顶对流层延迟监测雾霾发生时间段雾霾程度的变化趋势。

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    仔细观察图7中1月10日~14日的天顶对流层延迟估计值变化情况,可以看出在12日(55时附近)ZPD估计值达到一个峰值,可知12日的雾霾天气严重影响了天顶对流层延迟估计值。随后在14日(100时)ZPD估计值又达到另一个峰值,可知14日也出现了严重的雾霾天气。

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5 结语

    利用GPS/GLONASS组合精密单点定位估计天顶对流层延迟,结合北京三年的雾霾天气历史气象资料和IGS产品,可以得到:

    (1)雾霾发生时间段,天顶对流层延迟明显上升,天顶对流层延迟的变化趋势与雾霾严重程度整体体现一致性。

    (2)结合北京雾霾日一日内雾霾的高峰期,单日雾霾发生时间段与天顶对流层延迟变化走势呈一致性。

    (3)可以利用GPS/GLONASS组合精密单点定位估计的天顶对流层延迟监测雾霾发生时间段雾霾程度的变化趋势。

参考文献

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[3] 陈瑞琼,刘娅,李孝辉.卫星导航系统中对流层改正模型分析[J].测绘通报,2015(3):12-15.

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