GPS水汽观测误差外文翻译资料

 2022-12-10 15:55:31

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GPS水汽观测误差

Seth I. Gutman*1, Susan R. Sahm*1, Stanley G. Benjamin*1, and Tracy Lorraine Smith*2

1 NOAA研究预报系统实验室，博尔德，科罗拉多州，美国

2 与大气中的合作研究所的合作（CIRA），

科罗拉多州立大学，柯林斯堡，科罗拉多州，美国，

1 引言

本文的主要目的是研究相关的观测误差与反演总大气柱水汽（IPW）和全球定位系统（GPS）信号传播延迟引起的误差，第二个目的是展示如何与国家气象服务（NWS）的无线电探空仪探测与GPS可降水量估计影响数值天气预报模式结合测量。

虽然全球定位系统的水汽观测系统没有提供直接的信息，但在大气中的水汽的垂直分布，他们有几个优点超过其他水分传感系统。这些优势包括测量精度高；任意时间分辨率；全天候的可操作性；无需校准；高可靠性和较低的采购和维护成本。本文的目的是量化中性大气引起的GPS无线电信号传播延迟估计相关的观测误差和检索集成（总大气柱水汽从这些延误）。

比较GPS水汽反演与其他观测系统，特别是无线电探空仪，已进行了10年。而在绝对的水汽的估计精度，任何一个系统都存在不确定性，它是牢固地建立了无线电探空仪和GPS能提供总柱PW估计1-2毫米级的精度在理想情况下。在这种情况下，理想的情况是与已知的误差特性由熟练技术人员在云免费推出无线电探空仪（无对流，无沉淀的）接近一个或一个以上的连续运行。GPS参考站配备了精确的表面气象传感器的条件。直到最近，常规比较GPS水汽估计和操作便利测量之间已经不可能除了在运动条件。作为NOAA地基GPS气象网（图1）扩大然而，从相对封闭的高空探测设施与常规的比较（图2）成为可能。在越来越多的比较的基础上，我们得出这样的结论：GPS网是足够接近高空的网站在相同的空气质量大部分时间可用于质量控制的无线电探空仪湿度测量。为了确保最有效的办法是找到GPS气象系统接近的无线电探空仪发射设施，我们相信GPS遇到可以被认为是一种可行的升级到新创建的无线电探空仪更换系统。

图一 NOAA地基GPS气象网

图2 相对封闭的高空探测设施与常规的比较

2 GPS水汽反演误差

GPS水汽反演的精度最终取决于两个因素：需要从GPS双频载波相位观测值估计的中性大气总折射率的测量精度，假设和/或数学模型来执行这些功能。该方法用于估计中性（即非色散）从原始的GPS载波相位观测值的大气信号延迟，并从中获取大气水汽总量已经很详细的评价。一般来说，GPS的IPW反演精度的理论估计是与实证结果比较GPS水汽估计与其他水分传感系统衍生的一致。在此基础上，我们可以认为，GPS观测精度和假设或身体进行反演模型，在一般情况下，很好。在某些情况下，如下文所述，测量发射错误或假设打破，和IPW检索的准确率明显下降。NOAA的预报系统实验室（FSL）使用以下步骤来获取思想政治工作从GPS和辅助地面气象观测站280多个近实时：

收集全球定位系统和载波相位观测；收集地表气象观测；获得卫星轨道和地球方位参数；过程全球定位系统的数据估计的高度的中性大气（对流层）信号延迟；从对流层总延迟到大气中的水汽在大气中的分离；图为水汽湿信号延迟。

2.1 GPS观测

GPS接收机进行连续双频（L1 = L2 = 1575.42 MHz和1227.60 MHz）载波相位观测值，用于形成双差电离层自由由Gutman等人所描述的，2003。初始误差来源包括接收机噪声，网站相关多径和天线的相位延迟。

接收机噪声会降低性能，通常是接收机/天线电子结构的功能。多路径（从同一卫星信号的多个班次）介绍了范围的卫星测定的不确定度，并介绍了噪声在天顶对流层延迟信号的估计规模（ZTD）。一个卫星的范围被称为天线相位中心。天线的相位中心既不是物理上的，也不是空间上的稳定点，而是因为它们穿越天空的环境和卫星的高度变化。

在实践中，我们试图尽可能最大程度地减轻这些因素，通过选择网站小心和安装在稳定和电气良性环境中的全球定位系统。图3说明了测量噪声的时间依赖性变化对延迟的估计的影响在NOAA GPS三网站遇到网络：温菲尔德，La（蓝色），西雅图，WA（红色），和博尔德，CO（绿色）。

噪声是在正式的误差来表示（或均方根差）在30分钟的ZTD估计。正式的错误估计，每半小时在每个站点使用60个独立的ZTD估计。一个1厘米的正式的错误介绍集成可降水量的估计约1.5毫米的不确定性。

在所有的情况下，在协调世界时0时高的形式错误的数据提供给美国的网络中使用的GPS接收机的业主数量下降造成的。下降是由一些GPS数据供应商实施数据采集策略造成的，在这局没有直接控制。增加正式的错误之前和之后的午夜UTC是滑动窗口技术用于估计ZTD近实时的神器。GPS见面地点附近温菲尔德，La（绘制蓝色）坐落在森林茂密的地区中北部路易斯安那。GPS卫星星座的不受限制的观点是有限的海拔在30度左右的针叶树木环绕场地厚站。当天空的视野限制，卫星数目不断追踪下去，并在ZTD估计增加的分散，在这种情况下，约0.7毫米（1.1毫米~ IPW）RMS。把全球定位系统定位在天空能见度最大的地方，这是一个很好的做法。

GPS现场附近的西雅图，WA（绘制红色）坐落在NWS预测办公室在沙。天线是安装在一个3米高的塔，这是牢固地锚定的基础建设。在这个位置上的天空的景色是在所有方向上不受限制，但多径效应和塔本身对天线相位中心贡献约0.7毫米的IPW估计在这个位置的不确定性。

在博尔德的网站，公司是在戴维Skaggs研究中心。天线安装在一个1.8米的刚性柱拉线的建筑。天空的视野是不受限制的除了直接到西在零下40度的天空，用熨斗切断，岩层，是落基山脉的前系列的一部分。在建筑物的屋顶上的网站被选择，以尽量减少多径。天顶对流层延迟误差约为0.3厘米，换算成一个工作的不确定性小于0.5毫米的思想政治工作。这里讨论的网站没有提供可怜的IPW估计由于在每一种情况下的误差以及下面的数值天气预报模式的同化分析这些数据错误（古特曼和本杰明，2001）。

2.2地面气象观测

两类面需要观察分析对流层信号延迟到其干、湿成分（Bevis et al.，1992）。表面压力测量用于天顶静力学延迟估计（Saastamoinen，1972）和可以做正常情况下约0.5%的误差（雷希，1984）。表面温度的测量可以用来估计的平均温度的大气中的误差约为2%。一般来说，在0.5 hPa精度表面压力测量，并与约2度的表面温度测量精度足以保持IPW的反演误差预算低于0.5毫米的IPW（古特曼et al，2003）。

2.3卫星轨道精度

由于实时GPS卫星轨道改进以支持业务天气预报气象机构全球活动的要求，GPS卫星轨道精度和IPW的检索精度之间的关系已被广泛研究。通用电气等。（2000）和其他人已经表明，如果GPS卫星轨道精度高著称（误差小于25厘米RMS）然后轨道的不确定性将会对IPW反演的影响可忽略不计。该策略通过FSL以足够的精度的GPS实时轨道产生操作遇到的产品使用每小时更新的sopacgenerated国际GPS服务（IGS）超快速轨道（Fang et al.，1999）和一个滑动窗口技术。在实践中，基于小时轨道·轨道预报有相同水平的精度为12小时延迟快速轨道。

在罕见的情况下，实时轨道预报精度迅速降低，导致思想政治工作的检索精度误差大。这些失败的几种原因已经确定，包括：数据处理硬件和软件问题上；IGS /喷气推进实验室（NASA喷气推进实验室）和美国海军气象天文台（USNO）参数传递（或收据）问题；从IGS跟踪网络观测减慢或停止；并通过空军NAVSTAR GPS卫星飞行轨道演习。

最近的轨道问题的影响，如图4所示。站间距相距上千公里的经验同时高度相关，直接映射到ZTD IPW的错误。在ZTD正式误差的影响也显示。

目前正在评估的步骤，以减轻轨道预测问题的影响。选项包括：该硬件冗余和自动故障切换；备用通信路径上IGS /喷气推进实验室，USNO，IGS全球跟踪站，并从该巨石；与美国可能达成的协议。空军有关通知操作的用户喜欢在开始和结束的所有卫星轨道机动NOAA。

图4最近的轨道问题的影响

2.4 GPS数据处理

在GPS的一个主要假设遇到数据处理可以使我们客观地估计ZTD并映射到思想政治工作的一个明确的态度。

这个假设是帽子tropospherically引起的信号延迟主要取决于地平线以上的卫星的高度，而不是从哪个方向来的无线电信号。发达的全球定位系统数据处理技术的大地测量界通常指的是这个假设的方位角对称。很显然，这种假设是错误的表面价值自重大天气事件通常具有较高的温度、压力有关，和水分梯度，直接映射到无线电折射率梯度。问题是，在现实中，如何好的假设是方位对称？

事实证明，通过大气层的路径长度引起的信号延迟控制折射率结构多数的条件下（雷希，1984）。而当地的折射率与云锋相关的变化，和其他边界引起的二阶变化，偏离这一高达3 - 5%，这些情况是很少见的。

直到这样的时间，如全天候全球定位系统技术，可以开发，可以明确地将这些异常的背景，这是其他技术如水蒸气辐射长基线干涉检测这些异常的省。

2.5解析的延迟和湿组件映射到IPW

解析ZTD为潮湿和干燥部件相关的错误，和湿分量映射到IPW也已经进行了非常详细的讨论（beviset al.，1992，Bevis et al.，1994）。

利用数值天气模型估计的平均水汽加权温度大气而不是使用表面温度测量和气候模型的优点是由Gutman等人讨论。在一般情况下，我们认为，小的改进时，有偏离正常的温度递减率，被淹没的问题与建模误差。

3 GPS水汽反演可能使用无线电探空和卫星的质量控制

如图5所示，对gps-ipw检索PW在能源部从大平原南部的无线电探空仪源长期比较（SGP）大气辐射测量（ARM）设施之间的1996和1999显示没有长期的偏差和标准偏差约2毫米的PW。其他的比较是与这一结果相一致，表明探空PW的估计是，在统计意义上，稍干（0.5毫米的顺序上）与GPS相比满足检索。

图6是一个地图的GPS气象网内的快速更新周期60公里探空站点（60版）认证面积由史密斯等人讨论，2004。在这一地区内，9个上层空气的网站（确定在表1）是50公里内的一个全球定位系统接收机。

图7是一个探空–衍生的PW和gps-ipw检索在九个地点在表1中确定的散点图。表3给出了所有比较的统计数据，而表4给出了统计离群值的统计数据。一个孤立点定义为差大于2或1.9标准偏差值。

建立了一个GPS的预期精度暂定基准满足检索相对于业务探空PW估计，现在

可能把这个应用到一个真实的单词。图8是一张用20公里的模型分析和预测工作时间的差异。

在这张地图上的主要特征是一个非常大的公牛眼睛位于布莱克斯堡附近，VA和更小的一个在底特律/白湖附近，MI。

图9是一个时间序列图探空PW观察在NWS高空网站在布莱克斯堡，弗吉尼亚（纳豆）和GPS观测工作在同一个位置。在12 UTC的分析和预测的3大穗可能是一个错误的传感器RH的结果。不幸的是，这两个版本的RUC模型（带和不带GPS）没有标志这是一个糟糕的观察。误差传播的12小时预报没有GPS的RUC的版本，当另一个推出一个有问题的加剧和延长传感器的问题12个小时。相反，在RUC模型同化GPS版本很快就能够遏制和纠正这一点，至少在水分总量情况。

这和许多其他情况下，GPS和无线电探空仪湿度比较似乎以确定问题的探测仪和限制在数值模式同化他们的负面影响提供了一个非常可靠的方法。

4结论

GPS提供检索满足集成（总量）具有可比的精度对探空水汽。估计IPW的近实时意味着可以确定湿度探测的时间已达500 hPa探空仪是成功的能力。

所需要的是足够接近，以确保结果是同一气团的GPS和无线电探空仪发射点。为了确保这一点的最好办法是配置GPS系统在网站上遇到的空气。无线电探空仪系统提供了一个简单的替代NOAA和成本有效的方式完成这。因此，我们建议，将来升级到RRS包括双频GPS接收机和稳定的纪念碑在高空网站提供最准确和可靠的数据预测，建模，和卫星的验证。

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