京津冀地区FY-4A水汽校正模型研究

王勇; 姜诺涵; 刘严萍; 刘晓; 占伟

doi:10.12265/j.gnss.2021092604

京津冀地区FY-4A水汽校正模型研究

doi: 10.12265/j.gnss.2021092604

王勇^{1, 2, ,},
姜诺涵¹,
刘严萍³,
刘晓¹,
占伟⁴

1.
天津城建大学地质与测绘学院, 天津 300384
2.
中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室, 武汉 430077
3.
天津城建大学经济与管理学院, 天津 300384
4.
中国地震局第一监测中心, 天津 300180

基金项目: 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金资助项目(SKLGED-2021-2-4)；天津市科技计划项目(21KPHDRC00070)；天津市教委科研计划项目 (2021ZD001)

详细信息

作者简介:
王勇：(1978—)，男，博士，教授，研究方向为GNSS数据处理与应用

姜诺涵：(1996—)，女，硕士，研究方向为GNSS气象学

刘严萍：(1979—)，女，博士，讲师，研究方向为GNSS气象学

刘晓：(1997—)，女，硕士，研究方向为GNSS气象学

通信作者:
王勇 E-mail:wangyongjz@126.com

中图分类号: P227
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2021-09-26
- 网络出版日期: 2022-06-10

Study on FY-4A PWV correction model in Beijing-Tianjin-Hebei region

WANG Yong^{1, 2
, ,},
JIANG Nuohan¹,
LIU Yanping³,
LIU Xiao¹,
ZHAN Wei⁴

1.
School of Geology and Geomatics, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China
2.
State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, CAS, Wuhan 430077, China
3.
School of Economics and Management, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China
4.
The First Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China

摘要

摘要: 融合全球卫星导航系统(GNSS)与风云气象卫星FY-4A可获得高精度高空间分辨率的水汽分布信息. 利用中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)提供的GNSS观测资料开展京津冀地区FY-4A水汽校正研究. 首先对京津冀地区进行区域划分，按区域分季节开展GNSS水汽与FY-4A水汽的相关性分析；其次分区域、分季节选择不同的函数模型结合GNSS水汽资料构建FY-4A水汽校正模型；然后采取区域模型、单站点模型与实测GNSS水汽开展模型的可靠性检验；最后通过分区域FY-4A水汽校正和图像叠加，获得校正后的京津冀地区FY-4A水汽分布. 研究表明：FY-4A水汽与GNSS水汽的相关性较好，区域FY-4A水汽校正模型精度与单站点模型精度相当，可取代单站点模型用于FY-4A的水汽校正. 基于CMONOC的分区域函数模型在一定程度上提高FY-4A水汽精度，为短期天气预报和合成孔径雷达(InSAR)大气校正提供参考.
- 中国大陆构造环境监测网络 /
- 全球卫星导航系统(GNSS) /
- 风云气象卫星 /
- 水汽 /
- 校正模型
Abstract: Integrating Global Navigation Satellite System (GNSS) and Fengyun meteorological satellite FY-4A can obtain high-precision and high-spatial resolution water vapor distribution information. This paper used the GNSS observation data from crustal movement observation network of China (CMONOC) to carry out the FY-4A water vapor correction study in the Beijing-Tianjin-Hebei region. Firstly, the Beijing-Tianjin-Hebei region was divided into four regions, and the correlation analysis between GNSS precipitable water vapor (PWV) and FY-4A PWV was carried out by regions and seasons. Secondly, different function models were selected by region and season and combined with GNSS PWV data to construct the FY-4A PWV correction models. Then, the GNSS PWV was compared with the results of the regional model and the single-site model respectively to carry out the reliability test of the model. Finally, the corrected FY-4A PWV distribution in the Beijing-Tianjin-Hebei region was obtained through regional FY-4A PWV correction and mosaiced. Research shows that the FY-4A PWV has a good correlation with GNSS PWV, and the accuracy of the regional FY-4A PWV correction model is equivalent to that of the single-site model, which can replace the single-site model for the FY-4A PWV correction. The regional model based on CMONOC GNSS PWV can improve the accuracy of FY-4A PWV to a certain extent, and provide references for the short-term weather forecast and InSAR atmospheric correction.
- crustal movement observation network of China /
- Global Navigation Satellite System (GNSS) /
- Fengyun meteorological satellite /
- precipitable water vapor /
- correction model

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图 1 京津冀地区GNSS站点分布及区域划分

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图 2 GNSS水汽与FY-4A 水汽比较

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图 3 校正前后FY-4A水汽分布对比

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表 1 FY-4A水汽精度评定及其与GNSS水汽的相关性

区域类型	站点名称	春		夏		秋		冬
区域类型	站点名称	相关性	RMSE/ mm	相关性	RMSE/ mm	相关性	RMSE/ mm	相关性	RMSE/ mm
1	HECX	0.951	2.230	0.935	4.42	0.964	2.57	0.929	0.980
	HELQ	0.913	2.800	0.929	3.90	0.967	1.95	0.919	1.020
	HELY	0.948	2.550	0.941	4.21	0.954	2.74	0.933	0.933
2	BJFS	0.930	2.160	0.926	4.27	0.967	2.03	0.889	1.020
	BJSH	0.924	2.250	0.889	4.81	0.970	2.11	0.904	1.090
	HETS	0.947	2.560	0.871	4.93	0.966	2.70	0.926	0.880
	JIXN	0.925	2.480	0.876	4.53	0.976	2.18	0.885	1.280
	BJGB	0.909	2.430	0.895	4.27	0.974	2.18	0.877	1.070
3	TJBD	0.948	2.140	0.882	4.45	0.966	2.13	0.903	0.930
	TJBH	0.951	2.270	0.896	4.80	0.961	2.41	0.912	0.890
	TJWQ	0.956	2.040	0.895	4.51	0.870	1.51	0.900	0.970
4	BJYQ	0.909	1.920	0.875	4.10	0.947	2.22	-	-
	HECC	0.898	1.690	0.914	3.80	0.937	2.24	0.868	0.890
	HECD	0.899	2.180	0.876	4.67	0.965	2.38	0.869	0.910
	HEYY	0.885	0.885	0.927	2.85	0.943	1.91	0.855	0.810
	HEJZ	0.890	1.840	0.918	4.31	0.928	2.63	0.853	0.820
注：BJSH站点GNSS水汽数据不足，故无法得到相关性及及RMSE，上述相关系数均通过显著性检验.

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表 2 FY-4A水汽与GNSS水汽的相关性与RMSE统计

区域类型	春		夏			秋			冬
区域类型	相关性	RMSE/mm		相关性	RMSE/mm		相关性	RMSE/mm		相关性	RMSE/mm
1	0.938	2.54		0.923	4.18		0.959	2.44		0.925	1.01
2	0.951	2.38		0.897	4.52		0.964	2.26		0.902	1.07
3	0.892	1.89		0.905	3.97		0.945	2.30		0.848	0.86
4	0.925	2.21		0.888	3.95		0.964	2.16		0.965	1.24
注：区域类型编号与表1对应，上述相关系数均通过显著性检验.

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表 3 FY-4A水汽校正模型统计

区域类型	季节及模型	b₀	b₁	季节及模型	b₀	b₁
1	春	−0.725	1.006	秋	0.016	0.955
1	夏	−0.074	0.936	冬	−0.163	1.020
2	春	−0.368	1.045	秋	−0.415	1.038
2	夏	2.541	0.932	冬	0.102	1.062
3	春	0.169	0.945	秋	−0.161	0.941
3	夏	1.014	0.924	冬	−0.157	1.007
4	春	−0.593	1.053	秋	−0.587	1.034
4	夏	2.296	0.929	冬	0.018	1.092
注：b₀、b₁为以FY-4A水汽作为自变量，GNSS水汽作为因变量，构建的线性模型系数.

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表 4 校正后FY-4A水汽与GNSS水汽的RMSE统计 mm

区域类型	季节
	春		夏		秋		冬
	RMSE	平均偏差	RMSE	平均偏差	RMSE	平均偏差	RMSE	平均偏差
1	2.12	−0.500	4.19	−2.146	1.90	−0.945	0.96	−0.003
2	1.87	−0.085	3.38	2.227	2.14	0.892	0.84	0.138
3	2.60	−0.427	3.91	−1.311	2.10	−1.098	1.05	−0.161
4	2.08	−0.044	4.48	−0.099	2.26	−0.057	1.00	−0.020

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表 5 区域模型用于单站点校正与单站点模型直接校正的RMSE对比 mm

区域类型	站点名称	单站点模型	区域模型
1	HELY	3.16	3.91
2	JIXN	3.36	4.48
3	TJWQ	3.40	4.19
4	HECC	3.16	3.38

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表 6 校正前后均方根误差差值比较 mm

区域类型	时间
	1月30日	3月4日	7月14日	10月7日
	RMSE 差值	RMSE 差值	RMSE 差值	RMSE 差值
1	0.01	0.04	0.33	0.21
2	0.04	0.04	0.52	0.20
3	0.03	0.07	0.29	0.24
4	0.03	0.03	0.09	0.02

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