测绘学报 | 周要宗：基于CRA40产品的对流层延迟计算及比拟分析_对流层_精度

1. 武汉大学卫星导航定位技能研究中央, 湖北 武汉 430079;2. 中国气候局气候探测中央, 北京 100081;3. 北京航空航天算夜学卫星导航与移动通信领悟技能工业和信息化部重点实验室, 北京 100191;4. 南宁师范大学地理与海洋研究院, 广西 南宁 530001

基金项目：国家自然科学基金(42174027;41774036;41961144015);中心高校基本科研业务费专项资金帮助(2042020kf0020);福建省自然科学基金(2020J01356)

择要：2020年12月中国首款环球大气再剖析CRA40正式上线。
本文瞄准CRA40在对流层延迟打算中的运用, 首先磋商了利用CRA40采取射线追踪技能进行对流层延迟打算的方法, 然后分别在环球范围231个IGS测站和中国区域213个陆态网测站处对2018年整年基于CRA40及ECMWF两款再剖析资料(ERA-Interim和ERA5)获取的对流层天顶延迟和5°高度角斜路径延迟的精度进行了比较评估, 并对中国区域CRA40天顶湿延迟(ZWD)和斜路径湿延迟(SWD)的精度变革规律进行了剖析。
结果表明: 以GNSS天顶总延迟(ZTD)为参考的CRA40 ZTD偏差RMS在环球范围为1.39 cm, 略优于ERA-Interim, 在中国区域为1.41 cm, 基本与ERA-Interim相称; 以ERA5斜路径总延迟(STD)为参考的CRA40 STD偏差RMS在环球范围和中国区域分别为10.83和12.30 cm, 同ERAI无明显差异; 中国区域CRA40 ZWD和SWD精度与景象类型干系, 季风气候区冬季ZWD和SWD精度明显优于夏季。

关键词：CRA40 ERA5 ERA-Interim 射线追踪 对流层延迟

对流层延迟是环球卫星导航系统(GNSS)、甚长基线干涉丈量(very long baseline interferometry，VLBI)、卫星激光测距(satellite laser ranging，SLR)、卫星测高档空间大地丈量技能实现高精度参数估计的紧张偏差源之一，在数据处理中可利用外部数据产品估算对流层延迟并予以改正^{[1-3]。
环球大气再剖析产品，如欧洲中尺度景象预报中央(European Centre for Medium-range Weather Forecasts，ECMWF)再剖析中间产品(ECMWF reanalysis interim，ERA-Interim，简称“ERAI”)和第5代产品(the fifth generation ECMWF reanalysis，ERA5)、美国国家环境预报中央再剖析产品(The United States National Centers for environmental prediction reanalysis，NCEP)，通过同化多源历史气候不雅观测资料，具有精度高、时空覆盖完全的优点[4]，被广泛用于对流层天顶延迟(zenith path delay，ZPD)和斜路径延迟(slant path delay，SPD)的打算及建模[5-8]，发布了一系列ZPD履历模型(如SHAO系列模型[9]、IGGtrop系列模型[10]、TropGrid系列模型[11]、ITG模型[12]、GTrop模型[13]和HGPT模型[14])和映射函数模型(如UNB-VMF1[15]、VMF3[16]和GFZ-VMF1[17])。}

2013年11月，中国气候局启动了我国的环球大气再剖析操持，总体目标是建成我国第1代环球大气再剖析业务系统，并建成跨度40 a(1979—2018)的中国第1代环球大气/陆面再剖析产品(China’s first generation 40 a global atmosphere and land reanalysis，CRA40)^{[18-19]，质量超过国际第2代，在中国区域靠近或达到国际第3代大气再剖析水平(http://data.cma.cn/analysis/cra40)。
2020年12月CRA40产品正式上线并业务化发布[20]。
磋商利用CRA40进行对流层延迟打算的方法，并评估CRA40用于对流层延迟打算的精度，尤其是在中国区域的精度，具有主要的意义。
文献[21]针对CRA40在中国区域GNSS水汽反演中的运用，对2016年整年CRA40和ERA5的气温、气压、大气水汽加权均匀温度和天顶总延迟(zenith total delay，ZTD)进行了较为系统的比较评估，结果表明以GNSS ZTD为参考，CRA40 ZTD精度为1.35 cm，总体较ERA5差。
但文献[21]紧张谈论的是中国区域的天顶延迟结果，并未开展环球范围内包括斜路径延迟在内的对流层延迟的系统评估。}

本文紧张对基于CRA40打算的对流层延迟开展系统的评估事情，首先谈论基于CRA40采取射线追踪技能打算对流层延迟的方法，然后分别在231个国际GNSS做事(international GNSS service，IGS)站和213个中国大陆布局环境监测网络(crustal movement observation network of China，CMONOC)站处对ERAI、ERA5和CRA40对流层延迟打算精度(ZPD和5°高度角SPD)进行系统比较评估，并对中国区域CRA40对流层湿延迟打算精度的变革特色进行剖析。

1.1 CRA40产品及预处理

CRA40(1979—2018)是由中国气候局国家气候信息中央牵头，联合多家单位开拓的，整体经历了两个阶段，即准备阶段(2014—2016年)和履行阶段(2016—2019年)^{[20]。
准备阶段紧张完成历史气候不雅观测资料的准备和模式同化系统的培植[22-23]，履行阶段紧张完成CRA-Interim(2006年7月—2016年12月)产品的制作和评估及CRA40产品的研制[24-26]。
CRA40产品是分10段进行研制的，每段4.5 a，段与段之间有半年重叠，以担保产品的连续性。
2019年8月全部40 a CRA40再剖析产品研制完成，并于2020年12月正式上线业务化[20]。
本文采取CRA40气压层产品进行对流层延迟打算，产品模式同化系统为GFS/GSI-3Dvar，韶光分辨率为6 h。
产品水平格网采取高斯经纬度投影，经向为均匀网格划分，分辨率为0.312 5°，纬向为非均匀网格划分，分辨率在0.312 5°旁边。
选用参数包括位势高、温度和比湿，位势高和温度参数气压层层数为47，层顶气压为1 hPa(42 km旁边)，比湿参数气压层层数为37，层顶气压为100 hPa(16 km旁边)。}

干系研究表明：同一再剖析产品随着水平分辨率的提高，射线追踪的打算效率会显著降落，而对射线追踪ZTD打算精度的影响并不显著^{[7]，因此综合考虑射线追踪打算效率和精度，本文采取NCEP官网供应的wgrib2工具利用双线性插值方法将再剖析资料的水平分辨率统一重采样为1°，来开展后续的再剖析资料评估试验。
此外，CRA40比湿参数仅有37层，与位势高和温度参数气压层层数不一致，因此须要比拟湿参数层顶100 hPa以上气压层(1、2、3、5、7、10、20、30、50、70 hPa)的比湿参数进行处理，得到气压层层数为47的比湿参数。
可选的处理方法紧张有3种：方法1认为100 hPa(16 km)以上水汽已经相称稀疏，因此，可以大略地将100 hPa以上气压层的比湿参数值设为0 g·kg-1；方法2由现有层顶100 hPa和相邻气压层(如125、150、175 hPa等)的比湿参数来线性外推层顶以上的比湿参数；方法3直接采取100 hPa的比湿参数值作为其他层顶气压层的数值。}

为评估以上方法的差异，图 1(a)给出了2018年7月19日UTC 15时BZRG测站基于ERA5打算的天顶湿延迟(zenith wet delay，ZWD)随高度的变革曲线，图 1(b)给出了2018年7月ERA5月均匀产品环球比湿参数均值随气压(37层)的变革曲线。
由图 1可知，16 km(100 hPa)以上ZWD数值在亚毫米量级，100 hPa以上比湿参数并不为0，险些处于一个不变值，因此方法1可行但不严密，而方法3相对更为合理。
比较之下，方法2利用层顶100 hPa和相邻气压层比湿来线性外推顶层比湿，可能会得到小于0 g·kg^{-1的比湿。
综合考虑打算的可行性和合理性，本文采取方法3处理顶层比湿参数。
经预处理后，CRA40产品韶光和水平分辨率分别为6 h和1.0°，气压层层数为47，层顶气压为1 hPa(42 km)。}

图 1 ZWD随高度和比湿随气压的变革曲线

Fig. 1 Changing curves of ZWD with height and specific humidity with pressure

图选项

1.2 ERA5和ERAI产品

ERA5(1950年至今)是ECMWF发布的最新一代环球大气再剖析产品，产品模式同化方法为Ensemble of 4D-Var，韶光延迟在5 d旁边，韶光分辨率为1 h，水平分辨率为31 km，气压层产品垂直层数为37^{[27-28]。
ERAI(1979—2019年)是ERA5的上一代环球大气再剖析产品，产品模式同化方法为4D-Var，韶光分辨率为6 h，水平分辨率为80 km，气压层产品垂直层数为37[29]。
本文选用ERA5和ERAI气压层产品进行对流层延迟打算，参数包括位势、温度和比湿，产品韶光和水平分辨率与CRA40重采样产品保持同等，分别为6 h和1.0°，层顶气压为1 hPa。}