广西区域大气水汽转换系数的算法研究.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科 学 研 究 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯广西区域大气水汽转换系数的算法研究习尧青(广西城市职业大学 广西崇左 532100)摘要：为了确保大气可降水量反演精确度得以大幅度提高，现以“广西区域”为研究对象，提出一种大气水汽转换系数新算法。该文将结合广西4个探空站相关探空资料，完成对广西区域大气水汽转换系数计算模型的构建，并将该模型与广西高程模型、中国低纬度模型进行全面地分析和对比。结果表明：该文所提出的转换系数新算法，有效地提高了内外大气可降水量反演精确度，使4个站点的精度平均绝对误差最小值为0.001 3，最大值为0.001 8，均方跟误差最小值为0.001 6，最大值为0.002 2，外符合精度平均绝对误差、均方根误差分别为0.001 7、0.002 1，这为后期广西高程模型构建提出重要的依据和参考。关键词：转换系数 大气水汽 加权平均温度 探空资料中图分类号：P426文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)16-0226-04Research on the Algorithm of the Atmospheric Water Vapor Conversion Coefficient in GuangxiXI Yaoqing(Guangxi City Vocational University,Chongzuo,Guangxi Zhuang Autonomous Region,532100 China)Abstract:In order to ensure that the retrieval accuracy of atmospheric precipitable water can be greatly improved,a new algorithm of the atmospheric water vapor conversion coefficient is proposed with Guangxi as the research object now.This paper will construct the calculation model of the atmospheric water vapor conversion coefficient in Guangxi in combination with the relevant sounding data of four sounding stations in Guangxi,and comprehensively analyzes and compares the model with the elevation model of Guangxi and the low-latitude model of China.The results show that the new algorithm of the conversion coefficient proposed in this paper effectively improves the retrieval accuracy of internal and external atmospheric precipitable water,so that the minimum average absolute error of the accuracy of four stations is 0.0013 and the maximum value is 0.0018,the minimum root-mean-square error is 0.0016 and the maximum is 0.0022,and the average absolute error of external coincidence accuracy and the root-mean-square error are 0.0017 and 0.0021,respectively,which provides an important basis and reference for the later construction of the elevation model of Guangxi.Key Words:Conversion coefficient;Atmospheric water vapor;Weighted mean temperature;Sounding data 水汽作为大气中重要成分，具有活跃、多变等特点，且水汽分布相对比较复杂，其时空变化相对比较明显，这就增加了气象参数描述难度。水汽变化在某种程度上直接影响了降水量，且通过利用大气能量传输DOI：10.16661/ki.1672-3791.2301-5042-8688基金项目：本文系2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“广西地区大气水汽转换系数模型研究”（项目编号：2021KY1861）。作者简介：习尧青（1984），男，硕士，副教授，研究方向为工程力学。226SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 科 学 研 究科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION水汽期间，会对全球气候变化产生一定程度的影响1。广西壮族自治区主要处于中国低纬度地区，具有降水量多、干湿分明、灾害频繁出现、旱涝严重等特点，因此，通过对广西区域大气水汽含量进行精确化预测，可以提高广西旱涝灾害预报结果的精确性和真实性。近年来，大量的学者逐渐加大了对广西区域大气水汽反演内容研究中，并取得了相应的研究成果2。地基遥感水汽技术的出现和应用，为大气水汽探测工作的开展提供重要的技术支持，该技术具有实时连续性高，可以有效地避免天气等外界因素的影响，最大限度地提高探测大气水汽探测结果的精确性3。另外，通过运用地基遥感水汽，可以实现对GPS卫星信号的有效获取，并根据其与大气密度之间的关联度，获取反演大气中的水汽含量信息，而这与转换系数K值的精确度之间存在很大的联系，水汽转换系数作为大气可降水量重要参数之一，为了确保大气可降水量获取结果的精确性和真实性，需要将转换系数K值设置为0.15，并完成对局部地区加权平均温度模型的构建，并结合加权平均温度与地面气象要素两者之间的关联度，完成对所需模型的构建，此外，大气水汽转换系数K值的计算和运用在获取可降水量方面具有重要作用，通过加强对局部地区加权平均温度模型的构建，不仅可以最大限度地提高内外符合精度，还能保证大气可降水量反演精度4。为了实现以上目标，技术人员以“广西区域”为例，对大气水汽转换系数算法进行科学设计，从而保证大气水汽转换系数计算模型精度。1 大气水汽转换系数K值计算利用测站纬度，对转换系数K值进行精确化计算，同时利用广西高程模型、低纬度模型，对广西K值进行精确化计算，与广西高程模型、低纬度模型相比，需要对测站高程进行实时化改正和优化5。2 广西区域大气水汽转换系数K值分析与新模型建立2.1 广西K值分析为了确保所获取的广西K值具有较高的精确度，技术人员要利用广西4个探空站，完成对相关探空站数据的收集和整理，并采用数值积分法，结合所获取的大气加权平均温度，对转换系数进行精确化求解，同时，还要根据以上 4 个探空站的资料计算各个站点20192021年K值变化。并采用函数的方式，表示出K值随时间变化规律，这为后期大气水汽转换系数K值精确度分析打下坚实的基础6。2.1.1 转换系数K值随测站经纬度变化分析为了实现对K值随测站经纬度变化关系的有效化分析，利用广西4个探空站数据，采用积分法，对K值进行精确化计算，然后，统计分析测站K值与经纬度两者之间的关系，广西位于中国低纬度地区，所以，K值与测站纬度变化趋势完全相反，这表明K值与测站纬度两者之间呈现出负相关关系。同时，当经度不断变化时，K值会不断增加。所以，通过将K值模型构建到广西区域中，需要重点分析K值在广西区域纬度中的变化趋势，K值在经度方向变化因素不作为本文模型构建的因素7。2.1.2 转换系数K值在高程方向上的影响分析相关研究结果表明：当广西区域属于大范围时，K值在高程方向上会出现明显的线性变化趋势。为了更好地分析和确定K值与测站高程变化两者之间的关系，需要对转换系数K值进行精确化计算，并统计各个探空站转换系数K值与高程两者之间关系8。对于广西区域而言，主要处于中国低纬度地区，当高程不断增加时，转换系数K值会呈现出不断降低的趋势，这说明高程与转换系数K值两者之间存在负相关关系，当高程达到1001 000 m时，转换系数K值降低趋势比较明显，所以，在广西构建转换系数K值模型研究期间，要将高程设置为本文模型构建影响因素。2.2 K值新模型建立对于广西区域而言，其K值通常表现出一定周期性特点，通过利用相关周期函数，完成对本文模型的构建，并使用0变量表示年平均值；使用1、2两个变量表示年周期系数；使用3、4两个变量表示半年周期系数。在此基础上，还要充分结合广西区域高程相关参数的基础上，完成对大气水汽转换系数计算模型的有效构建，并根据4个探空站，拟合分析以上3年K值，从而获得如表1所示的广西4个探空站拟合系数。从表1中的数据可以看出，各个探空站K值年平均值从大到小的排列顺序为南宁站、梧州站、百色站、桂林站。4个站点年周期和半年周期之间的差异相对比较小，这种差异主要集中体现在年平均值这一参数上。根据各个站点纬度分析结果，K值年平均值与纬227SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科 学 研 究 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯度存在很大的关联度，K值年平均值会随着纬度的不断增加而呈现出不断减小的趋势，这表明K值年平均值与纬度之间存在负相关关系9。3 模型精度分析3.1 内符合精度分析为了实现对本文模型精确度的有效验证，技术人员参照探空站数值积分法所获得的K值，利用本文模型分析和对比广西4个探空站20192021年K值与参考值，并对比本文模型与以上两种模型的精度。为了有效地验证3种模型的精度，结合平均绝对误差和均方跟误差两种评价指标，对3种模型的精确度进行有效评价。3种模型的精度统计如表2所示，从表2中的数据可知以下内容。（1）百色站点。与广西高程模型、低纬度模型相比，该站点本文模型的MAE值、RMSE值相对较小，这说明该站点本文模型表现出较高的精确度。（2）梧州站点。该站点本文模型所对应的MAE值达到最小。2019年、2021年，该站点本文模型所对应的 RMSE 值达到最小，2020 年这 3 种模型所对应的RMSE值完全相同，这表明该站点本文模型精确度最高。（3）桂林站点。与广西高程模型、低纬度模型相比，该站点本文模型获得较高的精确度。（4）南宁站点。该站点本文模型所获得的精确度较高。总之，通过分析和对比以上3种模型在百色站点、梧州站点、桂林站点、南宁站点最近3年的误差结果，不难发现，本文模型内符合精度远远超过广西高程模型、低纬度模型精度。3.2 外符合精度分析为了实现对本文模型外符合精确的有效化验证，借助2021年百色这一探空站数据积分计算所获得的K值，并将其设置为相应的参考值，同时，还要结合本文模型，对百色站点2022年K值进行预测，并将本文模型与其他两个模型进行分析和对比，3种模型的预测误差详见图1。从图1中可以看出，以上3种模型所对应的误差几乎完全相同，均处于-0.0080.005 mm之间。同时，3种表2 三种模型的精度统计站点名百色梧州桂林南宁年份201920202021201920202021201920202021201920202021本文模型MAE0.002 90.002 70.002 60.002 40.002 40.002 40.002 50.002 70.002 60.002 60.002 60.002 5RMSE0.003 30.003 10.003 00.002 80.002 90.002 80.002 90.003 00.002 80.002 90.003 10.002 9广西高程模型MAE0.003 20.002 80.002 60.002 50.002 50.002 50.002 60.003 00.002 70.002 70.002 90.002 6RMSE0.003 70.003 40.003 10.002 90.002 90.002 90.003 00.003 40.003 10.003 00.003 40.003 1低纬度模型MAE0.003 10.002 80.002 80.002 50.002 60.002 60.002 90.002 70.002 60.002 70.002 70.002 6RMSE0.003 50.003 20.003 10.002 90.002 90.002 90.003 30.003 10.002 90.003 00.003 10.002 9表1 广西4个探空站拟合系数参数北纬/高程/m拟合系数01234梧州23.481200.162 038-0.002 357-0.000 864-0.000 458-0.000 033百色23.901750.161 965-0.002 040-0.000 495-0.000 604-0.000 390桂林25.331660.160 965-0.003 063-0.000 965-0.000 413-0.000 126南宁22.631260.162 826-0.002 103-0.000 523-0.000 558-0.000 183228SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 科 学 研 究科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION模型所对应的误差出现较大的波动，通过采用统计分析的方式，对以上3种模型的MAE、RMSE值进行精确化分析，得到如表3所示的3种模型的预测精度统计。从表3中的数据可以看出，本文模型所对应的MAE、RMSE值相对较小，与其他两种模型的MAE值相差很小。但是，广西高程模型所对应的RMSE值远远超过低纬度模型，这说明本文模型预测值达到最高，由此可见，本文模型所对应的外符合精度相对较高。4 模型应用为了更好地验证本文模型在大气可降水量中的反演效果，通过利用桂林站所提供的大气可降水量数据，并采用水汽反演实验的方式，对桂林站2019年的气象数据进行实验分析，并对该探空站的大气可降水量进行计算，并将其设置为参考值，并结合3种模型中的误差，不断地提高本文模型的精确度10。5 结语综上所述，通过本次大气水汽转换系数算法设计，获得以下几个结论：（1）本文所构件的大气水汽转换系数计算模型精度远远超过低纬度模型和广西高程模型；（2）在进行可降水量反演时，本文模型误差最大值、中误差分别为0.22 mm、0.126 mm，显然获得较高的精确度；（3）通过对比分析本文模型与广西高程模型、中国低纬度模型，发现本文模型具有较高的内外符合精度。参考文献1 黄良珂,吴丕团,王浩宇,等.中国西南地区GPS大气水汽转换系数模型精化研究J.大地测量与地球动力学,2019,39(3):256-261.2 侯晓玲,张雯雯,李黎,等.长三角地区GNSS大气水汽转换系数模型精化研究J.大地测量与地球动力学,2021,41(1):17-20,38.3 曲建光.推算大气综合水汽转换系数K值的计算与分析J.黑龙江工程学院学报,2002,16(3):35-37.4 刘立龙,陈香萍,封海洋,等.新疆地区Emardson大气水汽转换系数的适用性分析J.大地测量与地球动力学,2016,36(5):434-437.5 夏晓明,范军,韩理想,等.中国低纬度地区水汽转换系数分析研究J.现代测绘,2017,40(4):5-7.6 陈香萍,杨翼飞,李小行,等.青藏高原地区水汽转换系数H模型反演GPS大气可降水量的适用性分析J.桂林理工大学学报,2018,38(2):283-288.7 岳迎春,陈春明,俞艳.GPS技术遥感南极大气水汽含量的研究J.测绘科学,2008,33(5):81-82,84.8 刘立龙,黎峻宇,蔡成辉,等.广西地区大气水汽转换系数的K值模型J.桂林理工大学学报,2017,37(1):103-107.9 毛亚萍,刘海燕,高蕾,等.GPS/MET中水汽转换参数本地化研究与时空特性分析J.全球定位系统,2020,45(2):80-84.10 岳迎春,吴北平,李征航.地基GPS技术探测大气水汽含量的误差分析J.全球定位系统,2003,28(5):14-18.图1 三种模型的预测误差表3 三种模型的预测精度统计本文模型MAE0.002 8RMSE0.003 2广西高程模型MAE0.002 9RMSE0.003 5低纬度模型MAE0.002 9RMSE0.003 3229