汪波，仲丛宏

（上海达华测绘有限公司，上海 200136）

双台风期间横沙八期超大滩涂圈围工程基准站ZTD影响研究

汪波，仲丛宏

（上海达华测绘有限公司，上海 200136）

水汽在灾害性天气演变能量传输中至关重要，受其影响GNSS信号传播过程中对流层延迟会发生相应变化，通过研究GNSS观测中对流层延迟演化特征可间接分析极端天气发展规律。为分析ZTD短临时计算关键因素，计算了0.5 h对流层天顶延迟，其精度可达到与1 h、2 h相当的精度；采用超快速精密星历参与数据处理可获得与最终精密星历相当的精度，通过上述参数配置可计算短临时对流层天顶延迟。为分析台风对局域ZTD的影响，以横沙八期超大滩涂圈围工程基准站为例，讨论了2016年9月双台风“莫兰蒂”和“马勒卡”影响期间项目区上空对流层天顶延迟的演化过程，分析得到台风对局域ZTD的影响，与其距离和强度关系密切。

台风；ZTD；CORS；精密星历

0 引言

大气中水汽含量虽少，但其变化规律复杂，在天气系统演变和能量传输中扮演着举足轻重的角色。极端天气发生时往往伴随着特殊的水汽演变过程，全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System）信号在大气中的传播路径也会发生相应的改变，通过研究GNSS对流层天顶延迟ZTD（Zenith Tropospheric Delay）变化规律分析灾害性天气演化特征成为当前GNSS研究的热点[1]。王勇等分析了雾霾天气发生时ZTD的演化特征，研究得出雾霾天气的发生、持续、消散与ZTD的上升、徘徊于峰值区、下降均有很好的对应关系[2]；陈于等研究了暴雨发生前后ZTD的变化与降水的关系，分析得出两者的变化趋势保持高度一致[3]；叶其欣等分析了上海强对流天气中GPS/ZTD换算所得的GPS大气可降水量时空特征，不同季节强降水中呈现不同的规律[4]。本文探讨了ZTD短临时估计中关键因素影响；分析了2016年9月双台风“莫兰蒂”和“马勒卡”影响期间横沙八期超大滩涂圈围工程中ZTD的演化过程，得到的有益结论可为生产中防灾减灾决策提供数据支持。

1 短临时ZTD计算分析1.1 基准站介绍

横沙八期超大滩涂圈围项目位于上海市横沙岛东滩，其海洋施工作业对气象条件要求很高。2016年9月双台风影响期间，牢固的堤坝路面损毁严重，造成重大的经济损失。横沙八期工程GNSS基准站SHHS站位于项目区西侧，属于长江口连续运行参考站CORS（Continuously Operating Reference Stations）的一个主要站点，可有效监测项目区附近上空ZTD变化，直接反映项目区极端天气中水汽场演变。

1.2 软件配置

本文GPS数据处理采用gamit软件，为获得高精度ZTD，参数配置如下[5]：处理方法RELAX.；解算方法1-ITER；观测量类型LC_HELP；高度角10°；对流层先验模型SAAS；对流层延迟参数估计法PWL；测站约束9.999/9.999/9.999；映射函数VMF1；海潮模型otl_FES2004.grid；大气荷载模型atmdisp_cm.2016；固体潮模型IERS2003模型；为计算基准站ZTD的绝对估计值，引入BJFS、CNMR、CUSV、DAEJ、PIMO、SHAO等 6个国际 GNSS 服务 IGS（International GNSS Service）站联合处理[6]。

1.3 短临时ZTD监测关键因素分析

1.3.1 时间分辨率设置对计算ZTD影响

为充分分析极端天气发生时短临时ZTD计算精度，本文采用IGS最终精密星历分别计算了256～258 d 0.5 h、1 h、2 h等 3种时间间隔的ZTD值，以IGS中心公布的对流层延迟产品为标准值，将位于上海佘山的SHAO站ZTD计算结果与其标准值比较分析。通过求差计算，统计结果如下。

图1为各时间间隔计算结果与IGS对流层产品差值图，3个时段计算结果匹配度很高，且各间隔结果差值保持在2 cm以内占比均在80%以上，计算结果偏差较小且分布集中。统计各间隔ZTD精度指标数据为图2所示，0.5 h间隔最大偏差为-34.6 mm，1 h间隔最大偏差为-29.9 mm，2 h间隔最大偏差为-23.0 mm，由此可得随着时段的延长，ZTD计算最大偏差减小；3种时间间隔计算的ZTD均方根误差均保持在5 mm左右，转换成GPS水汽仅为1 mm左右。综上所得，采用IGS最终精密星历计算得到的0.5 h、1 h、2 h间隔的ZTD精度较高。

图1 各间隔对流层天顶延迟差值Fig.1 Different intervals ZTD difference

图2 各间隔对流层天顶延迟精度统计Fig.2 Different intervals ZTD accuracy statistics

1.3.2 不同精密星历对计算ZTD影响

实际的GNSS观测值数据处理中，最终精密星历一般会延迟11 d左右公布，快速精密星历也有约17 h的时延，未能满足短临时ZTD计算的需求。实际上实时可获取的精密星历为超快速精密星历，此处采用超快速精密星历计算SHAO站ZTD值，并结合IGS最终精密星历计算结果分析其精度。

图3为256～258 d超快速精密星历与IGS最终精密星历计算结果差值，由图可得使用超快速精密星历预报部分计算获得的各时间间隔ZTD值与IGS精密星历计算结果契合度很高，最大偏差均保持在2 mm以内，均方根误差均在0.5 mm左右，由此可得超快速精密星历计算ZTD精度较高。实际ZTD数据估计中，使用实时超快速精密星历参与计算可获得与最终精密星历精度相当的短临时ZTD值。

图3 不同精密星历计算对流层天顶延迟差值Fig.3 Difference of ZTD calculated by different precise ephemeris

2 双台风影响期间ZTD演化特征分析

2016年9月10—20日，上海连续遭受“莫兰蒂”和“马勒卡”两次台风影响，其中“莫兰蒂”生成于9月10日，12日8时增强为强台风，当天11时—14日23时为超强台风，消失于16日；“马勒卡”生成于9月13日，15日20时—20日5时为强台风，消失于20日17时。

图4显示双台风的移动轨迹，图5为横沙站与佘山站ZTD变化图。图5显示双台风影响期间横沙站与佘山站ZTD演化趋势基本一致，其中256日（9月12日） 12时距离1 680 km时“莫兰蒂”升级为超强台风且在其后12 h移动过程中其外围水汽未能促使上海横沙ZTD上升；257日距离横沙1 400 km时，横沙上空水汽量开始累积，横沙站对流层天顶延迟量开始增大；257日22时，横沙站上空ZTD达到峰值，随着台风逼近和减弱，ZTD保持在高值区，直到259日17时前后风力降为7级开始减小；同时259日20时左右“马勒卡”距离横沙1 500 km处，增强为14级强台风，其后2 d的移动过程中并未给横沙空域输送水汽；直到261日18时距离上海约700 km处开始，随着台风距离横沙越来越近，其外围水汽开始输入，横沙站ZTD对应上升，6 h后达到第2次峰值后下降；262日18时台风到达距离横沙最近位置，ZTD基本下降至最低处，但随着台风的远离横沙局域ZTD再次平缓上升，至距离800 km处达到第3次峰值。

图4 双台风移动路径Fig.4 Movement path of binary typhoons

图5 对流层天顶延迟演化图Fig.5 Evolution of ZTD

通过分析，超强台风“莫兰蒂”在远距离移动过程中，其外围丰富的水汽层造成GNSS站ZTD迅速激增，直到260日强度减弱为热带低压的过程中ZTD一直保持在高值区，继而ZTD才迅速减小；强台风“马勒卡”远距离影响微弱，其水汽圈影响半径约为700～800 km，先后2次为横沙输入水汽正好对应ZTD两次攀升过程，均在到达峰值后即刻下降，保持在高值区时间短暂。台风移动过程中距离改变，局域ZTD影响随之发生变化，超强台风“莫兰蒂”比“马勒卡”影响距离远，造成局域ZTD攀升时间长，ZTD升降幅度大；“马勒卡”影响距离略近，ZTD上升时间短，幅度小。

3 结语

1） GNSS观测中ZTD 0.5 h估计结果可获得与2 h相当的精度，超快速精密星历可代替最终精密星历满足短临时ZTD计算，可为GNSS服务短临时降水预报提供实时监测。

2）台风强度的不同，其影响距离及程度存在差异；台风强度较大，远距离ZTD影响显著，充沛的外围水汽保证了ZTD保持在高值区时间较长，升降幅度大；台风强度较小时，影响距离较短，ZTD变化幅度也较小，维持在高值区时间短。

3）实际台风抗防中，特别是双台风影响期间应该综合考虑各台风强度和移动距离变化，利用项目区GNSS基准站实时监测数据计算短临时ZTD估值，根据其演化特征判断天气变化，直接为合理安排施工提供数据支撑。本文由于缺少双台风影响期间横沙地区的卫星云图及实时降水数据，未能精确分析双台风影响半径等内容，后续将继续探索。参考文献：

[1] BEVIS M.BUSINGER S,CHISWELL S,et al.GPS meteorology:mapping zenith wet delays onto precipitable water[J].Journal of Applied Meteorology,1994,33(3):379-386.

[2] 王勇，闻德保，刘严萍，等.雾霾天气对GPS天顶对流层延迟与可降水量影响研究[J].大地测量与地球动力学，2014（2）：120-123，127.WANG Yong,WEN De-bao,LIU Yan-ping,et al.Effects of fog and haze weather on GPS zenith tropospheric delay and precipitable water vapor[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2014(2):120-123,127.

[3] 陈于，陈刚，赵遐龄，等.IGS精密星历和钟差对天顶对流层延迟精度的影响[J].测绘科学，2014（10）：13-16.CHEN Yu,CHEN Gang,ZHAO Xia-ling,et al.Influence of IGS precise ephemeris and clock error on zenith tropospheric delay precision[J].Science of Surveying and Mapping,2014(10):13-16.

[4] 叶其欣，杨露华，丁金才，等.GPS/Pwv资料在强对流天气系统中的特征分析[J].暴雨灾害，2008（2）：141-148.YE Qi-xin,YANG Lu-hua,DING Jin-cai,et al.Application of GPS/PWV data to forecast strong convection weather in Shanghai[J].Torrential Rain and Disasters,2008(2):141-148.

[5] Department of Earth,and Planetary Sciences Massachusetts Institute of technology.Document of Gamit GPS analysis software[R].Release 10.3.USA:MIT,2002.

[6]李征航，张小红.卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M].武汉：武汉大学出版社，2009.LI Zheng-hang,ZHANG Xiao-hong.New techniques and precise data processing methods of satellite navigation and positioning[M].Wuhan:Wuhan University Press,2009.

Impact study on base station ZTD in Hengsha super tidal flat reclamation phase VIII project during binary typhoons

WANG Bo,ZHONG Cong-hong
（Shanghai Dahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

Water vapor is critical in the evolution of energy in severe weather,due to which the tropospheric delay in the process of GNSS signal propagation will change accordingly.The development of extreme weather can be analyzed indirectly by studying the tropospheric delay evolution characteristics in GNSS observations.In order to analyze the key factors of short temporary ZTD calculation,we calculated the half an hour zenith tropospheric delay,the precision can reach to the accuracy of 1 hour or 2 hours calculation.Using ultra-fast precise ephemeris shall render the accuracy of final precise ephemeris in data processing.The short temporary zenith tropospheric delay can be calculated by the parameter configuration described above.For the impact of typhoon on the local ZTD,taking base station of Hengsha super tidal flat reclamation phase VIII project as an example,we discussed the evolution of the zenith tropospheric delay over the project area during the period of the binary typhoons"Meranti"and"Malakas"in September 2016,thus confirmed typhoon's influence on the local ZTD in respect of its distance and intensity.

typhoon;Zenith Tropospheric Delay;Continuously Operating Reference Stations;precise ephemeris

P228.4

A

2095-7874（2017）10-0057-03

10.7640/zggwjs201710012

2017-02-13

2017-04-26

汪波（1990— ），男，安徽宣城人，硕士，助理工程师，主要从事GNSS数据处理研究。E-mail：xcwangbo@126.com