Journal of Agricultural Catastrophology 2022, Vol.12 No.11
作者简介 任慧芳（1992—），女，内蒙古呼和浩特人，助理工程师，主要从事气象综合观测数据处理与应用工作。 收稿日期 2022-08-30ZDT Evaluation and Analysis Based on Radiosonde Data
REN Huifang et al(Tumet Left Banner Meteorological Bureau, Tumet Left Banner, Inner Mongolia 010051)
Abstract The ZTD was calculated by used the sounding data obtained from July 2021 to June 2022 at the upper air meteorological observation station in Inner Mongolia, and the calculation results are compared with the ZDT obtained by GNSS/MET in the corresponding upper air station. The results showed that the ZDT obtained by GNSS/MET is consistent with the ZDT obtained by sounding data in time series transformation trend, which can accurately reflect the seasonal variation of ZDT; the ZDT in summer is higher than that in winter, and the ZDT transformation in summer fluctuates greatly; the ZDT in the east of Inner Mongolia affected by air humidity is higher than that in the west; the average deviation of the two methods to obtain ZDT has a high accuracy in centimeter level based on the sounding data. The ZDT calculated from sounding data can be used as a reference for other ZDT eval
uation models.
Key words Radiosonde data; GNSS/ MET；ZTD；Evaluation analysis
探空气球
基于探空数据的ZDT评估与分析
任慧芳1，刘 方2，阿斯日拉图3，额尔敦达来3
1.土默特左旗气象局，内蒙古土默特左旗 010051；
2. 内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古呼和浩特 010051；
3.锡林郭勒盟气象局，内蒙古锡林郭勒盟 026000
摘要 利用内蒙古地区高空气象观测站2021年7月—2022年6月获取的探空数据对ZTD进行计算，计算结果与对应高空站内GNSS/MET获取的ZDT进行对比分析，结果表明：GNSS/MET 获取的ZDT与探空数据计算得到ZDT按时间序列变换趋势具有良好的一致性，能够准确地反映出ZDT随季节的变化规律；夏季的ZDT高于冬季且夏季的ZDT变换起伏较大；受空气湿度影响，内蒙古东部地区的ZDT高于西部地区的ZDT；2种方法获取ZDT的平均偏差在厘米级，基于探空数据获取的ZDT有着较高的精度。探空数据计算得到ZDT可以作为其他ZDT评估模型的参考依据。 关键词 探空数据；GNSS/MET；ZTD；评估分析
中图分类号：P467 文献标识码：B 文章编号：2095–3305(2022)11–0070–03
0 引言
电磁波信号穿过对流层时会产生折射现象，折射产生的延时称为对流层天顶延时（ZDT），ZDT是卫星导航定位精度计算及GNSS/MET水汽反演的重要依据[1]。20世纪70年代学者们研究了Hopfield、Saastamoinen、Black等经典ZDT评估模型，该类模型依赖实测气象参数对ZDT进行评估[2-4]；20世纪初基于全球性对流层经验模型的ZDT评估模型开始逐渐成熟，具有代表性的是UNB系列模型、EGNOS模型等，这些模型仅需要测站位置和年积日就可以实时计算测站ZDT[5-8]；近年来，利用欧洲中尺度预报中心（ECMWF）和美国国家环境预报中心（NCEP）提供的再分析资料对ZDT评估成为一种新的有效手段[9-11]。无线电探空仪结合探空气球可以对0~30 km范围内对流层的温度、湿度、压力进行测量，区别于遥感技术及经验模型无线电探空仪获取的数据，其在准确性和真实性2个方面具有一定的优势。因此，此次研究利用探空数据对ZDT进行计算，并对探空数据计算得到ZDT与GNSS/MET获取的ZDT进行对比分析。1 数据及分析方法 1.1 探空数据
此次研究选用2021年7月—2022年6月内蒙古地区7个探空站的探空资料，选取的7个探空站有3个位于内蒙古东部地区、4个位于内蒙古中西部地区。探空资料提供了从近地面到大约30 km高度范围内的温度、湿度、压力等数据，探空数据的时间分辨率为12 h。为确保ZDT计算结果的准确性，文中剔除了探空高度低于25 km的数据。
选取的7个探空站中均安装了GNSS/MET水汽反演系统，GNSS/MET 产品中包含ZDT，其分辨率为1 h，选取相应时间段的探空数据及GNSS/MET 的ZDT产品便于2种方式获取的ZDT 进行对比分析。
1.2 ZDT计算方法
在数值上ZTD为中性大气折射率的积分[12]：
（1）式（1）中：N k为第k层的大气折射率，△h k为第k层大气的高差。N的计算公式为：
70
71
农业灾害研究2022，12（11
）
（2）
式（2）中，P d 为大气干气压（单位：hPa ）；e 为水汽压（单位：hPa ）；T 为温度（单位：K ）；k 1、k 2、k 3为大气折射常数，k 1=77.689 K/hPa ，k 2=71.295 K/hPa ，k 3=375 463 K/hPa [13]
。
e 的计算公式为
[14]
：
（3）
其中P 为气压，RH 为相对湿度。对于探空数据高度范围内的ZDT 使用上述公式进行计算，对于超出
探空高度部分的ZDT 利用Saastamoinen 模型结合探空数据最高层的温、湿、压数据进行计算，2个部分相加为最终的ZDT 。1.3 ZDT 评估方法
为评估基于探空数据计算得到ZDT 的精度与准确性，
将其与GNSS/MET 测量得到的ZDT 进行对比分析，评估指标主要有平均误差（ME ）、平均绝对误差（MAE ）、平均相对偏差（MRD ）、相对偏差的标准差（STDRD ）以及相关系数（R 2
）。相关指标计算公式如下[15]
：
（4
）
（5
）
（6
） （7
）
（8）
其中ZDT i 为探空数据计算得到的
ZDT 值，ZDT GNS
为GNSS/MET 检测得
到的ZDT ZDT 为2种方式
获取ZDT 的平均值，n 为样本个数。2 ZDT 计算结果分析
表1中统计了GNSS/MET 获取的对流层天顶延时ZDT 以及通过探空数据计算得到的ZDT ，统计结果表明：ZDT GNS 在2.01~2.34 m 之间，
探空数据获取的ZDT 在1.95~2.29 m 之间，7个站中2种方式获得对流层天顶延时平均最小偏差为0.047 m ，最大偏差为0.06 m ，平均相对偏差在2.41%~3.11%之间。相关系数有4个站的相关系数在0.9以上，为强相关；有3个站的相关系数在0.77左右，为弱相关。从统计结果来看，基于探空数据获取的ZDT 具有较高的精度。
表1 GNSS/MET 及探空数据计算ZDT 相关参数统计
站号50834541355421853463535435351353336ZDT GNS /m 2.22 2.34 2.21 2.08 2.01 2.11 2.04ZDT /m 2.16 2.29 2.16 2.03 1.95 2.05 1.99相关系数（R 2）0.770.920.900.770.900.930.76平均偏差（ME ）
0.059
0.0560.0520.0470.0600.0560.051平均相对偏差（MRD ） 2.74
2.46
2.41
2.34
3.11
2.73
2.56
图1展示了7个站的ZDT 时序图，图中可以明显地发现GNSS/MET 获取的ZDT 要高于通过探空数据计算得到的ZDT 。从时序上来看，7个站的ZDT 变换趋势均呈U 形，在夏季气温高时的ZDT 高于气温低时的ZDT ，
并且2种方式获取的ZDT 均表现出这样的趋势。图1中a 、b 、c 展示的结果位于内蒙古东部地区，d 、e 、f 、g 所展示的结果位于内蒙古西部地区，可以明显地发现内蒙古西部地区的ZDT 要低于东部地区。3 总结
探空数据是利用无线电探空仪对
0~30 km 范围内大气的温、湿、压直接测量得到的，近年来利用探空数据对各类对流层天顶延迟模型的评估及订正方法受到了广泛的关注。此次研究利用内蒙古地区7个高空气象观测站获取的探空数据对ZDT 进行计算，并对计算结果与GNSS/MET 获取的ZDT 进行对比分析，得到了以下结论。
（1）通过探空数据计算得到的ZDT 与GNSS/MET 获取的ZDT 偏差在5 cm 左右，GNSS/MET 获取的ZDT 要高于探空数据计算得到的ZDT ，从2种ZDT 的时序图来看，2种结果的偏差几乎不随时间变化，探空数据计算得到的ZDT 具
有良好的精度。
（2）2种方式获取的ZDT 均呈现出
“U ”
形的变化趋势，结合数据的时间序列分析可以发现，夏季的ZDT 要高于
冬季。在夏季ZDT 变换幅度较大，在冬季ZDT 较为平稳且少有较大起伏，其主要原因为内蒙古夏季气温高、水汽含量高，冬季气温低、空气干燥。
（3）从地域上来看，内蒙古地区东部的ZDT 要高于西部地区，东部地区的ZDT 集中在2.2~2.4 m 之间，
西部地区的ZDT 多集中在2.0~2.2 m 之间。内蒙古地区东西部湿度相差较大，东部地区的湿度要高于西部地区是造成这一现象的主要原因。
综上，利用探空数据计算得到的ZDT 具有较高的精度，
能够准确地反映出ZDT 随季节变化的规律及内蒙古地区东西部ZDT 的差异。因此，利用探空数据计算得到的ZDT 可以作为其他ZDT 评估模型应用及订正的参考依据。
参考文献
[1] 黄良珂，陈华，刘立龙，等.一种新的高
精度全球对流层天顶延迟模型[J].地球物理学报,2021,64(3):782-795.
[2] H opfield H S. Tropospheric effect on
electromagnetically measured range: Prediction from surface weather data[J]. Radio Science, 1971, 6(3): 357-367.
[3] S aastamoinen J. Contributions to the
theory of atmospheric refraction[J].Bulletin Géodésique (1946~1975), 1973, 107(1): 13-34.
[4] H arold D B. An easily implemented
algorithm for the tropospheric range correction[J]. Journal of Geophysical Research Solid Earth, 1978, 83(B4): 1825-1828.
[5] S udhir M S. Investigations into the
estimation of tropospheric delay and wet refractivityusing GPS measurements[M]. Unpublished Master ’s Thesis, Geomatics Engineering Department,University of Calgary, Alberta, Canada, 2003.
[6] S uparta W, Alhasa K M. Modeling of zenith
path delay over Antarctica using anadaptive neuro fuzzy inference system technique [J]. Expert Systems with Applications, 42(3): 1050-1064.
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Journal of Agricultural Catastrophology 2022, Vol.12 No.11
a
b
c d
e f
g
Z D T /m
Z D T /m
Z D T /m
Z D T /m
Z D T /m
Z D T /m
Z D T /m
图1 2种方法获取ZDT 时序图
[7] W ang J H, Zhang L F, Dai A G. Global
estimates of water-vapor-weighted meantemperature of the atmosphere for
GPS applications [J]. J. Geophys. Res., 2005, 110(D21): D21101.
[8] W ang X M, Zhang K F, Wu S G, et al.
Water vapor-weighted meantemperature and its impact on the determination of precipitable water vapor and its linear trend [J]. J. Geophys. Res., 2016, 121(2): 833-852.
[9] 张朝怡，覃凯，康佳佳，等.ERA-Interim
资料计算对流层天顶延迟方法及精度分析[J].测绘工程2021,30(5):32-37.[10] 闫小霞，李薇，张宝成，等.基于ECM
WF 再分析地表资料计算中国区域ZTD 的精度分析[J].大地测量与地球
动力学,2019,39(11):1142-1147.[11] 覃泽颖，周淼.基于ERA5资料计算桂
林市对流层天顶延迟的精度评估[J].
无线电工程,2022,52(6):989-995.[12] 孟昊霆，张克非，杨震，等.GPT2/GPT2w
+Saastamoinen 模型ZTD 估计的亚洲地区精度分析[J].测绘科学,2020,45 (8):70-76.
[13] 马下平，李秦政，陈鹏.基于探空数据的
对流层延迟模型精度评估[J].大地测量与地球动力学2020,40(2):123-128.
[14] 杨惠.基于探空数据的区域ZTD 模型
改进研究[D].南京：东南大学,2019.[15] 李林蔚，陈亚军，弓宇恒.激光测风雷达
反演风场产品在冬运会的适用性分析[J].现代电子技术,2022,45(13):93-98.
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