GPS遙感大氣可降水量在暴雨天氣過程分析中的應用

■許蘭

（湖北省黃岡市英山縣氣象局 湖北 黃岡438700）

GPS遙感大氣可降水量在暴雨天氣過程分析中的應用

■許蘭

（湖北省黃岡市英山縣氣象局 湖北 黃岡438700）

地基GPS遙感大氣水汽是20世紀末開始發展起來的一種全新的大氣水汽探測手段。大氣水汽是產生各種天氣的重要參數，它的時空分布以及由其相變所產生的巨大潛熱，影響著大氣的垂直穩定度和天氣系統的結構和演變，會造成強烈的對流天氣以致產生暴雨。地基GPS水汽遙感技術可提供常規氣象觀測資料無法提供的全天候、高精度、高時效的大氣水汽資料，它的應用將為改善天氣預報尤其是中尺度天氣預報（強對流天氣預報和強降雨預報）提供重要的、較為理想的大氣水汽資料。

暴雨天氣GPS遙感過程分析

由于水汽的時空多變性，為較難描述的氣象參數之一，所以水汽的觀測方式也成為氣象專家學者關注的熱點問題。準確快速地獲取高時空分辨率的水汽觀測資料對于天氣、氣候變化研究和天氣預報業務具有重要的意義。目前氣象部門獲取水汽觀測數據的手段主要有常規探空氣球、水汽微波輻射計、紅外衛星遙感、微波遙感和GPS遙感水汽等幾種手段。相比其他幾種水汽探測方式，GPS遙感水汽是利用GPS信號穿過大氣受到大氣折射而產生的延遲來探測大氣中的水汽含量，具有探測精度高、全天候、分辨率高、觀測穩定、費用低廉和無需校正等優點，在氣象領域獲得了廣泛深入的應用。

1 資料與方法

利用北京市氣象局2001-2004年受北京市科委重大科研項目“北京地區地基GPS遙感大氣水汽應用研究”、國家科技部政府間中美合作項目“全球定位系統單雙頻地基GPS水汽遙測技術研究”聯合資助，在強天氣敏感區（房山）組建的單、雙頻地基GPS遙測試驗網的實時監測數據，通過Burmese軟件解算出時間間隔為30min的大氣總延遲量，計算大氣可降水量。

對北京房山區地基GPS站網的GPS遙感大氣可降水量的變化曲線的分析表明，各單頻、雙頻站遙感大氣可降水量的變化趨勢基本一致，在量值上差距較小?？紤]閆村站和官道站與房山雨量站的距離最近，經過對兩站的有效數據的比較，選取官道站為代表站進行GPS遙感大氣可降水量與房山站的自記降雨量的比較分析。

在分析天氣系統和大尺度水汽輸送時，利用北京大學物理學院大氣科學系研制的‘客觀分析診斷圖形系統’，插值選用Cressman逐步訂正法，地圖投影選用雙標準蘭勃托正形投影，中心點為115oE，40oN，格點數為47×35，網格距30km。分別計算地面、高空比濕q、水汽通量Q、水汽通量散度AQ等物理量場。

2 天氣過程中GPS遙感大氣可降水量的變化

2004年7月10日下午-前半夜北京地區出現暴雨天氣過程，從北京地區7月10日14：00-20：006小時降雨量為一次暴雨天氣過程，降雨中心主要在城區，豐臺為另一降雨中心（為96mm）。在城區17-20時平均降雨量超過50毫米，其中天安門降雨量為87毫米、朝陽門106毫米、龍潭湖81.5毫米，到21時城區平均降雨量達73毫米，23時暴雨雨結束。

此次降水過程房山站處于豐臺降水中心的南部，房山站過程雨量為35mm，對房山區官道GPS站遙感大氣可降水量PWV官的變化曲線與房山站自計雨量的比較表明：在降水前24小時的9日16時開始PWV官開始逐漸增加，10日14時30分開始，也就是在降水出現的前2-3小時PWV官開始明顯增加，增到10日17時開始降雨，18時PWV官達最大值為58.5mm，降水量最大為11.7mm/1小時。從整個降水過程的PWV官的變化看，△（PWV官）最大值時刻-開始增加時刻=22.2mm（從36.3mm增到58.5mm），△（PWV官）降水前3=7.0mm。

PWV大于某閾值（56mm）后出現較強降水。一般情況下當3h、4hPWV增量大于某閾值（≥7.0），當3h、4hPWV累計增量達到最大值，就會出現降水，或者在半小時-2.5小時出現降水。4hPWV累計增量達到最大值后的2-4小時出現最大降水量/小時。但PWV值及增量的大小與降水量的大小沒有明顯的關系。

3 水汽輸送與GPS遙感大氣可降水量的變化關系

通過以上分析可以看出，大雨、暴雨以上降雨過程的大氣水汽的增長方式受當地天氣系統的支配和制約，一種表現為：大尺度水汽輸送天氣系統輻合、水汽聚集的過程，而另一種僅僅是天氣系統輻合、水汽聚集的過程。以大尺度水汽輸送天氣系統輻合、水汽聚集為水汽增長方式的強降雨過程，是有利的大尺度天氣系統和中尺度天氣系統的共同影響所造成。在有利的地面、高空天氣系統影響下，如，地面北京處于氣旋、冷鋒、倒槽前部東南或偏東氣流控制，有利于東南暖濕空氣的輸送，大濕度區移到北京，在北京形成等比濕線密集區，與地面相配合高空（850、700hPa）處于低渦低槽前的偏南氣流中，濕舌由西南明顯北伸，大氣水汽持續增加，具體表現為PWV會出現連續增加的現象（ΔPWV官24h≥20.0mm）。當地面、高空有輻合系統東移或生成，或有中小尺度天氣系統影響時，北京處于西南-東北方向水汽通道大值區，并且位于水汽輻合區或中心，具體表現為在降雨前3～4小時，PWV會出現激增的現象（ΔPWV官3～4h≥7.0mm）；以天氣系統輻合、水汽聚集為水汽增長方式的強降雨天氣過程，可能并不存在大尺度水汽輸送，只是在地面、高空有輻合系統東移或生成，或有中小尺度天氣系統影響時，產生的水汽輻合和聚集，表現為PWV在降雨前的幾個小時出現激增。

在大氣可降水量應用于降雨天氣預報過程中，應與天氣系統和風場及濕度場的分布，以及測站的氣壓、溫度、濕度的變化相結合，可為強降雨預報提供有用的信息。另外，GPS遙感大氣可降水量數據在實際天氣預報應用過程中，還應分析比較有降雨和無降雨天氣的大氣可降水量的變化特征的差異，針對各種不同天氣系統類型分析大氣可降水量的變化特征，通過分析尋找量化指標，為準確預報天氣提供客觀方法。

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1000-405X（2016）-12-416-1