地基GPS水汽監(jiān)測技術及氣象業(yè)務化應用系統(tǒng)的研究

李國平

(成都信息工程學院1.大氣科學學院;2.高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川成都610225)

0 引言

由于運用GPS(global positioning system，全球定位系統(tǒng))技術估算大氣水汽總量是20世紀90年代興起的一種極有潛力、實用價值很大的一種大氣探測新方法或新技術(李國平等，2010)，所以近年來GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)的建設(包括與地震、測繪、天文、勘察設計、規(guī)劃等部門的合作建設、資料共享)已在全國各氣象部門得到極大重視，并得到大力推進，通過多種方式已建立起不少局域地基GPS觀測網(wǎng)。

盡管國家、部門和地方為建設這些地基GPS監(jiān)測網(wǎng)投入了大量的人力和物力，并已獲取、積累了大量的GPS原始資料，但由于GPS氣象學是一門多學科交叉的新興、前沿學科，GPS水汽監(jiān)測技術掌握和產(chǎn)品應用具有原始觀測數(shù)據(jù)不能直接應用、處理環(huán)節(jié)多、技術較復雜等特點(圖1)。目前氣象業(yè)務部門尚存在以下問題亟待解決:1)缺乏系統(tǒng)有效地處理、分析資料的技術與方法，積累的大量GPS原始觀測資料無法及時轉化為天氣預報員可以直接運用的水汽產(chǎn)品;2)GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)與氣象業(yè)務系統(tǒng)如何對接，如何將反演出的GPS水汽產(chǎn)品變成一種預報員易用、愛用、有用的參考信息，怎樣進一步把GPS大氣可降水量變化特征以判據(jù)或指標形式融合到預報決策系統(tǒng)中;3)GPS水汽產(chǎn)品在災害性天氣短臨預報中如何具體應用，更好體現(xiàn)其在增強天氣

圖1 地基GPS遙感水汽流程Fig.1 The procedure of deriving water vapor from ground-based GPS

預報手段、提高天氣預報準確率、促進氣象業(yè)務能力建設方面的重要作用;4)如何拓展GPS水汽產(chǎn)品在氣象業(yè)務及服務的領域，充分發(fā)揮其廣闊應用潛力。這些問題的存在妨礙了GPS氣象學在我國的進一步發(fā)展，而解決這些問題卻是氣象業(yè)務和科研發(fā)展重要而緊迫的需求，因此，應全面、深入、系統(tǒng)地開展這些方面的研究，這在水汽豐富同時水資源分布不均勻、旱澇災害頻繁的西南地區(qū)尤為突出。

西南地區(qū)地形復雜，受青藏高原影響大，水汽充沛，天氣多變，夏季經(jīng)常發(fā)生局地性暴雨并可引發(fā)長江中下游地區(qū)的暴雨、洪水，給人民的生命、財產(chǎn)安全以及經(jīng)濟建設造成了巨大損失。為適應長江上游生態(tài)屏障建設、空中水汽和水資源開發(fā)以及西部大開發(fā)形勢下經(jīng)濟、社會發(fā)展的要求，迫切需要在西部大開發(fā)中處于重要地位的西南地區(qū)盡快開展利用GPS技術遙感可降水量的研究和應用性試驗工作，以實現(xiàn)GPS水汽產(chǎn)品在實時天氣預報中的業(yè)務化運行，并進一步拓展其在空中云水資源開發(fā)、人工影響天氣、數(shù)值模式資料同化、氣象決策服務等多個業(yè)務領域的廣泛應用。另外，西南地區(qū)大氣環(huán)流和大氣水汽分布的特點以及天氣變化的特殊性，也使得GPS技術遙感可降水量的研究及業(yè)務應用可能具有與我國沿海地區(qū)或東部地區(qū)不同的特點，需要探索新的方法解決可能遇到的新問題。

本項目組通過四川盆地和成都地區(qū)兩個區(qū)域地基GPS觀測網(wǎng)的試驗及業(yè)務運行，獲得時間間隔30 min、可靠性符合氣象業(yè)務要求的大氣可降水量序列。這對提高天氣預報特別是災害性天氣的預報能力及其準確率具有重要意義，為氣象部門更好地適應社會對氣象預報不斷增長的要求提供了強有力技術支撐，研究成果對全國其他地區(qū)開展GPS氣象學方面的業(yè)務化應用，尤其是GPS水汽這種新資料在災害性天氣預報中的具體應用也有一定的推動和借鑒作用。該研究可為全國及各省地基GPS水汽監(jiān)測網(wǎng)的建設、資料處理，特別是GPS水汽產(chǎn)品在災害性天氣短臨預報中的具體應用提供技術支持和針對性指導。項目的成果將直接應用于天氣預報業(yè)務并具有拓展到其他氣象服務領域(如旱澇監(jiān)測與預測、空中水資源開發(fā)、人工影響天氣、數(shù)值天氣預報、城市氣象、氣候變化、防災減災等)，并具有廣闊的多行業(yè)(衛(wèi)星導航定位、測繪、地震、水文水資源、農業(yè)、林業(yè)、防災減災、天文、空間、航天等)、多領域、多功能的應用前景。例如，地基GPS水汽監(jiān)測應用系統(tǒng)提供全天候、近實時、連續(xù)、高時空分辨率的水汽資料，除了用于災害性天氣的水汽監(jiān)測和短時臨近預報等業(yè)務外，還可用于人工影響天氣(人影作業(yè)時機選擇)、空中云水資源的評估與開發(fā)利用、中尺度數(shù)值預報(提供水汽初始場)、局地環(huán)流與水汽循環(huán)分析以及與探空站、雷達、自動氣象站、WVR(water vapor radiometer，水汽輻射計或微波輻射計)等多源水汽觀測資料的對比與綜合應用等氣象科研業(yè)務工作。

1 研究內容與主要結果

本研究的主要內容有:

1)優(yōu)選地基GPS觀測網(wǎng)原始數(shù)據(jù)氣象應用的解算軟件(BerneseGPSSoftwareV4.2和GAMIT10.35)與解算方案。

2)建立適合川渝地區(qū)的靜力延遲和對流層加權平均溫度的最優(yōu)計算模型。

3)反演時間間隔30 min、可靠性符合氣象業(yè)務要求的大氣可降水量序列。

4)研究無線電探空氣象資料計算對流層可降水量方法、誤差分析及改進方案。

5)以利用探空氣象資料為主并積極探索多普勒天氣雷達探測的VIL(vertically integrated liquid water，垂直累積液態(tài)水含量或垂直積分液態(tài)水含量)、WVR探測的水汽含量來綜合評估地基GPS遙感可降水量的技術精度。

6)系統(tǒng)性研究GPS可降水量的時間變化水平空間分布，分析GPS可降水量與氣溫、比濕、輻射和降雨量等地面氣象要素以及與局地環(huán)流、水汽輸送和循環(huán)等大氣過程及地形的對應關系。

7)設計GPS監(jiān)測的水汽產(chǎn)品在業(yè)務工作中的應用流程，實現(xiàn)局域地基GPS觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時傳輸、數(shù)據(jù)解算、可降水量反演和GPS水汽產(chǎn)品的可視化，研發(fā)可搭建在氣象預報業(yè)務平臺MICAPS(meteorological information comprehensive analysis and process system，氣象信息綜合分析處理系統(tǒng))上的地基GPS水汽監(jiān)測業(yè)務化自動運行及業(yè)務應用系統(tǒng)，進行在天氣分析預報業(yè)務中的應用試驗。

按照以上研究目標，本項目組與國內外相關大學與業(yè)務單位開展了學術交流與合作，進行了8 a的持續(xù)性研究，建立了地基GPS/MET(GPS氣象學)本地化計算模型，例如對于成都地區(qū):Tm=54.5+0.78Ts(郭潔等，2008)，開發(fā)出GPS遙感大氣水汽的計算軟件包，反演出高時間分辨率的GPS可降水量資料序列，用較長時間探空資料評估了反演精度，得出均方根誤差為3.09～4.75 mm的結果(李國平等，2006a;郭潔等，2009a)，證實了GPS水汽監(jiān)測技術在四川為代表的西南地區(qū)氣象業(yè)務應用的可行性;分析了GPS水汽的時空分布特點，研究了GPS水汽產(chǎn)品在幾類典型性災害性天氣中的演變特征，探索了此項新型大氣探測技術及其產(chǎn)品在短時和臨近天氣預報業(yè)務中的應用方法。重點研究了GPS可降水量的時間變化、水平空間分布，分析了GPS可降水量與氣溫、氣壓、比濕、輻射和降雨量等地面氣象要素以及與大氣過程及地形的對應關系。

本項目組先后進行了GPS可降水量的日循環(huán)合成分析(李國平等，2006b)，GPS可降水量在華北暴雨(李國翠等，2008a)、西南暴雨(郭潔等，2009a)、華西秋雨(陳嬌娜等，2009b)、四川盆地夜雨(李國平等，2006b)、低渦降水(郭潔等，2009a)、冰凍雨雪(郭潔等，2009b)、大霧及人工增雨中的應用研究，以及不同云系降水過程(李國翠等，2008b)、不同類型降雨過程(郭潔等，2009a)中GPS可降水量的對比分析，已初步形成GPS可降水量應用于天氣預報的一些具體方法和預報指標;歸納出實時GPS可降水量在強降水預報等領域應用的業(yè)務流程，實現(xiàn)了地基GPS監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)實時傳輸、數(shù)據(jù)解算、可降水量反演和GPS水汽產(chǎn)品的圖形顯示，開發(fā)設計出GPS水汽產(chǎn)品應用于天氣分析預報的軟件包以及搭建在MICAPS平臺上的業(yè)務應用系統(tǒng)(圖2)，在多個省份的氣象業(yè)務單位進行了GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)及其反演的水汽產(chǎn)品在天氣分析預報中的試應用。

圖2 地基GPS水汽監(jiān)測應用系統(tǒng)示意Fig.2 The application system of water vapor monitored by ground-based GPS

2 與當前國內外同類研究比較

本研究利用長達40 a的探空氣象資料，分為不同時次、不同要素作回歸因子，建立了西南地區(qū)地基GPS遙感大氣水汽的本地化計算模型(郭潔等，2008)，相對于過去國內外一般用1～2 a的探空資料而言，提高了本地化計算模型的可靠性(表1)以及GPS反演水汽的精度(表2—4)。

相對于過去國內外僅用幾天的少量樣本，用不

同季節(jié)、較多觀測樣本評估了GPS遙感水汽的精度，比較客觀地論證了GPS水汽產(chǎn)品在氣象業(yè)務應用的可行性。

表1 國內外對流層加權平均溫度建模情況比較Table 1Comparison of estimating mean weighted temperature of the troposphere at home and abroad

表2 成都加權平均溫度的本地化計算模型與Bevis公式的比較(郭潔等，2008)Table 2Comparison of local models in Chengdu to Bevis's regression for estimating mean weighted temperature(Guo et al.，2008)

表3 張家口加權平均溫度的單因子和多因子本地化模型、Bevis公式與探空計算值的對比(李國翠等，2008a)Table 3Comparison of local model based on single factor，local model based on multiple factor and Bevis's regression to radiosonde for estimating mean weighted temperature in Shijiazhuang(Li et al.，2008a)

表4 國內外地基GPS技術遙感大氣水汽的精度比較Table 4Comparison of the precision of precipitable water vapor derived from ground-based GPS in different studies at home and abroad

本項目組應用GPS大氣可降水量資料和地面氣象資料綜合研究了不同氣候區(qū)(日本關東平原(Li et al.，2008)、中國華北平原(李國翠等，2008a)和中國成都平原(李國平等，2006a))、不同地形(山區(qū)、盆地、平原和海岸)條件下GPS監(jiān)測的大氣水汽量的日循環(huán)特征(Li et al.，2008)，首次從GPS可降水量所反映的水汽日變化特點揭示了“四川盆地多夜雨”的成因(李國平等，2006b)。

通過研究GPS水汽產(chǎn)品在幾類典型災害性天氣以及人工增雨中的演變特征，本項目組揭示了其在短時臨近天氣預報業(yè)務中的應用方法和判據(jù)指標。其中，重點進行了GPS可降水量的日循環(huán)合成分析，GPS可降水量在西南暴雨、華西秋雨(秋綿雨)、四川盆地夜雨、低渦降水、冰凍雨雪、大霧、人工增雨中的應用研究，以及不同云系降水過程、不同類型降雨過程中GPS可降水量的對比分析(圖3)。

相對于上海、北京、武漢建立的地基GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)側重于觀測站網(wǎng)建設及水汽自動解算系統(tǒng)研發(fā)，本項目在研發(fā)水汽自動解算及業(yè)務應用系統(tǒng)的同時，更加側重于GPS遙感的水汽產(chǎn)品的客戶端應用，對其在不同氣候區(qū)、不同地形條件下、不同天氣過程中的具體應用方法進行了系統(tǒng)性研究，強化了對氣象業(yè)務應用的針對性和指導作用(李國平等，2009)。

圖3 不同類型降雨天氣中GPS可降水量的合成日變化a.暴雨與小到中雨情形的比較;b.雨雪與無雨情形的比較Fig.3 Composite diurnal variations of GPS-PWV in different precipitation types a.heavy rain vs.sustained rain;b.snow and rain vs.no rain

3 存在的問題與發(fā)展方向

本研究在進一步提高GPS原始數(shù)據(jù)的解算精度，改善GPS可降水量序列的連續(xù)性(包括替代方案)和穩(wěn)定性，繼續(xù)深入開展GPS水汽產(chǎn)品在新一代MICAPS平臺上的多要素實時動態(tài)顯示及綜合分析、GPS水汽產(chǎn)品的業(yè)務化應用指標及應用領域拓展、GPS水汽產(chǎn)品用于診斷水汽輸送通道和水汽季節(jié)轉換、數(shù)值模式GPS水汽資料同化、多源水汽觀測數(shù)據(jù)的集成應用、層析技術反演大氣水汽廓線(垂直分布)、4D水汽場分析及可視化等方面還有很大的拓展空間。

具體的發(fā)展方向有:進一步提高GPS原始數(shù)據(jù)的解算精度，研究不同情況下(地形、氣候區(qū)、觀測網(wǎng)、軟件、參數(shù)設置等)的解算、反演精度;研究地基GPS探測水汽技術在川西高原的適用性、特殊性(與成都平原的比較)及其應對措施;根據(jù)配套自動氣象站的觀測要素和時次，采用智能算法，建立精度更高的加權平均溫度本地化計算模型;改善GPS可降水量序列的連續(xù)性(包括替代方案)和穩(wěn)定性;研究“5.12”汶川特大地震后對地基GPS觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)質量的影響及其處理措施;GPS水汽產(chǎn)品在MICAPS V3.1上的多要素實時動態(tài)顯示及綜合分析;探索GPS可降水量及其變率與實際降水量的定量關系;GPS水汽產(chǎn)品的業(yè)務化應用指標和應用流程;GPS水汽產(chǎn)品用于西南渦外場加密觀測試驗及第三次青藏高原大氣科學試驗中的相關研究;GPS水汽產(chǎn)品用于水汽輸送通道和水汽季節(jié)轉換的診斷研究;多源水汽觀測數(shù)據(jù)(探空、GPS/MET、自動站、雷達、衛(wèi)星、微波輻射計、再分析)的集成應用;GPS水汽產(chǎn)品在西南區(qū)域數(shù)值預報模式中的同化試驗及業(yè)務應用;層析技術反演大氣水汽廓線(垂直分布)的研究及試驗，4D水汽場分析及可視化等。

致謝:本項目組的主要成員還有四川省專業(yè)氣象臺郭潔、石家莊市氣象臺李國翠、廈門市氣象臺陳嬌娜、成都信息工程學院大氣科學學院碩士王皓(現(xiàn)為南京信息工程大學博士生)、四川省氣象臺郝麗萍、成都市氣象局謝娜、西南交通大學黃丁發(fā)和成都市氣象局黃文詩;四川省氣象局、成都市氣象局領導對本研究給予了寶貴支持，在此一并表示感謝。

陳嬌娜，李國平，郝麗萍，等.2009a.成都地區(qū)秋、冬季地基GPS遙感的可降水量的時空變化分析［J］.氣象科學，29(5):682-686.

陳嬌娜，李國平，黃文詩，等.2009b.華西秋雨天氣過程中GPS遙感的水汽總量的演變特征［J］.應用氣象學報，20(6):753-759.

楚艷麗，郭英華，張朝林，等.2007.地基GPS水汽資料在北京“7.10”暴雨過程研究中的應用［J］.氣象，33(12):16-22.

丁金才，葉其欣.2003.長江三角洲地區(qū)近實時GPS氣象網(wǎng)［J］.氣象，29(2):26-29.

谷曉平，王長耀，吳登秀.2005.GPS水汽遙感中的大氣加權平均溫度的變化特征及局地算式研究［J］.氣象科學，25(1):79-83.

郭潔，李國平，黃丁發(fā).2008.基于40年探空資料的川渝地區(qū)對流層加權平均溫度及其局地建模［J］.武漢大學學報:信息科學版，33(增刊):43-46.

郭潔，李國平，黃文詩，等.2009a.不同類型降雨過程中GPS可降水量特征的對比分析［J］.水科學進展，20(6):763-768.

郭潔，李國平，陳嬌娜，等.2009b.持續(xù)低溫雨雪天氣中地基GPS水汽異常輸送信號［C］//中國氣象局成都區(qū)域氣象中心，中國氣象局成都高原氣象研究所.2008年西南地區(qū)東部持續(xù)低溫雨雪冰凍災害機理研究和服務評估分析.北京:氣象出版社:109-113.

何平，徐寶祥，周秀驥，等.2002.地基GPS反演大氣水汽總量的初步試驗［J］.應用氣象學報，13(2):179-183.

李成才，毛節(jié)泰，李建國，等.1999.全球定位系統(tǒng)遙感水汽總量［J］.科學通報，44(3):333-336.

李國翠，李國平，景華，等.2008a.華北三站地基GPS反演的大氣可降水量及其特征［J］.氣象科學，28(4):389-394.

李國翠，李國平，連志鸞，等.2008b.不同云系降水過程中GPS可降水量的特征［J］.高原氣象，27(5):1066-1073.

李國翠，李國平，劉鳳輝，等.2009.華北地區(qū)地基GPS水汽反演中加權平均溫度模型研究［J］.南京氣象學院學報，32(1):80-86.

李國平，黃丁發(fā)，劉碧全.2006a.成都地區(qū)地基GPS觀測網(wǎng)遙感大氣可降水量的初步試驗［J］.武漢大學學報:信息科學版，31(12):1086-1089.

李國平，黃丁發(fā)，劉碧全.2006b.地基GPS遙感的成都地區(qū)夏季可降水量的日循環(huán)合成分析［J］.水科學進展，17(2):160-163.

李國平，陳嬌娜，黃丁發(fā)，等.2009.地基GPS水汽實時監(jiān)測系統(tǒng)及其氣象業(yè)務應用［J］.武漢大學學報:信息科學版，34(11):1328-1331.

李國平，黃丁發(fā)，郭潔，等.2010.地基GPS氣象學［M］.北京:科學出版社:5-13.

李建國，毛節(jié)泰，李成才.1999.使用全球定位系統(tǒng)遙感水汽分布原理和中國東部地區(qū)加權“平均溫度”的回歸分析［J］.氣象學報，57(3):283-292.

梁豐，李成才，王迎春，等.2003.應用區(qū)域地基全球定位系統(tǒng)觀測分析北京地區(qū)大氣總水汽量［J］.大氣科學，27(2):236-244.

劉旭春，王艷秋，張正祿.2006.利用GPS技術遙感哈爾濱地區(qū)大氣可降水量的分析［J］.測繪通報(4):10-12.

劉焱雄.1999.地基GPS技術遙感香港地區(qū)大氣水汽含量［J］.武漢測繪科技大學學報，28(3):245-248.

呂弋培，殷海濤，黃丁發(fā)，等.2008.成都地區(qū)大氣平均溫度建模及其在GPS/PWV計算中的應用研究［J］.測繪科學，33(4):103-105.

王小亞，朱文耀，嚴豪健，等.1999.地面GPS探測大氣可降水量的初步結果［J］.大氣科學，23(5):605-612.

章紅平，劉經(jīng)南，朱文耀，等.2005.利用地基GPS技術反演武漢地區(qū)大氣可降水分［J］.天文學進展，23(2):169-179.

Bevis M，Businger S，Herring T A，et al.1992.GPS meteorology:Remote sensing of atmospheric water vapor using the Global Positioning System［J］.J Geophys Res，97:15787-15801.

Duan Jingping，Bevis M，F(xiàn)ang Peng，et al.1996.GPS meteorology:Direct estimation of the absolute value of precipitable water［J］.J Appl Meteor，35:830-838.

Li Guoping，Kimura F，Sato T，et al.2008.A composite analysis of diurnal cycle of GPS precipitable water vapor in central Japan during calm summer days［J］.Theoretical and Applied Climatology，92(1/2):15-29.

Mendes V B，Langley R B.1999.Tropospheric zenith delay prediction accuracy for high-precession GPS positioning and navigation［J］.Navigation，46(1):25-33.

Rocken C R，Ware R H，Van Hove T，et al.1993.Sensing atmospheric water vapor with the Global Positioning System［J］.Geophys Res Lett，23(20):2631-2634.

Ross R J，Rosenfeld S.1997.Estimating mean weighted temperature of the atmosphere for Global Positioning System applications［J］.J Geophys Res，102:21719-21730.

Takagi T，Kimura F，Kono S.2000.Diurnal variation of GPS precipitable water at Lhasa in premonsoon and monsoon periods［J］.J Meteor Soc Japan，78:175-179.

Wu P，Hamada J I，Mori S，et al.2003.Diurnal variation of precipitable water over a mountainous area of Sumatra Island［J］.J Appl Meteor，42:1107-1115.