浙江GPS/MET反演大氣可降水量產(chǎn)品的誤差分析*

姚日升 許皓皓 郭宇光

(1.寧波市氣象臺，浙江 寧波315012;2.寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，浙江 寧波315012)

0 引言

水汽占大氣總體積的4%，對地氣系統(tǒng)徑向輻射能量平衡、大氣的垂直穩(wěn)定度、云和暴風(fēng)雨的形成及演變有顯著影響。精確的水汽觀測數(shù)據(jù)是有效預(yù)報中小尺度災(zāi)害性天氣的基礎(chǔ)。GPS/MET以其高探測精度、高時空分辨率、不需要標(biāo)定、全天候、設(shè)備可綜合利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為大氣水汽探測領(lǐng)域中最有發(fā)展前途的技術(shù)之一［1－3］。

大氣可降水量(Precipitable Water)是指垂直氣柱中含有的水汽總量?？罩兴Y源是大氣降水的主要來源，某個區(qū)域的空中水汽資源可用一定時段的整層大氣可降水量之和來表征。由于空中水資源存在較大的時空差異，計算、分析和評價空中水汽資源，對于其合理開發(fā)具有重要意義，浙江省氣象工作者在這方面也進(jìn)行過初步研究［4］。大氣可降水量無法直接測量，但可以進(jìn)行推算，目前采用的方法主要有以下3 種［5］:氣象探空資料累加計算［6－7］(下簡稱“探空法”)、地面氣象資料推算［8－10］(簡稱“地面法”)、地基 GPS/MET 探測資料反演［11］(簡稱“GPS法”)。探空資料包括大氣中不同高度層的濕度參量，被廣泛用于計算整層水汽含量，通常以探空資料計算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)來判斷其他計算方法的優(yōu)劣，不足之處是探空站分布過于稀疏，還需要結(jié)合其他分布較為密集的觀測資料，才能全面反映一個地區(qū)的空中水汽資源狀況。地面氣象資料具有時間序列長、空間分辨率比較高的特點(diǎn)，而GPS/MET是近些年廣泛應(yīng)用的新型探測技術(shù)，可全天候監(jiān)測，監(jiān)測站點(diǎn)也在逐步增多，這兩種資料都可用于推算大氣可降水量。

本文應(yīng)用浙江省3個高空觀測站點(diǎn)的氣象探測資料、GPS/MET資料推算反演的整層水汽含量，計算出“地面法”中適合浙江省的參數(shù)，并將“GPS法”和“地面法”與“探空法”結(jié)果進(jìn)行比較，分析浙江省“GPS法”和“地面法”產(chǎn)品的誤差和可用性，以尋求本地化大氣可降水量推算的最佳方案。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料包括2010—2013年浙江省3個站08和20時的探空資料和2013年GPS/MET產(chǎn)品資料。探空站分別為杭州(58457)、衢州(58633)和洪家(58665)，其緯度、經(jīng)度和海拔高度分別為(30°14'N，120°10'E，41.7m)、(29°00'N，118°54'E，67.1m)、(28°37'N，121°25'E，2.2m)。

1.2 方法

首先根據(jù)2010—2012年3個探空站資料分析大氣可降水量與地面水汽壓的相關(guān)關(guān)系，并建立回歸方程，然后用2013年探空資料計算“探空法”和“地面法”的大氣可降水量，以“探空法”結(jié)果為基準(zhǔn)，對“地面法”和“GPS法”計算結(jié)果的誤差進(jìn)行比較分析。

1.2.1 探空法

應(yīng)用探空資料計算整層大氣水汽含量(簡稱水汽含量)的公式［6－7］為:

式中W表示假定這些水汽全部凝結(jié)，并積聚在氣柱的底面上時所具有的液態(tài)水深度，單位為cm，本文分析時轉(zhuǎn)換為mm;ρ為液態(tài)水密度，單位為g·cm－3;g為重力加速度，單位為m·s－2;q(p)為隨氣壓變化的各氣壓層比濕，單位為g·kg－1;p0為地面氣壓值，單位為hPa。

式中，e為飽和水汽壓，單位為hPa，可根據(jù)飽和水汽壓與溫度的關(guān)系，通過探空資料中不同等壓面上的露點(diǎn)來確定，在精確的濕度查算表中，用的是Goff-Gratch公式，但在實(shí)際應(yīng)用中，常常采用經(jīng)驗(yàn)公式，本文使用Tetens計算公式［6］。

具體的計算過程分3步:1)由探空資料中各層露點(diǎn)溫度計算飽和水汽壓;2)根據(jù)(2)式計算各層比濕;3)將(1)式離散化，通過各層累加來計算整層水汽含量。

1.2.2 地面法

回歸試驗(yàn)表明，可降水量與對應(yīng)的地面水汽壓之間有良好的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系［8］，實(shí)際應(yīng)用中通常用有效水汽含量代替實(shí)際水汽含量來計算，滿足如下形式的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:W=a+be，其中a和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。楊景梅［9］等通過引進(jìn)地理緯度φ和測站海拔高度H，建立了能反映我國整層大氣可降水量同地面濕度參量(水汽壓、露點(diǎn))普遍關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)計算模式;張學(xué)文［10］也統(tǒng)計出基于月平均資料的整層大氣可降水量與地面水汽壓經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:W=1.74e。

1.2.3 GPS 法

由于地基GPS/MET天頂濕延遲近似正比于大氣水汽量含量［11］，因此可利用地基 GPS/MET資料來反演整層大氣可降水量。利用GAMIT軟件可解算出GPS/MET對流層天頂總延遲ΔL，總延遲為對流層天頂靜力延遲與濕延遲之和，而對流層天頂靜力延遲可利用GPS/MET接收機(jī)所在點(diǎn)的氣壓(p/hPa)、海拔高度(H/km)和緯度(λ)，采用如下公式算出:

于是可得到濕延遲:

最后大氣可降水量可由下式求得:

PWV為大氣柱的總水汽含量轉(zhuǎn)換成等效液態(tài)水柱的高度，即整層可降水量，單位為mm;∏為轉(zhuǎn)換系數(shù)，是無量綱數(shù)，其值與加權(quán)平均溫度Tm的大小有關(guān)，一般常取轉(zhuǎn)換系數(shù)∏=0.15或建立Tm本地化模型來計算。

2 結(jié)果分析

2.1 “地面法”回歸方程

本文用2010—2012年(其中2011年5月1日—2012年3月15日及其它個別時次資料缺)浙江3站每天08和20時的探空資料，利用1.2.2中介紹的大氣可降水量(W/mm)與地面水汽壓(e/hPa)的相關(guān)關(guān)系，計算出每個站點(diǎn)的a和b值，建立回歸方程，方程中的大氣可降水量由“探空法”計算得出，地面水汽壓由對應(yīng)時次的地面氣壓、露點(diǎn)求出。

表1 2010—2012年浙江3個探空站大氣可降水量(W)與地面水汽壓(e)回歸方程

表1可看出，3站W(wǎng)和e的相關(guān)系數(shù)為0.9左右，均通過0.001 的信度檢驗(yàn)［12］，說明大氣可降水量與地面水汽壓之間確實(shí)存在非常好的相關(guān)性。表1中回歸方程與楊景梅［9］得出的適合浙江地區(qū)的方程以及張學(xué)文［10］得出的全國月平均關(guān)系式W=1.74e比較接近。

2.2 “地面法”與“GPS法”結(jié)果的比較

本文用2013年1—11月探空資料，用“探空法”計算大氣可降水量;根據(jù)上述的回歸方程，計算“地面法”的大氣可降水量;以“探空法”結(jié)果為基準(zhǔn)，與對應(yīng)時次的“GPS法”結(jié)果進(jìn)行比較。為了3種方法間的可比性，僅選取各站探空和GPS/MET資料相匹配的時次進(jìn)行計算和分析。

表2 2013年浙江3站“地面法”與“GPS法”結(jié)果比較

表2可以看出:3站結(jié)果基本一致，“地面法”和“GPS法”的結(jié)果與“探空法”(基準(zhǔn)值)都有很高的相關(guān)性，均通過0.001的信度檢驗(yàn)［12］，相關(guān)系數(shù)分析“GPS法”高于“地面法”，3站均超過0.90，且標(biāo)準(zhǔn)差比“地面法”偏小近2 mm，表明“GPS法”相對“地面法”反演的可降水量不僅與實(shí)際值相關(guān)性更高，而且更加穩(wěn)定，更能反映實(shí)際情況。但“GPS法”相對“地面法”的誤差平均值更大，“GPS法”3站普遍為 2.38～2.92 mm，“地面法”3 站有正有負(fù)，為 －1.11 ～1.31 mm，說明“GPS法”反演產(chǎn)品存在一定的系統(tǒng)誤差，而“地面法”是由回歸方程計算得到，從而有效地減小了系統(tǒng)誤差。如果經(jīng)過一定時間的資料累積，針對“GPS法”的結(jié)果用統(tǒng)計方法加以訂正，將會有效減小“GPS法”結(jié)果的總體偏差。

圖1是2013年3站“地面法”與“GPS法”大氣可降水量散點(diǎn)圖，可以看出:3站總體情況比較相似，2種方法相比，“地面法”散點(diǎn)圖呈“橄欖型”，“GPS法”呈“棒型”，這也說明“GPS法”與“探空法”(基準(zhǔn)值)相關(guān)性高，離散度更小。分析圖1a、1c、1f還可以看出:“橄欖型”的外沿輪廓，上方弓形更明顯，而下方更接近直線，說明“地面法”的計算結(jié)果在50 mm以下容易偏大，而50 mm以上容易偏小。

圖1 2013年浙江3站“地面法”與“GPS法”大氣可降水量散點(diǎn)圖

分析表2，3站“GPS”的誤差平均 2.38～2.92 mm，標(biāo)準(zhǔn)差 6.50～7.69 mm，相對“探空法”結(jié)果均值的百分比分別為7.60% ～8.69%、20.13% ～24.52%，誤差接近正常水平略偏大［13］，其中偏大的原因是本文使用的是日常業(yè)務(wù)運(yùn)行結(jié)果，而浙江GPS/MET資料業(yè)務(wù)化時間僅1 a左右時間，還需要對歷史資料進(jìn)行回算，對照探空結(jié)果求出最佳的反演參數(shù)以提高產(chǎn)品的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

通過浙江3站2010—2013年的探空資料和2013年GPS/MET資料對大氣可降水量的產(chǎn)品分析得出:

1)大氣可降水量與地面水汽壓之間確實(shí)存在很好的相關(guān)性，建立回歸方程后可以通過地面水汽資料來推算大氣可降水量，但存在一定的誤差，計算結(jié)果在50 mm以下容易偏大，而50 mm以上容易偏小。

2)“GPS法”相對“地面法”與“探空法”結(jié)果的相關(guān)性更高，標(biāo)準(zhǔn)差更小，也更能反映實(shí)際情況。

3)浙江省 GPS/MET資料的反演的 GPSPWV業(yè)務(wù)化產(chǎn)品誤差接近正常水平，可以應(yīng)用于降水的監(jiān)測、預(yù)報以及數(shù)值模式中，但產(chǎn)品準(zhǔn)確性還可以改進(jìn)和提高。

GPS/MET資料以其高時空的分辨率相對傳統(tǒng)的探空資料具有巨大的優(yōu)越性，提高其反演產(chǎn)品的準(zhǔn)確和可用性是今后一項長期的工作。一般來說，通過歷史資料回算，改進(jìn)反演過程中某些參數(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要舉措，本文使用的“GPS法”計算結(jié)果是基于日常業(yè)務(wù)運(yùn)行產(chǎn)品，所以還有很大的提升空間;另外文中通過3種方法計算結(jié)果的比較還得出如果對歷史資料產(chǎn)品進(jìn)行回歸統(tǒng)計分析，建立方程，也能有效減小產(chǎn)品的系統(tǒng)誤差，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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