GPS遙感大氣可降水量在暴雨天氣過(guò)程分析中的應(yīng)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(guò)程分析中的應(yīng)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(jì)末開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種全新的大氣水汽探測(cè)手段。大氣水汽是產(chǎn)生各種天氣的重要參數(shù)，它的時(shí)空分布以及由其相變所產(chǎn)生的巨大潛熱，影響著大氣的垂直穩(wěn)定度和天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演變，會(huì)造成強(qiáng)烈的對(duì)流天氣以致產(chǎn)生暴雨。地基GPS水汽遙感技術(shù)可提供常規(guī)氣象觀測(cè)資料無(wú)法提供的全天候、高精度、高時(shí)效的大氣水汽資料，它的應(yīng)用將為改善天氣預(yù)報(bào)尤其是中尺度天氣預(yù)報(bào)（強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)和強(qiáng)降雨預(yù)報(bào)）提供重要的、較為理想的大氣水汽資料。

暴雨天氣GPS遙感過(guò)程分析

由于水汽的時(shí)空多變性，為較難描述的氣象參數(shù)之一，所以水汽的觀測(cè)方式也成為氣象專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。準(zhǔn)確快速地獲取高時(shí)空分辨率的水汽觀測(cè)資料對(duì)于天氣、氣候變化研究和天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)具有重要的意義。目前氣象部門(mén)獲取水汽觀測(cè)數(shù)據(jù)的手段主要有常規(guī)探空氣球、水汽微波輻射計(jì)、紅外衛(wèi)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(cè)方式，GPS遙感水汽是利用GPS信號(hào)穿過(guò)大氣受到大氣折射而產(chǎn)生的延遲來(lái)探測(cè)大氣中的水汽含量，具有探測(cè)精度高、全天候、分辨率高、觀測(cè)穩(wěn)定、費(fèi)用低廉和無(wú)需校正等優(yōu)點(diǎn)，在氣象領(lǐng)域獲得了廣泛深入的應(yīng)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(xiàng)目“北京地區(qū)地基GPS遙感大氣水汽應(yīng)用研究”、國(guó)家科技部政府間中美合作項(xiàng)目“全球定位系統(tǒng)單雙頻地基GPS水汽遙測(cè)技術(shù)研究”聯(lián)合資助，在強(qiáng)天氣敏感區(qū)（房山）組建的單、雙頻地基GPS遙測(cè)試驗(yàn)網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)Burmese軟件解算出時(shí)間間隔為30min的大氣總延遲量，計(jì)算大氣可降水量。

對(duì)北京房山區(qū)地基GPS站網(wǎng)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(shì)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(jīng)過(guò)對(duì)兩站的有效數(shù)據(jù)的比較，選取官道站為代表站進(jìn)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(tǒng)和大尺度水汽輸送時(shí)，利用北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系研制的‘客觀分析診斷圖形系統(tǒng)’，插值選用Cressman逐步訂正法，地圖投影選用雙標(biāo)準(zhǔn)蘭勃托正形投影，中心點(diǎn)為115oE，40oN，格點(diǎn)數(shù)為47×35，網(wǎng)格距30km。分別計(jì)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(chǎng)。

2 天氣過(guò)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(qū)出現(xiàn)暴雨天氣過(guò)程，從北京地區(qū)7月10日14：00-20：006小時(shí)降雨量為一次暴雨天氣過(guò)程，降雨中心主要在城區(qū)，豐臺(tái)為另一降雨中心（為96mm）。在城區(qū)17-20時(shí)平均降雨量超過(guò)50毫米，其中天安門(mén)降雨量為87毫米、朝陽(yáng)門(mén)106毫米、龍?zhí)逗?1.5毫米，到21時(shí)城區(qū)平均降雨量達(dá)73毫米，23時(shí)暴雨雨結(jié)束。

此次降水過(guò)程房山站處于豐臺(tái)降水中心的南部，房山站過(guò)程雨量為35mm，對(duì)房山區(qū)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(jì)雨量的比較表明：在降水前24小時(shí)的9日16時(shí)開(kāi)始PWV官開(kāi)始逐漸增加，10日14時(shí)30分開(kāi)始，也就是在降水出現(xiàn)的前2-3小時(shí)PWV官開(kāi)始明顯增加，增到10日17時(shí)開(kāi)始降雨，18時(shí)PWV官達(dá)最大值為58.5mm，降水量最大為11.7mm/1小時(shí)。從整個(gè)降水過(guò)程的PWV官的變化看，△（PWV官）最大值時(shí)刻-開(kāi)始增加時(shí)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(xiàn)較強(qiáng)降水。一般情況下當(dāng)3h、4hPWV增量大于某閾值（≥7.0），當(dāng)3h、4hPWV累計(jì)增量達(dá)到最大值，就會(huì)出現(xiàn)降水，或者在半小時(shí)-2.5小時(shí)出現(xiàn)降水。4hPWV累計(jì)增量達(dá)到最大值后的2-4小時(shí)出現(xiàn)最大降水量/小時(shí)。但PWV值及增量的大小與降水量的大小沒(méi)有明顯的關(guān)系。

3 水汽輸送與GPS遙感大氣可降水量的變化關(guān)系

通過(guò)以上分析可以看出，大雨、暴雨以上降雨過(guò)程的大氣水汽的增長(zhǎng)方式受當(dāng)?shù)靥鞖庀到y(tǒng)的支配和制約，一種表現(xiàn)為：大尺度水汽輸送天氣系統(tǒng)輻合、水汽聚集的過(guò)程，而另一種僅僅是天氣系統(tǒng)輻合、水汽聚集的過(guò)程。以大尺度水汽輸送天氣系統(tǒng)輻合、水汽聚集為水汽增長(zhǎng)方式的強(qiáng)降雨過(guò)程，是有利的大尺度天氣系統(tǒng)和中尺度天氣系統(tǒng)的共同影響所造成。在有利的地面、高空天氣系統(tǒng)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(qū)移到北京，在北京形成等比濕線密集區(qū)，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(xù)增加，具體表現(xiàn)為PWV會(huì)出現(xiàn)連續(xù)增加的現(xiàn)象（ΔPWV官24h≥20.0mm）。當(dāng)?shù)孛妗⒏呖沼休椇舷到y(tǒng)東移或生成，或有中小尺度天氣系統(tǒng)影響時(shí)，北京處于西南-東北方向水汽通道大值區(qū)，并且位于水汽輻合區(qū)或中心，具體表現(xiàn)為在降雨前3～4小時(shí)，PWV會(huì)出現(xiàn)激增的現(xiàn)象（ΔPWV官3～4h≥7.0mm）；以天氣系統(tǒng)輻合、水汽聚集為水汽增長(zhǎng)方式的強(qiáng)降雨天氣過(guò)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(tǒng)東移或生成，或有中小尺度天氣系統(tǒng)影響時(shí)，產(chǎn)生的水汽輻合和聚集，表現(xiàn)為PWV在降雨前的幾個(gè)小時(shí)出現(xiàn)激增。

在大氣可降水量應(yīng)用于降雨天氣預(yù)報(bào)過(guò)程中，應(yīng)與天氣系統(tǒng)和風(fēng)場(chǎng)及濕度場(chǎng)的分布，以及測(cè)站的氣壓、溫度、濕度的變化相結(jié)合，可為強(qiáng)降雨預(yù)報(bào)提供有用的信息。另外，GPS遙感大氣可降水量數(shù)據(jù)在實(shí)際天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用過(guò)程中，還應(yīng)分析比較有降雨和無(wú)降雨天氣的大氣可降水量的變化特征的差異，針對(duì)各種不同天氣系統(tǒng)類(lèi)型分析大氣可降水量的變化特征，通過(guò)分析尋找量化指標(biāo)，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣提供客觀方法。

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P4文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-12-416-1