湖南省GPS/MET與探空水汽資料對(duì)比分析

羅 宇，羅林艷，呂冠儒

(1.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南省氣象信息中心，湖南 長(zhǎng)沙 410118)

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湖南省GPS/MET與探空水汽資料對(duì)比分析

羅 宇1，羅林艷2，呂冠儒2

(1.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南省氣象信息中心，湖南 長(zhǎng)沙 410118)

GPS/MET探測(cè)具有建設(shè)維護(hù)成本低、探測(cè)精度高、不受云雨影響、全天候等特點(diǎn)，已成為獲取大氣水汽資料的重要探測(cè)手段。該文對(duì)比分析了湖南省4月(春季)和7月(夏季)長(zhǎng)沙、懷化、郴州GTS1探空儀與GPS/MET獲取的水汽資料。分析結(jié)果表明：在可比較時(shí)刻點(diǎn)上，GPS/MET與探空對(duì)水汽總量變化趨勢(shì)描述是一致的，二者測(cè)得值呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.939 0～0.968 3之間，殘差標(biāo)準(zhǔn)誤差在3.339～4.547之間，GPS/MET水汽值比探空平均偏高3.121 1～5.143 6 mm，相對(duì)平均誤差為9.407 3%。

GPS/MET；高空氣象觀測(cè)；水汽總量；大氣遙感

1 引言

水汽是大氣的基本參量，是大氣中唯一能發(fā)生相變的成分，在很多大氣物理化學(xué)過(guò)程中扮演十分重要的角色。同時(shí)，水汽能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，也能放射長(zhǎng)波輻射，是一種重要的溫室氣體，對(duì)地面和大氣的輻射平衡有很大的影響。在時(shí)間和空間上，水汽分布極不均勻，難以精確測(cè)量。探空是目前獲取大氣水汽信息最直接手段，但受到成本高、站點(diǎn)少等條件限制，其資料時(shí)空分辨率有限，制約了人們對(duì)水汽空間分布和時(shí)間變化的了解，進(jìn)而影響強(qiáng)降水等災(zāi)害性短臨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性[1]。地基GPS遙感大氣水汽技能是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種全新的大氣探測(cè)手段?；谒麑?duì)GPS信號(hào)的“濕延遲”可反演出大氣的水汽總量,精度約在2 mm[2]。因此,利用GPS對(duì)大氣中水汽的連續(xù)監(jiān)測(cè), 有效彌補(bǔ)常規(guī)大氣探測(cè)的不足。為更好的利用GPS水汽資料，有必要對(duì)GPS和探空測(cè)得水汽總量進(jìn)行對(duì)比。李成才等(1999)利用上海、武漢兩地GPS資料反演30 min間隔的水汽變化信息，與探空資料對(duì)比其均方根誤差約為5 mm[3]。畢研盟等對(duì)比了2008年5—7月錫林浩特GPS和探空水汽資料，得出二者相關(guān)系數(shù)為0.89，GPS水汽值較探空平均約偏高0.18 g/cm2[4]。盧會(huì)國(guó)等分析了2010年7月第八屆國(guó)際探空對(duì)比試驗(yàn)資料，認(rèn)為探空與GPS/MET測(cè)量的水汽值存在較強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.57～0.74之間，且探空水汽值較GPS/MET偏高0.71～1.47 mm[5]?？紤]到大氣中水汽空間分布差異較大，因此有必要在上述研究基礎(chǔ)上對(duì)湖南省GPS/MET水汽探測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，使其更好的應(yīng)用到相關(guān)氣象業(yè)務(wù)中。

2 數(shù)據(jù)處理方法

本文選用湖南省2016年4月(春季)和7月(夏季)GPS/MET資料及長(zhǎng)沙、懷化、郴州高空秒級(jí)資料，所有資料均由全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)獲取。

2.1 探空資料的處理

選取湖南省3個(gè)探空業(yè)務(wù)站的高空秒級(jí)資料。由于探空原始資料只提供相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，因此需首先利用溫度(t)、氣壓(p)和相對(duì)濕度(U)計(jì)算水汽壓(e)并得到水汽混合比(r)[6]：

(1)

(2)

水面飽和水汽壓時(shí)(t>0 ℃)，a=17.27，b=237.3；冰面飽和水汽壓時(shí)(t<0 ℃)，a=21.87，b=265.5。

由此計(jì)算氣柱水汽總含量CPWV：

(3)

2.2 GPS/MET資料的選取

湖南省3個(gè)探空業(yè)務(wù)站2016年4月和7月高空探測(cè)放球時(shí)間均值約為78 min?？紤]到大氣水汽主要集中在300 hPa高度以下，而氣球上升到該高度時(shí)間約為30 min[7]，因此選取探空儀釋放后最近1 h的GPS/MET資料作比較。即19時(shí)15分釋放探空儀獲取的資料與GPS/MET獲取的20時(shí)00分水汽資料進(jìn)行對(duì)比。

3 資料對(duì)比分析

3.1 各GPS/MET站資料對(duì)比分析

臨近長(zhǎng)沙、懷化、郴州探空站分別選取4個(gè)GPS/MET站點(diǎn)(長(zhǎng)沙探空站：汨羅、湘鄉(xiāng)、赫山、雙峰；懷化探空站：芷江、鳳凰、溆浦、沅陵；郴州探空站：桂陽(yáng)、宜章、資興、永興)，各GPS/MET站點(diǎn)4月和7月的有效探測(cè)數(shù)據(jù)均在600個(gè)時(shí)次以上。分組對(duì)比可見(jiàn)GPS/MET測(cè)得的水汽除個(gè)別高值或低值點(diǎn)外，變化趨勢(shì)基本一致(圖1)，這也從側(cè)面反映出大氣中水汽局地時(shí)空分布存在一定連續(xù)性。

3.2 GPS/MET與探空水汽資料對(duì)比

分別選取離3個(gè)探空站最近的GPS/MET水汽站資料作為參考值，與對(duì)應(yīng)探空站點(diǎn)計(jì)算所得水汽總量進(jìn)行對(duì)比分析，采用最小二乘法擬合回歸方程、計(jì)算相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，如表1、圖2所示。

圖1 2016年4月、7月湖南省長(zhǎng)沙(a)、懷化(b)、郴州(c)周邊GPS/MET站點(diǎn)水汽對(duì)比圖Fig.1 Comparison of GPS/MET precipitable water vapor in April and July of 2016 around Changsha(a), Huaihua(b), Chenzhou(c) City in Hunan Province

臺(tái)站樣本數(shù)擬合方程殘差標(biāo)準(zhǔn)誤差平均偏差相關(guān)系數(shù)p-value長(zhǎng)沙105Y=4.1290+0.9782X4.5473.12110.94752.200×10-16懷化115Y=5.3148+0.9962X3.3535.14360.96832.200×10-16郴州106Y=9.83770+0.8745X3.3394.35500.93902.200×10-16

通過(guò)上述對(duì)比可見(jiàn)，湖南省GPS/MET與探空測(cè)量水汽值符合較好，二者之間存在非常顯著的相關(guān)性(p-value<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.947 5、0.968 3和0.939 0，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.552 2、1.119 9和1.396 47。在對(duì)比數(shù)據(jù)集上，二者變化趨勢(shì)基本一致(如圖3所示)，GPS/MET水汽值稍高于探空，平均分別偏高3.121 1 mm、5.143 6 mm和4.355 0 mm，平均相對(duì)偏高7.754 0%、13.293 0%、11.1576%，與華東區(qū)域資料對(duì)比分析所得結(jié)論相當(dāng)[8]。同時(shí)，對(duì)比數(shù)據(jù)集上的平均偏差與水汽含量有關(guān)。當(dāng)水汽含量較低時(shí)(小于35 mm)，GPS/MET水汽值平均偏高1.968 2 mm，當(dāng)水汽含量較高時(shí)(大于35 mm)，GPS/MET水汽值平均偏高4.563 6 mm。

圖2 2016年4月、7月湖南省長(zhǎng)沙(a)、懷化(b)、郴州(c)GPS/MET與探空水汽數(shù)據(jù)回歸分析圖Fig.2 Regression analysis with GPS/MET and radiosonde precipitable water data in April and July of 2016 in Changsha (a), Huaihua(b), Chenzhou(c) in Hunan Province

圖3 2016年4月、7月湖南省長(zhǎng)沙(a)、懷化(b)、郴州(c)GPS/MET與探空水汽數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.3 Comparison on GPS/MET and radiosonde precipitable water data in April and July of 2016 in Changsha(a), Huaihua(b), Chenzhou(c) in Hunan Province

4 結(jié)論與討論

①利用GPS/MET測(cè)得的水汽與探空直接測(cè)量所得數(shù)據(jù)具有很高的一致性，對(duì)水汽總量變化趨勢(shì)的描述與探空基本一致(圖3)，平均誤差在4.343 0 mm，百分比誤差平均為9.407 3%，因此湖南省GPS/MET資料已完全具備業(yè)務(wù)化價(jià)值，有效彌補(bǔ)高空探測(cè)不足，對(duì)提升災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)能力有著廣闊的應(yīng)用前景。

②以GPS/MET水汽探測(cè)數(shù)據(jù)為參考，湖南省3個(gè)探空站探空資料相關(guān)系數(shù)(0.947 5、0.968 3、0.939 0)基本相同，其中長(zhǎng)沙站數(shù)據(jù)離散度程度較高，可能是由于所選的GPS/MET站離長(zhǎng)沙相對(duì)較遠(yuǎn)，水汽空間分布變化劇烈的原因(汨羅站，距離長(zhǎng)沙探空站60余千米)。

③由于探空采用直接測(cè)量方式，其測(cè)得的水汽數(shù)據(jù)應(yīng)更為可靠，GPS/MET水汽資料與之相比仍有一定偏差，且存在個(gè)別時(shí)次變化趨勢(shì)不一致的情況，可能是由于探測(cè)設(shè)備系統(tǒng)誤差、探空站與GPS/MET站的空間距離、國(guó)產(chǎn)探空儀對(duì)濕度的低溫探測(cè)性能較差[10]以及GPS/MET水汽反演中加權(quán)平均溫度Tm的地區(qū)性差異等因素造成的，具體原因有待進(jìn)一步研究。

致謝：感謝湖南省氣象信息中心同事文立恒，在本文研究過(guò)程中，文立恒就相關(guān)資料問(wèn)題給予了有益的幫助和討論。

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A comparative analysis of vapor data between GPS/MET and radiosonde in Hunan Province

LUO Yu1，LUO Linyan2，LV Guanru2

(1.China Meteorological Training Center Hunan Branch, Changsha 410125, China;2.Hunan Provincial Meteorological Information Center, Changsha 410118, China)

Based on the advantage of GPS/MET in measuring atmospheric water vapor, a comparative analysis of the GPS/MET vapor data and radiosonde results was presented, and it is found that the water vapor data obtained by GPS/MET is generally 3.121 1 to 5.143 6 mm higher than the radiosonde measurements, and the relative error is 9.407 3%. The two methods are correlated well on describing water vapor tendency with correlation coefficients between 0.939 0 to 0.968 3, with the standard deviation between 1.119 9 to 1.552 2.

GPS/MET; radiosonde; precipitable water; atmospheric remote sensing

1003-6598(2016)06-0028-04

2016-06-27

羅宇(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事大氣遙感與探測(cè)相關(guān)科研與教學(xué)工作，E-mail:mariachi41qq.com。

P412.13

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