GPS水汽資料在瓊海暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

王虎 鄭永利

摘要 統(tǒng)計(jì)瓊海市2011—2013年暴雨天數(shù)，分析其時(shí)間變化特征，根據(jù)影響的天氣系統(tǒng)可分為降雨強(qiáng)度變化不大且時(shí)間長(zhǎng)的持續(xù)型和降雨主要集中在前5～10 h的爆發(fā)型；同時(shí)利用GPS水汽資料解算出GPS-PWV值，分析其時(shí)間變化特征得出，在暴雨發(fā)生前1～3 h，PWV均有明顯的增強(qiáng)，超過45 mm后1～2 h內(nèi)出現(xiàn)暴雨，其PWV峰值對(duì)應(yīng)了1～2 h后的降雨峰值，而在PWV連續(xù)2～4 h下降后，暴雨趨于結(jié)束，此特征在東風(fēng)波暴雨和切變線暴雨中表現(xiàn)最為明顯。

關(guān)鍵詞 GPS-PWV；暴雨特征；預(yù)報(bào)；應(yīng)用；海南瓊海

中圖分類號(hào) P457.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）04-0216-03

瓊海地區(qū)屬于熱帶海洋季風(fēng)氣候，水汽來源十分豐富，有良好的凝云致雨條件，加上處于夏季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)迎風(fēng)面多雨區(qū)，因此暴雨也成為瓊海地區(qū)主要的氣象災(zāi)害。隨著全球氣候變化，許多突發(fā)性暴雨嚴(yán)重地影響人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此，有必要對(duì)瓊海市暴雨進(jìn)行研究，探索新觀測(cè)資料在暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。

氣象業(yè)務(wù)中常規(guī)使用的無線電探空儀時(shí)空分辨率低，不能很好地監(jiān)測(cè)天氣的快速變化，難以反映大氣中水汽的連續(xù)變化，也無法滿足精細(xì)化預(yù)報(bào)和人工影響天氣等氣象業(yè)務(wù)工作對(duì)大氣水汽信息的需求。利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）遙感大氣可降水量（PWV）已經(jīng)成為一種有效的探測(cè)大氣水汽的新手段。通過連續(xù)、高密度的地基GPS觀測(cè)網(wǎng)，可以獲得高時(shí)空分辨率、高效、高容量、全天候、近實(shí)時(shí)變化的大氣可降水量，能有效彌補(bǔ)探空資料在時(shí)空分辨率上的不足。近年來，地基GPS遙感可降水量在各個(gè)地區(qū)的應(yīng)用分析，國(guó)內(nèi)已有不少研究[1-5]。袁招洪等[6-7]將地基GPS遙感大氣可降水量資料應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報(bào)模式中，可改善降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。但是這些研究主要集中在中東部地區(qū)，因此在天氣、水汽變化獨(dú)特的海南省，開展GPS遙感PWV（即GPS-PWV）的業(yè)務(wù)應(yīng)用，分析其探測(cè)到的大氣水汽的時(shí)間演變及其日變化特征以及與降雨的關(guān)系，對(duì)于GPS水汽監(jiān)測(cè)產(chǎn)品在諸多氣象理論及短臨預(yù)報(bào)的應(yīng)用具有重要意義。

1 資料與方法

瓊海市GPS-MET建設(shè)于2010年底，2011年開始投入業(yè)務(wù)使用。本文統(tǒng)計(jì)2011—2013年出現(xiàn)暴雨的天數(shù)，根據(jù)影響天氣系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分型，利用算數(shù)平均算出平均小時(shí)雨量。同時(shí)采用2011—2013年瓊海市GPS-MET水汽站資料，計(jì)算出水汽總量。

水汽總量（Precip-it able Water vapor，PW，單位mm）是將測(cè)站天頂方向氣柱內(nèi)所有水汽折算為液態(tài)水時(shí)的水柱高度，通常定義為：

式（1）中，ρi為液態(tài)水密度（g/cm3），ρv表示水汽密度（kg/m3），dz表示相鄰2個(gè)氣層間的高度差（m），因此水汽總量代表測(cè)站天頂方向水汽的積分值。地基GPS遙感水汽總量方法并不計(jì)算大氣濕度的垂直分布，而是先由專業(yè)軟件求解衛(wèi)星信號(hào)在中性大氣中的總延遲，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出水汽總量。本文利用GAMIT軟件對(duì)瓊海GPS水汽資料進(jìn)行解算[8]，計(jì)算出1 h間隔的大氣可降水量（GPS-PWV），對(duì)其變化進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 暴雨天數(shù)及影響系統(tǒng)

根據(jù)海南省天氣分型，可將瓊海暴雨的影響天氣系統(tǒng)大致分為4類，分別為冷空氣、切變線（即低壓槽）、東風(fēng)波及熱帶氣旋。2011—2013年瓊海國(guó)家基本站資料統(tǒng)計(jì)，瓊海市暴雨天數(shù)為34 d，其中，受冷空氣影響1 d，平均降雨量55.8 mm；受切變線影響15 d，平均降雨量為119.3 mm；受東風(fēng)波影響6 d，平均降雨量為121.3 mm；受熱帶氣旋影響12 d，平均降雨量為110.1 mm（表1）。由表中可以明顯看出，造成瓊海暴雨的主要天氣系統(tǒng)為切變線和熱帶氣旋，占總天數(shù)的79.4%，影響時(shí)段主要為4—10月。除了冷空氣造成的暴雨外，其他系統(tǒng)造成的暴雨雨量均超過100 mm。

2.2 時(shí)間分布特征

利用算數(shù)平均法，統(tǒng)計(jì)從降雨開始時(shí)每小時(shí)降雨量，分別對(duì)4類天氣系統(tǒng)造成的暴雨進(jìn)行分析，得出暴雨時(shí)間分布特征。從圖1可以看出，冷空氣暴雨（圖1a）雨強(qiáng)小，小時(shí)平均最大降雨量?jī)H為4.8 mm，最小為0.1 mm，差值不超過5 mm，降雨雖然有遞減趨勢(shì)，但遞減率僅為0.02；熱帶氣旋暴雨（圖1b）雨強(qiáng)較大，小時(shí)平均最大降雨量為9.8 mm，最小為1.6 mm，降雨隨著時(shí)間有增強(qiáng)，但增強(qiáng)率僅為0.08?？蓪⒋吮┯觐愋投x為持續(xù)型暴雨，其主要特征是降雨分布均勻，持續(xù)時(shí)間久。

從圖2可以看出，東風(fēng)波（圖2a）暴雨有2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在降雨開始第2小時(shí)和第8～9小時(shí)，峰值雨量均有15 mm以上，且持續(xù)時(shí)間短，峰值后迅速減弱，遞減率達(dá)0.68；切變線（圖2b）暴雨峰值出現(xiàn)在降雨開始第2小時(shí)，迅速減弱，雖然后期雨強(qiáng)稍有加強(qiáng)，但均未能達(dá)到峰值，其遞減率也達(dá)到了0.57。可將此類暴雨定義為爆發(fā)型暴雨，其主要特征是降雨分布不均勻，強(qiáng)降雨基本集中在前5～10 h，甚至2 h降雨就結(jié)束。

2.3 GPS-PWV特征分析

根據(jù)以上4類天氣系統(tǒng)形成的暴雨時(shí)間，利用GAMIT軟件對(duì)GPS-PWV進(jìn)行解算，統(tǒng)計(jì)暴雨發(fā)生前5 h到結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)PWV值與小時(shí)雨量的變化，形成其時(shí)間分布特征。從圖3可以看出，各類型暴雨分布特征如下。

（1）冷空氣暴雨（圖3a）在發(fā)生前1 h，PWV值急速升高，而后一直圍繞50 mm上下震蕩，為后期持續(xù)降雨提供水汽，由于此類暴雨小時(shí)雨量較小，PWV并未出現(xiàn)明顯的峰值，且PWV均在60 mm以下，而在PWV值下降到45 mm以下2～3 h后，降雨結(jié)束。

（2）熱帶氣旋暴雨（圖3b）在發(fā)生前PWV持續(xù)在30 mm左右，降雨發(fā)生前2～3 h PWV開始上升，在降雨開始后2～3 h，PWV仍然持續(xù)上升，基本維持在55 mm以上，出現(xiàn)了多個(gè)小峰值，其對(duì)應(yīng)了多次10 mm左右的小時(shí)雨量，降雨結(jié)束前2 h，PWV值急速下降，下降到45 mm以下后，降雨結(jié)束。

（3）東風(fēng)波暴雨（圖3c）在降雨開始前2 h PWV從25 mm左右急速上升，超過45 mm后1 h開始出現(xiàn)降雨，后持續(xù)上升并達(dá)到峰值，其對(duì)應(yīng)了1 h后出現(xiàn)的降雨峰值，隨后6～8 h PWV仍然維持在70 mm以上，這與其降雨分布的2個(gè)峰值相對(duì)應(yīng)，而后PWV值開始下降，降雨量減弱，當(dāng)PWV下降到45 mm以下后3～4 h，降雨結(jié)束。

（4）切變線暴雨（圖3d）在降雨開始前2 h PWV值也急速上升，超過45 mm后2 h開始出現(xiàn)降雨，PWV值出現(xiàn)峰值1 h后出現(xiàn)降雨峰值，隨后PWV下降到60左右，雨量減弱，出現(xiàn)第2個(gè)峰值是對(duì)應(yīng)了第2次的降雨峰值，降雨結(jié)束前2～4 h，PWV值迅速降低，當(dāng)下降到45 mm以下后，降雨趨于結(jié)束。

綜上所述，在暴雨發(fā)生前1～3 h，PWV均有明顯的增強(qiáng)，超過45 mm后1～2 h內(nèi)出現(xiàn)暴雨，其PWV峰值對(duì)應(yīng)了1～2 h后的降雨峰值，而在PWV連續(xù)2～4 h下降后，暴雨趨于結(jié)束，此特征在東風(fēng)波暴雨和切變線暴雨中表現(xiàn)最為明顯。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)2011—2013年資料統(tǒng)計(jì)，造成瓊海市暴雨的主要天氣系統(tǒng)為切變線和熱帶氣旋，占暴雨總天數(shù)的79.4%。

（2）根據(jù)暴雨時(shí)間分布特征，瓊海暴雨可分為持續(xù)型和爆發(fā)型，其區(qū)別在于持續(xù)型降雨持續(xù)時(shí)間久，強(qiáng)度變化不大，而爆發(fā)型強(qiáng)降雨集中在前5～10 h，甚至更短時(shí)間。

（3）GPS-PWV時(shí)間分布特征顯示，在暴雨發(fā)生前1～3 h，PWV均有明顯的增強(qiáng)，超過45 mm后1～2 h內(nèi)出現(xiàn)暴雨，其PWV峰值對(duì)應(yīng)了1～2 h后的降雨峰值，而在PWV連續(xù)2～4 h下降后，暴雨趨于結(jié)束，此特征在東風(fēng)波暴雨和切變線暴雨中表現(xiàn)最為明顯。

（4）GPS/PWV資料能直觀、及時(shí)地反映大氣中水汽的時(shí)間變化，可有效地彌補(bǔ)目前常規(guī)探測(cè)手段對(duì)大氣中水汽測(cè)量的不足，在天氣預(yù)報(bào)方面具有一定的應(yīng)用前景。

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