地基GPS水汽資料在1709“納沙”臺風(fēng)暴雨過程中的應(yīng)用分析

陳穎 謝萬芬

(贛州市氣象局,江西 贛州 341000)

0 引 言

大氣中的水汽是發(fā)生降水的必要條件之一,對降雨量有直接的影響。近些年,GPS技術(shù)迅速發(fā)展起來,GPSPW探測的是大氣柱總水汽含量,精度高、穩(wěn)定性好,運(yùn)用GPSPW可以提高對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)報(bào)能力。萬蓉等在“地基GPS在暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)展”里指出,大氣可降水量的初始峰值在暴雨臨近預(yù)報(bào)中有重要的指示意義[1]。姚建群等用GPS可降水量資料對一次暴雨過程進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)大氣可降水量達(dá)到50 mm時(shí)的時(shí)間與實(shí)際降雨時(shí)間有很好的對應(yīng)關(guān)系[2]。付琦瓊等研究發(fā)現(xiàn),在強(qiáng)天氣發(fā)生前,GPS水汽會(huì)劇烈增長。然而,目前對GPSPW的研究大多是側(cè)重于數(shù)據(jù)的演變與降雨量的相關(guān),對于天氣過程發(fā)生時(shí)的動(dòng)力和熱力條件考慮的還很不充分[3]。

目前江西省建有62個(gè)地基GPS觀測站,其中贛州地區(qū)就有15個(gè),這15個(gè)地基GPS觀測站是從2009年6月開始運(yùn)行進(jìn)行觀測的。目前,贛州對這方面資料研究應(yīng)用還是空白。為了能找出GPS探測到的水汽資料對于降雨預(yù)報(bào)的指示意義以及其發(fā)生變化的內(nèi)在原因,增強(qiáng)該水汽資料在實(shí)際預(yù)報(bào)中的應(yīng)用價(jià)值。本文對贛州地區(qū)地基GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,利用反演后的大氣可降水量數(shù)據(jù),結(jié)合實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)和其它觀測資料,對2017年7月31日發(fā)生的臺風(fēng)暴雨過程進(jìn)行了綜合分析,然后再結(jié)合相關(guān)的動(dòng)力和熱力條件,研究大氣可降水量和實(shí)際降水的相關(guān)性,并研究了大氣可降水量發(fā)生變化的內(nèi)在原因,供臺風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)作參考。

1 臺風(fēng)“納沙”概況和降雨實(shí)況

2017年第9號臺風(fēng)“納沙”(圖1)于7月26日11時(shí)在菲律賓以東洋面發(fā)展成為熱帶風(fēng)暴,中心氣壓為998 hPa,隨后逐漸加強(qiáng)北上,27日11時(shí)加強(qiáng)成為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,中心氣壓為985 hPa,17時(shí)路徑轉(zhuǎn)為西北方向移動(dòng),強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng),于28日17時(shí)在距離臺灣省宜蘭縣南偏東方向335 km的海面上加強(qiáng)成為臺風(fēng),中心氣壓降至975 hPa。加強(qiáng)成為臺風(fēng)級后,“納沙”移動(dòng)速度明顯加快,于29日20時(shí)在臺灣省宜蘭縣附近登陸,登陸時(shí)為臺風(fēng)級,登陸后向偏西方向移動(dòng),強(qiáng)度未減弱,在臺灣境內(nèi)移動(dòng)時(shí)強(qiáng)度一直維持臺風(fēng)級。進(jìn)入臺灣海峽后,“納沙”又轉(zhuǎn)向西北方向移動(dòng),于30日06時(shí)前后在福建省福清市沿海再次登陸,登陸后“納沙”的強(qiáng)度仍維持在臺風(fēng)級,登陸后,“納沙”快速減弱并繼續(xù)向西北方向移動(dòng),30日10時(shí)減弱為熱帶風(fēng)暴,中心氣壓986 hPa。30日20時(shí)對其停止編號。于7月31日20時(shí)左右從撫州進(jìn)入江西,強(qiáng)度為熱帶低壓,隨后低壓中心轉(zhuǎn)向偏北方向移動(dòng)。

圖1 9號臺風(fēng)“納沙”移動(dòng)路徑圖

受其外圍云系影響,7月30日20時(shí)至31日20時(shí)贛州出現(xiàn)了一次暴雨、大暴雨降雨過程(圖2),國家站平均雨量為49.0 mm,出現(xiàn)3站大暴雨(贛縣100.6 mm、安遠(yuǎn)141.8 mm、尋烏112.0 mm),3站暴雨(興國、南康、上猶),3站大雨。據(jù)上報(bào)災(zāi)情資料統(tǒng)計(jì),尋烏3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi),受災(zāi)人口23人,轉(zhuǎn)移人口7人;農(nóng)作物受災(zāi)面積2668 m2;公路中斷11段;損壞提防3處;直接經(jīng)濟(jì)總損失99.7萬元。

圖2 7月31日雨量實(shí)況分布圖(單位：mm)

2 環(huán)流形勢分析

臺風(fēng)“納沙”從生成到影響贛州期間,我國中高緯環(huán)流以緯向環(huán)流為主,太平洋副熱帶高壓強(qiáng)盛,呈帶狀分布,位于23°～35° N之間,西伸脊點(diǎn)到達(dá)70°E,脊線一直穩(wěn)定在30°N附近。7月28日08時(shí)(圖3)在110°～120°E副高北側(cè)有一高空槽東移發(fā)展,移動(dòng)速度緩慢,24 h移動(dòng)了不到10個(gè)經(jīng)距,在移動(dòng)過程中高空槽不斷增強(qiáng)、加深,強(qiáng)大的高壓壩被分裂為東、西兩環(huán)。此時(shí)臺風(fēng)“納沙”受副高南側(cè)東南氣流引導(dǎo),向西北方向移動(dòng)?！凹{沙”登陸臺灣后,由于受到北面高空槽東移的阻擋,它開始轉(zhuǎn)向偏西方向移動(dòng),朝著福建沿海靠近。在登陸福建后,受副高西側(cè)的東南偏南氣流引導(dǎo),轉(zhuǎn)向西北偏北方向移動(dòng)。隨著臺風(fēng)逐漸靠近,GPSPW值也隨之快速增長。

圖3 7月28日08時(shí)500 hPa風(fēng)場、高度場(a)7月29日20時(shí)500 hPa風(fēng)場、高度場(b)

3 GPS PW與降水的關(guān)系

3.1 GPS PW資料處理方法

江西省氣象局和江西省測繪局在贛州設(shè)立了15個(gè)GPS觀測站(圖4),由這些GPS觀測站監(jiān)測到的數(shù)據(jù),再結(jié)合贛州探空站資料,可以建立適合的ZHD模型。

圖4 15個(gè)GPS觀測站海拔分布圖(單位：m)

GPS衛(wèi)星發(fā)射信號后,經(jīng)過大氣的折射,信號會(huì)出現(xiàn)延遲,這種延遲被稱為對流層天頂總延遲(ZTD),主要由電離層延遲和對流層延遲組成,電離層延遲與信號頻率平方成反比,因此利用雙頻接收機(jī)兩個(gè)頻率大氣延遲方程的線性組合來進(jìn)行消除[4]。對流層延遲包含了天頂濕延遲ZWD和天頂靜力延遲ZHD[5-6]。具體計(jì)算過程如下:

大氣可降水量計(jì)算公式

PW=Π×ZWD,

(1)

ZWD=ZTD-ZHD。

(2)

對流層天頂總延遲ZTD可用GAMIT軟件計(jì)算得出。天頂靜力延遲ZHD可以通過Saastamoinen模型[7]、Hopfield模型[8]或Black模型[9]和地面氣壓計(jì)算得到,這些模型中的系數(shù)會(huì)隨著地理位置而變化。鄒海波[10]等人結(jié)合探空站資料對ZHD模型進(jìn)行了改善,ZHD的計(jì)算精度得到提高。改善后的ZHD模型為:

ZHDS=96.9573+0.1337

ZHDH=100.21+0.89(40.082

(3)

PW是由大氣氣柱的總水汽含量轉(zhuǎn)換為等效液態(tài)水柱高度得到的,其中轉(zhuǎn)換因子Π為:

(4)

3.2 GPS PW和降雨量演變特征分析

臺風(fēng)“納沙”影響贛州期間,興國、安遠(yuǎn)、贛州3站大氣可降水量(GPSPW,下同)與逐時(shí)降雨量的演變過程進(jìn)行分析(圖5),發(fā)現(xiàn),在臺風(fēng)影響前(30日09時(shí)前),興國、贛州、安遠(yuǎn)3站GPSPW值均小于50 mm,無降水出現(xiàn)。30日09時(shí)后,“納沙”在福建登陸后緩慢向西移動(dòng),向贛州東北部地區(qū)靠近,GPSPW值開始明顯增加。離“納沙”較近的興國于30日09時(shí)后開始明顯增加,安遠(yuǎn)在30日10時(shí)后開始明顯增加,贛州位置偏西,于30日12時(shí)后GPSPW值才開始明顯增加。30日14時(shí)興國GPSPW值率先超過62 mm,并一直穩(wěn)定維持在62 mm以上,達(dá)到62 mm值之后的4 h出現(xiàn)降雨(1 h降水量超過1 mm)。30日18時(shí)安遠(yuǎn)GPSPW值超過55 mm,隨后3 h出現(xiàn)降雨。而贛州的GPSPW值則在30日19時(shí)超過60 mm,隨后1 h出現(xiàn)降雨?！凹{沙”臺風(fēng)向江西中東部與福建邊界移動(dòng)靠近,興國、安遠(yuǎn)、贛州GPSPW值繼續(xù)增大。31日03時(shí)興國GPSPW值達(dá)到最大75.85 mm,對應(yīng)出現(xiàn)31.6 mm/h強(qiáng)降雨;31日05時(shí)贛州GPSPW值達(dá)到最大74.07 mm,對應(yīng)出現(xiàn)32.9 mm/h強(qiáng)降雨。31日20時(shí)“納沙”從撫州進(jìn)入江西后,轉(zhuǎn)向偏北方向移動(dòng),對贛州中部以南地區(qū)的影響逐漸結(jié)束,安遠(yuǎn)在8月1日0時(shí)以后GPSPW值降至55 mm左右并穩(wěn)定后,降水停止;此時(shí)中部以北地區(qū)仍受到“納沙”減弱后的低壓槽影響,GPSPW值仍然維持在60～66 mm左右,降雨仍在繼續(xù)。贛州、興國當(dāng)GPSPW值分別降至60 mm、62 mm以下并穩(wěn)定后,降水才停止。

圖5 興國、安遠(yuǎn)、贛州3站7月29日08時(shí)至8月3日14時(shí)GPS PW和降水量時(shí)序圖

對這次大暴雨過程中贛州市其他12個(gè)地基GPS站的GPSPW與降雨也做了類似的分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)果與之類似,即降雨都出現(xiàn)在GPSPW迅速增加至一穩(wěn)定值(閾值)后的一段時(shí)間,而結(jié)束于GPSPW明顯減小至一穩(wěn)定值(閾值)時(shí)。通過分析發(fā)現(xiàn),贛州所有站GPSPW值持續(xù)增長到閾值后的1～4 h才出現(xiàn)降雨。強(qiáng)降雨都出現(xiàn)在GPSPW迅速增長后達(dá)到最大值時(shí)。

對15個(gè)GPS站的海拔進(jìn)行分類分析后發(fā)現(xiàn)(圖6),海拔相近的站點(diǎn)GPSPW閾值相近,不同海拔的GPSPW閾值都不相同。按每50 m海拔分段分析GPSPW閾值,發(fā)現(xiàn)100～150 m(贛州、上猶、于都)的閾值在60 mm左右;151～200 m(興國、會(huì)昌)的閾值在62 mm左右;201～250 m(大余、瑞金、信豐、寧都)的閾值在58 mm左右;251～300 m(崇義、定南、石城、全南)的閾值在57 mm左右;301～350 m(安遠(yuǎn)、尋烏)的閾值在55 mm左右。由此可見,海拔在200 m以上的站點(diǎn)隨著海拔的增加,其閾值有明顯減小的趨勢。

圖6 不同海拔站點(diǎn)的GPS PW閾值變化圖

4 GPS PW與動(dòng)力、熱力條件分析

大氣中具備足夠的水汽條件是降雨產(chǎn)生的必要條件,但是動(dòng)力和熱力條件也是必不可少的。因此,找出GPSPW變化的內(nèi)在原因,可以增強(qiáng)該水汽資料在預(yù)報(bào)中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在此次暴雨過程中,分析垂直速度場發(fā)現(xiàn)(圖7),從7月30日08時(shí)開始,贛州地區(qū)500 hPa以下均處于上升運(yùn)動(dòng)區(qū)中,這為大氣可降水量的積累提供了足夠的動(dòng)力條件,此時(shí)也正是GPSPW值逐步增大的過程。30日08時(shí)開始,贛州北部地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)先發(fā)展到了200 hPa,GPSPW值在隨后4 h上升至62 mm以上,其余地區(qū)在30日14時(shí)開始,上升運(yùn)動(dòng)才發(fā)展到200 hPa,GPSPW值也同樣在隨后的3～4 h越升至60 mm以上。強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)有利于水汽的堆集,局地強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展與GPSPW值的增長有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

圖7 7月29—31日贛州垂直速度場剖面圖

從散度場和渦度場分析中發(fā)現(xiàn)(圖8),在此次過程中,中低層一直為正渦度,負(fù)散度;高層一直為負(fù)渦度,正散度這樣的上下配置,對降水的持續(xù)和發(fā)展十分有利。低層有源源不斷地水汽輸送,加之高空輻散的動(dòng)力作用,有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)和發(fā)展,降水得以持續(xù)。

從比濕(q)和假相當(dāng)位溫場(θse)分析中發(fā)現(xiàn)(圖9),本次降雨過程發(fā)生前,贛州上空大氣層一直呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài),同時(shí)水汽條件也是相當(dāng)好,850 hPa比濕一直在14～16 g/kg,表明降雨開始前贛州上空一直處于高溫高濕不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著臺風(fēng)登陸福建后向西移動(dòng),30日14時(shí)開始高能舌也隨之西移,贛州在30日14時(shí)以后至31日20時(shí)一直處于85 ℃高能區(qū)和q大于16 g/kg區(qū)域中。該不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展持續(xù)的時(shí)間,恰好同GPSPW的變化存在較好的對應(yīng)關(guān)系,即30日14時(shí)以后,GPSPW呈現(xiàn)出快速增長態(tài)勢。

圖8 7月29—31日贛州渦度和散度場垂直分布圖

圖9 7月29—31日贛州θse和q垂直分布圖

根據(jù)水汽收支方程(Trenberth等[11]1995):

(5)

5 結(jié) 語

1)此次“納沙”臺風(fēng)降水過程主要是臺風(fēng)本體降水帶來的暴雨,臺風(fēng)移動(dòng)路徑主要受副高南側(cè)引導(dǎo)氣流移動(dòng)。隨著臺風(fēng)登陸后逐漸靠近,GPSPW值也隨之增長。

圖10 7月29—31日贛州水汽通量散度垂直分布圖

2)通過對第9號“納沙”臺風(fēng)暴雨過程中逐時(shí)GPSPW和雨量資料分析發(fā)現(xiàn),GPSPW和實(shí)際降水量存在對應(yīng)關(guān)系。實(shí)際降水開始前和結(jié)束后,分別對應(yīng)著GPSPW的快速遞增和遞減。當(dāng)GPSPW值在增長過程時(shí)超過一個(gè)穩(wěn)定值55～62 mm(閾值)后的1～4 h出現(xiàn)降雨,并在GPSPW值達(dá)到最大時(shí)出現(xiàn)降雨量最大值。

3)GPSPW達(dá)到閾值時(shí),產(chǎn)生降水。然而不同海拔高度的站點(diǎn)出現(xiàn)降水時(shí),其GPSPW閾值則有所不同,海拔高度在200 m以上的站點(diǎn),海拔高度增加,閾值則減小。

4)利用GPSPW提供的精確的水汽變化資料,并結(jié)合相關(guān)的動(dòng)力和熱力條件,發(fā)現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)越強(qiáng),GPSPW值的增長越快;大氣一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),GPSPW呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢。此次過程結(jié)束后GPSPW減小,主要是因?yàn)槌霈F(xiàn)了降水。