臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東期間的GPS-PWV 動(dòng)態(tài)特征

朱玉香，陳永貴，安春華

（1.河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院，鄭州 451464；2.河南省科學(xué)院 地理研究所，鄭州 451464）

0 引言

中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（ crustal movement observation network of China, CMONOC）是中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的延續(xù)，目前由260 個(gè)連續(xù)觀測(cè)和2 000 個(gè)不定期觀測(cè)站點(diǎn)構(gòu)成的、覆蓋中國(guó)大陸地區(qū)的高精度、高時(shí)空分辨率和自主研發(fā)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[1-3]。

20 世紀(jì)80 年代末，地基全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）氣象學(xué)（meteorology, MET）開始在美國(guó)發(fā)展并成為一門新興學(xué)科，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者也開始致力于驗(yàn)證和評(píng)估GPS 反演水汽的可靠性[4-5]。大氣可降水量（perceptible water vapor, PWV）是指存在于垂直氣柱中的水汽總量，無(wú)法直接測(cè)量但可利用地基GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到[6]。20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)就有學(xué)者開始研究GPS/MET 的原理和方法，利用地基GPS 數(shù)據(jù)反演，進(jìn)行大氣水汽探測(cè)的實(shí)驗(yàn)[7-8]。例如：文獻(xiàn)[9]采用GPS 跟蹤站的實(shí)測(cè)資料反演出測(cè)站的大氣水汽含量，與實(shí)際大氣可降水量的誤差＜1 mm；文獻(xiàn)[10]對(duì)全球PWV、溫度、降雨和干旱的趨勢(shì)和相關(guān)性問題進(jìn)行研究，研究結(jié)果為干旱監(jiān)測(cè)提供了1 種新方法；文獻(xiàn)[11]提出利用小波變換，對(duì)暴雨過程中GPS 氣象要素進(jìn)行初步探索；文獻(xiàn)[12]對(duì)柴達(dá)木盆地GPS 大氣可降水量精度檢驗(yàn)及其變化特征進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[13-14]對(duì)暴雨和臺(tái)風(fēng)過程中水汽變化進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PWV 能夠反映出臺(tái)風(fēng)期間水汽時(shí)空動(dòng)態(tài)傳輸過程，與降水之間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；文獻(xiàn)[15]對(duì)青海典型地區(qū)進(jìn)行地基GPS 大氣可降水量反演及精度分析，青海地區(qū)海拔差異大、區(qū)域氣候背景不同，具有顯著的區(qū)域差異性，為青海地區(qū)開展GPS 水汽遙感工作奠定了基礎(chǔ)。

“利奇馬”是2019 年第9 號(hào)臺(tái)風(fēng)，2019 年8月10 日1 時(shí)45 分在浙江省登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有16 級(jí)，中心最低氣壓為930 hPa?！袄骜R”共造成我國(guó)千萬(wàn)人受災(zāi)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百億元。隨著臺(tái)風(fēng)從黃島一帶進(jìn)入山東，受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的影響，山東省農(nóng)作物遭受嚴(yán)重的損失，造成直接損失達(dá)數(shù)十億元。

傳統(tǒng)水汽探測(cè)手段，諸如衛(wèi)星遙感、探空氣球和微波輻射計(jì)等，普遍存在時(shí)空分辨率不足、開銷較高和易受天氣影響的缺點(diǎn)，對(duì)于中小型尺度水汽探測(cè)能力有限；而地基GPS 數(shù)據(jù)探測(cè)水汽，則具有高時(shí)空分辨率、實(shí)時(shí)性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)。本文基于地基GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)2019 年8 月10 日超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東期間，GPS-PWV 的動(dòng)態(tài)分布特征進(jìn)行研究。臺(tái)風(fēng)能夠帶來(lái)強(qiáng)風(fēng)和暴雨，嚴(yán)重危害人民生活生產(chǎn)安全，臺(tái)風(fēng)期間對(duì)PWV 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有助于深入認(rèn)識(shí)大氣中水汽傳輸過程，認(rèn)知臺(tái)風(fēng)期間水汽分布及其動(dòng)態(tài)變化過程。分析臺(tái)風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣形成過程中PWV 的時(shí)空特性演變，對(duì)災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地基GPS 獲取ZTD、PWV 的基本原理

基于 GPS 高精度數(shù)據(jù)處理軟件加米特（GAMIT）/格洛布克（GLOBK）獲取對(duì)流層天頂總延遲，結(jié)合氣象觀測(cè)資料和天頂靜力延遲計(jì)算模型，得到天頂靜力學(xué)延遲[16-17]，即

式中：φ 為測(cè)站緯度； h0為測(cè)站海拔高度，單位為km；P 為測(cè)站地面氣壓，單位為hPa；ZHD（zenith hydrostatic delay）為采用加米特（GAMIT）/格洛布克（GLOBK）模型計(jì)算得到的天頂干延遲，單位為cm。天頂對(duì)流層延遲（zenith tropospheric delay, ZTD）減去天頂干延遲得到天頂濕延遲（zenith wet delay, ZWD），即

利用貝葉斯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出加權(quán)平均溫度Tm，進(jìn)而得到水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)Π ，則天頂濕延遲與水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)相乘即可得到大氣可降水量[18]，即

式中為Π 的無(wú)量綱轉(zhuǎn)換因子，文獻(xiàn)[19]驗(yàn)證了貝葉斯經(jīng)驗(yàn)公式在不同高度面的適用性；文獻(xiàn)[20-21]基于山東連續(xù)運(yùn)行參考站（Shandong continuously operating reference stations, SDCORS）的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了山東地區(qū)加權(quán)平均溫度與水汽轉(zhuǎn)換間的關(guān)系?；谶@些研究成果，本實(shí)驗(yàn)中，Π 取經(jīng)驗(yàn)值為0.15。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和背景

選取CMONOC 中均勻分布在山東境內(nèi)、數(shù)據(jù)連續(xù)性好、質(zhì)量合格的觀測(cè)站產(chǎn)品數(shù)據(jù)作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布如圖1 所示，圖2 為臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東軌跡。

圖1 站點(diǎn)分布

圖2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東軌跡

由圖1 可知，SDZB、SDLY、SDJX、SDRC 測(cè)站覆蓋山東地區(qū)，因此可利用這些測(cè)站數(shù)據(jù)來(lái)反演超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”給山東地區(qū)帶來(lái)的大氣可降水含量。為驗(yàn)證地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演大氣可降水含量的精度，使用美國(guó)懷俄明州立大學(xué)公布的探空數(shù)據(jù)作為參考值。探空法是目前常規(guī)的水汽探測(cè)手段之一，通常作為檢驗(yàn)其他水汽探測(cè)手段的基準(zhǔn)，探空數(shù)據(jù)提供了12 h 一次的大氣特征參數(shù)。

從中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)查詢到，“利奇馬”在2019 年8 月12 日，即年積日（day of year, DOY）第224 天，世界協(xié)調(diào)時(shí)（coordinated universal time,UTC）4 時(shí)，由青島市黃島區(qū)登陸進(jìn)入到山東境內(nèi)。此時(shí)中心氣壓980 hPa，以時(shí)速15 km/h 向西北方向運(yùn)動(dòng)，為熱帶風(fēng)暴級(jí)別。在12 日07:00 UTC進(jìn)入高密市，12 日21:00 UTC 在晚萊州灣附近海域“打轉(zhuǎn)”，直到8 月13 日（DOY 第225 天）由萊州灣海域離開山東。“利奇馬”8 月12 日在山東境內(nèi)快速移動(dòng)，給山東地區(qū)帶來(lái)了強(qiáng)降水。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 地基GPS 反演PWV 可靠性分析

為驗(yàn)證基于地基GPS 數(shù)據(jù)反演大氣可降水含量的精度的可靠性，選取山東淄博站（SDZB）幾何距離最近的章丘探空站（SDZQ）進(jìn)行可靠性分析?；?019-08-01—2019-08-30（DOY 第213—243 天）山東淄博站（SDZB）反演PWV，與章丘站（SDZQ）的PWV 進(jìn)行線性回歸分析?；诘鼗鵊PS 反演PWV 的時(shí)間分辨率為1 h，SDZQ 站數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為12 h，從SDZB 站反演的PWV 數(shù)據(jù)中提取與SDZQ 時(shí)間對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨率PWV 數(shù)據(jù)，線性擬合結(jié)果如圖3 所示，對(duì)比分析結(jié)果如表1 所示。

表1 中：STD(standard deviation)為標(biāo)準(zhǔn)差；RMS(root mean square)為均方根。

圖3 GPS-PWV 與探空-PWV 相關(guān)性分析

由圖3 可知，GPS-PWV 與探空PWV 的相關(guān)系數(shù)K 在2019-08-01—2019-08-30 期間，分別為0.91、0.88，都具有強(qiáng)相關(guān)性（K＞0.8）。SDZB 站與SDZQ 站PWV 結(jié)果對(duì)比表明，平均誤差分別為1.21、1.24 mm，STD 分別為3.48、4.78 mm，RMS 分別為3.52、4.82 mm。忽略地基SDZB 站與探空站SDZQ 站在地理位置上的不同（直線距離小于10 km），以及PWV 在數(shù)值上表現(xiàn)出來(lái)的細(xì)小差異，結(jié)果表明，基于地基GPS 數(shù)據(jù)反演PWV 與探空站測(cè)得的PWV 有較好的一致性且精度相當(dāng)，因此，基于地基 GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)反演的PWV 的精度和穩(wěn)定性是有保證的。

3.2 地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站GPS-PWV 時(shí)序分析

為了研究臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東期間的動(dòng)態(tài)水汽特征變化，對(duì)地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站DOY 第223—225 天的PWV 進(jìn)行時(shí)間序列分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 地基GPS 反演PWV 時(shí)間序列可視化效果

由圖4 可知，地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演得到的時(shí)間序列與臺(tái)風(fēng)“利奇馬”進(jìn)入山東境內(nèi)帶來(lái)強(qiáng)降水的時(shí)間需要保持高度一致。在臺(tái)風(fēng)未正式進(jìn)入山東境內(nèi)時(shí)，地基GPS 反演的各測(cè)站PWV 在45～60 mm 之間；隨著臺(tái)風(fēng)登陸山東，PWV 值急劇上升， SDZB 站最大值達(dá)到85 mm 左右，SDJX站、SDLY 站和SDRC 站最大值達(dá)到80mm 左右；隨著臺(tái)風(fēng)離開山東地區(qū)地，地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演得到的PWV 值急劇變化（降低），最終穩(wěn)定在50～60 mm 左右，直至恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)前正常水平。

3.3 地基GPS 數(shù)據(jù)反演PWV 動(dòng)態(tài)空間分布特征分析

為了進(jìn)一步準(zhǔn)確掌握臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東境內(nèi)期間帶來(lái)的水汽分布及其動(dòng)態(tài)變化過程，地基GPS 數(shù)據(jù)反演 PWV 的動(dòng)態(tài)空間分布可視化結(jié)果如圖5 所示。由于篇幅限制，在此僅給出DOY第223—225 天期間，時(shí)間分辨為4 h，空間分辨率為1°×1°的PWV 的動(dòng)態(tài)變化過程。

圖5 臺(tái)風(fēng)期間GPS-PWV 動(dòng)態(tài)空間分布可視化結(jié)果

從圖5 中可以看出，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東境內(nèi)期間PWV 的動(dòng)態(tài)空間分布以及水汽傳輸過程。在“利奇馬”進(jìn)入山東境內(nèi)前，山東地區(qū)PWV在空間分布上表現(xiàn)為中部、南部和東部的PWV 值略高于北部、西部，這是由于山東南部及東部地區(qū)屬于沿海地區(qū)，水汽較為豐富造成的；在DOY 第223 天00:00—16:00 UTC，山東境內(nèi)PWV 值幾乎無(wú)明顯變化特征（“利奇馬”在黃海區(qū)域，還未登陸山東），從16:00 UTC 至次日12:00 UTC，山東境內(nèi)PWV 值急劇增加（此時(shí)“利奇馬”由黃海區(qū)域奔赴山東境內(nèi)），最大在中部達(dá)到90 mm 左右；在DOY 第224 天12:00 UTC 至次日00:00 UTC，山東境內(nèi)PWV 值急劇降低，直至恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)前的正常水準(zhǔn)（“利奇馬”由萊州灣海域離開山東），說明PWV 的值變化梯度與臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東境內(nèi)移動(dòng)路線相吻合，這與文獻(xiàn)[22-23]探測(cè)臺(tái)風(fēng)襲閩和港期間水汽的動(dòng)態(tài)運(yùn)輸和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路線相吻合的結(jié)果一致，表明基于地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演PWV 可以較好地反映臺(tái)風(fēng)過程中的水汽動(dòng)態(tài)運(yùn)輸?shù)娜窟^程。在8 月11 日（DOY 第223 天）16:00 UTC，山東區(qū)域就開始有明顯降水，而此時(shí)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”正在黃海區(qū)域，還未進(jìn)入山東境內(nèi)，表明此次臺(tái)風(fēng)在登錄山東前就給山東區(qū)域帶來(lái)了強(qiáng)降水，這與文獻(xiàn)[22]基于福建連續(xù)運(yùn)行參考站（Fujian continuously operating reference stations,FJCORS）數(shù)據(jù)反演“瑪莉亞”在閩期間GPS/PWV表現(xiàn)有所不同，表明臺(tái)風(fēng)“利奇馬”給魯帶來(lái)水汽的時(shí)間早于“瑪莉亞”給閩帶來(lái)的水汽，臺(tái)風(fēng)和地域的差異性會(huì)造成水汽運(yùn)輸時(shí)間點(diǎn)的不同。上述結(jié)果較好地展示了臺(tái)風(fēng)期間水汽的交換和傳輸過程，表明在臺(tái)風(fēng)期間PWV 和降水之間具有極強(qiáng)的耦合性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文借助地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演的PWV值和美國(guó)懷俄明州立大學(xué)公布的探空數(shù)據(jù) PWV值，對(duì)比分析了基于地基 GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演PWV 的精度，動(dòng)態(tài)分析驗(yàn)證了臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東境內(nèi)期間PWV 動(dòng)態(tài)分布，得到以下結(jié)論：

基于地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演的PWV 與探空站測(cè)的PWV 達(dá)到強(qiáng)度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在00:00 UTC、12:00UTC 分別為0.91、0.88，平均誤差分別為1.21、1.24 mm，STD 分別為3.48、4.78 mm，RMS 分別為3.52、4.82 mm。忽略地基SDZB 站與 SDZQ 站探空站在地理位置上的差異而引起的PWV 的在數(shù)值上表現(xiàn)出來(lái)的細(xì)小差異，基于地基GPS 數(shù)據(jù)反演PWV 與探空站測(cè)得的PWV有較好的一致性且精度相當(dāng)；因此，基于地基GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)反演的PWV 的精度和穩(wěn)定性是有保證的。

隨著臺(tái)風(fēng)“利奇馬”進(jìn)入山東境內(nèi)，各個(gè)地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演得到的PWV 值急劇上升，PWV 最大值達(dá)到90 mm 左右，隨著臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)移，各觀測(cè)基準(zhǔn)站PWV 值急劇降低，直至恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)前正常水準(zhǔn)，PWV 值穩(wěn)定在50 mm 左右。

PWV 值的變化梯度與臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在山東境內(nèi)的移動(dòng)路線相吻合，表明基于地基GPS 觀測(cè)基準(zhǔn)站反演PWV 可以較好地反映臺(tái)風(fēng)過程中的水汽動(dòng)態(tài)運(yùn)輸?shù)娜窟^程。

致謝：感謝中國(guó)地震局GNSS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)（ http://www.cgps.ac.cn）和美國(guó)懷俄明州立大學(xué)（http://www.cgps.ac.cn）提供數(shù)據(jù)支撐。