GNSS水汽與降水比較及用于河北省水汽通道探測研究*

王 勇，毛志鋒，曾昭揚(yáng)

(天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300384)

2013年7月1-8日河北省發(fā)生了大范圍、高強(qiáng)度和長時間的降水過程，該次降水過程造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，短時強(qiáng)降水預(yù)報已經(jīng)成為當(dāng)前急需解決的重要問題。水汽是影響降水過程的重要因素，利用GNSS技術(shù)可反演出高時空分辨率的水汽信息。目前河北省建成GNSS CORS網(wǎng)絡(luò)，如何利用現(xiàn)有GNSS數(shù)據(jù)為短時天氣預(yù)報提供參考，是大地測量與氣象學(xué)兩個學(xué)科的交叉問題。Bevis在1992年首次提出了“GNSS氣象學(xué)”的概念[1]。多位學(xué)者就北京[2]、河北[3-4]和江蘇鹽城[5]等地區(qū)開展了GNSS水汽與降水的比較研究，發(fā)現(xiàn)兩者存在著較好的對應(yīng)關(guān)系。劉嚴(yán)萍等人指出北京GNSS水汽的變化對應(yīng)了從西南到東北的水汽輸送過程[6]。以上研究中對河北省的研究較少，缺少長時間、大范圍、多測站的GNSS水汽應(yīng)用研究。

本文利用河北省2013年5-8月CORS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)反演GNSS測站水汽，開展GNSS水汽與實際降水的關(guān)系及探測河北省夏季水汽通道，以期為區(qū)域短時強(qiáng)降水預(yù)警提供參考。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域為河北省，地處113°27′～119°50′ E，36°05′～42°40′ N，該地區(qū)地形復(fù)雜，包含高原、平原、草原、山地、丘陵、盆地和海濱等地形。根據(jù)河北省的地理位置和地形條件等信息，結(jié)合河北省GNSS站點分布情況，選取涉縣、魏縣、南和等19個GNSS站點作為研究對象。19個GNSS站點的區(qū)域分布如圖1所示。

1.2 研究數(shù)據(jù)

由于河北省降水多發(fā)生在夏季，論文選擇2013年5-8月CORS網(wǎng)絡(luò)及同期測站氣象數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究。GNSS水汽獲取是論文研究的基礎(chǔ)，GNSS水汽反演過程如下：解算軟件為GAMIT10.6，衛(wèi)星高度角設(shè)置為10°，松弛解解算模式，每小時解算一個對流層延遲值。利用SAAS模型解算測站靜力學(xué)延遲，由對流層延遲去除靜力學(xué)延遲獲得測站對流層濕延遲，根據(jù)濕延遲與水汽之間的對應(yīng)關(guān)系[7]，結(jié)合氣象要素(溫度)，即可獲得河北省GNSS站點水汽序列。

研究數(shù)據(jù)還包括氣象觀測要素，主要有測站氣壓、溫度、降水量，以上要素均為小時觀測，數(shù)據(jù)來源于河北省氣象局。

圖1 河北省GNSS站點分布

2 GNSS水汽與實際降水的比較

2.1 GNSS水汽與實際降水的逐時演變

水汽隨時間和空間的變化比較顯著，連續(xù)的GNSS監(jiān)測能夠比較好的確定水汽的時空變化，可以為降水預(yù)報提供及時可靠的依據(jù)。由于論文篇幅的限制，本節(jié)以涉縣和青龍為例，研究GNSS水汽與實際降水的關(guān)系，分別對涉縣和青龍2個GNSS測站2013年5-8月的GNSS水汽與實際降水進(jìn)行比較(圖2)。

由圖2可以看出每次降水出現(xiàn)之前總對應(yīng)著一次GNSS水汽的峰值的出現(xiàn)，總體而言GNSS水汽序列的峰值略超前于實際降水過程。為近一步說明GNSS水汽的峰值與實際降水之間的關(guān)系。選擇涉縣(8月1日)和青龍(6月28日)兩次暴雨過程進(jìn)行分析(圖3)。

以涉縣為例，分析一次強(qiáng)降水過程GNSS水汽的變化，涉縣在2013年8月1日有一次暴雨過程(圖3a)，暴雨持續(xù)時間為8月1日7時至9時，該段時間內(nèi)總降水量為77.9 mm 。在暴雨發(fā)生前，GNSS水汽從7月29日17時至30日6時開始連續(xù)下降，6時下降到極小值后，從7月30日6時至7月31日7時開始緩慢上升，從7月31日7時至8月1日6時GNSS水汽開始急劇增大至最大值49.33 mm，在8月1日7時出現(xiàn)降雨，暴雨主要出現(xiàn)在7時，單位小時內(nèi)降水高達(dá)69.2 mm。青龍站點GNSS水汽與實際降水比較也有相似的規(guī)律。

可見，降水過程發(fā)生前，GNSS水汽迅速遞增并且達(dá)到峰值，可作為降水預(yù)報的重要判斷依據(jù)之一。

2.2 GNSS水汽與本站降水過程的比較

為了GNSS水汽能在實際的降水預(yù)報中發(fā)揮作用，探究GNSS水汽峰值超前實際降水的時間，由于論文篇幅的限制，仍以涉縣和青龍為例。

由表1可知，涉縣2013年5-8月總共發(fā)生降水28次，GNSS水汽序列峰值與實際降水時間的比較如表1所示。在28次降水事件中，GNSS的水汽序列峰值與實際降水同時發(fā)生的次數(shù)和超前降水發(fā)生的次數(shù)一樣，都占到總降水次數(shù)的50%。

由表2可看出，青龍2013年5-8月發(fā)生降水30次，GNSS水汽序列峰值與實際降水時間的比較如表2所示。青龍發(fā)生的30次降水事件中，GNSS水汽序列峰值與實際降水同時發(fā)生和超前降水發(fā)生時間1 h的次數(shù)最多，分別為16次和7次。GNSS水汽序列峰值與實際降水同時發(fā)生的次數(shù)占總降水次數(shù)的53%，GNSS水汽序列峰值超前降水發(fā)生的次數(shù)占到總降水次數(shù)的47%。

圖2 河北省2013年5-8月GNSS水汽與實際降水的比較

圖3 暴雨過程GNSS水汽與實際降水的比較

表1 涉縣GNSS水汽序列峰值超前降水時間統(tǒng)計

表2 青龍GNSS水汽序列峰值超前降水時間統(tǒng)計

圖4 兩條水汽通道GNSS站點分布圖

圖5 GNSS PWV的變化

圖6 GNSS △PWV時空變化

通過統(tǒng)計19個測站GNSS水汽序列峰值與實際降水時間的關(guān)系可知，GNSS水汽序列峰值超前降水發(fā)生時間1 h和2 h的次數(shù)較多。即GNSS水汽序列峰值超前降水發(fā)生時間約為1～2 h。GNSS水汽序列峰值超前降水發(fā)生的次數(shù)占到總降水次數(shù)的59%，GNSS水汽序列峰值與實際降水同時發(fā)生的次數(shù)占總降水次數(shù)的41%。說明GNSS水汽監(jiān)測在短期強(qiáng)降水預(yù)報中具有超前性和實用性。

3 基于GNSS的河北省夏季水汽通道探測

3.1 水汽通道選取

從上一節(jié)的研究結(jié)果可以看出GNSS水汽序列峰值與實際降水同時發(fā)生的次數(shù)占總降水次數(shù)的41%，對于這些降水過程GNSS測站水汽無法進(jìn)行提前預(yù)警。如果能通過區(qū)域GNSS水汽的變化與降水的關(guān)系研究(即水汽通道探測)可為河北省夏季降水提前預(yù)報提供輔助決策。國內(nèi)學(xué)者對華北地區(qū)夏季水汽通道開展了相關(guān)研究[8-10]，對于利用GNSS水汽研究河北省夏季的水汽通道的文獻(xiàn)甚少。結(jié)合河北GNSS站點的分布，本節(jié)將針對西南至東北方向和西北至東南方向上的站點開展GNSS水汽空間變化來驗證其水汽通道的存在。GNSS站點選擇如下：在西北-東南的方向上選擇豐寧、興隆、遵化和唐山四個站點；在西南-東北的方向上選擇沙縣、晉州、永清和三河四個站點。兩條水汽通道的GNSS站點分布如圖4所示。本節(jié)的研究還用到了單位時間(h)的水汽變化，用△PWV表示(mm)，△PWV計算公式見式(1)。

△PWVi=PWVi-PWV(i-1)。

(1)

式中：△PWVi表示第i時的水汽變化，△PWVi表示第i時的水汽，PWV(i-1)表示第(i-1)時的水汽。

3.2 西北-東南水汽通道的存在性驗證

為驗證河北省西北-東南方向上水汽通道的存在，選擇西北-東南方向上四個GNSS測站(豐寧、興隆、遵化和唐山)2013年夏季的6次降水過程進(jìn)行分析(圖5)。

為了更好地表達(dá)△PWV的時空變化，本節(jié)使用ArcGIS繪制出2013年7月31日20時至8月1日1時的△PWV時空變化如圖6所示。

圖7 GNSS PWV的變化

由圖5和圖6可以看出，在西北-東南方向上發(fā)生的6次降水過程中，各站點的GNSS_PWV峰值出現(xiàn)的時間也存在著空間和時間上差異性，△PWV值由正變負(fù)的時間也存在差異性。豐寧、興隆、遵化和唐山四個站點的GNSS水汽序列沿著西北-東南方向依次到達(dá)峰值，然后開始下降。這四個站點的△PWV值由正到負(fù)的變化過程也是沿著西北-東南的方向。結(jié)合氣象部門提供的2013年夏季的降水資料，6月8日至10日豐寧、興隆、遵化和唐山的降水時間分別為9日0時、9日7時、9日10時和10日01時；6月16日豐寧、興隆、遵化和唐山的降水時間分別為8時、12時、16時和21時；6月25日至26日豐寧、興隆、遵化和唐山的降水時間分別為14時、20時、20時和21時；6月28日至29日豐寧、興隆、遵化和唐山的降水時間分別為28日19時、28日20時、29日0時和29日0時；7月4日豐寧、興隆、遵化和唐山的降水時間分別為16時、18時、19時和20時；7月31日至8月1日豐寧、興隆、遵化和唐山的降水時間分別為31日20時、31日22時、31日23時和8月1日2時。由此可知，降水過程的發(fā)生，對應(yīng)了GNSS水汽序列到達(dá)峰值并開始下降，及△PWV值由正變?yōu)樨?fù)的變化過程，這與上一節(jié)得出的結(jié)論一致。

國內(nèi)學(xué)者馬京津[8]指出由于夏季東亞大氣環(huán)流的影響華北地區(qū)的水汽主要來自西北方向。由于豐寧、興隆和遵化等城市主要位于河北的西北方向，因此受西北-東南方向水汽通道的影響較大。故認(rèn)為，河北省的確存在著西北-東南方向的水汽通道。

3.3 西南-東北水汽通道的存在性驗證

選擇西南-東北方向上4個GNSS測站(涉縣、晉州、永清和三河)2013年夏季的6次降水過程進(jìn)行分析(圖7)。

由圖7可看出在西南-東北方向上發(fā)生的6次降水過程中，各站點的GNSSPWV峰值出現(xiàn)的時間也存在著空間和時間上差異性。涉縣、晉州、永清和三河四個站點的GNSS水汽序列沿著西南-東北方向依次到達(dá)峰值，然后開始下降。結(jié)合氣象部門提供的2013年夏季降水資料，5月25-26日涉縣、晉州、永清和三河的降水時間分別為25日22時、26日8時、26日17時和26日21時；7月10日涉縣、晉州、永清和三河的降水時間分別為3時、6時、7時和14時；7月22-23日涉縣、晉州、永清和三河的降水時間分別為22日17時、22日21時、31日1時和31日2時；7月29日涉縣、晉州、永清和三河的降水時間分別為11時、12時、13時和15時；8月1日的降水時間分別為7時、12時、12時和13時；8月7日涉縣、晉州、永清和三河的降水時間分別為14時、15時、18時、19時。

由圖7的分析可知，河北省存在由WS-NE方向的水汽通道。華北地區(qū)夏季的水汽通道有三條，分別為西南、東南和偏西方向水汽通道，其中西南方向水汽通道最為重要[10]。而西南水汽源地主要在孟加拉灣、南海和東海，孟加拉灣水汽通過西南方向水汽通道輸送到華北，而南海水汽在到達(dá)廣西和廣東地區(qū)后并入西南風(fēng)水汽通道輸送到華北。西南方向水汽通道是兩股水汽來源會合的結(jié)果。故可認(rèn)為，河北省存在西北-東南方向的水汽通道。

4 結(jié)論

通過對河北省GNSS水汽開展其與降水比較并用于河北省水汽通道探測，獲得以下結(jié)論：

(1)GNSS水汽序列峰值超前降水發(fā)生時間約為1～2 h。GNSS水汽序列峰值超前降水發(fā)生的次數(shù)占到總降水次數(shù)的59%，GNSS水汽序列峰值與實際降水同時發(fā)生的次數(shù)占總降水次數(shù)的41%。

(2)河北省存在西北-東南和西南-東北方向的水汽通道，利用區(qū)域GNSS水汽變化可為河北省短時強(qiáng)降雨的預(yù)報提供參考和借鑒。