地基GPS大氣水汽監測及在氣象業務應用中的關鍵技術

陳小雷，仝美然，景 華，馬翠平，李國翠

（1.河北省氣象臺，河北石家莊050021;2.河北省氣象服務中心，河北石家莊050021;3.石家莊市氣象局，河北石家莊050081）

一、引 言

地基GPS氣象學是20世紀90年代發展起來的，利用全球衛星導航技術(GPS)主動遙感地球大氣的多學科交叉技術，也是一門新興前沿學科。利用地基GPS技術可以獲得高精度、連續、實時的大氣水汽資料，而大氣中水汽分布和變化對于降水天氣的發生具有重要的作用，對于暴雨、雷暴、熱帶氣旋等天氣及時提供準確的大氣水汽含量和變化信息，可以提高和改善氣象預報的準確率［1］，利用地基GPS反演的大氣水汽資料對于改善中尺度天氣數值預報模式性能也具有重要的意義［2］。

國內從20世紀90年代中期由國家衛星氣象中心和北京大學聯合進行了地基GPS/MET的研究，利用地基GPS資料對大氣可降水量進行了反演，2000年在北京地區進行了我國第一次地基GPS水汽試驗，2001年在973暴雨項目的觀測試驗項目中在安徽進行了地基GPS的外場試驗，完善了地基GPS反演大氣可降水量技術。

2003年中國氣象局在河北省建立了石家莊、秦皇島、張家口3個地基GPS站，組成了我國第一個地基GPS遙感水汽試驗監測網［3］。2009年6月河北省氣象局和河北省測繪局聯合建立了27個地基GPS站，為開展大范圍地基GPS資料在氣象業務應用奠定了條件。而利用地基GPS資料在氣象中業務應用也存在著諸多關鍵技術和研究熱點問題:一是如何建立實時、穩定的業務系統，把地基GPS原始觀測資料快速轉化為業務人員所需要的高精度大氣水汽產品;二是地基GPS反演出的大氣水汽產品可信度和精度與傳統探測大氣水汽資料相比質量如何［4］;三是如何建立一個被業務人員認可、應用方便的業務應用平臺;四是地基GPS反演出大氣水汽資料如何在降水、暴雨等災害性天氣預報中得到具體應用。為此，河北省氣象臺陸續開展了對地基GPS大氣水汽監測和地基GPS資料在氣象業務中的技術研究，并取得了一階段性的成果。

二、關鍵技術成果

1.建立河北省氣象部門地基GPS資料處理業務系統

該系統實現了地基GPS原始觀測資料到水汽產品的快速轉化，是應用地基GPS資料的基礎。其基于Linux系統平臺，以高精度 GAMIT軟件為支撐，開發了地基GPS原始資料反演大氣水汽產品的軟件包，該軟件包根據GPS反演大氣水汽的基本原理，對地基GPS原始數據、氣象數據和從IGS下載的精密星歷文件等信息實時處理，實現了對多站點地基GPS原始資料解算和大氣水汽產品反演［5］。

2.開發地基GPS原始數據傳輸軟件

通過研究初步制訂了地基GPS原始數據傳輸的行業標準，開發了地基GPS原始數據傳輸軟件。該軟件以Windows為操作平臺，采用Delphi語言，實現了地基GPS應用的3類數據文件(氣象數據文件、GPS觀測文件、星歷文件)傳輸及數據質量控制等，為保證地基GPS資料實時處理提供了保證。

3.建立地基GPS水汽產品應用業務平臺

該平臺為業務人員應用地基GPS水汽資料提供了方便，它應用Java環境，針對氣象部門實際業務，實現了多種形式的大氣水汽產品輸出。平臺具有對單站地基GPS大氣水汽產品實時動態監測，并可以與氣溫、氣壓、相對濕度、降水量、風向風速等氣象要素的同步對比分析功能。同時，還具有大氣水汽變量的動態變化分析功能，具有可把當前時次大氣水汽與前1小時、前2小時和前3小時的對比分析，從而能夠更好地反映出大氣水汽變化與大氣降水量的關系，并從中建立降水預報指標。

對區域水汽資料，實現了區域大氣水汽平面動態分析，利用河北30個地基GPS站反演的單站水汽資料，采用數值插值技術，實現了區域水汽平面動態分析，對于分析區域內大氣水汽輸送路徑和大水汽中心具有很好的指示意義，為區域性強降水提供了參考。為做好同氣象部門統一應用的預報業務平臺MICAPS銜接，該系統還生成MICAPS格式的地基GPS水汽產品，實現了與MICAPS業務平臺的產品數據共享。

4.檢驗對比

對地基GPS資料反演的大氣水汽產品與傳統探測的大氣水汽產品進行了檢驗對比，結果表明地基GPS資料反演的大氣水汽產品在業務中是具有較高的實用價值［6］。地基GPS反演大氣水汽的精度一直是氣象工作者比較關注的問題，為了證實地基GPS反演大氣水汽的可行性和準確性，項目組選取了石家莊、張家口二站GPS反演的大氣水汽與利用常規探空資料計算的大氣水汽進行檢驗對比。通過對比分析發現，利用地基GPS反演的大氣水汽精度要高于常規探空站資料的計算結果精度，而且利用兩種資料計算的大氣水汽變化趨勢是一致的，說明GPS資料反演的大氣水汽值具有較高的實用價值。同時通過誤差檢驗分析，發現單站GPS反演的大氣水汽資料有效半徑距離是有一定限度的，一般應用范圍半徑不要超過30 km。

5.利用地基GPS反演的大氣水汽產品分析河北大氣水汽時空分布特征［7］

通過對石家莊、張家口、秦皇島3站地基GPS大氣水汽產品(簡稱GPS/PWV)分析，發現3站的GPS/PWV月平均值變化總趨勢一致，從4—7月變化均是逐月增加，8—10月明顯下降，11月小幅下降，7月平均值為最大，11月值為最小。通過對海拔高度的3個GPS站分析，發現海拔較高的站GPS/PWV要小于海拔低的站。對2005年汛期期間石家莊、張家口、秦皇島3站GPS/PWV日平均值變化，發現在6月下旬和7月中旬有兩次明顯的快速上升特征，在8月中旬有明顯的快速下降特征，此特征與2005年河北汛期降水多雨時段和少雨時段變化相一致。

提出了利用每月非降水時段GPS/PWV平均值作為當月降水預報的基值［8］。通過對多個個例資料分析，發現產生的大多數降水過程GPS/PWV值要高于當月基值，而且不同的天氣系統其GPS/PWV變化特征不相同，但大部分降水過程前24 h之內GPS/PWV值有在1～3 h內增長4～5 mm以上的急升出現，此值可以作為降水預測的指標之一。

通過利用對地基GPS反演的大氣水汽資料在強降水、暴雨等災害性天氣過程的研究分析，揭示了地基GPS水汽資料在降水、暴雨等災害性天氣預報中的預報預警指標，為提高天氣預報準確率提供了新的預報工具和支撐。

三、應用分析

1)總結了GPS/PWV在大雨及以上降水過程中的預報指標。通過對25次大雨以上天氣過程分析，發現GPS/PWV日最大值平均值為67.2 mm，有降水出現時的GPS/PWV平均值介于32.5～78.1 mm之間，平均值為62.4 mm。與對應站點的GPS/PWV旬平均值相比，降水日的GPS/PWV距平均值為14.8 mm，均出現在GPS/PWV高于旬平均值時。暴雨日 GPS/PWV日最大值介于63.7～75.5 mm之間，平均值為70.6 mm;日均值介于48.2～69.0 mm之間，平均值為59.4 mm。

2)通過對不同性質降水過程的GPS/PWV分析，揭示了對流性降水和非對流性降水過程的GPS/PWV特征。

對于對流性降水過程，其GPS/PWV表現出明顯的階段性變化特征，降水開始前和結束后，GPS/PWV分別表現為階段性快速遞增或遞減，降水強度的強弱與大氣水汽的峰值及變化幅度密切相關;當降水強度出現極大值時，對應時刻或隨后一小時GPS/PWV常會出現輕微下降趨勢;強降水出現前，GPS/PWV有時會出現一個不產生降水的次峰值，這種特征可以作為對流性天氣出現的某種預警指示。

對于穩定性降水過程，降水開始前和結束后，GPS/PWV分別有一段遞增和遞減的變化過程;降水期間，對應的GPS/PWV普遍高于歷年月平均基值;GPS/PWV值的高低及變化趨勢與對應的天氣形勢的配置和移速有很大關系。穩定性降水的GPS/PWV變化相對平緩，降水量的多少很大程度上取決于高值大氣水汽的持續時間;當降水強度出現極大值時，對應時刻前后的一小時大氣水汽會持續維持高水平甚至還會繼續上升;降水強度極大值與GPS/PWV極大值出現時間不一定吻合，但強降水通常出現在GPS/PWV高值階段，大氣水汽的高值階段往往對應著較高的降水概率。

3)揭示了河北夏季兩類暴雨天氣系統GPS/PWV的特征，為暴雨預報提供了預報預警指標。

副熱帶高壓北進和南退型暴雨GPS/PWV特征［9］。降水通常出現在大氣水汽GPS/PWV高于基值時，其中大氣水汽的極大值階段往往對應著強降水;大氣水汽GPS/PWV上升后期，一般水汽和不穩定能量已經過長時間的積累，滿足高能、高濕條件，一旦配合有擾動發生(在副高的邊緣)，就會產生很強的對流性降水，大氣水汽GPS/PWV表現為急劇上升特點;在大氣水汽GPS/PWV下降初期，GPS/PWV雖有所減小但仍高于正常水平，降水趨于減弱但仍會維持弱降水。

高空冷渦型暴雨 GPS/PWV特征［10］。高空冷渦降水對應的大氣水汽GPS/PWV值一般位于40 mm以上，過程最大值為50.0～53.7 mm。大氣水汽GPS/PWV呈單峰型分布，表現為“升-降”趨勢。降水開始于大氣水汽GPS/PWV的極大值前后，即上升階段的后期或下降階段的初期，分別比大氣水汽GPS/PWV極大值出現的時間偏早1～4 h或偏晚1～2 h。后期降水強度弱，大氣水汽GPS/PWV呈下降趨勢，但仍高于40 mm;當大氣水汽迅速減小到40 mm以下時，預示著降水的結束。

四、結束語

通過對地基GPS大氣水汽監測及在氣象業務應用中的關鍵技術研究，建立的地基GPS資料實時處理和水汽解算系統為實時處理地基GPS資料提供了技術支撐，開發的地基GPS水汽產品應用平臺為氣象部門應用地基GPS資料提供了方便，氣象業務人員可利用平臺可以實時監測大氣水汽變化，通過對多年資料分析總結的強降水、暴雨等預報預警指標為提供天氣預報準確率提供了新的技術支撐。

由于研究水平和時間等限制，本項目在技術研究中還存在著一定的問題，地基GPS資料在氣象業務中應用技術還需要深入開展，例如，如何進一步提高GPS反演大氣水汽產品的精度，如何提高GPS資料實時處理的穩定性和時效性，并充分利用其生成的大氣水汽產品研究在多類暴雨天氣系統中的應用以及在冬季降雪、大霧等預報中的應用技術等，還需要下一步的深入研究。

［1］ 陳永奇，劉焱雄，王曉亞，等.香港實時GPS水汽監測系統的若干關鍵技術［J］.測繪學報，2007，36(1):9-12.

［2］ 張朝林，陳敏，KUO Ying-hwa.“00.7”北京特大暴雨模擬中氣象資料同化作用的評估［J］.氣象學報.2005，63(6):921-932.

［3］ 曹云昌，方宗義，夏青，等.中國地基GPS氣象應用站網建設展望［J］.氣象，2006，32(11):42-47.

［4］ 王勇，柳林濤，郝曉光，等.武漢地區GPS氣象網應用研究［J］.測繪學報，2007，36(2):141-145.

［5］ 陳小雷，馬翠平，仝美然.河北地基GPS水汽觀測業務系統建設［C］∥測繪科學前沿技術論壇論文集.北京:中國地圖出版社，2008.

［6］ 陳小雷，景華，仝美然，等.地基GPS遙測大氣水汽應用精度和范圍探討［J］.氣象科技，2009，37(1):85-88.

［7］ 景華，陳小雷，仝美然，等.河北省地基GPS遙測大氣可降水量特征初探［J］.河北氣象，2006，25(4):12-19.

［8］ 陳小雷，景華，仝美然，等.地基GPS遙測大氣可降水量在天氣分析中的應用［J］.氣象，2007，33(6):19-24.

［9］ 李國翠，李國平，陳小雷，等.一次西太平洋副熱帶高壓進退過程中暴雨的GPS可降水量特征［J］.大氣科學學報，2011，34(4):393-399.

［10］ 李國翠，李國平，王叢梅，等.應用GPS可降水量和加密自動站資料對一次高空冷渦暴雨的分析［J］.云南大學學報:自然科學版，2010，32(S2):194-200.