湖南省GPS/MET與探空水汽資料對比分析

羅 宇，羅林艷，呂冠儒

(1.中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省氣象信息中心，湖南 長沙 410118)

?

湖南省GPS/MET與探空水汽資料對比分析

羅 宇1，羅林艷2，呂冠儒2

(1.中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省氣象信息中心，湖南 長沙 410118)

GPS/MET探測具有建設維護成本低、探測精度高、不受云雨影響、全天候等特點，已成為獲取大氣水汽資料的重要探測手段。該文對比分析了湖南省4月(春季)和7月(夏季)長沙、懷化、郴州GTS1探空儀與GPS/MET獲取的水汽資料。分析結果表明：在可比較時刻點上，GPS/MET與探空對水汽總量變化趨勢描述是一致的，二者測得值呈顯著相關性，相關系數在0.939 0～0.968 3之間，殘差標準誤差在3.339～4.547之間，GPS/MET水汽值比探空平均偏高3.121 1～5.143 6 mm，相對平均誤差為9.407 3%。

GPS/MET；高空氣象觀測；水汽總量；大氣遙感

1 引言

水汽是大氣的基本參量，是大氣中唯一能發生相變的成分，在很多大氣物理化學過程中扮演十分重要的角色。同時，水汽能強烈地吸收地面輻射，也能放射長波輻射，是一種重要的溫室氣體，對地面和大氣的輻射平衡有很大的影響。在時間和空間上，水汽分布極不均勻，難以精確測量。探空是目前獲取大氣水汽信息最直接手段，但受到成本高、站點少等條件限制，其資料時空分辨率有限，制約了人們對水汽空間分布和時間變化的了解，進而影響強降水等災害性短臨預報準確性[1]。地基GPS遙感大氣水汽技能是20世紀90年代發展起來的一種全新的大氣探測手段。基于水汽對GPS信號的“濕延遲”可反演出大氣的水汽總量,精度約在2 mm[2]。因此,利用GPS對大氣中水汽的連續監測, 有效彌補常規大氣探測的不足。為更好的利用GPS水汽資料，有必要對GPS和探空測得水汽總量進行對比。李成才等(1999)利用上海、武漢兩地GPS資料反演30 min間隔的水汽變化信息，與探空資料對比其均方根誤差約為5 mm[3]。畢研盟等對比了2008年5—7月錫林浩特GPS和探空水汽資料，得出二者相關系數為0.89，GPS水汽值較探空平均約偏高0.18 g/cm2[4]。盧會國等分析了2010年7月第八屆國際探空對比試驗資料，認為探空與GPS/MET測量的水汽值存在較強相關性，相關系數在0.57～0.74之間，且探空水汽值較GPS/MET偏高0.71～1.47 mm[5]。考慮到大氣中水汽空間分布差異較大，因此有必要在上述研究基礎上對湖南省GPS/MET水汽探測資料進行對比分析，使其更好的應用到相關氣象業務中。

2 數據處理方法

本文選用湖南省2016年4月(春季)和7月(夏季)GPS/MET資料及長沙、懷化、郴州高空秒級資料，所有資料均由全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)獲取。

2.1 探空資料的處理

選取湖南省3個探空業務站的高空秒級資料。由于探空原始資料只提供相對濕度數據，因此需首先利用溫度(t)、氣壓(p)和相對濕度(U)計算水汽壓(e)并得到水汽混合比(r)[6]：

(1)

(2)

水面飽和水汽壓時(t>0 ℃)，a=17.27，b=237.3；冰面飽和水汽壓時(t<0 ℃)，a=21.87，b=265.5。

由此計算氣柱水汽總含量CPWV：

(3)

2.2 GPS/MET資料的選取

湖南省3個探空業務站2016年4月和7月高空探測放球時間均值約為78 min。考慮到大氣水汽主要集中在300 hPa高度以下，而氣球上升到該高度時間約為30 min[7]，因此選取探空儀釋放后最近1 h的GPS/MET資料作比較。即19時15分釋放探空儀獲取的資料與GPS/MET獲取的20時00分水汽資料進行對比。

3 資料對比分析

3.1 各GPS/MET站資料對比分析

臨近長沙、懷化、郴州探空站分別選取4個GPS/MET站點(長沙探空站：汨羅、湘鄉、赫山、雙峰；懷化探空站：芷江、鳳凰、溆浦、沅陵；郴州探空站：桂陽、宜章、資興、永興)，各GPS/MET站點4月和7月的有效探測數據均在600個時次以上。分組對比可見GPS/MET測得的水汽除個別高值或低值點外，變化趨勢基本一致(圖1)，這也從側面反映出大氣中水汽局地時空分布存在一定連續性。

3.2 GPS/MET與探空水汽資料對比

分別選取離3個探空站最近的GPS/MET水汽站資料作為參考值，與對應探空站點計算所得水汽總量進行對比分析，采用最小二乘法擬合回歸方程、計算相關系數，并進行相關性檢驗，如表1、圖2所示。

圖1 2016年4月、7月湖南省長沙(a)、懷化(b)、郴州(c)周邊GPS/MET站點水汽對比圖Fig.1 Comparison of GPS/MET precipitable water vapor in April and July of 2016 around Changsha(a), Huaihua(b), Chenzhou(c) City in Hunan Province

臺站樣本數擬合方程殘差標準誤差平均偏差相關系數p-value長沙105Y=4.1290+0.9782X4.5473.12110.94752.200×10-16懷化115Y=5.3148+0.9962X3.3535.14360.96832.200×10-16郴州106Y=9.83770+0.8745X3.3394.35500.93902.200×10-16

通過上述對比可見，湖南省GPS/MET與探空測量水汽值符合較好，二者之間存在非常顯著的相關性(p-value<0.01)，相關系數分別為0.947 5、0.968 3和0.939 0，標準差分別為1.552 2、1.119 9和1.396 47。在對比數據集上，二者變化趨勢基本一致(如圖3所示)，GPS/MET水汽值稍高于探空，平均分別偏高3.121 1 mm、5.143 6 mm和4.355 0 mm，平均相對偏高7.754 0%、13.293 0%、11.1576%，與華東區域資料對比分析所得結論相當[8]。同時，對比數據集上的平均偏差與水汽含量有關。當水汽含量較低時(小于35 mm)，GPS/MET水汽值平均偏高1.968 2 mm，當水汽含量較高時(大于35 mm)，GPS/MET水汽值平均偏高4.563 6 mm。

圖2 2016年4月、7月湖南省長沙(a)、懷化(b)、郴州(c)GPS/MET與探空水汽數據回歸分析圖Fig.2 Regression analysis with GPS/MET and radiosonde precipitable water data in April and July of 2016 in Changsha (a), Huaihua(b), Chenzhou(c) in Hunan Province

圖3 2016年4月、7月湖南省長沙(a)、懷化(b)、郴州(c)GPS/MET與探空水汽數據對比圖Fig.3 Comparison on GPS/MET and radiosonde precipitable water data in April and July of 2016 in Changsha(a), Huaihua(b), Chenzhou(c) in Hunan Province

4 結論與討論

①利用GPS/MET測得的水汽與探空直接測量所得數據具有很高的一致性，對水汽總量變化趨勢的描述與探空基本一致(圖3)，平均誤差在4.343 0 mm，百分比誤差平均為9.407 3%，因此湖南省GPS/MET資料已完全具備業務化價值，有效彌補高空探測不足，對提升災害性天氣監測預報能力有著廣闊的應用前景。

②以GPS/MET水汽探測數據為參考，湖南省3個探空站探空資料相關系數(0.947 5、0.968 3、0.939 0)基本相同，其中長沙站數據離散度程度較高，可能是由于所選的GPS/MET站離長沙相對較遠，水汽空間分布變化劇烈的原因(汨羅站，距離長沙探空站60余千米)。

③由于探空采用直接測量方式，其測得的水汽數據應更為可靠，GPS/MET水汽資料與之相比仍有一定偏差，且存在個別時次變化趨勢不一致的情況，可能是由于探測設備系統誤差、探空站與GPS/MET站的空間距離、國產探空儀對濕度的低溫探測性能較差[10]以及GPS/MET水汽反演中加權平均溫度Tm的地區性差異等因素造成的，具體原因有待進一步研究。

致謝：感謝湖南省氣象信息中心同事文立恒，在本文研究過程中，文立恒就相關資料問題給予了有益的幫助和討論。

[1] 谷小平. GPS水汽反演及降水預報方法研究[D].北京: 中國農業大學, 2004.

[2] Duan J, Bevis M, Fang P. GPS Meteorology: Direct Estimation of the Absolute Value of Precipitable Water[J]. Journal of Applied Meteorology, 1996, 35(7): 830-838.

[3] 李成才, 毛節泰, 李建國, 等. 全球定位系統遙感水汽總量[J]. 科學通報, 1999, 44(3): 333-336.

[4] 畢研盟, 楊忠東, 李元. 應用全球定位系統、太陽光度計和探空儀探測大氣水汽總量的對比分析[J]. 氣象學報, 2011, 69(3): 528-533.

[5] 盧會國, 李國平, 蔣娟萍. 陽江國際探空試驗的GPS、探空、微波輻射計水汽資料對比分析[J]. 氣象科技, 2014, 42(1): 158-163.

[6] 王洪, 曹云昌, 郭啟云, 等. 利用探空資料計算水汽壓[J]. 氣象科技, 2013, 41(5): 847-851.

[7] 吳興洋,楊金芝,張輝.探空高度的穩定性分析[J].貴州氣象,2003,27(5):35-36.

[8] 杜明斌, 尹球, 劉敏, 等. 地基GPS/MET探測水汽等相關參數精度分析[J]. 大氣與環境光學學報, 2013, 8(2): 138-145.

[9] 覃曉玲, 文芳一, 周錦才. 淺談GTS1型電子探空儀的檢查維護方法[J]. 貴州氣象, 2013, 37(S1): 99-100.

[10]李偉, 趙培濤, 郭啟云, 等. 國產GPS探空儀國際對比試驗結果[J]. 應用氣象學報, 2011, 22(4): 454-462.

A comparative analysis of vapor data between GPS/MET and radiosonde in Hunan Province

LUO Yu1，LUO Linyan2，LV Guanru2

(1.China Meteorological Training Center Hunan Branch, Changsha 410125, China;2.Hunan Provincial Meteorological Information Center, Changsha 410118, China)

Based on the advantage of GPS/MET in measuring atmospheric water vapor, a comparative analysis of the GPS/MET vapor data and radiosonde results was presented, and it is found that the water vapor data obtained by GPS/MET is generally 3.121 1 to 5.143 6 mm higher than the radiosonde measurements, and the relative error is 9.407 3%. The two methods are correlated well on describing water vapor tendency with correlation coefficients between 0.939 0 to 0.968 3, with the standard deviation between 1.119 9 to 1.552 2.

GPS/MET; radiosonde; precipitable water; atmospheric remote sensing

1003-6598(2016)06-0028-04

2016-06-27

羅宇(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事大氣遙感與探測相關科研與教學工作，E-mail:mariachi41qq.com。

P412.13

B