基于地基GPS大氣可降水量的福建水汽資源時空分布特征分析

潘衛華，余永江，羅艷艷，張琳琳，楊志勇

(1.福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350001；2.福建省氣象科學研究所，福建 福州 350001；3.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；4.福建省廈門市氣象臺，福建 廈門 361012)

引 言

空中水汽資源是大氣降水的主要來源，在大氣的物理/化學過程中發揮著重要作用，其空間分布極不均勻且時間變化很快，影響著輻射平衡、能量輸送、云的形成和降水。據統計分析，空中水資源總量遠大于地面實際的降水量，具有極大的開發潛力，合理開發空中水資源，對于緩解地區干旱等具有重要意義[1-2]。傳統的大氣可降水量主要依靠氣象探空資料推算得到[3]，但常規探空每日僅2次且站點分布稀疏，難以滿足要求。目前基于地基GPS遙感反演大氣可降水量(PWV, precipitable water vapor)技術已經達到探空站觀測水平[2,4-5]，并且具有全天候監測等優點而被廣泛采用[6-8]。李成才等[9]利用1997年夏季東亞地區地基GPS資料反演了上海和武漢的水汽總量，將探空資料獲得的水汽總量作為實測值，反演的PWV均方根誤差為5 mm左右。由于利用地基GPS可以獲得連續的、高精度的大氣可降水量資料，不同區域相繼開展強降水天氣過程中實時水汽與降水的關系研究[10-12]，如BENEVIDES等[13]利用PWV在降水前的變化進行降水預報，并且發現不同的PWV閾值會影響到降水預報準確率[14]。由于我國地理幅員遼闊，在不同地形和大氣環流等因素影響下，地區降水與水汽變化的相互關系存在顯著差異[15]，這使得區域降水與水汽變化的相關性存在較高的地域性和不確定性。近年來，隨著GPS站點日益密集和觀測資料的不斷累積，針對不同區域水汽的時空分布和變化特征開展了廣泛研究[16-18]，這有助于掌握區域內水汽的變化規律。

福建地處東南沿海，屬亞熱帶海洋性季風氣候，“依山傍海”和“八山一水一分田”的特殊地形地貌造成全省上空水汽資源分布極不平衡，非常容易引發季節性干旱和區域性洪澇，相關研究顯示福建的干旱和暴雨的發生頻次和極端性有增長趨勢[19-20]。中國氣象局正開展人工影響“耕云”行動計劃，這使得準確掌握空中云水資源空間分布和動態變化顯得非常重要。目前針對福建水汽資源不同時間尺度的變化還缺乏系統認識，因此，本文基于福建全省地基GPS臺站大氣可降水量觀測數據、地面和探空氣象觀測數據及再分析資料等，利用經驗正交函數(EOF)分解和Mann-Kendall突變檢驗、t檢驗等方法對福建省大氣可降水量的空間分布特和變化趨勢進行研究，以期為福建空中云水資源評估、短時降水預報預警及人工增雨作業條件評估等提供參考依據。

1 資料和方法

所用資料包括2011—2019年福建省地基GPS測站大氣可降水量觀測數據，全省氣象臺站逐時地面氣象觀測資料，ERA-Interim再分析資料和全省3個氣象探空站觀測數據及DEM等地理信息資料。其中福建省所有地基GPS測站的PWV數據來自福建省氣象信息中心，由其所構建的福建省GPS水汽處理系統反演而得；ERA-Interim再分析資料格點間距0.125°×0.125°，經度范圍為115°30′E—121°00′E，緯度范圍為23°30′N—28°30′N，時間分辨率為6 h；探空站觀測數據頻次為每日2次。

采用EOF方法[21-23]對福建2010—2019年地基GPS反演的月平均大氣可降水量進行分解,統計分析前先對GPS/PWV資料進行質量控制，剔除誤測、漏測等因素造成的無效數據。采用Mann-Kendall方法對水汽資源變化進行突變檢測，同時利用滑動t檢驗對Mann-Kendall檢測結果進行檢驗，以驗證是否為真正的突變點。

為檢驗研究期GPS/PWV資料的有效性，利用2015年福州、廈門和南平3個探空站逐日[每日兩次，08:00(北京時，下同)和20:00]探測資料計算大氣可降水量，然后與地基GPS測站的大氣可降水量(GPS/PWV)進行對比[圖1(a)]，可以看出，兩種資料的PWV散點均分布在擬合直線附近，擬合斜率接近1，相關系數超過0.9(通過α=0.05的顯著性檢驗)，表明GPS/PWV具有較高的可信度。ERA-Interim再分析資料得到的大氣可降水量(以下簡稱“ERA/PWV”)為格點數據，通過內插到GPS測站所在的經緯度，與GPS/PWV進行對比，從二者散點圖[圖1(b)]可以看出，ERA/PWV與GPS/PWV的相關性低于探空站大氣可降水量與GPS/PWV的相關性，原因在于ERA/PWV為區域平均值，而GPS/PWV為站點測值，且時間分辨率更高，但兩者分布趨勢比較接近，仍具有較高的可信度[24]。因此，下文用地基GPS/PWV來研究福建上空水汽資源變化特征。

圖1 福建省地基GPS站PWV分別與探空站大氣可降水量(a)和ERA/PWV(b)的散點圖

本文附圖中福建省行政邊界是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)3333號的標準地圖制作，底圖無修改。

2 水汽資源時空分布

2.1 水汽資源季節分布

福建四季劃分為：春季(3—6月)、夏季(7—9月)、秋季(10—11月)和冬季(12月至次年2月)。從2015年福建上空水汽總量的季節分布(圖2)可以看出，水汽總量四季存在明顯差異，夏季最大，其次為春季和秋季，冬季最小；春、夏、秋、冬水汽總量最大值分別為54.69、63.49、48.24、38.88 mm，最小值分別為35.01、40.92、33.22、22.51 mm。從福建氣候特點看，春季為前汛期和雨季，由于西太平洋副熱帶高壓北跳，西南暖濕氣流不斷輸送，使得這一時期水汽資源比較豐富。夏季受副熱帶高壓和臺風共同影響，水汽來源主要受臺風系統影響，而在副熱帶高壓控制期間以晴熱天氣為主，水汽相對較少；2015年福建共受到“蘇迪羅”、“杜鵑”等6個臺風影響，由此帶來非常豐富的水汽資源，主要降水時段也集中在這一時期。秋冬季缺少臺風影響，在副熱帶高壓和東北大風影響下，水汽資源相對比較匱乏。

圖2 2015年福建上空GPS/PWV四季的空間分布(單位：mm)

從空間分布看，水汽總量呈明顯的東多西少態勢，水汽的高值區集中在福建東部沿海地區，低值區分布在西部高山區。分析其原因，主要是受地形因素影響所致，福建西北的武夷山脈平均海拔在1000 m以上，而東南沿海地區海拔普遍在100 m以下，地形海拔差異直接導致該地區上空水汽總量分布差異[25]。另外，在黃岡山和峨眉峰之間的閩江上游流域的峽谷地帶，始終存在水汽總量相對高值區，比周邊山脈地區明顯偏高，呈濕舌狀伸向西北山區，這些高值區與其下墊面大金湖、閩江上游的密集支流水系等的水面蒸發密切相關，在春、夏、秋季氣溫較高時期尤為明顯，而冬季較不明顯。

2.2 水汽資源的月際分布

圖3為邵武(117°29′E、27°19′N)、廈門(118°18′E、24°42′N)和福州(119°13′E、26°06′N)站2015年GPS/PWV大氣可降水量的月際變化。邵武、廈門和福州站的GPS/PWV月變化基本一致，整體呈倒“U”型變化，1—6月是大氣可降水量的主要增長期，7—12月則呈逐步減少趨勢，1月最小，6月最大。地處東南沿海的廈門和福州站水汽月均值高于內陸山區的邵武站，這主要由地形海拔高度差異造成。

圖3 2015年福建邵武、廈門及福州站大氣可降水量月際變化

2.3 水汽資源的日變化特征

福建由于受東、西風帶交替影響和溫、熱帶各類天氣系統頻繁活動的共同影響下，形成汛期多雨、冬春少雨、旱澇突出的季風氣候。通過選取典型晴天(2014年12月12日)和典型雨天(2014年5月18日)對福建大氣可降水量的日變化特征進行分析。以沿海地區的平和站(119°36′E、24°22′N)和內陸山地的武平站(116°16′E、25°5′N)為例，通過對典型晴天GPS/PWV與氣溫、水汽壓和相對濕度進行對比[圖4(a)]，可以看出福建晴天的日GPS/PWV、水汽壓總體處于低位，日較差小，日變化特征不顯著；GPS/PWV與氣溫日變化相關，峰值通常出現在20:00至次日04:00，谷值出現在11:00—14:00。相對濕度與氣溫呈反相關，日變化特征顯著。沿海地區GPS/PWV比內陸山區高，日變化相對較大。

圖4 典型晴天(a)和典型雨天(b)福建平和與武平站GPS/PWV與氣溫、水汽壓、相對濕度的日變化

從典型雨天的GPS/PWV與氣溫、水汽壓和相對濕度的對比[圖4(b)]可以看出，平和、武平兩站較典型晴天的GPS/PWV、水汽壓和氣溫都有明顯上升，GPS/PWV與水汽壓的日變化較顯著。GPS/PWV峰值出現在降雨前或降雨時，呈現雙峰型特征，當GPS/PWV下降到一個穩定狀態時，預示著降水過程結束[26-28]。降水的出現會導致相對濕度持續增大，并逐步達到飽和，由于降雨通常會伴隨著降溫，氣溫持續低位運行，GPS/PWV與氣溫的相關性降低。

2.4 水汽含量與地面降水的關系

從福建2015年的GPS/PWV空間分布[圖5(a)]可以看出，其與四季的水汽分布較為相似，表現為東部沿海地區高于內陸山區，但對比2015年福建年降水量空間分布[圖5(b)]發現，福建年降水量高值區卻主要集中在閩西北和閩東北山區，降水量均超過2000 mm，年降水量低值區主要分布在閩東南沿海地區，其中以東山島的年降水量為最低(1235.4 mm)。可見福建上空水汽資源與年降水量分布存在明顯的不一致性，很多水汽資源高值區域卻是降水量的低值區，表明影響福建降水量大小的最關鍵因素并不是福建上空水汽資源的高低，地形和天氣系統等因素的影響更大[29]。此外，根據李家葉等[30]對大氣可降水量的降水轉化率計算結果，東南沿海地區的降水轉化率僅為西北山區的40%～50%，這一方面表明福建西北山區地形有利于降水產生，另一方面也反映東部沿海地區的水汽資源存在巨大利用潛力，加大人工影響天氣的技術手段來提高水汽的實際降水轉化效率，對于緩解福建東南沿海地區的氣象干旱具有重要的現實意義。

圖5 2015年福建GPS/PWV(a, 單位：mm)與年降水量(b, 單位：mm)的空間分布

3 水汽含量特征及突變分析

3.1 福建大氣可降水量特征

對2010—2019年大氣可降水量逐月平均數據進行標準化距平處理，然后利用EOF對大氣可降水量進行分解，并通過North準則[31]進行顯著性檢驗，大氣可降水量前5個模態的方差貢獻率見表1。可以看出，福建大氣可降水量前2個模態的累計方差貢獻率超過91%。

表1 大氣可降水量EOF分析前5個模態的方差貢獻率

第一模態的方差貢獻率為80.06%，遠高于其他模態，其空間型[圖6(a)]顯示，近10 a福建省上空大氣可降水量變化趨勢具有高度一致性，且大氣可降水量變化的振蕩強度由西北、西南向東部逐漸增強。高值中心位于福建東南沿海地帶，反映出該區域大氣可降水量變化幅度大，印證了福建東南部地區降水的不均勻性，容易出現氣象干旱，個別年份甚至能達到重旱；低值中心位于福建西北部武夷山脈和南部山區及沿海一帶，表明此區域大氣可降水量變化幅度小，這些區域降水比較集中且均勻分布，很少發生氣象干旱；福建中部內陸山區則為過渡帶。對應的時間系數[圖6(c)] 顯示，2010—2019年主要表現為季節性波動，夏秋季為正值，冬春季為負值，反映了福建省大氣可降水量夏秋季一致偏多，冬春季一致偏少。

第二模態的方差貢獻率為11.55%，從第二模態空間型[圖6(b)]可以看出，近10 a福建大氣可降水量呈東西反位相分布。大致以118°E為界，福建西部山區特征向量為正值，而東部沿海為負值，當福建西部山區大氣可降水量偏多(少)時，福建東部地區則相對偏少(多)。對應的時間系數[圖6(d)] 顯示，近10 a時間系數在零值上下振蕩，其中2016年9月以后(除2018年7月和1月異常偏大外)振蕩幅度明顯偏小，反映出大氣可降水量在福建東部和西部的差異在逐漸變小。

圖6 2010—2019年福建省GPS/PWV EOF分解的第一(a、c)、第二(b、d)模態空間型(a、b)及其對應的時間系數(c、d)

3.2 大氣可降水量的突變檢測

利用Mann-Kendall突變檢驗對福建省2010—2019年逐月平均大氣可降水量的變化趨勢進行檢驗。由圖[7(a)]可知，UF和UB兩條序列曲線在2010年1月至2011年8月間存在3個交點，且在0.05顯著性水平區間之內，理論上表明這些時間點可能存在突變。但此后UF曲線整體上并沒有大幅度波動，UF和UB曲線兩者趨勢差異不顯著，顯示這期間大氣可降水量發生突變的可能性不大。

為了驗證Mann-Kendall檢驗結果的可靠性，利用滑動t檢驗法(n=5)對大氣可降水量進行檢驗，檢驗結果如圖[7(b)]所示。從滑動t檢驗結果可以看出在α=0.05的顯著性水平上出現多次突變，但突變時間點都出現2013年之后，與Mann-Kendall突變檢測不吻合，同時考慮到統計方法對樣本數量的要求，驗證Mann-Kendall檢驗中起初的交點不確定性太大，不應計入可靠的突變點，因此可以認為2010—2019年間福建上空大氣可降水量未出現明顯突變。

圖7 2010—2019年福建上空GPS/PWV的Mann-Kendall突變檢測(a)及滑動t檢驗(b)

4 結論與討論

(1)福建省東部沿海地區的水汽資源普遍高于內陸山區。夏季水汽資源最高，其次為春秋季，冬季最低；水汽資源的月際分布呈倒“U”型變化。晴天大氣可降水量、水汽壓總體偏低，與氣溫日變化相關；雨日大氣可降水量、水汽壓都明顯偏高，大氣可降水量峰值出現在降雨前或降雨時，呈現雙峰型特征。

(2)EOF分析表明近10 a福建上空水汽資源主要有2種空間型，其變化趨勢主要表現為全區一致性和東西反位相分布，第一模態空間型大氣可降水量振蕩強度由西北、西南向東部逐漸增強，相應的時間系數表征了大氣可降水量的顯著季節性變化特征。

(3)Mann-Kendall突變檢測和滑動t檢驗結果表明近10 a福建上空水汽資源未發生突變。

福建省年降水量分布與水汽分布存在顯著差異，水汽含量高的東部沿海地區實際降水量比內陸山區明顯偏少，降水量大小主要受地形和天氣系統等因素影響，如何有效提高福建東部沿海地區的水汽資源的降水轉化率、減少氣象干旱發生頻率今后值得做進一步研究。