地基GPS大气水汽监测及在气象业务应用中的关键技术

陈小雷，仝美然，景 华，马翠平，李国翠

（1.河北省气象台，河北石家庄050021;2.河北省气象服务中心，河北石家庄050021;3.石家庄市气象局，河北石家庄050081）

一、引 言

地基GPS气象学是20世纪90年代发展起来的，利用全球卫星导航技术(GPS)主动遥感地球大气的多学科交叉技术，也是一门新兴前沿学科。利用地基GPS技术可以获得高精度、连续、实时的大气水汽资料，而大气中水汽分布和变化对于降水天气的发生具有重要的作用，对于暴雨、雷暴、热带气旋等天气及时提供准确的大气水汽含量和变化信息，可以提高和改善气象预报的准确率［1］，利用地基GPS反演的大气水汽资料对于改善中尺度天气数值预报模式性能也具有重要的意义［2］。

国内从20世纪90年代中期由国家卫星气象中心和北京大学联合进行了地基GPS/MET的研究，利用地基GPS资料对大气可降水量进行了反演，2000年在北京地区进行了我国第一次地基GPS水汽试验，2001年在973暴雨项目的观测试验项目中在安徽进行了地基GPS的外场试验，完善了地基GPS反演大气可降水量技术。

2003年中国气象局在河北省建立了石家庄、秦皇岛、张家口3个地基GPS站，组成了我国第一个地基GPS遥感水汽试验监测网［3］。2009年6月河北省气象局和河北省测绘局联合建立了27个地基GPS站，为开展大范围地基GPS资料在气象业务应用奠定了条件。而利用地基GPS资料在气象中业务应用也存在着诸多关键技术和研究热点问题:一是如何建立实时、稳定的业务系统，把地基GPS原始观测资料快速转化为业务人员所需要的高精度大气水汽产品;二是地基GPS反演出的大气水汽产品可信度和精度与传统探测大气水汽资料相比质量如何［4］;三是如何建立一个被业务人员认可、应用方便的业务应用平台;四是地基GPS反演出大气水汽资料如何在降水、暴雨等灾害性天气预报中得到具体应用。为此，河北省气象台陆续开展了对地基GPS大气水汽监测和地基GPS资料在气象业务中的技术研究，并取得了一阶段性的成果。

二、关键技术成果

1.建立河北省气象部门地基GPS资料处理业务系统

该系统实现了地基GPS原始观测资料到水汽产品的快速转化，是应用地基GPS资料的基础。其基于Linux系统平台，以高精度 GAMIT软件为支撑，开发了地基GPS原始资料反演大气水汽产品的软件包，该软件包根据GPS反演大气水汽的基本原理，对地基GPS原始数据、气象数据和从IGS下载的精密星历文件等信息实时处理，实现了对多站点地基GPS原始资料解算和大气水汽产品反演［5］。

2.开发地基GPS原始数据传输软件

通过研究初步制订了地基GPS原始数据传输的行业标准，开发了地基GPS原始数据传输软件。该软件以Windows为操作平台，采用Delphi语言，实现了地基GPS应用的3类数据文件(气象数据文件、GPS观测文件、星历文件)传输及数据质量控制等，为保证地基GPS资料实时处理提供了保证。

3.建立地基GPS水汽产品应用业务平台

该平台为业务人员应用地基GPS水汽资料提供了方便，它应用Java环境，针对气象部门实际业务，实现了多种形式的大气水汽产品输出。平台具有对单站地基GPS大气水汽产品实时动态监测，并可以与气温、气压、相对湿度、降水量、风向风速等气象要素的同步对比分析功能。同时，还具有大气水汽变量的动态变化分析功能，具有可把当前时次大气水汽与前1小时、前2小时和前3小时的对比分析，从而能够更好地反映出大气水汽变化与大气降水量的关系，并从中建立降水预报指标。

对区域水汽资料，实现了区域大气水汽平面动态分析，利用河北30个地基GPS站反演的单站水汽资料，采用数值插值技术，实现了区域水汽平面动态分析，对于分析区域内大气水汽输送路径和大水汽中心具有很好的指示意义，为区域性强降水提供了参考。为做好同气象部门统一应用的预报业务平台MICAPS衔接，该系统还生成MICAPS格式的地基GPS水汽产品，实现了与MICAPS业务平台的产品数据共享。

4.检验对比

对地基GPS资料反演的大气水汽产品与传统探测的大气水汽产品进行了检验对比，结果表明地基GPS资料反演的大气水汽产品在业务中是具有较高的实用价值［6］。地基GPS反演大气水汽的精度一直是气象工作者比较关注的问题，为了证实地基GPS反演大气水汽的可行性和准确性，项目组选取了石家庄、张家口二站GPS反演的大气水汽与利用常规探空资料计算的大气水汽进行检验对比。通过对比分析发现，利用地基GPS反演的大气水汽精度要高于常规探空站资料的计算结果精度，而且利用两种资料计算的大气水汽变化趋势是一致的，说明GPS资料反演的大气水汽值具有较高的实用价值。同时通过误差检验分析，发现单站GPS反演的大气水汽资料有效半径距离是有一定限度的，一般应用范围半径不要超过30 km。

5.利用地基GPS反演的大气水汽产品分析河北大气水汽时空分布特征［7］

通过对石家庄、张家口、秦皇岛3站地基GPS大气水汽产品(简称GPS/PWV)分析，发现3站的GPS/PWV月平均值变化总趋势一致，从4—7月变化均是逐月增加，8—10月明显下降，11月小幅下降，7月平均值为最大，11月值为最小。通过对海拔高度的3个GPS站分析，发现海拔较高的站GPS/PWV要小于海拔低的站。对2005年汛期期间石家庄、张家口、秦皇岛3站GPS/PWV日平均值变化，发现在6月下旬和7月中旬有两次明显的快速上升特征，在8月中旬有明显的快速下降特征，此特征与2005年河北汛期降水多雨时段和少雨时段变化相一致。

提出了利用每月非降水时段GPS/PWV平均值作为当月降水预报的基值［8］。通过对多个个例资料分析，发现产生的大多数降水过程GPS/PWV值要高于当月基值，而且不同的天气系统其GPS/PWV变化特征不相同，但大部分降水过程前24 h之内GPS/PWV值有在1～3 h内增长4～5 mm以上的急升出现，此值可以作为降水预测的指标之一。

通过利用对地基GPS反演的大气水汽资料在强降水、暴雨等灾害性天气过程的研究分析，揭示了地基GPS水汽资料在降水、暴雨等灾害性天气预报中的预报预警指标，为提高天气预报准确率提供了新的预报工具和支撑。

三、应用分析

1)总结了GPS/PWV在大雨及以上降水过程中的预报指标。通过对25次大雨以上天气过程分析，发现GPS/PWV日最大值平均值为67.2 mm，有降水出现时的GPS/PWV平均值介于32.5～78.1 mm之间，平均值为62.4 mm。与对应站点的GPS/PWV旬平均值相比，降水日的GPS/PWV距平均值为14.8 mm，均出现在GPS/PWV高于旬平均值时。暴雨日 GPS/PWV日最大值介于63.7～75.5 mm之间，平均值为70.6 mm;日均值介于48.2～69.0 mm之间，平均值为59.4 mm。

2)通过对不同性质降水过程的GPS/PWV分析，揭示了对流性降水和非对流性降水过程的GPS/PWV特征。

对于对流性降水过程，其GPS/PWV表现出明显的阶段性变化特征，降水开始前和结束后，GPS/PWV分别表现为阶段性快速递增或递减，降水强度的强弱与大气水汽的峰值及变化幅度密切相关;当降水强度出现极大值时，对应时刻或随后一小时GPS/PWV常会出现轻微下降趋势;强降水出现前，GPS/PWV有时会出现一个不产生降水的次峰值，这种特征可以作为对流性天气出现的某种预警指示。

对于稳定性降水过程，降水开始前和结束后，GPS/PWV分别有一段递增和递减的变化过程;降水期间，对应的GPS/PWV普遍高于历年月平均基值;GPS/PWV值的高低及变化趋势与对应的天气形势的配置和移速有很大关系。稳定性降水的GPS/PWV变化相对平缓，降水量的多少很大程度上取决于高值大气水汽的持续时间;当降水强度出现极大值时，对应时刻前后的一小时大气水汽会持续维持高水平甚至还会继续上升;降水强度极大值与GPS/PWV极大值出现时间不一定吻合，但强降水通常出现在GPS/PWV高值阶段，大气水汽的高值阶段往往对应着较高的降水概率。

3)揭示了河北夏季两类暴雨天气系统GPS/PWV的特征，为暴雨预报提供了预报预警指标。

副热带高压北进和南退型暴雨GPS/PWV特征［9］。降水通常出现在大气水汽GPS/PWV高于基值时，其中大气水汽的极大值阶段往往对应着强降水;大气水汽GPS/PWV上升后期，一般水汽和不稳定能量已经过长时间的积累，满足高能、高湿条件，一旦配合有扰动发生(在副高的边缘)，就会产生很强的对流性降水，大气水汽GPS/PWV表现为急剧上升特点;在大气水汽GPS/PWV下降初期，GPS/PWV虽有所减小但仍高于正常水平，降水趋于减弱但仍会维持弱降水。

高空冷涡型暴雨 GPS/PWV特征［10］。高空冷涡降水对应的大气水汽GPS/PWV值一般位于40 mm以上，过程最大值为50.0～53.7 mm。大气水汽GPS/PWV呈单峰型分布，表现为“升-降”趋势。降水开始于大气水汽GPS/PWV的极大值前后，即上升阶段的后期或下降阶段的初期，分别比大气水汽GPS/PWV极大值出现的时间偏早1～4 h或偏晚1～2 h。后期降水强度弱，大气水汽GPS/PWV呈下降趋势，但仍高于40 mm;当大气水汽迅速减小到40 mm以下时，预示着降水的结束。

四、结束语

通过对地基GPS大气水汽监测及在气象业务应用中的关键技术研究，建立的地基GPS资料实时处理和水汽解算系统为实时处理地基GPS资料提供了技术支撑，开发的地基GPS水汽产品应用平台为气象部门应用地基GPS资料提供了方便，气象业务人员可利用平台可以实时监测大气水汽变化，通过对多年资料分析总结的强降水、暴雨等预报预警指标为提供天气预报准确率提供了新的技术支撑。

由于研究水平和时间等限制，本项目在技术研究中还存在着一定的问题，地基GPS资料在气象业务中应用技术还需要深入开展，例如，如何进一步提高GPS反演大气水汽产品的精度，如何提高GPS资料实时处理的稳定性和时效性，并充分利用其生成的大气水汽产品研究在多类暴雨天气系统中的应用以及在冬季降雪、大雾等预报中的应用技术等，还需要下一步的深入研究。

［1］ 陈永奇，刘焱雄，王晓亚，等.香港实时GPS水汽监测系统的若干关键技术［J］.测绘学报，2007，36(1):9-12.

［2］ 张朝林，陈敏，KUO Ying-hwa.“00.7”北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估［J］.气象学报.2005，63(6):921-932.

［3］ 曹云昌，方宗义，夏青，等.中国地基GPS气象应用站网建设展望［J］.气象，2006，32(11):42-47.

［4］ 王勇，柳林涛，郝晓光，等.武汉地区GPS气象网应用研究［J］.测绘学报，2007，36(2):141-145.

［5］ 陈小雷，马翠平，仝美然.河北地基GPS水汽观测业务系统建设［C］∥测绘科学前沿技术论坛论文集.北京:中国地图出版社，2008.

［6］ 陈小雷，景华，仝美然，等.地基GPS遥测大气水汽应用精度和范围探讨［J］.气象科技，2009，37(1):85-88.

［7］ 景华，陈小雷，仝美然，等.河北省地基GPS遥测大气可降水量特征初探［J］.河北气象，2006，25(4):12-19.

［8］ 陈小雷，景华，仝美然，等.地基GPS遥测大气可降水量在天气分析中的应用［J］.气象，2007，33(6):19-24.

［9］ 李国翠，李国平，陈小雷，等.一次西太平洋副热带高压进退过程中暴雨的GPS可降水量特征［J］.大气科学学报，2011，34(4):393-399.

［10］ 李国翠，李国平，王丛梅，等.应用GPS可降水量和加密自动站资料对一次高空冷涡暴雨的分析［J］.云南大学学报:自然科学版，2010，32(S2):194-200.