GPS遥感大气可降水量在暴雨天气过程分析中的应用

■许兰

（湖北省黄冈市英山县气象局 湖北 黄冈438700）

GPS遥感大气可降水量在暴雨天气过程分析中的应用

■许兰

（湖北省黄冈市英山县气象局 湖北 黄冈438700）

地基GPS遥感大气水汽是20世纪末开始发展起来的一种全新的大气水汽探测手段。大气水汽是产生各种天气的重要参数，它的时空分布以及由其相变所产生的巨大潜热，影响着大气的垂直稳定度和天气系统的结构和演变，会造成强烈的对流天气以致产生暴雨。地基GPS水汽遥感技术可提供常规气象观测资料无法提供的全天候、高精度、高时效的大气水汽资料，它的应用将为改善天气预报尤其是中尺度天气预报（强对流天气预报和强降雨预报）提供重要的、较为理想的大气水汽资料。

暴雨天气GPS遥感过程分析

由于水汽的时空多变性，为较难描述的气象参数之一，所以水汽的观测方式也成为气象专家学者关注的热点问题。准确快速地获取高时空分辨率的水汽观测资料对于天气、气候变化研究和天气预报业务具有重要的意义。目前气象部门获取水汽观测数据的手段主要有常规探空气球、水汽微波辐射计、红外卫星遥感、微波遥感和GPS遥感水汽等几种手段。相比其他几种水汽探测方式，GPS遥感水汽是利用GPS信号穿过大气受到大气折射而产生的延迟来探测大气中的水汽含量，具有探测精度高、全天候、分辨率高、观测稳定、费用低廉和无需校正等优点，在气象领域获得了广泛深入的应用。

1 资料与方法

利用北京市气象局2001-2004年受北京市科委重大科研项目“北京地区地基GPS遥感大气水汽应用研究”、国家科技部政府间中美合作项目“全球定位系统单双频地基GPS水汽遥测技术研究”联合资助，在强天气敏感区（房山）组建的单、双频地基GPS遥测试验网的实时监测数据，通过Burmese软件解算出时间间隔为30min的大气总延迟量，计算大气可降水量。

对北京房山区地基GPS站网的GPS遥感大气可降水量的变化曲线的分析表明，各单频、双频站遥感大气可降水量的变化趋势基本一致，在量值上差距较小。考虑闫村站和官道站与房山雨量站的距离最近，经过对两站的有效数据的比较，选取官道站为代表站进行GPS遥感大气可降水量与房山站的自记降雨量的比较分析。

在分析天气系统和大尺度水汽输送时，利用北京大学物理学院大气科学系研制的‘客观分析诊断图形系统’，插值选用Cressman逐步订正法，地图投影选用双标准兰勃托正形投影，中心点为115oE，40oN，格点数为47×35，网格距30km。分别计算地面、高空比湿q、水汽通量Q、水汽通量散度AQ等物理量场。

2 天气过程中GPS遥感大气可降水量的变化

2004年7月10日下午-前半夜北京地区出现暴雨天气过程，从北京地区7月10日14：00-20：006小时降雨量为一次暴雨天气过程，降雨中心主要在城区，丰台为另一降雨中心（为96mm）。在城区17-20时平均降雨量超过50毫米，其中天安门降雨量为87毫米、朝阳门106毫米、龙潭湖81.5毫米，到21时城区平均降雨量达73毫米，23时暴雨雨结束。

此次降水过程房山站处于丰台降水中心的南部，房山站过程雨量为35mm，对房山区官道GPS站遥感大气可降水量PWV官的变化曲线与房山站自计雨量的比较表明：在降水前24小时的9日16时开始PWV官开始逐渐增加，10日14时30分开始，也就是在降水出现的前2-3小时PWV官开始明显增加，增到10日17时开始降雨，18时PWV官达最大值为58.5mm，降水量最大为11.7mm/1小时。从整个降水过程的PWV官的变化看，△（PWV官）最大值时刻-开始增加时刻=22.2mm（从36.3mm增到58.5mm），△（PWV官）降水前3=7.0mm。

PWV大于某阈值（56mm）后出现较强降水。一般情况下当3h、4hPWV增量大于某阈值（≥7.0），当3h、4hPWV累计增量达到最大值，就会出现降水，或者在半小时-2.5小时出现降水。4hPWV累计增量达到最大值后的2-4小时出现最大降水量/小时。但PWV值及增量的大小与降水量的大小没有明显的关系。

3 水汽输送与GPS遥感大气可降水量的变化关系

通过以上分析可以看出，大雨、暴雨以上降雨过程的大气水汽的增长方式受当地天气系统的支配和制约，一种表现为：大尺度水汽输送天气系统辐合、水汽聚集的过程，而另一种仅仅是天气系统辐合、水汽聚集的过程。以大尺度水汽输送天气系统辐合、水汽聚集为水汽增长方式的强降雨过程，是有利的大尺度天气系统和中尺度天气系统的共同影响所造成。在有利的地面、高空天气系统影响下，如，地面北京处于气旋、冷锋、倒槽前部东南或偏东气流控制，有利于东南暖湿空气的输送，大湿度区移到北京，在北京形成等比湿线密集区，与地面相配合高空（850、700hPa）处于低涡低槽前的偏南气流中，湿舌由西南明显北伸，大气水汽持续增加，具体表现为PWV会出现连续增加的现象（ΔPWV官24h≥20.0mm）。当地面、高空有辐合系统东移或生成，或有中小尺度天气系统影响时，北京处于西南-东北方向水汽通道大值区，并且位于水汽辐合区或中心，具体表现为在降雨前3～4小时，PWV会出现激增的现象（ΔPWV官3～4h≥7.0mm）；以天气系统辐合、水汽聚集为水汽增长方式的强降雨天气过程，可能并不存在大尺度水汽输送，只是在地面、高空有辐合系统东移或生成，或有中小尺度天气系统影响时，产生的水汽辐合和聚集，表现为PWV在降雨前的几个小时出现激增。

在大气可降水量应用于降雨天气预报过程中，应与天气系统和风场及湿度场的分布，以及测站的气压、温度、湿度的变化相结合，可为强降雨预报提供有用的信息。另外，GPS遥感大气可降水量数据在实际天气预报应用过程中，还应分析比较有降雨和无降雨天气的大气可降水量的变化特征的差异，针对各种不同天气系统类型分析大气可降水量的变化特征，通过分析寻找量化指标，为准确预报天气提供客观方法。

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P4文献码]B

1000-405X（2016）-12-416-1