GPS课程作业

地基GPS探测水汽的发展及气象应用

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地基GPS探测水汽的发展及气象应用

（武汉大学测绘学院，湖北省武汉市430072）

摘要:介绍了地基GPS探测大气可降水量在国内外的发展、灾害性天气监测分析预报、中尺度数值预报模式初始场、全球气候变化的监测和分析、人工影响天气作业、三维水汽场层析分析以及GPS探测水汽在气象领域中应用的现状。

关键词：地基GPS；可降水量；水汽探测；气候监测

一、引言

水汽是大气中十分重要的参数。一方面，水汽影响大气辐射和太阳辐射，进而影响大气中的能量和水循环；另一方面，水汽辐合的突然增加与对流的发展关系密切，直接影响灾害性天气的演变。了解水汽变化和分布情况决定短时预报的成败，湿度场的分析质量会直接影响数值预报中降水预报的准确性，而且大气水汽总量及动态变化是云水资源考察的关键因素。因此，如何能够迅速准确地了解大气中水汽分布情况，掌握水汽变化趋势，对天气、气候、人工影响天气等的研究及应用都有重要意义。但是，目前水汽探测手段存在着许多限制，如无线电探空观测站点稀疏、观测时次少，不能满足中小尺度天气系统中水汽精确的分析研究；星载辐射计和卫星红外辐射计往往受到云和雪盖的限制；水汽辐射仪的设备费用太高；而激光雷达不能全天候观测，难以实现观测业务化等。

GPS定位时大气中的水汽是影响精密大地测量的不易解决的主要因素之一，由此人们开始研究水汽对信号传播的影响并从消除测量学噪声转变为提取气象学信号，发展出一门新型学科——GPS气象学(GPS/MET)。1987年,Askne等提出了GPS遥测大气的设想，推导出大气湿延迟和可降水量之间的关系。1992年Bevis等利用地基GPS进行了大气水汽的遥感探测，指出GPS可以准确测定对流层延迟，大气静力学延迟可以利用地面气压和大气模型精确模拟，从而估计出大气的湿延迟部分，利用湿延迟和水汽含量的关系计算出大气可降水量，精度可达2mm,与水汽辐射计以及探空技术相当。并且GPS探测水汽具有常规方法无法比拟的优点：精度高，时间分辨率高；时效性强；观测方式不受天气条件和时间的限制，能自动、连续地进行水汽测量；仪器性能可靠，维护简单等。利用其高精度的特点可以细致地了解水汽的演变过程，发现一些新的规律，近几年来成为大气遥感水汽的最有效最有希望的方法之一，在气象研究中开始得到广泛的应用，特别是应用于中小尺度天气的短时和超短时预报，对改进数值天气预报和气候模式模拟均具有极为重要的意义。

随着GPS/MET技术在我国的发展，利用地基GPS探测大气可降水量(简称GPS-PWV)的研究与应用在我国也已经走过了大致3个阶段:20世纪90年代中期为前期预研,20世纪90年代后期为科学试验，21世纪初开始建立业务试验系统，且有一些地区已进入实时应用阶段，GPS-PWV被广泛应用于天气、气候、人工影响天气等领域的研究和业务。二、GPS-PWV用于灾害性天气监测分析预报

台风、暴雨等灾害性天气分析预报，对水汽输送、水汽辐合的分析至关重要。特别是在雷暴、冰雹等强对流天气演变过程中，水汽变化十分迅速，水汽场的分布、垂直输送和相变是制约其发展的动力机制之一。所以，高时效、高空间分辨率地获取大气水汽场是准确地分析天气系统的演变、进行监测和预报的关键环节之一。

利用地基GPS探测大气可降水量时空分布的可行性研究，是将GPS-PWV资料引入天

气预报的第一步。我国20世纪90年代进行了大量的预研和科学试验，从GPS探测水汽的原理、精度评定、误差分析以及可行性研究等方面取得了成果。从1995年起，国家卫星气象中心、北京大学等单位联合开展了利用地基高精度双频GPS接收机信号反演大气积分水汽含量的专题研究，得到精度为2mm左右的GPS大气可降水量和中层1K的温度反演廓线；经详细验证，确认了利用GPS信号反演大气可降水总水汽含量PWV方法的可行性，即GPS获得的PWV与常规探空得到的PWV 之间相对误差小于10%。1996年，中国科学院上海天文台和上海中心气象台联合开展了我国首次GPS气象学试验[1]，试验收集了覆盖全国的23个站和我国周边的6个国际GPS服务(IGS)基准站为期6天的GPS观测资料，解算得到了精度为1～2mm的可降水量，与探空可降水量的结果基本符合，试验结果初步验证了地基GPS水汽观测为气象服务的可行性和可靠性。

在灾害性天气中应用的可行性研究中，毛节泰等反演了1997年7月31日～8月20日东亚地区台风和强风暴通过时PWV随时间的变化曲线，并与探空资料获得的PWV比较，均方偏差5mm。证明了GPS测量大气可降水量PWV方法的可行性和应用价值，也指出了提高其精度的途径。与此同时，上海天文台开展了国内第一个GPS/storm实验[2],考虑到上海地区在台风和气候变化较剧烈的季节因素，选择了1997年8月间的两个观测时段，实验结果表明，地面GPS网有可能获得几乎实时、连续和高精度的可降水量值，它的结果很好地与实时降雨量和降雨过程相对应。在1998年5～6月的“海峡两岸及邻近地区暴雨试验”(HUAMEX)中,中国气象科学研究院在广东的汕头和阳江设置GPS观测站,进行了小规模的地基GPS长时间持续估测大气水汽总量的外场试验；成功地获取了每30分钟一次的GPS-PWV,与大量探空资料得到的大气水汽总量演变趋势一致，两者偏差的均方差为4.3mm。并且GPS-PWV有明显的周期性变化，与实际降雨过程存在密切相关同步变化的关系，即一个降雨过程的孕育-降雨-结束，对应着可降雨量的演变过程是上升到高值-保持在高值-递减至低值[3,4]。以上的试验均证明，用GPS技术可精确测定大气层中的水汽含量和可降水量,可实时连续监测大气层中可降水量的动态变化过程。因此,,GPS-PWV为提高预报降水精度和灾害性天气的准确性提供了有力的工具。分析GPS-PWV资料时间变化与实际降水过程的时段、强度和范围，局地环流、地形等因子的关系，对地基GPS资料用于提高预报降水和灾害性天气的准确性具有重要作用。通过大量的GPS-PWV资料用于灾害性天气（如台风、暴雨、雷暴等）的临近预报(nowcasting)的试验分析表明,预报员可以较好地利用GPS-PWV资料对灾害性天气发生概率作出客观评估，从而提升临近预报的能力。

2000年汛期，国家卫星气象中心、北京大学和北京市气象局等单位联合在北京地区进行了我国首次利用区域性地基GPS网遥感大气总水汽量的试验(简称GPS/VAPOR 试验),对北京地区夏季水汽进行了组网观测。研究了北京地区夏季大气PWV的分布和时序变化特征，指出在降雨预报中应综合考虑PWV的前期平均水平、短时增幅和峰值大小等三项条件。在对强降雨的个例分析中，梁丰等[5]通过制作北京地区PWV值水平分布的三小时差值图分析暴雨过程的水汽输送差异，曹云昌等[6]结合云图资料进行分析，面上显示的PWV的变化和红外云图资料显示的中小尺度系统的变化是一致的，GPS-PWV可作为台站短期降水预报的一个指标使用。2002年6～7月,北京大学与国家卫星气象中心联合在安徽进行的GPS外场观测实验中，也发现单站水汽的持续累积和水汽输送可以通过GPS-PWV的时间变化序列结合NCEP资料计算的水汽通量来估算[7]。

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