李國平

(成都信息工程學院1.大氣科學學院;2.高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川成都610225)

0 引言

由于運用GPS(global positioning system，全球定位系統(tǒng))技術(shù)估算大氣水汽總量是20世紀90年代興起的一種極有潛力、實用價值很大的一種大氣探測新方法或新技術(shù)(李國平等，2010)，所以近年來GPS氣象監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)(包括與地震、測繪、天文、勘察設(shè)計、規(guī)劃等部門的合作建設(shè)、資料共享)已在全國各氣象部門得到極大重視，并得到大力推進，通過多種方式已建立起不少局域地基GPS觀測網(wǎng)。

盡管國家、部門和地方為建設(shè)這些地基GPS監(jiān)測網(wǎng)投入了大量的人力和物力，并已獲取、積累了大量的GPS原始資料，但由于GPS氣象學是一門多學科交叉的新興、前沿學科，GPS水汽監(jiān)測技術(shù)掌握和產(chǎn)品應(yīng)用具有原始觀測數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用、處理環(huán)節(jié)多、技術(shù)較復雜等特點(圖1)。目前氣象業(yè)務(wù)部門尚存在以下問題亟待解決:1)缺乏系統(tǒng)有效地處理、分析資料的技術(shù)與方法，積累的大量GPS原始觀測資料無法及時轉(zhuǎn)化為天氣預(yù)報員可以直接運用的水汽產(chǎn)品;2)GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)與氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)如何對接，如何將反演出的GPS水汽產(chǎn)品變成一種預(yù)報員易用、愛用、有用的參考信息，怎樣進一步把GPS大氣可降水量變化特征以判據(jù)或指標形式融合到預(yù)報決策系統(tǒng)中;3)GPS水汽產(chǎn)品在災(zāi)害性天氣短臨預(yù)報中如何具體應(yīng)用，更好體現(xiàn)其在增強天氣

圖1 地基GPS遙感水汽流程Fig.1 The procedure of deriving water vapor from ground-based GPS

預(yù)報手段、提高天氣預(yù)報準確率、促進氣象業(yè)務(wù)能力建設(shè)方面的重要作用;4)如何拓展GPS水汽產(chǎn)品在氣象業(yè)務(wù)及服務(wù)的領(lǐng)域，充分發(fā)揮其廣闊應(yīng)用潛力。這些問題的存在妨礙了GPS氣象學在我國的進一步發(fā)展，而解決這些問題卻是氣象業(yè)務(wù)和科研發(fā)展重要而緊迫的需求，因此，應(yīng)全面、深入、系統(tǒng)地開展這些方面的研究，這在水汽豐富同時水資源分布不均勻、旱澇災(zāi)害頻繁的西南地區(qū)尤為突出。

西南地區(qū)地形復雜，受青藏高原影響大，水汽充沛，天氣多變，夏季經(jīng)常發(fā)生局地性暴雨并可引發(fā)長江中下游地區(qū)的暴雨、洪水，給人民的生命、財產(chǎn)安全以及經(jīng)濟建設(shè)造成了巨大損失。為適應(yīng)長江上游生態(tài)屏障建設(shè)、空中水汽和水資源開發(fā)以及西部大開發(fā)形勢下經(jīng)濟、社會發(fā)展的要求，迫切需要在西部大開發(fā)中處于重要地位的西南地區(qū)盡快開展利用GPS技術(shù)遙感可降水量的研究和應(yīng)用性試驗工作，以實現(xiàn)GPS水汽產(chǎn)品在實時天氣預(yù)報中的業(yè)務(wù)化運行，并進一步拓展其在空中云水資源開發(fā)、人工影響天氣、數(shù)值模式資料同化、氣象決策服務(wù)等多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。另外，西南地區(qū)大氣環(huán)流和大氣水汽分布的特點以及天氣變化的特殊性，也使得GPS技術(shù)遙感可降水量的研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用可能具有與我國沿海地區(qū)或東部地區(qū)不同的特點，需要探索新的方法解決可能遇到的新問題。

本項目組通過四川盆地和成都地區(qū)兩個區(qū)域地基GPS觀測網(wǎng)的試驗及業(yè)務(wù)運行，獲得時間間隔30 min、可靠性符合氣象業(yè)務(wù)要求的大氣可降水量序列。這對提高天氣預(yù)報特別是災(zāi)害性天氣的預(yù)報能力及其準確率具有重要意義，為氣象部門更好地適應(yīng)社會對氣象預(yù)報不斷增長的要求提供了強有力技術(shù)支撐，研究成果對全國其他地區(qū)開展GPS氣象學方面的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，尤其是GPS水汽這種新資料在災(zāi)害性天氣預(yù)報中的具體應(yīng)用也有一定的推動和借鑒作用。該研究可為全國及各省地基GPS水汽監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)、資料處理，特別是GPS水汽產(chǎn)品在災(zāi)害性天氣短臨預(yù)報中的具體應(yīng)用提供技術(shù)支持和針對性指導。項目的成果將直接應(yīng)用于天氣預(yù)報業(yè)務(wù)并具有拓展到其他氣象服務(wù)領(lǐng)域(如旱澇監(jiān)測與預(yù)測、空中水資源開發(fā)、人工影響天氣、數(shù)值天氣預(yù)報、城市氣象、氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)等)，并具有廣闊的多行業(yè)(衛(wèi)星導航定位、測繪、地震、水文水資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、天文、空間、航天等)、多領(lǐng)域、多功能的應(yīng)用前景。例如，地基GPS水汽監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)提供全天候、近實時、連續(xù)、高時空分辨率的水汽資料，除了用于災(zāi)害性天氣的水汽監(jiān)測和短時臨近預(yù)報等業(yè)務(wù)外，還可用于人工影響天氣(人影作業(yè)時機選擇)、空中云水資源的評估與開發(fā)利用、中尺度數(shù)值預(yù)報(提供水汽初始場)、局地環(huán)流與水汽循環(huán)分析以及與探空站、雷達、自動氣象站、WVR(water vapor radiometer，水汽輻射計或微波輻射計)等多源水汽觀測資料的對比與綜合應(yīng)用等氣象科研業(yè)務(wù)工作。

1 研究內(nèi)容與主要結(jié)果

本研究的主要內(nèi)容有:

1)優(yōu)選地基GPS觀測網(wǎng)原始數(shù)據(jù)氣象應(yīng)用的解算軟件(BerneseGPSSoftwareV4.2和GAMIT10.35)與解算方案。

2)建立適合川渝地區(qū)的靜力延遲和對流層加權(quán)平均溫度的最優(yōu)計算模型。

3)反演時間間隔30 min、可靠性符合氣象業(yè)務(wù)要求的大氣可降水量序列。

4)研究無線電探空氣象資料計算對流層可降水量方法、誤差分析及改進方案。

5)以利用探空氣象資料為主并積極探索多普勒天氣雷達探測的VIL(vertically integrated liquid water，垂直累積液態(tài)水含量或垂直積分液態(tài)水含量)、WVR探測的水汽含量來綜合評估地基GPS遙感可降水量的技術(shù)精度。

6)系統(tǒng)性研究GPS可降水量的時間變化水平空間分布，分析GPS可降水量與氣溫、比濕、輻射和降雨量等地面氣象要素以及與局地環(huán)流、水汽輸送和循環(huán)等大氣過程及地形的對應(yīng)關(guān)系。

7)設(shè)計GPS監(jiān)測的水汽產(chǎn)品在業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用流程，實現(xiàn)局域地基GPS觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時傳輸、數(shù)據(jù)解算、可降水量反演和GPS水汽產(chǎn)品的可視化，研發(fā)可搭建在氣象預(yù)報業(yè)務(wù)平臺MICAPS(meteorological information comprehensive analysis and process system，氣象信息綜合分析處理系統(tǒng))上的地基GPS水汽監(jiān)測業(yè)務(wù)化自動運行及業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，進行在天氣分析預(yù)報業(yè)務(wù)中的應(yīng)用試驗。

按照以上研究目標，本項目組與國內(nèi)外相關(guān)大學與業(yè)務(wù)單位開展了學術(shù)交流與合作，進行了8 a的持續(xù)性研究，建立了地基GPS/MET(GPS氣象學)本地化計算模型，例如對于成都地區(qū):Tm=54.5+0.78Ts(郭潔等，2008)，開發(fā)出GPS遙感大氣水汽的計算軟件包，反演出高時間分辨率的GPS可降水量資料序列，用較長時間探空資料評估了反演精度，得出均方根誤差為3.09～4.75 mm的結(jié)果(李國平等，2006a;郭潔等，2009a)，證實了GPS水汽監(jiān)測技術(shù)在四川為代表的西南地區(qū)氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性;分析了GPS水汽的時空分布特點，研究了GPS水汽產(chǎn)品在幾類典型性災(zāi)害性天氣中的演變特征，探索了此項新型大氣探測技術(shù)及其產(chǎn)品在短時和臨近天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中的應(yīng)用方法。重點研究了GPS可降水量的時間變化、水平空間分布，分析了GPS可降水量與氣溫、氣壓、比濕、輻射和降雨量等地面氣象要素以及與大氣過程及地形的對應(yīng)關(guān)系。

本項目組先后進行了GPS可降水量的日循環(huán)合成分析(李國平等，2006b)，GPS可降水量在華北暴雨(李國翠等，2008a)、西南暴雨(郭潔等，2009a)、華西秋雨(陳嬌娜等，2009b)、四川盆地夜雨(李國平等，2006b)、低渦降水(郭潔等，2009a)、冰凍雨雪(郭潔等，2009b)、大霧及人工增雨中的應(yīng)用研究，以及不同云系降水過程(李國翠等，2008b)、不同類型降雨過程(郭潔等，2009a)中GPS可降水量的對比分析，已初步形成GPS可降水量應(yīng)用于天氣預(yù)報的一些具體方法和預(yù)報指標;歸納出實時GPS可降水量在強降水預(yù)報等領(lǐng)域應(yīng)用的業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)了地基GPS監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)實時傳輸、數(shù)據(jù)解算、可降水量反演和GPS水汽產(chǎn)品的圖形顯示，開發(fā)設(shè)計出GPS水汽產(chǎn)品應(yīng)用于天氣分析預(yù)報的軟件包以及搭建在MICAPS平臺上的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)(圖2)，在多個省份的氣象業(yè)務(wù)單位進行了GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)及其反演的水汽產(chǎn)品在天氣分析預(yù)報中的試應(yīng)用。

圖2 地基GPS水汽監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)示意Fig.2 The application system of water vapor monitored by ground-based GPS

2 與當前國內(nèi)外同類研究比較

本研究利用長達40 a的探空氣象資料，分為不同時次、不同要素作回歸因子，建立了西南地區(qū)地基GPS遙感大氣水汽的本地化計算模型(郭潔等，2008)，相對于過去國內(nèi)外一般用1～2 a的探空資料而言，提高了本地化計算模型的可靠性(表1)以及GPS反演水汽的精度(表2—4)。

相對于過去國內(nèi)外僅用幾天的少量樣本，用不

同季節(jié)、較多觀測樣本評估了GPS遙感水汽的精度，比較客觀地論證了GPS水汽產(chǎn)品在氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性。

表1 國內(nèi)外對流層加權(quán)平均溫度建模情況比較Table 1Comparison of estimating mean weighted temperature of the troposphere at home and abroad

表2 成都加權(quán)平均溫度的本地化計算模型與Bevis公式的比較(郭潔等，2008)Table 2Comparison of local models in Chengdu to Bevis's regression for estimating mean weighted temperature(Guo et al.，2008)

表3 張家口加權(quán)平均溫度的單因子和多因子本地化模型、Bevis公式與探空計算值的對比(李國翠等，2008a)Table 3Comparison of local model based on single factor，local model based on multiple factor and Bevis's regression to radiosonde for estimating mean weighted temperature in Shijiazhuang(Li et al.，2008a)

表4 國內(nèi)外地基GPS技術(shù)遙感大氣水汽的精度比較Table 4Comparison of the precision of precipitable water vapor derived from ground-based GPS in different studies at home and abroad

本項目組應(yīng)用GPS大氣可降水量資料和地面氣象資料綜合研究了不同氣候區(qū)(日本關(guān)東平原(Li et al.，2008)、中國華北平原(李國翠等，2008a)和中國成都平原(李國平等，2006a))、不同地形(山區(qū)、盆地、平原和海岸)條件下GPS監(jiān)測的大氣水汽量的日循環(huán)特征(Li et al.，2008)，首次從GPS可降水量所反映的水汽日變化特點揭示了“四川盆地多夜雨”的成因(李國平等，2006b)。

通過研究GPS水汽產(chǎn)品在幾類典型災(zāi)害性天氣以及人工增雨中的演變特征，本項目組揭示了其在短時臨近天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中的應(yīng)用方法和判據(jù)指標。其中，重點進行了GPS可降水量的日循環(huán)合成分析，GPS可降水量在西南暴雨、華西秋雨(秋綿雨)、四川盆地夜雨、低渦降水、冰凍雨雪、大霧、人工增雨中的應(yīng)用研究，以及不同云系降水過程、不同類型降雨過程中GPS可降水量的對比分析(圖3)。

相對于上海、北京、武漢建立的地基GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)重于觀測站網(wǎng)建設(shè)及水汽自動解算系統(tǒng)研發(fā)，本項目在研發(fā)水汽自動解算及業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的同時，更加側(cè)重于GPS遙感的水汽產(chǎn)品的客戶端應(yīng)用，對其在不同氣候區(qū)、不同地形條件下、不同天氣過程中的具體應(yīng)用方法進行了系統(tǒng)性研究，強化了對氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的針對性和指導作用(李國平等，2009)。

圖3 不同類型降雨天氣中GPS可降水量的合成日變化a.暴雨與小到中雨情形的比較;b.雨雪與無雨情形的比較Fig.3 Composite diurnal variations of GPS-PWV in different precipitation types a.heavy rain vs.sustained rain;b.snow and rain vs.no rain

3 存在的問題與發(fā)展方向

本研究在進一步提高GPS原始數(shù)據(jù)的解算精度，改善GPS可降水量序列的連續(xù)性(包括替代方案)和穩(wěn)定性，繼續(xù)深入開展GPS水汽產(chǎn)品在新一代MICAPS平臺上的多要素實時動態(tài)顯示及綜合分析、GPS水汽產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化應(yīng)用指標及應(yīng)用領(lǐng)域拓展、GPS水汽產(chǎn)品用于診斷水汽輸送通道和水汽季節(jié)轉(zhuǎn)換、數(shù)值模式GPS水汽資料同化、多源水汽觀測數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用、層析技術(shù)反演大氣水汽廓線(垂直分布)、4D水汽場分析及可視化等方面還有很大的拓展空間。

具體的發(fā)展方向有:進一步提高GPS原始數(shù)據(jù)的解算精度，研究不同情況下(地形、氣候區(qū)、觀測網(wǎng)、軟件、參數(shù)設(shè)置等)的解算、反演精度;研究地基GPS探測水汽技術(shù)在川西高原的適用性、特殊性(與成都平原的比較)及其應(yīng)對措施;根據(jù)配套自動氣象站的觀測要素和時次，采用智能算法，建立精度更高的加權(quán)平均溫度本地化計算模型;改善GPS可降水量序列的連續(xù)性(包括替代方案)和穩(wěn)定性;研究“5.12”汶川特大地震后對地基GPS觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響及其處理措施;GPS水汽產(chǎn)品在MICAPS V3.1上的多要素實時動態(tài)顯示及綜合分析;探索GPS可降水量及其變率與實際降水量的定量關(guān)系;GPS水汽產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化應(yīng)用指標和應(yīng)用流程;GPS水汽產(chǎn)品用于西南渦外場加密觀測試驗及第三次青藏高原大氣科學試驗中的相關(guān)研究;GPS水汽產(chǎn)品用于水汽輸送通道和水汽季節(jié)轉(zhuǎn)換的診斷研究;多源水汽觀測數(shù)據(jù)(探空、GPS/MET、自動站、雷達、衛(wèi)星、微波輻射計、再分析)的集成應(yīng)用;GPS水汽產(chǎn)品在西南區(qū)域數(shù)值預(yù)報模式中的同化試驗及業(yè)務(wù)應(yīng)用;層析技術(shù)反演大氣水汽廓線(垂直分布)的研究及試驗，4D水汽場分析及可視化等。

致謝:本項目組的主要成員還有四川省專業(yè)氣象臺郭潔、石家莊市氣象臺李國翠、廈門市氣象臺陳嬌娜、成都信息工程學院大氣科學學院碩士王皓(現(xiàn)為南京信息工程大學博士生)、四川省氣象臺郝麗萍、成都市氣象局謝娜、西南交通大學黃丁發(fā)和成都市氣象局黃文詩;四川省氣象局、成都市氣象局領(lǐng)導對本研究給予了寶貴支持，在此一并表示感謝。

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