張華龍，張恩紅，胡東明，鄧文劍

（1．廣東省氣象臺，廣東廣州510080；2．廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州510080；3．廣州市氣象臺，廣東廣州510080）

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GPS可降水量在華南強(qiáng)對流過程的應(yīng)用效果

張華龍1，張恩紅2，胡東明3，鄧文劍1

（1．廣東省氣象臺，廣東廣州510080；2．廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州510080；3．廣州市氣象臺，廣東廣州510080）

摘 要：利用廣東省GPS地基網(wǎng)探測得到的大氣可降水量數(shù)據(jù)，結(jié)合多種探測資料、NCEP客觀分析資料等進(jìn)行分析，檢驗(yàn)地基GPS探測PWV的精度與誤差，并對PWV在2014年前汛期一次強(qiáng)對流過程的變化特征進(jìn)行分析。檢驗(yàn)結(jié)果表明，GPS探測PWV與探空PWV之間均方根誤差在3．05～4．07 mm范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)在0．82～0．85范圍內(nèi)，符合業(yè)務(wù)使用的需求。相比于NCEP客觀分析資料，GPS探測PWV時間分辨率更高、準(zhǔn)確性更好，因此嘗試使用風(fēng)廓線雷達(dá)、無線電探空數(shù)據(jù)與PWV進(jìn)行融合，開發(fā)單站比濕、水汽通量等水汽產(chǎn)品，探測局地水汽的增長，反映強(qiáng)對流天氣過程期間低空水汽輸送通道的建立。此外，PWV空間分布的大值區(qū)能夠揭示水汽輻合區(qū)，其變化同時也預(yù)示著雷暴單體和多單體雷暴發(fā)展和傳播方向的變化。

關(guān)鍵詞：大氣可降水量；強(qiáng)對流；水汽通量；雷暴發(fā)展?jié)搫荩蝗A南

張華龍，張恩紅，胡東明，等．GPS可降水量在華南強(qiáng)對流過程的應(yīng)用效果［J］．廣東氣象，2016，38（3）：6 -11．

形成大氣中的降水過程，充足的水汽供應(yīng)是必備條件之一，水汽輸送條件的變化對于不同尺度天氣系統(tǒng)均存在重要影響［1 -3］。但僅依據(jù)目前常規(guī)的大氣探測手段，很難及時了解高空水汽的突變狀況。利用GPS地基站網(wǎng)探測得到的整層大氣可降水量（precipitable water vapor，PWV）可以彌補(bǔ)這一觀測需求。在不同的天氣系統(tǒng)影響下，PWV會呈現(xiàn)不一樣的變化特征，如冷鋒［4］、南方暴雨［5］、梅雨［6］等。在華南地區(qū)前汛期，由于高緯度冷空氣和低緯度暖濕氣團(tuán)交替影響，降水性質(zhì)比較復(fù)雜［7 -8］，而水汽條件作為觸發(fā)和維持強(qiáng)降水其中的一個重要因子，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注［8 -11］，已有多種新型探測資料應(yīng)用于強(qiáng)降水過程的水汽條件分析［12 -13］，部分工作也涉及對PWV的分析，但在廣東省，卻缺乏對PWV數(shù)據(jù)的系統(tǒng)檢驗(yàn)工作，也缺乏PWV在強(qiáng)對流天氣過程中的相關(guān)應(yīng)用工作。因此本研究進(jìn)行了相關(guān)檢驗(yàn)工作，并挑選了2014年3月份一次強(qiáng)對流天氣過程，將GPS探測PWV數(shù)據(jù)與常規(guī)探測數(shù)據(jù)、NCEP客觀分析資料進(jìn)行對比，以及嘗試?yán)枚喾N探測數(shù)據(jù)融合生成單站垂直比濕、水汽通量產(chǎn)品，結(jié)合空間PWV分布，對強(qiáng)對流過程中的水汽條件進(jìn)行分析，探討水汽輻合區(qū)變化對雷暴傳播機(jī)制的影響，以期得到PWV在降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1　資料與計(jì)算方法

1．1數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用的GPS資料來源于廣東省地基GPS監(jiān)測網(wǎng)（包括氣象局站和國土局站共87個基站）［14］。使用的PWV計(jì)算軟件為天寶軟件（Trimble Navigation Limited）開發(fā)的Trimble Pivot Platform平臺［15］。反演方法為利用多個地基高精度GPS接收機(jī)，以及多枚定位衛(wèi)星之間信號傳輸?shù)难舆t量ZTD，計(jì)算濕延時量ZHD，具體計(jì)算方法在Suparta［16］的工作中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

除PWV以外，本研究分析使用資料還包括廣東省4個探空站（陽江、清遠(yuǎn)、河源、汕頭）無線電探空數(shù)據(jù)、泛華南區(qū)域3 km高度雷達(dá)拼圖、NCEP全球客觀分析資料（1°×1°）、陽江站風(fēng)廓線雷達(dá)探測的邊界層垂直風(fēng)場數(shù)據(jù)等。

1．2單站水汽產(chǎn)品計(jì)算方法

Neiman［17］在分析迎風(fēng)坡降水過程中，提到單站比濕與水汽通量產(chǎn)品的重要性，在沿海地區(qū)，對水汽平流的探測能夠改善陸地降水的預(yù)報(bào)能力。陽江站位于廣東省西南部沿海，在華南地區(qū)前汛期，當(dāng)西南暖濕氣流爆發(fā)時，陽江站能夠首先探測到水汽增長信息，因此該站探空數(shù)據(jù)成為了預(yù)報(bào)員分析天氣形勢的重要參考資料。但由于常規(guī)探空數(shù)據(jù)分辨率為12 h，難以及時反映水汽突變狀況，因此本研究嘗試?yán)藐柦綪WV資料，結(jié)合該站風(fēng)廓線雷達(dá)探測資料，計(jì)算陽江單站比濕和水汽通量產(chǎn)品，可用于為低空水汽的變化狀況提供參考信息。由于該次分析尚未應(yīng)用GPS層析技術(shù)，未能獲得水汽密度廓線信息，因此水汽密度廓線暫時采用探空數(shù)據(jù)代替，具體處理方法為：1）計(jì)算650 hPa以下各高度層比濕與可降水量的比值；2）采用3次樣條插值方法，計(jì)算逐小時的比濕與可降水量比值；3）利用GPS探測PWV與第2步得到的比濕與可降水量比值，計(jì)算得到650 hPa以下各高度層比濕，并結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)探測的逐層風(fēng)場資料，計(jì)算水汽通量。由于無線電探空時間分辨率較低（12 h），插值后形成時間分辨率為1 h的數(shù)據(jù)，不可避免具有一定誤差，這部分誤差在水汽條件變化較大的轉(zhuǎn)折性天氣過程中可能更明顯，因此將來需結(jié)合多源觀測資料，如GPS層析技術(shù)、微波輻射計(jì)等對水汽密度廓線進(jìn)行訂正處理，有助于提高水汽產(chǎn)品的準(zhǔn)確性。

2　降水過程概述

選取2014年3月28—31日強(qiáng)對流與強(qiáng)降水過程作為例子。圖1為過程期間廣東省逐日24 h降水量。3月28日白天，雷暴單體與多單體風(fēng)暴系統(tǒng)在850 hPa切變線南側(cè)的暖區(qū)頻生，強(qiáng)烈發(fā)展后主要向東南移動并貫穿廣東省，造成珠三角一帶以及陽江、云浮、茂名等市附近出現(xiàn)大到暴雨量級降水（圖1a）。30日為有組織強(qiáng)對流系統(tǒng)發(fā)展最旺盛的時間段，30日白天，不斷有超級單體與線狀對流系統(tǒng)自西向東影響廣東省，30日夜間，一條空間尺度達(dá)數(shù)百公里的颮線橫掃廣東省大部分地區(qū)。強(qiáng)對流活動造成廣東省大部分區(qū)域出現(xiàn)大暴雨量級降水，主要集中在珠三角一帶以及云浮、肇慶、惠州市，清遠(yuǎn)南部，韶關(guān)南部，河源南部等地區(qū)（圖1b）。31日白天，颮線東移出海，低空切變線南壓過境，低層轉(zhuǎn)受高壓脊控制，強(qiáng)對流過程短暫結(jié)束。

圖1 廣東省24 h降水量空間分布（單位：mm）

3　PWV數(shù)據(jù)質(zhì)量與應(yīng)用

3．1PWV數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)

檢驗(yàn)GPS探測PWV精度，目前普遍以探空站獲得的無線電探測溫濕數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得到的可降水量（PWVradio）為準(zhǔn)，檢驗(yàn)時多用均方根誤差、相對方差或相關(guān)系數(shù)等作為依據(jù)。圖2為2014年1—3月，廣東省4個探空站（陽江、清遠(yuǎn)、河源、汕頭）PWVradio與PWV時間序列圖和散點(diǎn)分布圖，其中缺測數(shù)據(jù)未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也未在圖中顯示。計(jì)算結(jié)果表明，4個站點(diǎn)PWVradio與 PWV之間的均方根誤差分別為3．85、4．07、3．40、3．05 mm，相關(guān)系數(shù)分別為0．82、0．82、0．85、0．85，均通過置信度為88．5%的顯著性檢驗(yàn)。國內(nèi)GPS探測PWV與探空的均方根誤差一般在4 mm以內(nèi)［18］，因此PWV的探測精度符合業(yè)務(wù)使用要求。從時間序列來看，在4個站點(diǎn)，兩套數(shù)據(jù)均具有較好的一致波動性；從時間分辨率來看，PWVradio為12 h，GPS探測PWV最高能夠達(dá)到15 min，因此PWV數(shù)據(jù)的高頻變化能更有效反映水汽短時變化。

圖2 2014年1—3月PWV與PWVradio時間序列（a）與散點(diǎn)分布（b）

3．2PWV與NCEP客觀分析資料對比分析

對于3月28—31日強(qiáng)對流天氣過程，低空水汽輸送起著十分關(guān)鍵的作用。為對比不同類型資料探測水汽增長的效果，對NCEP客觀分析資料的可降水量（PWVNCEP）與PWV進(jìn)行對比分析，對比站點(diǎn)為位于廣東省沿海的陽江站與汕頭站。從圖3可以看到，3月26—27日，低空急流爆發(fā)前，PWVNCEP與PWV均在30～40 mm范圍內(nèi)小幅震蕩。27日12：00以后，陽江站PWVNCEP開始逐漸上升，28日以后維持在40～45 mm水平，對應(yīng)著850 hPa暖濕急流輸送。在水汽增長期間，PWV 與PWVNCEP相比呈現(xiàn)不一樣的增幅，具體表現(xiàn)為：28日00：00，PWV開始迅速上升，28日12：00，PWV達(dá)到50．77 mm，此時PWVNCEP為37．3 mm，前者較后者高出13．47 mm。28日開始，PWV在45～60 mm區(qū)間內(nèi)震蕩，峰值最高接近60 mm，遠(yuǎn)高于PWVNCEP。除了增長幅度以外，PWVNCEP的增長落后于PWV，后期波動的峰值也遠(yuǎn)低于PWV。

與陽江站相比，汕頭站PWV與PWVNCEP的差距相對較小。兩種資料的差距主要體現(xiàn)在不同時次PWV波動幅度較大，而PWVNCEP波動幅度相對較小，如3月28日02：00，PWV峰值超過50 mm，顯著高于PWVNCEP（41．3 mm），而同一天的12：00，PWV谷值僅為33．52 mm，低于PWVNCEP（40．2 mm）。上述結(jié)果表明，在該次過程中，PWVNCEP對水汽可能存在較大低估，也未能很好地體現(xiàn)局地可降水量的日變化特征。

多數(shù)學(xué)者將單站PWV變化特征與降水量進(jìn)行分析，探尋二者之間的聯(lián)系，但在該次天氣過程中，單站PWV變化與降水并無顯著對應(yīng)關(guān)系。以陽江站為例（圖3a），3月28日00：00—12：00 與3月31日00：00—08：00，分別對應(yīng)2次短時降水過程，其中第2次降水過程降水效率超過20 mm/ h，達(dá)到短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)。2次降水發(fā)生前，PWV均出現(xiàn)顯著上升，尤其在第2次降水發(fā)生前，PWV在2 h內(nèi)上升7．8 mm，表明降水過程發(fā)生在PWV的上升區(qū)間。但對于汕頭站（圖3b），3月30日11：00—31日06：00出現(xiàn)了2次短時降水過程，均在PWV到達(dá)峰值并開始轉(zhuǎn)折下降之后。因此，短時降水既可能發(fā)生在PWV的上升區(qū)間，也可能發(fā)生在下降區(qū)間。對于單站PWV變化，應(yīng)將其視為大尺度水汽條件變化的體現(xiàn)，而不是局地性降水的唯一預(yù)警信號。

3．3單站水汽產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用

水汽通量與水汽通量散度均為分析降水過程的重要診斷量。有分析表明PWV與水汽通量相互之間能夠快速同步響應(yīng)，為強(qiáng)降水的發(fā)生提供預(yù)警信息［18］。因此本研究首次嘗試?yán)藐柦镜亩喾N觀測資料，計(jì)算單站比濕產(chǎn)品、水汽通量產(chǎn)品，為檢驗(yàn)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，將其與NCEP資料進(jìn)行對比。圖4為陽江站單站比濕產(chǎn)品與NCEP資料的對比結(jié)果。

圖3 2014年3月25—31日陽江站（a）和汕頭站（b）PWVGPS、PWVNCEP與小時降水量時間序列

圖4 2014年3月25—31日陽江站NCEP比濕（a）與單站比濕產(chǎn)品（b）時間-高度分布

從圖4可以看到，3月27日06：00 -3月28 日12：00，與3月28日18：00—4月1日00：00，NCEP資料和水汽產(chǎn)品在垂直方向上深厚發(fā)展的高濕區(qū)與水汽通量大值區(qū)均相互對應(yīng)，揭示了低空水汽輸送通道的建立。3月28日12：00，單站水汽產(chǎn)品的濕層伸展高度（比濕＞14 g/ kg氣團(tuán)上界所在高度）約為1．5 km（850 hPa）左右，與NCEP資料比較一致；而在3月30日12：00以后，水汽產(chǎn)品的濕層伸展高度低于NCEP資料，體現(xiàn)了兩者在描述水汽增長上的差別。另外，在3月26—28日期間，NCEP資料的低層比濕呈現(xiàn)逐步上升的特征，而單站水汽產(chǎn)品的低層比濕突然爆發(fā)增長，由于低空急流具有脈動爆發(fā)的特征，因此水汽產(chǎn)品更符合實(shí)際情況中的水汽增長特征。對于單站垂直水汽通量（圖略），28—28日，2種資料描述的水汽通量大值區(qū)（＞16 g·cm-1·hPa-1·s-1）的變化狀況比較一致；30—31日，水汽通量產(chǎn)品的大值區(qū)持續(xù)時間較NCEP資料短，所在高度也較NCEP資料高，這主要是由于2種資料描述經(jīng)向風(fēng)速差異所導(dǎo)致的。3月30日00：00—31日00：00，風(fēng)廓線雷達(dá)低層（＜3 km）經(jīng)向風(fēng)比NCEP資料小，31日18：00前后，NCEP資料850 hPa風(fēng)速（20 m/ s）也顯著大于水汽產(chǎn)品（12 m/ s），因此在這2個時間段，2套資料的水汽通量并不一致。

由此可見，水汽密度廓線信息的缺乏，以及風(fēng)廓線雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的可靠性，均會對水汽產(chǎn)品準(zhǔn)確性造成影響，在實(shí)際應(yīng)用中，要同時考慮多種數(shù)據(jù)質(zhì)量不一致造成的影響。但由于水汽產(chǎn)品能夠提供即時水汽信息，在缺少高空探測資料的時候，能夠?yàn)闃I(yè)務(wù)預(yù)報(bào)或預(yù)警提供定性判斷的參考資料。

4　多單體雷暴發(fā)生發(fā)展的水汽條件分析

單站水汽產(chǎn)品能夠反映水汽通量大值區(qū)的出現(xiàn)時間和高度，水汽的入流位置對于強(qiáng)對流發(fā)展?jié)搫莸念A(yù)警也具有參考作用。孫繼松等［20］討論了多單體雷暴的形成與傳播機(jī)制，認(rèn)為雷暴單體前部的低層暖濕入流是造成雷暴單體增強(qiáng)、傳播速度加快的主要因素。在強(qiáng)對流過程中，有大量強(qiáng)對流單體、多單體風(fēng)暴系統(tǒng)在上游地區(qū)生成，向東或偏東南方向移動。雷暴的發(fā)展?jié)摿εc移動方向是短臨預(yù)報(bào)中一個非常關(guān)鍵的問題，而PWV空間分布可以揭示空間水汽大值區(qū)，水汽含量豐富表明水汽在這一區(qū)域匯集，一般對應(yīng)著水汽輻合區(qū)。3月28—28日，有2次顯著的水汽輻合區(qū)發(fā)生位移導(dǎo)致雷暴發(fā)展移動方向發(fā)生改變的例子。例1：發(fā)生在3月28日21：00—28日02：00。3月28日21：00，廣西東部已有對流單體生成（圖5a），此時原位于珠三角以東惠州市北部、河源市西部的PWV大值區(qū)南移至惠州市南部、深圳市附近以及汕尾市西部一帶，PWV在這一區(qū)域變化值最大達(dá)到6 mm左右（圖5c），從28日02：00雷達(dá)拼圖可以看到（圖5b），多單體風(fēng)暴已向東南方向移動并迅速發(fā)展，且后部仍不斷有雷暴單體補(bǔ)充移近。例2：發(fā)生在3月30日06：00—11：00，30日06：00，在雷達(dá)拼圖上可見多單體雷暴不斷從廣東省中部橫貫而過，風(fēng)暴主要移向偏東，并在進(jìn)入廣東東部后轉(zhuǎn)向偏北（圖5d）。此后數(shù)個小時內(nèi)，PWV大值區(qū)位置發(fā)生了明顯變化，南部的PWV迅速上升，PWV變化值達(dá)到6～10 mm（圖5f），30日11：00，珠三角以東地區(qū)PWV大值區(qū)約為60 mm，珠三角以西則是相對低值區(qū)，2個區(qū)域之間形成明顯的等PWV梯度區(qū)。而此時位于廣東省西部的多單體風(fēng)暴，移動路徑已與前期有較大差別，在靠近珠三角地區(qū)時并沒有轉(zhuǎn)向東或者東北，反而折向東南（圖5e），表明在PWV大值區(qū)南移過程中，雷暴移動方向也跟隨南移。兩個例子表明，PWV空間分布可以描述水汽輻合區(qū)位置，對于短臨天氣預(yù)報(bào)判斷雷暴單體或多單體風(fēng)暴的移向具有一定參考作用。

圖5 泛華南區(qū)域3 km雷達(dá)拼圖（a、b、d、e，單位：dBz）與PWV（c．f）變化空間分布圖

5　結(jié)論

本研究首次對廣東省GPS探測PWV進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，并應(yīng)用于華南前汛期一次強(qiáng)對流過程中，結(jié)論如下：

1）通過對廣東省4個探空站（陽江、清遠(yuǎn)、河源、汕頭）的GPS探測PWV與探空PWV進(jìn)行對比，檢驗(yàn)GPS探測PWV的數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)的均方根誤差在3．05～4．07 mm范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)在0．82～0．85范圍內(nèi)，4個站點(diǎn)兩套資料差別均較小，表明廣東省GPS探測PWV符合業(yè)務(wù)使用需求；

2）NCEP客觀分析資料提供的分辨率較低的水汽數(shù)據(jù)不能及時反映局地水汽變化狀況，探測水汽的準(zhǔn)確性也不足，而GPS探測PWV的時間分辨率較高、精度較好，在探測水汽短時變化上具有較大優(yōu)勢。利用多種觀測資料開發(fā)陽江站比濕和水汽通量產(chǎn)品，能夠比較精細(xì)地表現(xiàn)水汽通量的強(qiáng)度、出現(xiàn)時間與高度，對于判斷強(qiáng)對流發(fā)生和發(fā)展的環(huán)境條件具有一定參考價(jià)值；

3）PWV空間分布能夠揭示水汽輻合區(qū)，分析表明雷暴單體與多單體風(fēng)暴均在PWV大值區(qū)所揭示的水汽輻合區(qū)內(nèi)發(fā)展，PWV大值區(qū)發(fā)生位移往往預(yù)示著雷暴移動方向即將改變，因此PWV的空間信息可以有助于判斷上游強(qiáng)對流的發(fā)展?jié)搫菖c移動傾向，在短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中可提供相關(guān)參考信息。

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Application of GPS Precipitable Water Vapor in Severe Convection in Southern China

ZHANG Hua-long1，ZHANG En-hong2，HU Dong-ming3，DENG Wen-jian1
（1．Guangdong Meteorological Service，Guangzhou 510080；2．Meteorological Measurements Center of Guangdong Province，Guangzhou 510080；3．Guangzhou Meteorological Service，Guangzhou 510080）

Abstract：With the data of atmospheric precipitable water vapor（PWV）measured at a land - based GPS network in Guangdong province as well as multiple types of observations and NCEP objectively analyzed data，we tested the accuracy and error of PWV detected by a land - based GPS network and analyzed the variations of a severe convective process during the annually first flooding season in 2014．As shown in the test，the root - mean - square error between the GPS - detected PWV and sounding PWV ranges from 3．05 to 4．07 and the correlation coefficient ranges from 0．82 to 0．85，which both meet the requirement of operational use．Compared with the NCEP objectively analyzed data，the former has higher temporal resolution and accuracy．Because of it，it is an attempt worthwhile to do to combine wind profilers and radiosonde data with PWV to develop products of specific humidity and water vapor for individual observation stations，detect the growth of local water vapor and describe the establishment of transporting channels for low - level water vapor during severe convective weather．In addition，the spatial distribution of areas of large PWV values indicate where water vapor converges and its variation also predicts the changes in the evolution and transportation of the cells of thunderstorms and multiple thunderstorms．

Key words：atmospheric precipitable water vapor；severe convection；water vapor flux；developing potential of thunderstorm；Southern China

中圖分類號：P458

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．002

收稿日期：2016 -01 -18

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（GYHY201406003）；華南區(qū)域中心科技攻關(guān)項(xiàng)目（GRMC2014Z02）；中國氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)（CMAYBY2015 -052）共同資助

作者簡介：張華龍（1888年生），男，碩士研究生，主要從事華南強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警工作。E - mail：zhlchris＠126．com