毛亞萍，劉海燕，高蕾，武鳳英，省天琛

(1．青海省基礎(chǔ)測繪院，青海 西寧 810001；2. 青海地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，青海 西寧 810001)

0 引 言

隨著測繪學(xué)、地球物理學(xué)和氣象學(xué)交叉學(xué)科的GPS氣象學(xué)(GPS/MET)技術(shù)迅速發(fā)展,其大氣可降水量的探測精度已經(jīng)能達(dá)到2 mm[1]．因?yàn)閷α鲗泳哂袇^(qū)域性差異,在不同緯度和不同時間，對流層的溫度、氣壓、水汽含量、露點(diǎn)溫度等參數(shù)差異較大．所以在計(jì)算大氣可降水量時,若在不同地區(qū)和季節(jié)采用相同的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)，將產(chǎn)生較大的誤差[2-4]．在如何通過建立大氣加權(quán)平均溫度來提高水汽反演的精度方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的科學(xué)研究,Bevis給出了地表溫度與大氣加權(quán)平均溫度之間的線性關(guān)系,并提出了適用于中緯度地區(qū)的Bevis經(jīng)驗(yàn)回歸公式[5];李建國等[2]計(jì)算了適用于中國東部地區(qū)和不同季節(jié)的大氣加權(quán)平均溫度模型;劉焱雄等[6]提出了適合香港本地的大氣加權(quán)平均溫度最優(yōu)回歸方程．通過研究發(fā)現(xiàn)，利用當(dāng)?shù)靥娇諗?shù)據(jù)計(jì)算得到的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)精度比Bevis公式高[7-9]．

就GPS水汽反演而言,主要需要解決的問題包括:1)需要適用于不同地區(qū)本地化的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù);2)需要同一區(qū)域不同時間水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的變化規(guī)律;3)需要不同地區(qū)水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的空間變化規(guī)律．

本文利用中國西南地區(qū)12個探空站點(diǎn)數(shù)據(jù)得到西南地區(qū)本地化的大氣加權(quán)平均溫度(Tm),算出當(dāng)?shù)厮D(zhuǎn)換參數(shù),再通過內(nèi)插得到適用于中國西南地區(qū)的水汽加權(quán)平均溫度,實(shí)現(xiàn)水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)本地化研究,并對得到的結(jié)果進(jìn)行了精度比較與時空變化分析．

1 基于地基GPS的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)本地化原理

基于地面GPS網(wǎng)絡(luò)的觀測數(shù)據(jù),可監(jiān)測大氣可降水量的變化．水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)(Π)的計(jì)算公式如下[10-14]:

(1)

式(1)中只有Tm為非常數(shù),因此Π值的變化僅與Tm相關(guān)．其中Tm計(jì)算公式離散化后為[15]

(2)

式中:z1和z2分別是大氣探空站點(diǎn)數(shù)據(jù)上下層的高度值;(z2-z1)為第i層大氣層的厚度;e為上下層的水汽壓,單位為hpa;T為氣溫,單位為K．

本文采用中國西南地區(qū)12個無線電探空站點(diǎn)2015年1月-2018年1月的探空資料，通過數(shù)值積分法來計(jì)算西南范圍內(nèi)各地級和縣級城市的Tm,得到其水汽轉(zhuǎn)換參數(shù),并對西南地區(qū)水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行時空特性分析．

2 數(shù)據(jù)處理與分析實(shí)驗(yàn)

2.1 GPS/MET水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)本地化處理

本文利用每日08:00和20:00的數(shù)據(jù)計(jì)算出Tm并得到其平均值,該平均值即為當(dāng)天的Tm值,在數(shù)據(jù)處理方面利用Fortran編程來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀入和計(jì)算．Bevis等根據(jù)美國北緯27°～65°的8 718次探空記錄,通過多次試驗(yàn),加強(qiáng)對精度的驗(yàn)證,回歸得出：Tm=70.2+0.72Ts[5],均方差為4.74 K,式中:Ts為地面溫度(K);Tm為加權(quán)平均溫度(K)．本文使用Fortran計(jì)算Tm數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示．

圖1 FORTRAN計(jì)算Tm數(shù)據(jù)處理流程

本文利用西南地區(qū)12個無線電探空站點(diǎn)2015-2018年的探空數(shù)據(jù),基于式(2)和Bevis回歸公式Tmb=70.2+0.72Ts,對各個站點(diǎn)的大氣加權(quán)平均溫度Tm及Tmb進(jìn)行了計(jì)算．再分別得到兩者對應(yīng)的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)．其中得到的本地化水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)(Π)如表1所示．

表1 2015-2018年西南各站點(diǎn)Π值

通過Bevis回歸經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出對應(yīng)的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)如表2所示．

表2 Bevis公式2015-2018年各站點(diǎn)Π值

本文將2015-2018年水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的本地化值和Bevis回歸公式計(jì)算得到的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行誤差檢驗(yàn),如表3所示．

當(dāng)Tm含有5 K的不確定度,大氣水汽總量會產(chǎn)生1.6%～2.1%的誤差,水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的誤差也會相應(yīng)改變.從表3可以看出,2017年和2018年精度相對較高,從站點(diǎn)來說,昌都水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的相對誤差一直保持最小,從總體來說,通過大氣探空站點(diǎn)計(jì)算的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)能達(dá)到精度要求,可以用于局部區(qū)域的本地化研究．

表3 2015-2018年西南各站點(diǎn)Π值相對誤差

2.2 西南地區(qū)水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的時空變化特征

將西南地區(qū)2015-2018年12個探空站點(diǎn)每日水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)取平均值得到月平均值和年平均值,并對12個站點(diǎn)水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)年平均值進(jìn)行反距離加權(quán)插值,得到其空間分布圖,如圖2所示，通過其空間分布圖也可以提取出該年各地級城市與縣級城市的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù),實(shí)現(xiàn)本地化處理．

從2015年到2018年水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的空間分布圖可以看出,昌都附近(圖2的中間區(qū)域)的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)在2018年有明顯的增長,2016年有較大的漲幅,而西藏地區(qū)基本保持不變,變化比較大的地區(qū)有四川西南部、云南中南部、貴州東南部,這是由于站點(diǎn)的海拔和緯度以及氣候的原因,使水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)產(chǎn)生了高低變化．同時,西南地區(qū)的降水季節(jié)變化和年際變化比較大,容易發(fā)生干旱,因此水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)在不斷地變化,Tm不斷升高．從水汽的分布特征來看,應(yīng)該是普遍存在的緯度效應(yīng)．

(a)2015年П值年平均值空間插值 (b)2016年П值年平均值空間插值

(c)2017年П值年平均值空間插值 (d)2018年П值年平均值空間插值圖2 2015-2018年Π值年空間插值圖

為了驗(yàn)證本文計(jì)算的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)Π隨時間的變化是否具有規(guī)律性,本文采用2015年西昌、那曲、思茅、甘孜、貴陽站點(diǎn)的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行月平均值變化規(guī)律分析,如圖3所示．

圖3 2015年Π值月平均值時間序列圖

如圖3所示,在2015年,甘孜、西昌、思茅、貴陽總體趨勢大致相同,都按照一起一伏變化,在每個季度都會有兩次峰值,說明水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)與氣候變化有著密切的相關(guān)性；而那曲附近地區(qū)從1月開始逐月升高,在8月達(dá)到最高值后又下降到0.150,根據(jù)之前的相關(guān)系數(shù)分析可以知道,是因?yàn)槟乔０巫罡?而海拔對水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響最為明顯,故在考慮水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)變化時,應(yīng)優(yōu)先考慮站點(diǎn)海拔的影響．

3 結(jié)束語

本文主要針對地基GPS 水汽遙感過程中水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)Π進(jìn)行本地化研究,計(jì)算得到了普遍適用于我國西南地區(qū)地基GPS水汽遙感的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)值,以及西南地級城市及縣級城市本地化水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)在2015-2018年的年、月和季度平均值.通過分析所得到的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù),得到以下結(jié)論:

1)利用探空數(shù)據(jù)計(jì)算的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)Π能達(dá)到精度要求,可以用于局部區(qū)域的本地化研究,其相對誤差在1.5%～2.0%．

2)我國西南地區(qū)的水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)Π的空間分布具有明顯的緯度帶分布特點(diǎn)．從水汽的分布特征來看,應(yīng)該是普遍存在的緯度效應(yīng)．其中,在站點(diǎn)位置與Tm相關(guān)性分析中,變化比較大的地區(qū)有四川西南部、云南中南部、貴州東南部,這主要是由于站點(diǎn)所屬的氣候和緯度以及海拔的原因,導(dǎo)致了水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)的高低變化．

3)在時間分布上,冬季降水少,太陽輻射相對強(qiáng),形成了昆明準(zhǔn)靜止鋒,水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)降低．故西南地區(qū)水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)每年冬季最低.夏季時由于溫度較高,所以達(dá)到最高,冬季到夏季溫度逐漸升高,夏季到冬季時,水汽轉(zhuǎn)換參數(shù)Π逐漸降低．