陳小雷，仝美然，景 華，馬翠平，李國(guó)翠

（1.河北省氣象臺(tái)，河北石家莊050021;2.河北省氣象服務(wù)中心，河北石家莊050021;3.石家莊市氣象局，河北石家莊050081）

一、引 言

地基GPS氣象學(xué)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)(GPS)主動(dòng)遙感地球大氣的多學(xué)科交叉技術(shù)，也是一門(mén)新興前沿學(xué)科。利用地基GPS技術(shù)可以獲得高精度、連續(xù)、實(shí)時(shí)的大氣水汽資料，而大氣中水汽分布和變化對(duì)于降水天氣的發(fā)生具有重要的作用，對(duì)于暴雨、雷暴、熱帶氣旋等天氣及時(shí)提供準(zhǔn)確的大氣水汽含量和變化信息，可以提高和改善氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率［1］，利用地基GPS反演的大氣水汽資料對(duì)于改善中尺度天氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式性能也具有重要的意義［2］。

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代中期由國(guó)家衛(wèi)星氣象中心和北京大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行了地基GPS/MET的研究，利用地基GPS資料對(duì)大氣可降水量進(jìn)行了反演，2000年在北京地區(qū)進(jìn)行了我國(guó)第一次地基GPS水汽試驗(yàn)，2001年在973暴雨項(xiàng)目的觀測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目中在安徽進(jìn)行了地基GPS的外場(chǎng)試驗(yàn)，完善了地基GPS反演大氣可降水量技術(shù)。

2003年中國(guó)氣象局在河北省建立了石家莊、秦皇島、張家口3個(gè)地基GPS站，組成了我國(guó)第一個(gè)地基GPS遙感水汽試驗(yàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)［3］。2009年6月河北省氣象局和河北省測(cè)繪局聯(lián)合建立了27個(gè)地基GPS站，為開(kāi)展大范圍地基GPS資料在氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用奠定了條件。而利用地基GPS資料在氣象中業(yè)務(wù)應(yīng)用也存在著諸多關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)問(wèn)題:一是如何建立實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，把地基GPS原始觀測(cè)資料快速轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)人員所需要的高精度大氣水汽產(chǎn)品;二是地基GPS反演出的大氣水汽產(chǎn)品可信度和精度與傳統(tǒng)探測(cè)大氣水汽資料相比質(zhì)量如何［4］;三是如何建立一個(gè)被業(yè)務(wù)人員認(rèn)可、應(yīng)用方便的業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái);四是地基GPS反演出大氣水汽資料如何在降水、暴雨等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)中得到具體應(yīng)用。為此，河北省氣象臺(tái)陸續(xù)開(kāi)展了對(duì)地基GPS大氣水汽監(jiān)測(cè)和地基GPS資料在氣象業(yè)務(wù)中的技術(shù)研究，并取得了一階段性的成果。

二、關(guān)鍵技術(shù)成果

1.建立河北省氣象部門(mén)地基GPS資料處理業(yè)務(wù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地基GPS原始觀測(cè)資料到水汽產(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)化，是應(yīng)用地基GPS資料的基礎(chǔ)。其基于Linux系統(tǒng)平臺(tái)，以高精度 GAMIT軟件為支撐，開(kāi)發(fā)了地基GPS原始資料反演大氣水汽產(chǎn)品的軟件包，該軟件包根據(jù)GPS反演大氣水汽的基本原理，對(duì)地基GPS原始數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和從IGS下載的精密星歷文件等信息實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多站點(diǎn)地基GPS原始資料解算和大氣水汽產(chǎn)品反演［5］。

2.開(kāi)發(fā)地基GPS原始數(shù)據(jù)傳輸軟件

通過(guò)研究初步制訂了地基GPS原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)男袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)了地基GPS原始數(shù)據(jù)傳輸軟件。該軟件以Windows為操作平臺(tái)，采用Delphi語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了地基GPS應(yīng)用的3類數(shù)據(jù)文件(氣象數(shù)據(jù)文件、GPS觀測(cè)文件、星歷文件)傳輸及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等，為保證地基GPS資料實(shí)時(shí)處理提供了保證。

3.建立地基GPS水汽產(chǎn)品應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺(tái)

該平臺(tái)為業(yè)務(wù)人員應(yīng)用地基GPS水汽資料提供了方便，它應(yīng)用Java環(huán)境，針對(duì)氣象部門(mén)實(shí)際業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了多種形式的大氣水汽產(chǎn)品輸出。平臺(tái)具有對(duì)單站地基GPS大氣水汽產(chǎn)品實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并可以與氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素的同步對(duì)比分析功能。同時(shí)，還具有大氣水汽變量的動(dòng)態(tài)變化分析功能，具有可把當(dāng)前時(shí)次大氣水汽與前1小時(shí)、前2小時(shí)和前3小時(shí)的對(duì)比分析，從而能夠更好地反映出大氣水汽變化與大氣降水量的關(guān)系，并從中建立降水預(yù)報(bào)指標(biāo)。

對(duì)區(qū)域水汽資料，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域大氣水汽平面動(dòng)態(tài)分析，利用河北30個(gè)地基GPS站反演的單站水汽資料，采用數(shù)值插值技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域水汽平面動(dòng)態(tài)分析，對(duì)于分析區(qū)域內(nèi)大氣水汽輸送路徑和大水汽中心具有很好的指示意義，為區(qū)域性強(qiáng)降水提供了參考。為做好同氣象部門(mén)統(tǒng)一應(yīng)用的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)MICAPS銜接，該系統(tǒng)還生成MICAPS格式的地基GPS水汽產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了與MICAPS業(yè)務(wù)平臺(tái)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享。

4.檢驗(yàn)對(duì)比

對(duì)地基GPS資料反演的大氣水汽產(chǎn)品與傳統(tǒng)探測(cè)的大氣水汽產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明地基GPS資料反演的大氣水汽產(chǎn)品在業(yè)務(wù)中是具有較高的實(shí)用價(jià)值［6］。地基GPS反演大氣水汽的精度一直是氣象工作者比較關(guān)注的問(wèn)題，為了證實(shí)地基GPS反演大氣水汽的可行性和準(zhǔn)確性，項(xiàng)目組選取了石家莊、張家口二站GPS反演的大氣水汽與利用常規(guī)探空資料計(jì)算的大氣水汽進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，利用地基GPS反演的大氣水汽精度要高于常規(guī)探空站資料的計(jì)算結(jié)果精度，而且利用兩種資料計(jì)算的大氣水汽變化趨勢(shì)是一致的，說(shuō)明GPS資料反演的大氣水汽值具有較高的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)通過(guò)誤差檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)單站GPS反演的大氣水汽資料有效半徑距離是有一定限度的，一般應(yīng)用范圍半徑不要超過(guò)30 km。

5.利用地基GPS反演的大氣水汽產(chǎn)品分析河北大氣水汽時(shí)空分布特征［7］

通過(guò)對(duì)石家莊、張家口、秦皇島3站地基GPS大氣水汽產(chǎn)品(簡(jiǎn)稱GPS/PWV)分析，發(fā)現(xiàn)3站的GPS/PWV月平均值變化總趨勢(shì)一致，從4—7月變化均是逐月增加，8—10月明顯下降，11月小幅下降，7月平均值為最大，11月值為最小。通過(guò)對(duì)海拔高度的3個(gè)GPS站分析，發(fā)現(xiàn)海拔較高的站GPS/PWV要小于海拔低的站。對(duì)2005年汛期期間石家莊、張家口、秦皇島3站GPS/PWV日平均值變化，發(fā)現(xiàn)在6月下旬和7月中旬有兩次明顯的快速上升特征，在8月中旬有明顯的快速下降特征，此特征與2005年河北汛期降水多雨時(shí)段和少雨時(shí)段變化相一致。

提出了利用每月非降水時(shí)段GPS/PWV平均值作為當(dāng)月降水預(yù)報(bào)的基值［8］。通過(guò)對(duì)多個(gè)個(gè)例資料分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的大多數(shù)降水過(guò)程GPS/PWV值要高于當(dāng)月基值，而且不同的天氣系統(tǒng)其GPS/PWV變化特征不相同，但大部分降水過(guò)程前24 h之內(nèi)GPS/PWV值有在1～3 h內(nèi)增長(zhǎng)4～5 mm以上的急升出現(xiàn)，此值可以作為降水預(yù)測(cè)的指標(biāo)之一。

通過(guò)利用對(duì)地基GPS反演的大氣水汽資料在強(qiáng)降水、暴雨等災(zāi)害性天氣過(guò)程的研究分析，揭示了地基GPS水汽資料在降水、暴雨等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)中的預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)，為提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供了新的預(yù)報(bào)工具和支撐。

三、應(yīng)用分析

1)總結(jié)了GPS/PWV在大雨及以上降水過(guò)程中的預(yù)報(bào)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)25次大雨以上天氣過(guò)程分析，發(fā)現(xiàn)GPS/PWV日最大值平均值為67.2 mm，有降水出現(xiàn)時(shí)的GPS/PWV平均值介于32.5～78.1 mm之間，平均值為62.4 mm。與對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的GPS/PWV旬平均值相比，降水日的GPS/PWV距平均值為14.8 mm，均出現(xiàn)在GPS/PWV高于旬平均值時(shí)。暴雨日 GPS/PWV日最大值介于63.7～75.5 mm之間，平均值為70.6 mm;日均值介于48.2～69.0 mm之間，平均值為59.4 mm。

2)通過(guò)對(duì)不同性質(zhì)降水過(guò)程的GPS/PWV分析，揭示了對(duì)流性降水和非對(duì)流性降水過(guò)程的GPS/PWV特征。

對(duì)于對(duì)流性降水過(guò)程，其GPS/PWV表現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，降水開(kāi)始前和結(jié)束后，GPS/PWV分別表現(xiàn)為階段性快速遞增或遞減，降水強(qiáng)度的強(qiáng)弱與大氣水汽的峰值及變化幅度密切相關(guān);當(dāng)降水強(qiáng)度出現(xiàn)極大值時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻或隨后一小時(shí)GPS/PWV常會(huì)出現(xiàn)輕微下降趨勢(shì);強(qiáng)降水出現(xiàn)前，GPS/PWV有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不產(chǎn)生降水的次峰值，這種特征可以作為對(duì)流性天氣出現(xiàn)的某種預(yù)警指示。

對(duì)于穩(wěn)定性降水過(guò)程，降水開(kāi)始前和結(jié)束后，GPS/PWV分別有一段遞增和遞減的變化過(guò)程;降水期間，對(duì)應(yīng)的GPS/PWV普遍高于歷年月平均基值;GPS/PWV值的高低及變化趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)的天氣形勢(shì)的配置和移速有很大關(guān)系。穩(wěn)定性降水的GPS/PWV變化相對(duì)平緩，降水量的多少很大程度上取決于高值大氣水汽的持續(xù)時(shí)間;當(dāng)降水強(qiáng)度出現(xiàn)極大值時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻前后的一小時(shí)大氣水汽會(huì)持續(xù)維持高水平甚至還會(huì)繼續(xù)上升;降水強(qiáng)度極大值與GPS/PWV極大值出現(xiàn)時(shí)間不一定吻合，但強(qiáng)降水通常出現(xiàn)在GPS/PWV高值階段，大氣水汽的高值階段往往對(duì)應(yīng)著較高的降水概率。

3)揭示了河北夏季兩類暴雨天氣系統(tǒng)GPS/PWV的特征，為暴雨預(yù)報(bào)提供了預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)。

副熱帶高壓北進(jìn)和南退型暴雨GPS/PWV特征［9］。降水通常出現(xiàn)在大氣水汽GPS/PWV高于基值時(shí)，其中大氣水汽的極大值階段往往對(duì)應(yīng)著強(qiáng)降水;大氣水汽GPS/PWV上升后期，一般水汽和不穩(wěn)定能量已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累，滿足高能、高濕條件，一旦配合有擾動(dòng)發(fā)生(在副高的邊緣)，就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的對(duì)流性降水，大氣水汽GPS/PWV表現(xiàn)為急劇上升特點(diǎn);在大氣水汽GPS/PWV下降初期，GPS/PWV雖有所減小但仍高于正常水平，降水趨于減弱但仍會(huì)維持弱降水。

高空冷渦型暴雨 GPS/PWV特征［10］。高空冷渦降水對(duì)應(yīng)的大氣水汽GPS/PWV值一般位于40 mm以上，過(guò)程最大值為50.0～53.7 mm。大氣水汽GPS/PWV呈單峰型分布，表現(xiàn)為“升-降”趨勢(shì)。降水開(kāi)始于大氣水汽GPS/PWV的極大值前后，即上升階段的后期或下降階段的初期，分別比大氣水汽GPS/PWV極大值出現(xiàn)的時(shí)間偏早1～4 h或偏晚1～2 h。后期降水強(qiáng)度弱，大氣水汽GPS/PWV呈下降趨勢(shì)，但仍高于40 mm;當(dāng)大氣水汽迅速減小到40 mm以下時(shí)，預(yù)示著降水的結(jié)束。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地基GPS大氣水汽監(jiān)測(cè)及在氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究，建立的地基GPS資料實(shí)時(shí)處理和水汽解算系統(tǒng)為實(shí)時(shí)處理地基GPS資料提供了技術(shù)支撐，開(kāi)發(fā)的地基GPS水汽產(chǎn)品應(yīng)用平臺(tái)為氣象部門(mén)應(yīng)用地基GPS資料提供了方便，氣象業(yè)務(wù)人員可利用平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣水汽變化，通過(guò)對(duì)多年資料分析總結(jié)的強(qiáng)降水、暴雨等預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)為提供天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供了新的技術(shù)支撐。

由于研究水平和時(shí)間等限制，本項(xiàng)目在技術(shù)研究中還存在著一定的問(wèn)題，地基GPS資料在氣象業(yè)務(wù)中應(yīng)用技術(shù)還需要深入開(kāi)展，例如，如何進(jìn)一步提高GPS反演大氣水汽產(chǎn)品的精度，如何提高GPS資料實(shí)時(shí)處理的穩(wěn)定性和時(shí)效性，并充分利用其生成的大氣水汽產(chǎn)品研究在多類暴雨天氣系統(tǒng)中的應(yīng)用以及在冬季降雪、大霧等預(yù)報(bào)中的應(yīng)用技術(shù)等，還需要下一步的深入研究。

［1］ 陳永奇，劉焱雄，王曉亞，等.香港實(shí)時(shí)GPS水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2007，36(1):9-12.

［2］ 張朝林，陳敏，KUO Ying-hwa.“00.7”北京特大暴雨模擬中氣象資料同化作用的評(píng)估［J］.氣象學(xué)報(bào).2005，63(6):921-932.

［3］ 曹云昌，方宗義，夏青，等.中國(guó)地基GPS氣象應(yīng)用站網(wǎng)建設(shè)展望［J］.氣象，2006，32(11):42-47.

［4］ 王勇，柳林濤，郝曉光，等.武漢地區(qū)GPS氣象網(wǎng)應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2007，36(2):141-145.

［5］ 陳小雷，馬翠平，仝美然.河北地基GPS水汽觀測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)［C］∥測(cè)繪科學(xué)前沿技術(shù)論壇論文集.北京:中國(guó)地圖出版社，2008.

［6］ 陳小雷，景華，仝美然，等.地基GPS遙測(cè)大氣水汽應(yīng)用精度和范圍探討［J］.氣象科技，2009，37(1):85-88.

［7］ 景華，陳小雷，仝美然，等.河北省地基GPS遙測(cè)大氣可降水量特征初探［J］.河北氣象，2006，25(4):12-19.

［8］ 陳小雷，景華，仝美然，等.地基GPS遙測(cè)大氣可降水量在天氣分析中的應(yīng)用［J］.氣象，2007，33(6):19-24.

［9］ 李國(guó)翠，李國(guó)平，陳小雷，等.一次西太平洋副熱帶高壓進(jìn)退過(guò)程中暴雨的GPS可降水量特征［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(4):393-399.

［10］ 李國(guó)翠，李國(guó)平，王叢梅，等.應(yīng)用GPS可降水量和加密自動(dòng)站資料對(duì)一次高空冷渦暴雨的分析［J］.云南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，32(S2):194-200.