劉智敏，竇世標，李 斐，郭金運，劉 新，黃 磊

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院, 山東 青島 266590；2.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室 山東 青島 266590)

青島CORS站與探空站獲取的大氣可降水量對比分析

劉智敏1，2，竇世標1，李 斐1，郭金運1，劉 新1，黃 磊1

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院, 山東 青島 266590；2.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室 山東 青島 266590)

利用青島市4個CORS站2014年觀測資料，借助GPS高精度數(shù)據(jù)處理軟件Bernese，反演大氣可降水量(CORS/PWV)，并與對應(yīng)時段的由青島探空站資料計算得到的大氣可降水量(Radio/PWV)進行比較, CORS/PWV與Radio/PWV的精度相當，二者差異的差值(MEAN)均為毫米級，絕對值最大為3.42 mm；CORS/PWV與Radio/PWV具有較高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)均在0.81以上；通過分析實際降水與PWV的變化，發(fā)現(xiàn)PWV的短時急劇變化與降水發(fā)生具有較好的對應(yīng)關(guān)系。研究表明，CORS具有全天候、高時空分辨率及連續(xù)監(jiān)測大氣中水汽含量變化等優(yōu)勢，可有效彌補高空探測的不足，對水汽監(jiān)測、氣象預測研究等具有重要的參考價值。

區(qū)域連續(xù)運行參考站；對流層延遲；無線電探空儀；大氣可降水量；實際降水量

水汽是大氣的重要組成部分之一，具有空間分布不均勻性、時間變化迅速和變化尺度精細化等特點，是地球氣候系統(tǒng)能量和水循環(huán)的重要因子，是影響短期降水預報的關(guān)鍵因素。水汽是天氣和氣候的主要驅(qū)動力，因此成為國內(nèi)外學者的研究對象之一[1]。

在氣象學領(lǐng)域，探測大氣可降水量(precipitable water vapor，PWV)的常用手段有常規(guī)探空氣球、水汽輻射計(water vapor radiometer，WVR)[2]、雷達探測、激光探測和太陽光譜分析等。常規(guī)探空氣球可以收集高空大氣的溫度、濕度、氣壓、風速等因素，但地面探空站分布稀疏，一般每天進行2次探測，時空分辨率低。水汽輻射計探測受云層厚度、降水及溫度變化的影響，具有垂直分辨率低、價格昂貴、需要定期定標、難維護等不足。雷達探測可以探測水汽的詳細分布，但成本很高，難以實現(xiàn)全天候的普及應(yīng)用。激光探測可以探測大氣水汽的飽和程度，從而預報降雨時間和降雨量，但只適用于小范圍區(qū)域，目前處于試驗階段。太陽光譜分析儀是一種極具發(fā)展前景的技術(shù)，可以探測高精度水汽含量，但其沿太陽方向探測水汽，對氣象預報的作用有限。因此，迫切需要尋求具有高時空分辨率、全天候、高精度、設(shè)備穩(wěn)定且易維護的大氣水汽探測技術(shù)，GPS獲取大氣可降水量應(yīng)運而生[3-4]。自Bevis[5]首次提出利用地基GPS技術(shù)探測PWV以來，隨著GNSS(global navigation satellite system)技術(shù)的發(fā)展，特別是區(qū)域CORS(continuous operational reference system)的建設(shè)和運行，地基GPS在氣象方面的應(yīng)用取得了長足進步。Rocken等[6]利用6個GPS接收機組成GPS/MET網(wǎng)，GPS反演大氣水汽含量與微波輻射儀測量的水汽含量間的差值在1～2 mm范圍內(nèi)，并提出修正短基線觀測對可降水量計算產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差；Duan[7]在Rocken的基礎(chǔ)上，發(fā)展了“絕對PWV計算法”，指出GPS/PWV的探測精度為1～1.5 mm；Ohtani and Naito[8]在對日本利用GNSS獲取的大氣可降水量與常規(guī)探空的對比中發(fā)現(xiàn)，二者之間的差值在4 mm以內(nèi)。毛節(jié)泰[9]、王小亞[10]、李成才[11]、劉焱雄[12]、袁招洪[13]、李星光[14]及葉其欣[15]等在國內(nèi)積極開展GPS觀測在氣象學中的應(yīng)用研究，并在不同區(qū)域進行業(yè)務(wù)實驗工作。研究表明，GPS/PWV的變化特別是短時急劇升高或者下降與強降水之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系。由于大氣水汽與區(qū)域的位置和對流層高度有關(guān)，對于不同的區(qū)域，GPS獲取PWV的精度有所差異，因此，對比分析青島CORS站與探空站獲取的大氣可降水量對于監(jiān)測青島地區(qū)的水汽含量和研究氣象具有重要現(xiàn)實意義。

青島地處山東半島南部沿海，位于東經(jīng)119°30′～121°00′、北緯35°35′～37°09′，屬于溫帶季風氣候，空氣濕潤，雨量充沛，溫度適中，四季分明。于2006 年6 月底全面建成的QDCORS，年運行率達95%以上[16]，作為山東省第一個高標準、高精度、多功能的GPS連續(xù)運行參考網(wǎng)站系統(tǒng)，為青島市重大工程的建設(shè)、城市規(guī)劃、土地管理、氣象、農(nóng)林業(yè)等部門以及災害監(jiān)測提供了實時有效的數(shù)據(jù)。由于4個CORS站與多站分析結(jié)果類似，故本文選取青島范圍內(nèi)距離探空站點較近的4個CORS站數(shù)據(jù)，利用Bernese軟件及相關(guān)氣象要素解算PWV，根據(jù)探空資料計算PWV，并對Radio/PWV與CORS/PWV在時間序列變化和相關(guān)性進行分析，檢驗CORS/PWV在水汽監(jiān)測上的可行性；對計算得到的PWV變化數(shù)據(jù)與實際降水數(shù)據(jù)進行分析，驗證PWV變化與實際降水及降水量的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 青島4個CORS站和探空站的分布Fig.1 Geographical distribution of 4 CORS stations and a radiosonde station at Qingdao

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用數(shù)據(jù)包括2014年7—8月青島市SKDR、MLJR、CJJR和JKRS 4個CORS站數(shù)據(jù)以及同期的青島探空站數(shù)據(jù)。CORS數(shù)據(jù)來源于QDCORS網(wǎng)，探空數(shù)據(jù)來源于美國懷俄明州立大學網(wǎng)站(http://weather.uwyo.edu/wyoming/)。CORS數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s，衛(wèi)星截止高度角為15°。4個CORS站和青島探空站如圖1所示(△代表CORS站，○代表探空站)，CORS站與探空站的坐標及相關(guān)距離如表1所示。采用瑞士伯爾尼大學研發(fā)的Bernese軟件解算CORS站觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合測站的坐標、氣象數(shù)據(jù)等，獲取大氣可降水量PWV。利用青島探空站每天兩次(0:00時和12:00時,UTC)釋放的探空氣球獲得的氣壓、溫度和濕度等數(shù)據(jù)，計算出大氣可降水量PWV。對CORS反演的大氣可降水量和探空大氣可降水量進行對比分析。

表1 CORS站與探空站的坐標與距離

1.2 PWV解算原理

1.2.1 CORS站反演PWV原理

本文采用Bernese軟件進行精密單點定位(precise point positioning，PPP)解算模式對CORS站數(shù)據(jù)進行處理，解算過程采用精密星歷、精密鐘差、衛(wèi)星截止高度角為15°，獲取對流層總延遲(zenith total delay，ZTD)，使用氣象數(shù)據(jù)計算靜力學延遲(zenith hydrostatic delay，ZHD)，總延遲與靜力學延遲之差(式1)即為濕延遲(zenith wet delay，ZWD)。其中，ZHD可采用Saastamoinen模型[17](式2)計算，轉(zhuǎn)換系數(shù)∏(式3)與ZWD的乘積即為PWV(式4)[18]。

ZWD=ZTD-ZHD，

(1)

ZHD(P,H,φ)=22.7×P×[1-0.26cos(2φ)-0.000 28H]-1，

(2)

(3)

PWV=Π×ZWD。

(4)

本文采用青島地區(qū)地面溫度回歸分析得到的加權(quán)平均溫度模型[19],即Tm=8.776+0.928 7Ts。

如上所述，PWV解算流程如圖2所示：①采用Bernese軟件對精密星歷和CORS站點數(shù)據(jù)進行PPP解算，得到ZTD值；②用Saastamoinen模型計算出ZHD，然后通過式(1)得到ZWD；③使用氣象數(shù)據(jù)的地面溫度通過加權(quán)平均溫度模型得到Tm，用式(3)計算轉(zhuǎn)換系數(shù)∏，式(4)計算出PWV。

圖2 PWV解算過程示意圖

1.2.2 探空獲取PWV原理

為了分析GPS獲取的PWV的精度，驗證GPS資料的有效性，本文采用CORS反演的PWV與利用常規(guī)探空資料計算的PWV進行對比分析。探空氣球通過測量不同高度大氣中的溫度、相對濕度、壓強來獲取PWV[20]，獲取PWV公式[21-22]如下：

(5)

(6)

e=RH·es。

(7)

(8)

f=1.000 7+3.46×10-6P。

(9)

式中：W為氣壓在p1和p2之間計算的PWV, kg/m2；g為重力加速度，9.8 m/s2；x為混合比，g/kg；P為總的大氣壓，Pa；e為水汽壓，Pa；RH為相對濕度，%；es為飽和水汽壓，Pa；T為溫度，℃；f為轉(zhuǎn)換包含空氣的水汽為飽和水汽的修正函數(shù)。

探空氣球的飛行高度最高值在不同天氣條件下達25～38 km，本文所采用的探空數(shù)據(jù)飛行最高值25～32 km。由于水汽主要集中在8 km以下，故對獲取PWV的精度無影響。由于探空觀測的溫度、氣壓和相對濕度誤差影響，對Radio/PWV產(chǎn)生誤差約2 mm[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 CORS/PWV與Radio/PWV對比分析

CORS單天解獲得的PWV和探空兩次獲取PWV的平均值隨時間分布及對比如圖3所示，可以看出CORS/PWV與Radio/PWV除個別點存在差異，整體變化趨勢、峰值和谷值基本吻合，具有很好的一致性，但總體上Radio/PWV分布在CORS/PWV下方，即CORS反演PWV較探空獲得的PWV偏大，這是由于獲取的0:00時(UTC)的GPS數(shù)據(jù)資料的端部效應(yīng)[23]、“加權(quán)平均溫度”的引入、CORS站與探空站位置及海拔和水平位置不一致等造成的。

圖3 Radio/PWV與CORS/PWV對比序列圖Fig.3 Sequence diagram of Radio/PWV and CORS/PWV

對CORS/PWV與Radio/PWV進行概率統(tǒng)計，對比分析如表2所示，可以看出SKDR、JKRS、CJJR和MLZR這4個站的相關(guān)系數(shù)均大于0.815，最大為0.901，CORS/PWV與Radio/PWV具有很高的一致性。4個測站的CORS/PWV和Radio/PWV差值的均值(MEAN)分別為1.77、-1.80、-3.42、-3.19 mm，二者的差值為毫米級，都在3.5 mm以下，CORS站獲取的PWV與探空站獲取的PWV精度相當。其中，MEAN值有正值和負值，這與CORS站與探空站的高差有關(guān)。結(jié)合表1發(fā)現(xiàn)，MLZR站的海拔為115.61 m，高于探空站的77.00 m，MEAN值為正值；SKDR、JKRS和CJJR站的海拔分別為66.47、17.97、21.57 m，低于探空站，其MEAN值全為負值。SKDR、MLZR、JKRS和CJJR的標準差(STD)均為4～6 mm，數(shù)據(jù)偏離程度相差不大。

MLZR、JKRS、CJJR、SKDR 4個站反演的CORS/PWV與Radio/PWV數(shù)據(jù)的散點圖(圖4)，從圖中可以看出，數(shù)據(jù)基本分布在直線y=x的兩側(cè)，尤其當水汽值較大時，這是由于探空站每天僅在0時和12時進行觀測，匹配的樣本較少，而水汽值較大時，往往伴隨著降水天氣，導致探空氣球的軌跡偏離較多[24]。由CORS/PWV與Radio/PWV數(shù)據(jù)擬合的直線斜率K(表2)最小值為0.867，最大值為0.942，二者在變化序列上具有較好的一致性，可以利用CORS/PWV監(jiān)測和預報降水等。

表2 Radio/PWV與CORS/PWV差值的分析統(tǒng)計

均方根誤差RMS(表2)最大值出現(xiàn)在距探空站次遠的CJJR站(相距78.12 km)為6.59 mm，最小值出現(xiàn)在距探空站最近的SKDR站(相距19.94 km)為5.66 mm，此外MLZR站(相距113.07 km)為6.55 mm，JKRS站(相距71.83 km)為5.75 mm。距探空站較遠的兩個CORS站的RMS值較大，這說明由于距離的增大導致了CORS/PWV與Radio/PWV之間的RMS值的增大，即數(shù)據(jù)間的離散程度增大。7—8月份的CORS/PWV與Radio/PWV的差值圖，如圖5所示，橫軸為年積日(DOY)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，CORS/PWV與Radio/PWV差值的最大值20.33 mm同樣出現(xiàn)在距探空站最遠的MLZR站，這同樣證明了CORS站與探空站之間的距離對RMS的影響。

圖4 CORS站PWV與探空站PWV相關(guān)性分析圖

圖5 CORS站與探空站PWV差值圖

圖6 PWV序列圖和實際降水量圖

圖7 PWV變化率和實際降水量圖

表3 閾值預報降水統(tǒng)計表

通過以上分析得出，CORS/PWV與Radio/PWV在變化序列上具有很好的一致性。隨著CORS站與探空站之間距離的增大，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R減小，PWV之差的MEAN、RMS隨之增大。

2.2 PWV變化與實際降水分析

將Radio/PWV與CORS/PWV序列圖(圖6)和Radio/PWV與CORS/PWV變化率分別與同期青島氣象站(120.42E，36.05N)的實際降水量序列(圖7)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)CORS/PWV值同Radio/PWV的變化趨勢相同；PWV與實際降水量存在明顯的相關(guān)性，降水多發(fā)生在PWV峰值或谷值出現(xiàn)的附近，且一般情況下，PWV變化率越大，降水量越大，PWV的變化率和降水量間具有很好的吻合性。

降水的形成原因復雜，弱降水的隨機性較大，與水汽的相關(guān)性也較弱，本文選用DOY200～225 d的強降水分析PWV與實際降水量的關(guān)系。結(jié)合圖6和圖7，每隔2～3 d就有一次降水過程，對應(yīng)一次PWV的突變。從圖中可見當7—8月出現(xiàn)降水的PWV閾值≥50 mm，PWV變化率的閾值≥10 mm/d，發(fā)生降水過程，表3顯示閾值預報降水的概率，即在PWV閾值范圍的天數(shù)中，發(fā)生降水過程所占的比例。PWV變化率預報降水的能力較PWV強，除Radiosonde的PWV變化率外，預報準確性都在80%以上。在201～203 d期間，無論是CORS/PWV還是Radio/PWV變化率均為正值，基本超過10 mm/d，即該段時間的PWV呈急劇上升的趨勢，且均達60～70 mm，為強降水積累了充分的水汽條件。在降水發(fā)生的204 d，PWV變化率為負值且達到谷值，即PWV突變劇烈，與前幾天積累的水汽共同造成了當天的強降水過程。在206 d，PWV的變化率為-20 mm/d，PWV值急劇下降，而202～205 d PWV值均超過50 mm，充足的水汽和PWV的劇烈突變使該天產(chǎn)生高達129.9 mm的降水。在219 d和220 d，PWV日變化率為負，且絕對值超過10 mm/d，PWV呈急劇下降趨勢，發(fā)生了強降水過程。在222 d，Radio/PWV與CORS/PWV均大于50 mm，充足的水汽導致降水?？傮w來看，強降水與PWV值和其大幅變化具有一定對應(yīng)關(guān)系，當PWV值超過50 mm或PWV變化率的絕對值超過10 mm/d時，一般會形成強降水天氣，且PWV變化率的絕對值越大，即PWV發(fā)生突變越大，越易發(fā)生強降水過程。

同時，從圖7中也可看到，202、214、217 d的PWV大于50 mm，202、207、210、217、221 d的PWV變化率的閾值大于10 mm/d，但這些天并沒有發(fā)生降水過程，閾值有一定的偽警率。這是因為PWV值與實際降水量并不是簡單的正比關(guān)系，CORS測得的是大氣中的總水汽含量，對云中的液態(tài)水并不敏感，而水汽梯度值、水汽輻合輻散及天氣系統(tǒng)等也對降水的大小和維持的時間有重要影響[25]，需綜合考慮前期平均水平、峰值大小和增幅等條件[26]。因此，CORS/PWV的突變能對降水起到一定的預報作用。

3 結(jié)論

本文通過對青島市4個CORS站和青島探空站所獲取的PWV在時間序列和各項精度進行分析，得出以下結(jié)論：

1)CORS/PWV與Radio/PWV雖然在個別點差別較大，但在整體上具有較強的一致性，相關(guān)系數(shù)均大于0.815，擬合直線斜率平均為0.9，具有相當?shù)木?，且CORS/PWV總體上較Radio/PWV偏高約2～3 mm；

2)通過距探空站不同距離的CORS獲取的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增大，數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性逐漸減小，但在110 km的距離上相關(guān)系數(shù)R仍可以達到0.8以上；

3)PWV的突變較好地與實際降水對應(yīng)，PWV值的短時變化對降水預報具有一定參考價值。

需要說明的是，本文研究中處理的Radio/PWV與CORS/PWV數(shù)據(jù)處于青島地區(qū)的夏季多雨期，且在DOY為203～206 d期間，經(jīng)歷了麥德姆(Matmo)臺風[27]。由于臺風的影響，探空氣球存在漂移誤差[28]，導致CORS/PWV與Radio/PWV的相關(guān)系數(shù)R偏低，均方根誤差RMS和平均偏差MEAN偏高，但數(shù)據(jù)對比分析得到的各項參數(shù)仍表明，CORS/PWV與Radio/PWV基本吻合，既彌補了常規(guī)探空資料在時空分辨率上的不足，又避免了水汽輻射計昂貴的成本和復雜的維修，對大氣監(jiān)測和預報具有參考價值。

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(責任編輯：高麗華)

Comparative Analysis of Precipitable Water Vapor Acquired from CORS and Radiosonde in Qingdao

LIU Zhimin1,2, DOU Shibiao1, LI Fei1, GUO Jinyun1, LIU Xin1, HUANG Lei1

(1. College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Qingdao, Shandong 266590, China)

Based on the observations of 4 CORS stations in Qingdao in 2014 and with the help of high-precision GPS data processing software Bernese, precipitable water vapor (CORS/PWV) was retrieved and compared with Radio/PWV of the same period. Researches have shown that the CORS/PWV is matched with the Radio/PWV in precision, with the maximal deviation being 3.42 mm. CORS/PWV and Radio/PWV are highly correlated and the correlation coefficient is above 0.81. By analyzing PWV and the actual precipitation, it has also been found that there is a good correspondence between them. Therefore, with the advantages of all-weather observation, high temporal-spatial resolution and continuous monitoring of water vapor changes, CORS can effectively make up for the shortage of high altitude detection, and have important reference value in water vapor monitoring and weather forecasting.

CORS (continuously operating reference stations); troposphere delay; Radiosonde; PWV (precipitable water vapor); actual precipitation

2016-10-18

國家自然科學基金(41374009)；青島市博士后應(yīng)用研究項目基金(2015186)

劉智敏(1975—)，女，河北唐山人，副教授，博士，主要從事GNSS定位理論技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究. E-mail：liuzhimin010@163.com

P228.4

A

1672-3767(2017)01-0021-08