引言

水汽在大气物理过程中扮演着极其重要的角色, 对大气水汽总量及其演变的测量, 有助于对风暴系统的结构和演变、地气系统的能量平衡等问题的研究。运用GPS技术估算大气水汽总量是20世纪90年代发展起来的一种有潜力有实用价值的新方法。1992年Bevis等人提出了采用地基GPS估算大气水汽含量的原理, 1993年美国进行了GPS/S TORM观测试验, 并采用“相对GPS”方案 (在参考站引入微波辐射计WVR消除差分误差) 对数据进行了处理, 稍后, 在对GPS/S TORM试验获取的资料进行处理的过程中, Duan^[1]和Bevis^[2]又提出了反演大气水汽总量的“纯GPS”方案 (无需WVR定标)。在国内, 近几年也开始了这方面的研究工作^[3~6]。特别是, 在1998年5、6月的“海峡两岸及邻近地区暴雨试验”期间, 我们进行了组建地基GPS接收站进行实际探测的试验, 以期获得有关大气水汽总量的信息。试验是成功的, 初步结果显示出地基GPS反演水汽总量是一种有前途的遥感技术。

1.   外场试验与GPS资料的处理

在1998年的“海峡两岸及邻近地区暴雨试验”期间, 于汕头、阳江两地分别建立了GPS临时接收站, 汕头的GPS接收机建在地面气象观测场内, 阳江GPS站位于距地面气象观测场约2 m处。从5月5日起至6月26日试验结束, 上述两站的GPS接收机进行了连续观测。同期, 海口地震观测系统的GPS接收站也参加试验进行了连续观测。表 1给出试验所用GPS接收机性能参数及站点的地理数据。

表  1  GPS站点地理数据及所用GPS接收机性能参数简表

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试验期间汕头、阳江、海口3站获得的GPS原始数据, 采用了GAMIT软件进行处理, 处理中参与联合运算的有:海口、上海、天津、TSKB (日本)、IRK T (俄罗斯)、Kitab (乌兹别克) 等9个GPS测站的资料。处理得到了间隔为每0.5 h一次的总延迟量。由于接收机采用的是双频接收机, 电离层延迟已在处理过程中被对消掉, 总延迟量为中性大气延迟量。

2.   大气水汽总量的估算方法

各站GPS数据处理得到的基本量是中性大气延迟量, 它应由干延迟和湿延迟两部分组成。干延迟量可根据测站的地面气压及地理坐标计算出来, 本文采用了Elgered等人^[7]的公式:

式中:P₀为测站地面气压, λ为地理纬度, H为测站海拔高度, f (λ, H)=(1-0.00266cos (2λ)-0.00028H), 湿延迟量由实测的总延迟量减去干延迟量求得。

大气水汽总量W_p(Precipi table Water) 定义为:垂直方向气柱内的水汽全部折算成液态水的高度。它与湿延迟量 (d) 之间存在一定的关系。Businger等人^[8]给出的经验关系为:

其中, ρ_w是水汽密度, R_v是水汽的气体常数, T_m是加权平均温度^[9]

是水汽与干空气的克分子量之比。k₁, k₂, k₃是大气折射指数N^[9]实验公式中的系数

P_d是干空气压强, P_v是水汽压。Π是与气象参数有关的系数, Π通常可用一定常系数0.156来近似, 为简化处理, 本文采用Π=0.156进行计算。

3.   试验初步结果与讨论

我们对试验期间上述3站获得的GPS连续观测资料进行了处理, 通过上述的处理, 估算出间隔为0.5 h一次的大气水汽总量, 与当地探空资料计算出的大气水汽总量进行了比较。图 1给出的是试验期间汕头站探空与GPS反演的水汽总量的对比结果, 以及地面逐时降水资料。横坐标为观测时间, 主纵坐标为水汽总量 (单位:mm), 次纵坐标为降水量 (单位:mm/h)。图中, 连续曲线为GPS反演的水汽总量、圆点为探空资料计算出的大气水汽总量、柱形条为降水量。

图  1  1998年5~6月汕头站地面降水量GPS与探空资料反演水汽总量的对比

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从图 1中可以看出, GPS反演的水汽总量与探空计算的结果相比变化趋势一致, 图 2给出两者偏差 (探空与GPS值之差) 的概率分布曲线 (样本数为205), GPS反演的水汽总量比探空计算的结果平均偏低6.5 mm, 偏差的均方差为4.3 mm。

图  2  1998年5~6月汕头站探空与GPS反演水汽总量的偏差分布

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GPS连续观测的特点, 使GPS反演的水汽总量具有很高的时间精度, 从时间上近乎连续的水汽总量演变图中, 我们可以看出, 大气水汽总量存在不同尺度的周期性变化。图 1中, 振幅变化较大, 平均振幅为33 mm的波动的周期为7.2天。

GPS反演的水汽总量较好地反应出水汽积累和释放过程, 水汽总量大致是以迅速增加、相对稳定、迅速降低的规律呈周期变化, 而这一点在探空资料上的反应不明确。

由图 1还可以看出, 水汽总量随时间变化的总趋势是逐渐增加的, 这可能和大气湿度随季节的变化有关, 5月份湿度较小、6月份湿度较大。表 2给出5、6月份水汽总量统计值, 可以看出, 水汽总量随季节有比较明显的变化, 5、6两月水汽总量平均值相差6.9 mm, 对应湿延迟的变化约4cm左右。

表  2  汕头1998年5~6月水汽总量统计 (mm)

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另外, 我们将GPS反演的水汽总量与地面实测的逐时累积降水量资料进行了比较, 如图 1。从图上可以看出, GPS反演水汽总量变化周期和地面降水发生的周期基本相同。地面降水大多发生在GPS反演水汽总量处于相对高值且变化率较大的时候。

4.   结束语

本文对“海峡两岸及邻近地区暴雨试验”中获取的GPS与气象资料进行了反演水汽总量的对比分析。结果表明:GPS反演的大气水汽总量与探空计算的大气水汽总量, 两者随时间演变的趋势一致; GPS反演的水汽总量随时间明显的呈周期性变化, 能较好地反应出与天气过程相伴随的水汽积累和释放过程。GPS反演的水汽总量与地面实测的逐小时累积降水量资料进行的比较表明, 两者存在较好的对应关系, 地面降水大多发生在GPS反演的水汽总量处于相对高值且变化率较大的时候。

本文仅对“海峡两岸及邻近地区暴雨试验”中获取的GPS资料进行了常规的处理和初步的对比分析, 我们将对此作进一步的分析研究。初步的对比分析结果表明, 地基GPS技术用于大气水汽总量的观测具有很多突出优点, 是一项很有潜力的探测技术。