【doc】地基GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究

地基GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究第34卷第4期2011年8月大氣科學(xué)TransactionsofAtmosphericSciencesVo1.34No.4Aug.2011李國(guó)平.2011.地基GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究[J].大氣科學(xué),34(4):385-392.LiGuoping.2011.Researchofremotesensingtechnologyofatmosphericwatervaporbyusingground—basedGPSandapplicationsystemofmeteoro-logicaloperations[J].TransAtmosSci,34(4):385—392.地基GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究李國(guó)平(成都信息工程學(xué)院1.大氣科學(xué)學(xué)院;2.高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225)摘要:本研究建立了川渝地區(qū)地基GPS(globalpositioningsystem,全球定位系統(tǒng))遙感水汽的本地化計(jì)算模型,開(kāi)發(fā)出GPS遙感水汽的計(jì)算軟件包,開(kāi)展了局域地基GPs觀測(cè)網(wǎng)遙感大氣水汽的試驗(yàn)及業(yè)務(wù)應(yīng)用,反演出30min間隔的高時(shí)間分辨率GPS可降水量序列.評(píng)估了反演精度,研究了GPS水汽產(chǎn)品在氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性.研發(fā)了可搭建在MICAPS(meteorologicalinformationcomprehensiveanalysisandprocesssystem)平臺(tái)上的地基GPS水汽監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了局域地基GPS觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,數(shù)據(jù)解算,可降水量反演和GPS水汽產(chǎn)品的可視化,并在氣象業(yè)務(wù)部門(mén)試運(yùn)行,在強(qiáng)降水,暴雪等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮了獨(dú)特作用.本項(xiàng)目組系統(tǒng)性研究了GPS可降水量的時(shí)間變化,水平分布,分析了GPS可降水量與氣溫,氣壓,比濕,輻射和降雨量等地面氣象要素以及與局地環(huán)流,水汽輸送和循環(huán)等大氣過(guò)程及地形的對(duì)應(yīng)關(guān)系.研究了GPS水汽產(chǎn)品在幾類(lèi)典型災(zāi)害性天氣(西南暴雨,持續(xù)性降水,冰凍雨雪,大霧)以及人工增雨中的演變特征,揭示了GPS探測(cè)水汽技術(shù)及其產(chǎn)品在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用方法.進(jìn)行了GPS可降水量的日循環(huán)合成分析,GPS可降水量在華北暴雨,西南暴雨,華西秋雨,四川盆地夜雨等方面的應(yīng)用研究,以及不同云系降雨過(guò)程,不同類(lèi)型降雨過(guò)程中GPS可降水量的對(duì)比分析.例如,對(duì)不同類(lèi)型降雨過(guò)程中GPS—PWV(precipitablewatervaporbyGPS,GPS可降水量)的比較表明,在夏季暴雨發(fā)生前5～10h,GPS.PWV的激增可很好地預(yù)示其后的強(qiáng)降雨天氣;而對(duì)于類(lèi)似秋綿雨的一般性持續(xù)降雨來(lái)說(shuō),GPS—PwV的連續(xù)大幅遞增或遞減并超過(guò)平均值可作為降雨開(kāi)始或結(jié)束的預(yù)報(bào)依據(jù);對(duì)于不同類(lèi)型降雨天氣過(guò)程GPS.PWV具有不同的日變化特點(diǎn),它能及時(shí)反映水汽的局地變化特征,作為水汽異常輸送中的強(qiáng)信號(hào),GPS—PWV在降雨天氣分析及預(yù)報(bào)中具有重要的指示意義.關(guān)鍵詞:地基GPS;可降水量;本地化模型;應(yīng)用系統(tǒng)中圖分類(lèi)號(hào):P458.121文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-7097(2011)04-0385—08Researchofremotesensingtechnologyofatmosphericwatervaporbyusingground-basedGPSandapplicationsystem0fmete0r0l0gicaloperationsLIGuo.ping'(1.CollegeofAtmosphericSciences;2.KeyLaboratoryofPlateauAtmosphere&EnvironmentofSichuanProvince,Chen~duUniversityofInformationTechnology.Chengdu610225.China)Abstract:Thisstudyestablishedlocalcomputingmodelofremotesensingwatervaporbyusingground一收稿日期:2011-01-04;改回日期:2011.04一D4基金項(xiàng)目:中國(guó)氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目(CMAGJ2011M46);中國(guó)氣象局西南區(qū)域氣象中心區(qū)域重大科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目(2010-32010-5);成都信息工程學(xué)院科研基金(KYTZ201034)作者簡(jiǎn)介:李國(guó)平(1963一),男,重慶銅梁人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楦咴瓪庀髮W(xué),地基GPS氣象學(xué),liguoping@.ca.386大氣科學(xué)第34卷0basedGPS(globalpositioningsystem)intheregionofSichuan-Chongqing,anddevelopedcomputingsoftwarepackagesofGPSremotesensingwatervapor.Thentheexperimentandoperationalapplicationofremotesensingwatervaporbyusingground—basedGPSinthislocalnetworkwasdone,bywhichthehightimeresolutionGPSprecipitablewatervapor(PWV)sequenceof30minintervalswasderived.Thispaperalsogivestheassessmentoftheretrievalaccuracy,aswellasthefeasibilityofmeteorologicaloperationsapplicationofGPSwatervaporproducts.Themajorresultsofthisstudyincludedevelopingtheoperationsapplicationsystemofremotesensingatmosphericwatervaporbyusingground—basedGPS,whichcanbebuildontheMICAPS(meteorologicalinformationcomprehensiveanalysisandprocesssystem)asanoperationalapplicationsystem,andrealizingthereal—timetransmission,datasolu—tion.derivingofPWVbyalocalground—basedGPSnetworkandvisualizationofGPSwatervaporproducts.Thismeteorologicaloperationssystemplayedauniqueroleintheheavyrain,blizzardandoth—ersevereweatherforecastinitstrial—run.Systematicalstudyofthetemporalvariation.horizontaldistributionofGPS—PWVwasdonebyourresearchgroup.Furthermore.therelationshipbetweenPWVderivedbyGPSamongsurfaceairtempera—ture,pressure,specifichumidity,solarradiation,precipitationandothersurfacemeteorologicalelementswasalsoanalyzed.TherelationshipofPWVderivedbyGPSamonglocalcirculation.watervaporcycleandtopography.TheevolutioncharacteristicsofGPSwatervaporproductsinsomekindsoftypicalse—vereweather(forexampleSouthwestChinaheavyrain,sustainedrain,freezingrain,snowandheavyfog)andrainstimulationsbyartificialmeanswerestudied.Inaddition,thestudyalsorevealedapplica—tionmethodsofremotesensingtechnologyofatmosphericwatervaporbyusingGPSanditsproductsinweatherforecastoperations.carriedoutcompositeanalysisofdiurnalcycleofGPS-PWV.andstudiedtheapplicationsofGPS一VinNorthChinaheavyrain,SouthwestChinaheavyrain,WestChinaau?tumnrain.SichuanBasinnocturnalrainandsoon.ThecomparativeanalysesofGPS—PWVbetweenthedetailrainprocesseswithdifferentcloudsanddifferentweathersystemswerealsogiven.Forexample,comparisonsoftheprecipitablewatervaporderivedfromground—basedGPSindif-ferenttypesofprecipitationshowthatanabruptincreaseofGPS—PWVbefore5—1Ohofthesummerrainstormmaywellindicatethesubsequentheavyrainfal1.GPS—PWVcontinuousincreasingordecrea—singsubstantiallyandaboveaveragesuggeststhebeginningortheendoftherainfallinautumncontinu-ousrain.Thedifferentfeaturesofdiurnalvariationofprecipitablewatervaporindifferenttypesofpre—cipitationcallreflecttimelythechangesoflocalwatervapor.Asastrongsignalinwatervaportrans—port,theconsecutiveobservationdataofprecipitablewatervaporwouldbeinstructivefortheforecas—ringofactualrainfal1.Keywords:ground-basedGPS;precipitablewatervapor(PWV);localmodel;applicationsystem引言由于運(yùn)用GPS(globalpositioningsystem,全球定位系統(tǒng))技術(shù)估算大氣水汽總量是20世紀(jì)90年代興起的一種極有潛力,實(shí)用價(jià)值很大的一種大氣探測(cè)新方法或新技術(shù)(李國(guó)平等,2010),所以近年來(lái)GPS氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)(包括與地震,測(cè)繪,天文,勘察設(shè)計(jì),規(guī)劃等部門(mén)的合作建設(shè),資料共享)已在全國(guó)各氣象部門(mén)得到極大重視,并得到大力推進(jìn),通過(guò)多種方式已建立起不少局域地基GPS觀測(cè)網(wǎng).盡管?chē)?guó)家,部門(mén)和地方為建設(shè)這些地基GPS監(jiān)i貝4網(wǎng)投入了大量的人力和物力,并已獲取,積累了大量的GPS原始資料,但由于GPS氣象學(xué)是一門(mén)多學(xué)科交叉的新興,前沿學(xué)科,GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)掌握和產(chǎn)品應(yīng)用具有原始觀測(cè)數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用,處理環(huán)節(jié)多,技術(shù)較復(fù)雜等特點(diǎn)(圖1).目前氣象業(yè)務(wù)部門(mén)尚存在以下問(wèn)題亟待解決:1)缺乏系統(tǒng)有效地處理,分析資料的技術(shù)與方法,積累的大量GPS原始觀測(cè)資料無(wú)法及時(shí)轉(zhuǎn)化為天氣預(yù)報(bào)員可以直接運(yùn)用的水汽產(chǎn)品;2)GPS水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)如何對(duì)接,如何將反演出的GPS水汽產(chǎn)品變成一種預(yù)報(bào)員易用,愛(ài)用,有用的參考信息,怎樣進(jìn)一步把GPS大氣可降水量變化特征以判據(jù)或指標(biāo)形式融合到預(yù)報(bào)決策系統(tǒng)中;3)GPS水汽產(chǎn)品在災(zāi)害性天氣短臨預(yù)報(bào)中如何具體應(yīng)用,更好體現(xiàn)其在增強(qiáng)第4期李國(guó)平:地基GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究387圖1地基GPS遙感水汽流程Fig.1Theprocedureofderivingwatervaporfromground—basedGPS天氣預(yù)報(bào)手段,提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率,促進(jìn)氣象業(yè)務(wù)能力建設(shè)方面的重要作用;4)如何拓展GPS水汽產(chǎn)品在氣象業(yè)務(wù)及服務(wù)的領(lǐng)域,充分發(fā)揮其廣闊應(yīng)用潛力.這些問(wèn)題的存在妨礙了GPS氣象學(xué)在我國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展,而解決這些問(wèn)題卻是氣象業(yè)務(wù)和科研發(fā)展重要而緊迫的需求,因此,應(yīng)全面,深入,系統(tǒng)地開(kāi)展這些方面的研究,這在水汽豐富同時(shí)水資源分布不均勻,旱澇災(zāi)害頻繁的西南地區(qū)尤為突出.西南地區(qū)地形復(fù)雜,受青藏高原影響大,水汽充沛,天氣多變,夏季經(jīng)常發(fā)生局地性暴雨并可引發(fā)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的暴雨,洪水,給人民的生命,財(cái)產(chǎn)安全以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成了巨大損失.為適應(yīng)長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障建設(shè),空中水汽和水資源開(kāi)發(fā)以及西部大開(kāi)發(fā)形勢(shì)下經(jīng)濟(jì),社會(huì)發(fā)展的要求,迫切需要在西部大開(kāi)發(fā)中處于重要地位的西南地區(qū)盡快開(kāi)展利用GPS技術(shù)遙感可降水量的研究和應(yīng)用性試驗(yàn)工作,以實(shí)現(xiàn)GPS水汽產(chǎn)品在實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)中的業(yè)務(wù)化運(yùn)行,并進(jìn)一步拓展其在空中云水資源開(kāi)發(fā),人工影響天氣,數(shù)值模式資料同化,氣象決策服務(wù)等多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用.另外,西南地區(qū)大氣環(huán)流和大氣水汽分布的特點(diǎn)以及天氣變化的特殊性,也使得GPS技術(shù)遙感可降水量的研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用可能具有與我國(guó)沿海地區(qū)或東部地區(qū)不同的特點(diǎn),需要探索新的方法解決可能遇到的新問(wèn)題.本項(xiàng)目組通過(guò)四川盆地和成都地區(qū)兩個(gè)區(qū)域地基GPS觀測(cè)網(wǎng)的試驗(yàn)及業(yè)務(wù)運(yùn)行,獲得時(shí)間間隔30min,可靠性符合氣象業(yè)務(wù)要求的大氣可降水量序列.這對(duì)提高天氣預(yù)報(bào)特別是災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)能力及其準(zhǔn)確率具有重要意義,為氣象部門(mén)更好地適應(yīng)社會(huì)對(duì)氣象預(yù)報(bào)不斷增長(zhǎng)的要求提供了強(qiáng)有力技術(shù)支撐,研究成果對(duì)全國(guó)其他地區(qū)開(kāi)展GPS氣象學(xué)方面的業(yè)務(wù)化應(yīng)用,尤其是GPS水汽這種新資料在災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)中的具體應(yīng)用也有一定的推動(dòng)和借鑒作用.該研究可為全國(guó)及各省地基GPS水汽監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè),資料處理,特別是GPS水汽產(chǎn)品在災(zāi)害性天氣短臨預(yù)報(bào)中的具體應(yīng)用提供技術(shù)支持和針對(duì)性指導(dǎo).項(xiàng)目的成果將直接應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)并具有拓展到其他氣象服務(wù)領(lǐng)域(如旱澇監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè),空中水資源開(kāi)發(fā),人工影響天氣,數(shù)值天氣預(yù)報(bào),城市氣象,氣候變化,防災(zāi)減災(zāi)等),并具有廣闊的多行業(yè)(衛(wèi)星導(dǎo)航定位,測(cè)繪,地震,水文水資源,農(nóng)業(yè),林業(yè),防災(zāi)減災(zāi),天文,空間,航天等),多領(lǐng)域,多功能的應(yīng)用前景.例如,地基GPS水汽監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)提供全天候,近實(shí)時(shí),連續(xù),高時(shí)空分辨率的水汽資料,除了用于災(zāi)害性天氣的水汽監(jiān)測(cè)和短時(shí)臨近預(yù)報(bào)等業(yè)務(wù)外,還可用于人工影響天氣(人影作業(yè)時(shí)機(jī)選擇),空中云水資源的評(píng)估與開(kāi)發(fā)利用,中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)(提供水汽初始場(chǎng)),局地環(huán)流與水汽循環(huán)分析以及與探空站,雷達(dá),自動(dòng)氣象站,WVR(watervaporradiometer,水汽輻射計(jì)或微波輻射計(jì))等多源水汽觀測(cè)資料的對(duì)比與綜合應(yīng)用等氣象科研業(yè)務(wù)工作.1研究?jī)?nèi)容與主要結(jié)果本研究的主要內(nèi)容有:1)優(yōu)選地基GPS觀測(cè)網(wǎng)原始數(shù)據(jù)氣象應(yīng)用的388大氣科學(xué)第34卷解算軟件(BerneseGPSSoftwareV4.2和GAMIT10.35)與解算方案.2)建立適合川渝地區(qū)的靜力延遲和對(duì)流層加權(quán)平均溫度的最優(yōu)計(jì)算模型.3)反演時(shí)間間隔30min,可靠性符合氣象業(yè)務(wù)要求的大氣可降水量序列.4)研究無(wú)線電探空氣象資料計(jì)算對(duì)流層可降水量方法,誤差分析及改進(jìn)方案.5)以利用探空氣象資料為主并積極探索多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)的VIL(verticallyintegratedliquidwater,垂直累積液態(tài)水含量或垂直積分液態(tài)水含量),WVR探測(cè)的水汽含量來(lái)綜合評(píng)估地基GPS遙感可降水量的技術(shù)精度.6)系統(tǒng)性研究GPS可降水量的時(shí)間變化水平空間分布,分析GPS可降水量與氣溫,比濕,輻射和降雨量等地面氣象要素以及與局地環(huán)流,水汽輸送和循環(huán)等大氣過(guò)程及地形的對(duì)應(yīng)關(guān)系.7)設(shè)計(jì)GPS監(jiān)測(cè)的水汽產(chǎn)品在業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用流程,實(shí)現(xiàn)局域地基GPS觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,數(shù)據(jù)解算,可降水量反演和GPS水汽產(chǎn)品的可視化,研發(fā)可搭建在氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)MICAPS(meteorologicalinformationcomprehensiveanalysisandprocesssystem,氣象信息綜合分析處理系統(tǒng))上的地基GPS水汽監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化自動(dòng)運(yùn)行及業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng),進(jìn)行在天氣分析預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用試驗(yàn).按照以上研究目標(biāo),本項(xiàng)目組與國(guó)內(nèi)外相關(guān)大學(xué)與業(yè)務(wù)單位開(kāi)展了學(xué)術(shù)交流與合作,進(jìn)行了8a的持續(xù)性研究,建立了地基GPS/MET(GPS氣象學(xué))本地化計(jì)算模型,例如對(duì)于成都地區(qū):=54.5+0.78T(郭潔等,2008),開(kāi)發(fā)出GPS遙感大氣水汽的計(jì)算軟件包,反演出高時(shí)間分辨率的GPS可降水量資料序列,用較長(zhǎng)時(shí)間探空資料評(píng)估了反演精度,得出均方根誤差為3.09～4.75mm的結(jié)果(李國(guó)平等,2006a;郭潔等,2009a),證實(shí)了GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)在四川為代表的西南地區(qū)氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性;分析了GPS水汽的時(shí)空分布特點(diǎn),研究了GPS水汽產(chǎn)品在幾類(lèi)典型性災(zāi)害性天氣中的演變特征,探索了此項(xiàng)新型大氣探測(cè)技術(shù)及其產(chǎn)品在短時(shí)和臨近天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用方法.重點(diǎn)研究了GPS可降水量的時(shí)間變化,水平空間分布,分析了GPS可降水量與氣溫,氣壓,比濕,輻射和降雨量等地面氣象要素以及與大氣過(guò)程及地形的對(duì)應(yīng)關(guān)系.本項(xiàng)目組先后進(jìn)行了GPS可降水量的日循環(huán)合成分析(李國(guó)平等,2006b),GPS可降水量在華北暴雨(李國(guó)翠等,2008a),西南暴雨(郭潔等,2009a),華西秋雨(陳嬌娜等,2009b),四川盆地夜雨(李國(guó)平等,2006b),低渦降水(郭潔等,2009a),冰凍雨雪(郭潔等,2009b),大霧及人工增雨中的應(yīng)用研究,以及不同云系降水過(guò)程(李國(guó)翠等,2008b),不同類(lèi)型降雨過(guò)程(郭潔等,2009a)中GPS可降水量的對(duì)比分析,已初步形成GPS可降水量應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)的一些具體方法和預(yù)報(bào)指標(biāo);歸納出實(shí)時(shí)GPS可降水量在強(qiáng)降水預(yù)報(bào)等領(lǐng)域應(yīng)用的業(yè)務(wù)流程,實(shí)現(xiàn)了地基GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸,數(shù)據(jù)解算,可降水量反演和GPS水汽產(chǎn)品的圖形顯示,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出GPS水汽產(chǎn)品應(yīng)用于天氣分析預(yù)報(bào)的軟件包以及搭建在MICAPS平臺(tái)上的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)(圖2),在多個(gè)省份的氣象業(yè)務(wù)單位進(jìn)行了GPS水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其反演的水汽產(chǎn)品在天氣分析預(yù)報(bào)中的試應(yīng)用.開(kāi)始收集原始數(shù)據(jù)(GPS站,自動(dòng)氣象站,挑選)傳輸,下載,解壓數(shù)據(jù)根據(jù)具體工程項(xiàng)目配置相應(yīng)參數(shù)表文件利用GPs解算軟件GAMIT(vlO.35)解算可降水量否是業(yè)務(wù)應(yīng)用麗雨兩瓦氣候變化預(yù)測(cè)圖2地基GPS水汽監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)示意Fig.2Theapplicationsystemofwatervapormonitoredbyground—basedGPS2與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)研究比較本研究利用長(zhǎng)達(dá)40a的探空氣象資料,分為不同時(shí)次,不同要素作回歸因子,建立了西南地區(qū)地基GPS遙感大氣水汽的本地化計(jì)算模型(郭潔等,2008),相對(duì)于過(guò)去國(guó)內(nèi)外一般用1～2a的探空資料而言,提高了本地化計(jì)算模型的可靠性(表1)以及GPS反演水汽的精度(表2__4).相對(duì)于過(guò)去國(guó)內(nèi)外僅用幾天的少量樣本,用不一第4期李國(guó)平:地基GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究389表2成都加權(quán)平均溫度的本地化計(jì)算模型與Bevis公式的比較(郭潔等,2008)Table2ComparisonoflocalmodelsinChengdutoBevis'sregressionforestimatingmeanweightedtemperature(Guoeta1.,2008)表3張家口加權(quán)平均溫度的單因子和多因子本地化模型,Bevis公式與探空計(jì)算值的對(duì)比(李國(guó)翠等,2008a)Table3Comparisonoflocalmodelbasedonsinglefactor.1o—calmodelbasedonmultiplefactorandBevis'sre—gressiontoradiosondeforestimatingmeanweightedtemperatureinShijiazhuang(Lieta1.,2008a)表4國(guó)內(nèi)外地基GPS技術(shù)遙感大氣水汽的精度比較Table4Comparisonoftheprecisionofprecipitablewatervaporderivedfromground--basedGPSindifferentstudiesathomeanda?-broadGPS觀測(cè)網(wǎng)研究者精度(均方根誤差)/mm評(píng)定時(shí)段對(duì)比探測(cè)手段評(píng)定條件中國(guó)成都中國(guó)成都中國(guó)四川盆地中國(guó)四川盆地中國(guó)華北中國(guó)拉薩中國(guó)長(zhǎng)春,北京,西寧,武漢等中國(guó)上海中國(guó)上海,武漢中國(guó)廣東中國(guó)北京中國(guó)北京美國(guó)Kansas美國(guó)Oklahoma印尼蘇門(mén)答臘島本項(xiàng)目組:郭潔等(2009a)本項(xiàng)目組:陳嬌娜等(2009a)本項(xiàng)目組:李國(guó)平等(2006a)呂弋培等(2008)本項(xiàng)目組Takagieta1.(2000)王小亞等(1999)丁金才和葉其欣(2003)李成才等(1999)何平等(2002)梁豐等(2003)楚艷麗等(2007)Rockeneta/.(1993)Duaneta1.(1996)Wueta1.(2003)4.753.323.093.644.1542007438—_2008_o22007—122004437—_20044392005437—_200543920H05_o1—-2006.121998.o7—19988無(wú)線電探空無(wú)線電探空無(wú)線電探空無(wú)線電探空無(wú)線電探空無(wú)線電探空業(yè)務(wù)應(yīng)用業(yè)務(wù)應(yīng)用試驗(yàn)試驗(yàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用試驗(yàn)1996-07-26--1996437-31無(wú)線電探空試驗(yàn)2002437_02—2002437-061997-07-31—1997438-211998-o5—1998_062000-06_ol—_2000-08.112OO4_o79—-2004437一l11993-05—1993619935一l9934362001-08-o1—-20O18_27無(wú)線電探空無(wú)線電探空無(wú)線電探空無(wú)線電探空無(wú)線電探空微波輻射計(jì)微波輻射計(jì)無(wú)線電探卒業(yè)務(wù)應(yīng)用試驗(yàn)試驗(yàn)試驗(yàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用試驗(yàn)試驗(yàn)試驗(yàn)%們390大氣科學(xué)第34卷同季節(jié),較多觀測(cè)樣本評(píng)估了GPS遙感水汽的精度,比較客觀地論證了GPS水汽產(chǎn)品在氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性.本項(xiàng)目組應(yīng)用GPS大氣可降水量資料和地面氣象資料綜合研究了不同氣候區(qū)(日本關(guān)東平原(Lieta1.,2008),中國(guó)華北平原(李國(guó)翠等,2008a)和中國(guó)成都平原(李國(guó)平等,2006a)),不同地形(山區(qū),盆地,平原和海岸)條件下GPS監(jiān)測(cè)的大氣水汽量的日循環(huán)特征(Lieta1.,2008),首次從GPS可降水量所反映的水汽日變化特點(diǎn)揭示了"四川盆地多夜雨"的成因(李國(guó)平等,2006b).通過(guò)研究GPS水汽產(chǎn)品在幾類(lèi)典型災(zāi)害性天氣以及人工增雨中的演變特征,本項(xiàng)目組揭示了其在短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用方法和判據(jù)指重皿刪世皿ⅢI1世標(biāo).其中,重點(diǎn)進(jìn)行了GPS可降水量的El循環(huán)合成分析,GPS可降水量在西南暴雨,華西秋雨(秋綿雨),四川盆地夜雨,低渦降水,冰凍雨雪,大霧,人工增雨中的應(yīng)用研究,以及不同云系降水過(guò)程,不同類(lèi)型降雨過(guò)程中GPS可降水量的對(duì)比分析(圖3).相對(duì)于上海,北京,武漢建立的地基GPS水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)側(cè)重于觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)及水汽自動(dòng)解算系統(tǒng)研發(fā),本項(xiàng)目在研發(fā)水汽自動(dòng)解算及業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的同時(shí),更加側(cè)重于GPS遙感的水汽產(chǎn)品的客戶端應(yīng)用,對(duì)其在不同氣候區(qū),不同地形條件下,不同天氣過(guò)程中的具體應(yīng)用方法進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,強(qiáng)化了對(duì)氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的針對(duì)性和指導(dǎo)作用(李國(guó)平等,2009).北京時(shí)間圖3不同類(lèi)型降雨天氣中GPS可降水量的合成日變化a.暴雨與小到中雨情形的比較.b.雨雪與無(wú)雨情形的比較Fig.3CompositediurnalvariationsofGPS—PWVindifferentprecipitationtypesa.heavyrainVS.sustainedrain;b.snowandrainVS.norain第4期李國(guó)平:地基GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究39l3存在的問(wèn)題與發(fā)展方向本研究在進(jìn)一步提高GPS原始數(shù)據(jù)的解算精度,改善GPS可降水量序列的連續(xù)性(包括替代方案)和穩(wěn)定性,繼續(xù)深入開(kāi)展GPS水汽產(chǎn)品在新一代MICAPS平臺(tái)上的多要素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示及綜合分析,GPS水汽產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化應(yīng)用指標(biāo)及應(yīng)用領(lǐng)域拓展,GPS水汽產(chǎn)品用于診斷水汽輸送通道和水汽季節(jié)轉(zhuǎn)換,數(shù)值模式GPS水汽資料同化,多源水汽觀測(cè)數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用,層析技術(shù)反演大氣水汽廓線(垂直分布),4D水汽場(chǎng)分析及可視化等方面還有很大的拓展空間.具體的發(fā)展方向有:進(jìn)一步提高GPS原始數(shù)據(jù)的解算精度,研究不同情況下(地形,氣候區(qū),觀測(cè)網(wǎng),軟件,參數(shù)設(shè)置等)的解算,反演精度;研究地基GPS探測(cè)水汽技術(shù)在川西高原的適用性,特殊性(與成都平原的比較)及其應(yīng)對(duì)措施;根據(jù)配套自動(dòng)氣象站的觀測(cè)要素和時(shí)次,采用智能算法,建立精度更高的加權(quán)平均溫度本地化計(jì)算模型;改善GPS可降水量序列的連續(xù)性(包括替代方案)和穩(wěn)定性;研究"5.12"汶川特大地震后對(duì)地基GPS觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響及其處理措施;GPS水汽產(chǎn)品在MI—CAPSV3.1上的多要素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示及綜合分析;探索GPS可降水量及其變率與實(shí)際降水量的定量關(guān)系;GPS水汽產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化應(yīng)用指標(biāo)和應(yīng)用流程;GPS水汽產(chǎn)品用于西南渦外場(chǎng)加密觀測(cè)試驗(yàn)及第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)中的相關(guān)研究;GPS水汽產(chǎn)品用于水汽輸送通道和水汽季節(jié)轉(zhuǎn)換的診斷研究;多源水汽觀測(cè)數(shù)據(jù)(探空,GPS/MET,自動(dòng)站,雷達(dá),衛(wèi)星,微波輻射計(jì),再分析)的集成應(yīng)用;GPS水汽產(chǎn)品在西南區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的同化試驗(yàn)及業(yè)務(wù)應(yīng)用;層析技術(shù)反演大氣水汽廓線(垂直分布)的研究及試驗(yàn),4D水汽場(chǎng)分析及可視化等.致謝:本項(xiàng)目組的主要成員還有四川省專(zhuān)業(yè)氣象臺(tái)郭潔,石家莊市氣象臺(tái)李國(guó)翠,廈門(mén)市氣象臺(tái)陳嬌娜,成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院碩士王皓(現(xiàn)為南京信息工程大學(xué)博士生),四川省氣象臺(tái)郝麗萍,成都市氣象局謝娜,西南交通大學(xué)黃丁發(fā)和成都市氣象局黃文詩(shī);四川省氣象局,成都市氣象局領(lǐng)導(dǎo)對(duì)本研究給予了寶貴支持,在此并表示感謝.參考文獻(xiàn):陳嬌娜,李國(guó)平,郝麗萍,等.2009a.成都地區(qū)秋,冬季地基GPS遙感的可降水量的時(shí)空變化分析[J].氣象科學(xué),29(5):682~686.陳嬌娜,李國(guó)平,黃文詩(shī),等.2009b.華西秋雨天氣過(guò)程中GPS遙感的水汽總量的演變特征[J].應(yīng)用氣象,20(6):753—759.楚艷麗,郭英華,張朝林,等.2007.地基GPS水汽資料在北京"7.10"暴雨過(guò)程研究中的應(yīng)用[J].氣象,33(12):16—22.丁金才,葉其欣.2003.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)近實(shí)時(shí)GPS氣象網(wǎng)[J].氣象,29(2):26—29.谷曉平,王長(zhǎng)耀,吳登秀.2005.GPS水汽遙感中的大氣加權(quán)平均溫度的變化特征及局地算式研究[J].氣象科學(xué),25(1):79—83.郭浩,李國(guó)平,黃丁發(fā).2008.基于40年探空資料的川渝地區(qū)對(duì)流層加權(quán)平均溫度及其局地建模[J].武漢大學(xué):信息科學(xué)版,33(增刊):4346.郭潔,李國(guó)平,黃文詩(shī),等.2009a.不同類(lèi)型降雨過(guò)程中GPS可降水量特征的對(duì)比分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,20(6):763-768.郭潔,李國(guó)平,陳嬌娜,等.2009b.持續(xù)低溫雨雪天氣中地基GPS水汽異常輸送信號(hào)[c]//9國(guó)氣象局成都區(qū)域氣象中心,中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所.2008年西南地區(qū)東部持續(xù)低溫雨雪冰凍災(zāi)害機(jī)理研究和服務(wù)評(píng)估分析.北京:氣象出版社:lO9.113.何平,徐寶祥,周秀驥,等.2002.地基GPS反演大氣水汽總量的初步試驗(yàn)[J].應(yīng)用氣象,13(2):179—183.李成才,毛節(jié)泰,李建國(guó),等.1999.全球定位系統(tǒng)遙感水汽總量[J].科學(xué)通報(bào),44(3):333-336.李國(guó)翠,李國(guó)平,景華,等.2008a.華北三站地基GPS反演的大氣可降水量及其特征[J].氣象科學(xué),28(4):389—394.李國(guó)翠,李國(guó)平,連志鸞,等.2008b.不同云系降水過(guò)程中GPS可降水量的特征[J].高原氣象,27(5):1066—1073.李國(guó)翠,李國(guó)平,劉鳳輝,等.2009華北地區(qū)地基GPS水汽反演中加權(quán)平均溫度模型研究[J].南京氣象學(xué)院,32(1):80—86.李國(guó)平,黃丁發(fā),劉碧全.2006a.成都地區(qū)地基GPS觀測(cè)網(wǎng)遙感大氣可降水量的初步試驗(yàn)[J].武漢大學(xué):信息科學(xué)版,31(12):1086—1089.李國(guó)平,黃丁發(fā),劉碧全.2006b.地基GPS遙感的成都地區(qū)夏季可降水量的日循環(huán)合成分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,17(2):160—163.李國(guó)平,陳嬌娜,黃丁發(fā),等.2009.地基GPS水汽實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用[J].武漢大學(xué):信息科學(xué)版,34(11):1328—1331.李國(guó)平,黃丁發(fā),郭潔,等2010.地基GPS氣象學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社:5-13.李建國(guó),毛節(jié)泰,李成才.1999.使用全球定位系統(tǒng)遙感水汽分布原理和中國(guó)東部地區(qū)加權(quán)"平均溫度"的回歸分析[J].氣象,57(3):283—292.梁豐,李成才,王迎春,等.2003.應(yīng)用區(qū)域地基全球定位系統(tǒng)觀測(cè)分析北京地區(qū)大氣總水汽量[J].大氣科學(xué),27(2):236-244.劉旭春,王艷秋,張正祿.2006.利用GPS技術(shù)遙感哈爾濱地區(qū)大氣可降水量的分析[J]測(cè)繪通報(bào)(4):10—12.劉焱雄.1999.地基G