地基GPS水汽监测技术及气象业务化应用系统的研究

李国平

(成都信息工程学院1.大气科学学院;2.高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都610225)

0 引言

由于运用GPS(global positioning system，全球定位系统)技术估算大气水汽总量是20世纪90年代兴起的一种极有潜力、实用价值很大的一种大气探测新方法或新技术(李国平等，2010)，所以近年来GPS气象监测网的建设(包括与地震、测绘、天文、勘察设计、规划等部门的合作建设、资料共享)已在全国各气象部门得到极大重视，并得到大力推进，通过多种方式已建立起不少局域地基GPS观测网。

尽管国家、部门和地方为建设这些地基GPS监测网投入了大量的人力和物力，并已获取、积累了大量的GPS原始资料，但由于GPS气象学是一门多学科交叉的新兴、前沿学科，GPS水汽监测技术掌握和产品应用具有原始观测数据不能直接应用、处理环节多、技术较复杂等特点(图1)。目前气象业务部门尚存在以下问题亟待解决:1)缺乏系统有效地处理、分析资料的技术与方法，积累的大量GPS原始观测资料无法及时转化为天气预报员可以直接运用的水汽产品;2)GPS水汽监测系统与气象业务系统如何对接，如何将反演出的GPS水汽产品变成一种预报员易用、爱用、有用的参考信息，怎样进一步把GPS大气可降水量变化特征以判据或指标形式融合到预报决策系统中;3)GPS水汽产品在灾害性天气短临预报中如何具体应用，更好体现其在增强天气

图1 地基GPS遥感水汽流程Fig.1 The procedure of deriving water vapor from ground-based GPS

预报手段、提高天气预报准确率、促进气象业务能力建设方面的重要作用;4)如何拓展GPS水汽产品在气象业务及服务的领域，充分发挥其广阔应用潜力。这些问题的存在妨碍了GPS气象学在我国的进一步发展，而解决这些问题却是气象业务和科研发展重要而紧迫的需求，因此，应全面、深入、系统地开展这些方面的研究，这在水汽丰富同时水资源分布不均匀、旱涝灾害频繁的西南地区尤为突出。

西南地区地形复杂，受青藏高原影响大，水汽充沛，天气多变，夏季经常发生局地性暴雨并可引发长江中下游地区的暴雨、洪水，给人民的生命、财产安全以及经济建设造成了巨大损失。为适应长江上游生态屏障建设、空中水汽和水资源开发以及西部大开发形势下经济、社会发展的要求，迫切需要在西部大开发中处于重要地位的西南地区尽快开展利用GPS技术遥感可降水量的研究和应用性试验工作，以实现GPS水汽产品在实时天气预报中的业务化运行，并进一步拓展其在空中云水资源开发、人工影响天气、数值模式资料同化、气象决策服务等多个业务领域的广泛应用。另外，西南地区大气环流和大气水汽分布的特点以及天气变化的特殊性，也使得GPS技术遥感可降水量的研究及业务应用可能具有与我国沿海地区或东部地区不同的特点，需要探索新的方法解决可能遇到的新问题。

本项目组通过四川盆地和成都地区两个区域地基GPS观测网的试验及业务运行，获得时间间隔30 min、可靠性符合气象业务要求的大气可降水量序列。这对提高天气预报特别是灾害性天气的预报能力及其准确率具有重要意义，为气象部门更好地适应社会对气象预报不断增长的要求提供了强有力技术支撑，研究成果对全国其他地区开展GPS气象学方面的业务化应用，尤其是GPS水汽这种新资料在灾害性天气预报中的具体应用也有一定的推动和借鉴作用。该研究可为全国及各省地基GPS水汽监测网的建设、资料处理，特别是GPS水汽产品在灾害性天气短临预报中的具体应用提供技术支持和针对性指导。项目的成果将直接应用于天气预报业务并具有拓展到其他气象服务领域(如旱涝监测与预测、空中水资源开发、人工影响天气、数值天气预报、城市气象、气候变化、防灾减灾等)，并具有广阔的多行业(卫星导航定位、测绘、地震、水文水资源、农业、林业、防灾减灾、天文、空间、航天等)、多领域、多功能的应用前景。例如，地基GPS水汽监测应用系统提供全天候、近实时、连续、高时空分辨率的水汽资料，除了用于灾害性天气的水汽监测和短时临近预报等业务外，还可用于人工影响天气(人影作业时机选择)、空中云水资源的评估与开发利用、中尺度数值预报(提供水汽初始场)、局地环流与水汽循环分析以及与探空站、雷达、自动气象站、WVR(water vapor radiometer，水汽辐射计或微波辐射计)等多源水汽观测资料的对比与综合应用等气象科研业务工作。

1 研究内容与主要结果

本研究的主要内容有:

1)优选地基GPS观测网原始数据气象应用的解算软件(BerneseGPSSoftwareV4.2和GAMIT10.35)与解算方案。

2)建立适合川渝地区的静力延迟和对流层加权平均温度的最优计算模型。

3)反演时间间隔30 min、可靠性符合气象业务要求的大气可降水量序列。

4)研究无线电探空气象资料计算对流层可降水量方法、误差分析及改进方案。

5)以利用探空气象资料为主并积极探索多普勒天气雷达探测的VIL(vertically integrated liquid water，垂直累积液态水含量或垂直积分液态水含量)、WVR探测的水汽含量来综合评估地基GPS遥感可降水量的技术精度。

6)系统性研究GPS可降水量的时间变化水平空间分布，分析GPS可降水量与气温、比湿、辐射和降雨量等地面气象要素以及与局地环流、水汽输送和循环等大气过程及地形的对应关系。

7)设计GPS监测的水汽产品在业务工作中的应用流程，实现局域地基GPS观测网数据的实时传输、数据解算、可降水量反演和GPS水汽产品的可视化，研发可搭建在气象预报业务平台MICAPS(meteorological information comprehensive analysis and process system，气象信息综合分析处理系统)上的地基GPS水汽监测业务化自动运行及业务应用系统，进行在天气分析预报业务中的应用试验。

按照以上研究目标，本项目组与国内外相关大学与业务单位开展了学术交流与合作，进行了8 a的持续性研究，建立了地基GPS/MET(GPS气象学)本地化计算模型，例如对于成都地区:Tm=54.5+0.78Ts(郭洁等，2008)，开发出GPS遥感大气水汽的计算软件包，反演出高时间分辨率的GPS可降水量资料序列，用较长时间探空资料评估了反演精度，得出均方根误差为3.09～4.75 mm的结果(李国平等，2006a;郭洁等，2009a)，证实了GPS水汽监测技术在四川为代表的西南地区气象业务应用的可行性;分析了GPS水汽的时空分布特点，研究了GPS水汽产品在几类典型性灾害性天气中的演变特征，探索了此项新型大气探测技术及其产品在短时和临近天气预报业务中的应用方法。重点研究了GPS可降水量的时间变化、水平空间分布，分析了GPS可降水量与气温、气压、比湿、辐射和降雨量等地面气象要素以及与大气过程及地形的对应关系。

本项目组先后进行了GPS可降水量的日循环合成分析(李国平等，2006b)，GPS可降水量在华北暴雨(李国翠等，2008a)、西南暴雨(郭洁等，2009a)、华西秋雨(陈娇娜等，2009b)、四川盆地夜雨(李国平等，2006b)、低涡降水(郭洁等，2009a)、冰冻雨雪(郭洁等，2009b)、大雾及人工增雨中的应用研究，以及不同云系降水过程(李国翠等，2008b)、不同类型降雨过程(郭洁等，2009a)中GPS可降水量的对比分析，已初步形成GPS可降水量应用于天气预报的一些具体方法和预报指标;归纳出实时GPS可降水量在强降水预报等领域应用的业务流程，实现了地基GPS监测网数据实时传输、数据解算、可降水量反演和GPS水汽产品的图形显示，开发设计出GPS水汽产品应用于天气分析预报的软件包以及搭建在MICAPS平台上的业务应用系统(图2)，在多个省份的气象业务单位进行了GPS水汽监测系统及其反演的水汽产品在天气分析预报中的试应用。

图2 地基GPS水汽监测应用系统示意Fig.2 The application system of water vapor monitored by ground-based GPS

2 与当前国内外同类研究比较

本研究利用长达40 a的探空气象资料，分为不同时次、不同要素作回归因子，建立了西南地区地基GPS遥感大气水汽的本地化计算模型(郭洁等，2008)，相对于过去国内外一般用1～2 a的探空资料而言，提高了本地化计算模型的可靠性(表1)以及GPS反演水汽的精度(表2—4)。

相对于过去国内外仅用几天的少量样本，用不

同季节、较多观测样本评估了GPS遥感水汽的精度，比较客观地论证了GPS水汽产品在气象业务应用的可行性。

表1 国内外对流层加权平均温度建模情况比较Table 1Comparison of estimating mean weighted temperature of the troposphere at home and abroad

表2 成都加权平均温度的本地化计算模型与Bevis公式的比较(郭洁等，2008)Table 2Comparison of local models in Chengdu to Bevis's regression for estimating mean weighted temperature(Guo et al.，2008)

表3 张家口加权平均温度的单因子和多因子本地化模型、Bevis公式与探空计算值的对比(李国翠等，2008a)Table 3Comparison of local model based on single factor，local model based on multiple factor and Bevis's regression to radiosonde for estimating mean weighted temperature in Shijiazhuang(Li et al.，2008a)

表4 国内外地基GPS技术遥感大气水汽的精度比较Table 4Comparison of the precision of precipitable water vapor derived from ground-based GPS in different studies at home and abroad

本项目组应用GPS大气可降水量资料和地面气象资料综合研究了不同气候区(日本关东平原(Li et al.，2008)、中国华北平原(李国翠等，2008a)和中国成都平原(李国平等，2006a))、不同地形(山区、盆地、平原和海岸)条件下GPS监测的大气水汽量的日循环特征(Li et al.，2008)，首次从GPS可降水量所反映的水汽日变化特点揭示了“四川盆地多夜雨”的成因(李国平等，2006b)。

通过研究GPS水汽产品在几类典型灾害性天气以及人工增雨中的演变特征，本项目组揭示了其在短时临近天气预报业务中的应用方法和判据指标。其中，重点进行了GPS可降水量的日循环合成分析，GPS可降水量在西南暴雨、华西秋雨(秋绵雨)、四川盆地夜雨、低涡降水、冰冻雨雪、大雾、人工增雨中的应用研究，以及不同云系降水过程、不同类型降雨过程中GPS可降水量的对比分析(图3)。

相对于上海、北京、武汉建立的地基GPS水汽监测系统侧重于观测站网建设及水汽自动解算系统研发，本项目在研发水汽自动解算及业务应用系统的同时，更加侧重于GPS遥感的水汽产品的客户端应用，对其在不同气候区、不同地形条件下、不同天气过程中的具体应用方法进行了系统性研究，强化了对气象业务应用的针对性和指导作用(李国平等，2009)。

图3 不同类型降雨天气中GPS可降水量的合成日变化a.暴雨与小到中雨情形的比较;b.雨雪与无雨情形的比较Fig.3 Composite diurnal variations of GPS-PWV in different precipitation types a.heavy rain vs.sustained rain;b.snow and rain vs.no rain

3 存在的问题与发展方向

本研究在进一步提高GPS原始数据的解算精度，改善GPS可降水量序列的连续性(包括替代方案)和稳定性，继续深入开展GPS水汽产品在新一代MICAPS平台上的多要素实时动态显示及综合分析、GPS水汽产品的业务化应用指标及应用领域拓展、GPS水汽产品用于诊断水汽输送通道和水汽季节转换、数值模式GPS水汽资料同化、多源水汽观测数据的集成应用、层析技术反演大气水汽廓线(垂直分布)、4D水汽场分析及可视化等方面还有很大的拓展空间。

具体的发展方向有:进一步提高GPS原始数据的解算精度，研究不同情况下(地形、气候区、观测网、软件、参数设置等)的解算、反演精度;研究地基GPS探测水汽技术在川西高原的适用性、特殊性(与成都平原的比较)及其应对措施;根据配套自动气象站的观测要素和时次，采用智能算法，建立精度更高的加权平均温度本地化计算模型;改善GPS可降水量序列的连续性(包括替代方案)和稳定性;研究“5.12”汶川特大地震后对地基GPS观测网数据质量的影响及其处理措施;GPS水汽产品在MICAPS V3.1上的多要素实时动态显示及综合分析;探索GPS可降水量及其变率与实际降水量的定量关系;GPS水汽产品的业务化应用指标和应用流程;GPS水汽产品用于西南涡外场加密观测试验及第三次青藏高原大气科学试验中的相关研究;GPS水汽产品用于水汽输送通道和水汽季节转换的诊断研究;多源水汽观测数据(探空、GPS/MET、自动站、雷达、卫星、微波辐射计、再分析)的集成应用;GPS水汽产品在西南区域数值预报模式中的同化试验及业务应用;层析技术反演大气水汽廓线(垂直分布)的研究及试验，4D水汽场分析及可视化等。

致谢:本项目组的主要成员还有四川省专业气象台郭洁、石家庄市气象台李国翠、厦门市气象台陈娇娜、成都信息工程学院大气科学学院硕士王皓(现为南京信息工程大学博士生)、四川省气象台郝丽萍、成都市气象局谢娜、西南交通大学黄丁发和成都市气象局黄文诗;四川省气象局、成都市气象局领导对本研究给予了宝贵支持，在此一并表示感谢。

陈娇娜，李国平，郝丽萍，等.2009a.成都地区秋、冬季地基GPS遥感的可降水量的时空变化分析［J］.气象科学，29(5):682-686.

陈娇娜，李国平，黄文诗，等.2009b.华西秋雨天气过程中GPS遥感的水汽总量的演变特征［J］.应用气象学报，20(6):753-759.

楚艳丽，郭英华，张朝林，等.2007.地基GPS水汽资料在北京“7.10”暴雨过程研究中的应用［J］.气象，33(12):16-22.

丁金才，叶其欣.2003.长江三角洲地区近实时GPS气象网［J］.气象，29(2):26-29.

谷晓平，王长耀，吴登秀.2005.GPS水汽遥感中的大气加权平均温度的变化特征及局地算式研究［J］.气象科学，25(1):79-83.

郭洁，李国平，黄丁发.2008.基于40年探空资料的川渝地区对流层加权平均温度及其局地建模［J］.武汉大学学报:信息科学版，33(增刊):43-46.

郭洁，李国平，黄文诗，等.2009a.不同类型降雨过程中GPS可降水量特征的对比分析［J］.水科学进展，20(6):763-768.

郭洁，李国平，陈娇娜，等.2009b.持续低温雨雪天气中地基GPS水汽异常输送信号［C］//中国气象局成都区域气象中心，中国气象局成都高原气象研究所.2008年西南地区东部持续低温雨雪冰冻灾害机理研究和服务评估分析.北京:气象出版社:109-113.

何平，徐宝祥，周秀骥，等.2002.地基GPS反演大气水汽总量的初步试验［J］.应用气象学报，13(2):179-183.

李成才，毛节泰，李建国，等.1999.全球定位系统遥感水汽总量［J］.科学通报，44(3):333-336.

李国翠，李国平，景华，等.2008a.华北三站地基GPS反演的大气可降水量及其特征［J］.气象科学，28(4):389-394.

李国翠，李国平，连志鸾，等.2008b.不同云系降水过程中GPS可降水量的特征［J］.高原气象，27(5):1066-1073.

李国翠，李国平，刘凤辉，等.2009.华北地区地基GPS水汽反演中加权平均温度模型研究［J］.南京气象学院学报，32(1):80-86.

李国平，黄丁发，刘碧全.2006a.成都地区地基GPS观测网遥感大气可降水量的初步试验［J］.武汉大学学报:信息科学版，31(12):1086-1089.

李国平，黄丁发，刘碧全.2006b.地基GPS遥感的成都地区夏季可降水量的日循环合成分析［J］.水科学进展，17(2):160-163.

李国平，陈娇娜，黄丁发，等.2009.地基GPS水汽实时监测系统及其气象业务应用［J］.武汉大学学报:信息科学版，34(11):1328-1331.

李国平，黄丁发，郭洁，等.2010.地基GPS气象学［M］.北京:科学出版社:5-13.

李建国，毛节泰，李成才.1999.使用全球定位系统遥感水汽分布原理和中国东部地区加权“平均温度”的回归分析［J］.气象学报，57(3):283-292.

梁丰，李成才，王迎春，等.2003.应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量［J］.大气科学，27(2):236-244.

刘旭春，王艳秋，张正禄.2006.利用GPS技术遥感哈尔滨地区大气可降水量的分析［J］.测绘通报(4):10-12.

刘焱雄.1999.地基GPS技术遥感香港地区大气水汽含量［J］.武汉测绘科技大学学报，28(3):245-248.

吕弋培，殷海涛，黄丁发，等.2008.成都地区大气平均温度建模及其在GPS/PWV计算中的应用研究［J］.测绘科学，33(4):103-105.

王小亚，朱文耀，严豪健，等.1999.地面GPS探测大气可降水量的初步结果［J］.大气科学，23(5):605-612.

章红平，刘经南，朱文耀，等.2005.利用地基GPS技术反演武汉地区大气可降水分［J］.天文学进展，23(2):169-179.

Bevis M，Businger S，Herring T A，et al.1992.GPS meteorology:Remote sensing of atmospheric water vapor using the Global Positioning System［J］.J Geophys Res，97:15787-15801.

Duan Jingping，Bevis M，Fang Peng，et al.1996.GPS meteorology:Direct estimation of the absolute value of precipitable water［J］.J Appl Meteor，35:830-838.

Li Guoping，Kimura F，Sato T，et al.2008.A composite analysis of diurnal cycle of GPS precipitable water vapor in central Japan during calm summer days［J］.Theoretical and Applied Climatology，92(1/2):15-29.

Mendes V B，Langley R B.1999.Tropospheric zenith delay prediction accuracy for high-precession GPS positioning and navigation［J］.Navigation，46(1):25-33.

Rocken C R，Ware R H，Van Hove T，et al.1993.Sensing atmospheric water vapor with the Global Positioning System［J］.Geophys Res Lett，23(20):2631-2634.

Ross R J，Rosenfeld S.1997.Estimating mean weighted temperature of the atmosphere for Global Positioning System applications［J］.J Geophys Res，102:21719-21730.

Takagi T，Kimura F，Kono S.2000.Diurnal variation of GPS precipitable water at Lhasa in premonsoon and monsoon periods［J］.J Meteor Soc Japan，78:175-179.

Wu P，Hamada J I，Mori S，et al.2003.Diurnal variation of precipitable water over a mountainous area of Sumatra Island［J］.J Appl Meteor，42:1107-1115.