浙江GPS/MET反演大气可降水量产品的误差分析*

姚日升 许皓皓 郭宇光

(1.宁波市气象台，浙江 宁波315012;2.宁波市气象网络与装备保障中心，浙江 宁波315012)

0 引言

水汽占大气总体积的4%，对地气系统径向辐射能量平衡、大气的垂直稳定度、云和暴风雨的形成及演变有显著影响。精确的水汽观测数据是有效预报中小尺度灾害性天气的基础。GPS/MET以其高探测精度、高时空分辨率、不需要标定、全天候、设备可综合利用等诸多优点，已成为大气水汽探测领域中最有发展前途的技术之一［1－3］。

大气可降水量(Precipitable Water)是指垂直气柱中含有的水汽总量。空中水汽资源是大气降水的主要来源，某个区域的空中水汽资源可用一定时段的整层大气可降水量之和来表征。由于空中水资源存在较大的时空差异，计算、分析和评价空中水汽资源，对于其合理开发具有重要意义，浙江省气象工作者在这方面也进行过初步研究［4］。大气可降水量无法直接测量，但可以进行推算，目前采用的方法主要有以下3 种［5］:气象探空资料累加计算［6－7］(下简称“探空法”)、地面气象资料推算［8－10］(简称“地面法”)、地基 GPS/MET 探测资料反演［11］(简称“GPS法”)。探空资料包括大气中不同高度层的湿度参量，被广泛用于计算整层水汽含量，通常以探空资料计算结果作为标准来判断其他计算方法的优劣，不足之处是探空站分布过于稀疏，还需要结合其他分布较为密集的观测资料，才能全面反映一个地区的空中水汽资源状况。地面气象资料具有时间序列长、空间分辨率比较高的特点，而GPS/MET是近些年广泛应用的新型探测技术，可全天候监测，监测站点也在逐步增多，这两种资料都可用于推算大气可降水量。

本文应用浙江省3个高空观测站点的气象探测资料、GPS/MET资料推算反演的整层水汽含量，计算出“地面法”中适合浙江省的参数，并将“GPS法”和“地面法”与“探空法”结果进行比较，分析浙江省“GPS法”和“地面法”产品的误差和可用性，以寻求本地化大气可降水量推算的最佳方案。

1 资料与方法

1.1 资料

所用资料包括2010—2013年浙江省3个站08和20时的探空资料和2013年GPS/MET产品资料。探空站分别为杭州(58457)、衢州(58633)和洪家(58665)，其纬度、经度和海拔高度分别为(30°14'N，120°10'E，41.7m)、(29°00'N，118°54'E，67.1m)、(28°37'N，121°25'E，2.2m)。

1.2 方法

首先根据2010—2012年3个探空站资料分析大气可降水量与地面水汽压的相关关系，并建立回归方程，然后用2013年探空资料计算“探空法”和“地面法”的大气可降水量，以“探空法”结果为基准，对“地面法”和“GPS法”计算结果的误差进行比较分析。

1.2.1 探空法

应用探空资料计算整层大气水汽含量(简称水汽含量)的公式［6－7］为:

式中W表示假定这些水汽全部凝结，并积聚在气柱的底面上时所具有的液态水深度，单位为cm，本文分析时转换为mm;ρ为液态水密度，单位为g·cm－3;g为重力加速度，单位为m·s－2;q(p)为随气压变化的各气压层比湿，单位为g·kg－1;p0为地面气压值，单位为hPa。

式中，e为饱和水汽压，单位为hPa，可根据饱和水汽压与温度的关系，通过探空资料中不同等压面上的露点来确定，在精确的湿度查算表中，用的是Goff-Gratch公式，但在实际应用中，常常采用经验公式，本文使用Tetens计算公式［6］。

具体的计算过程分3步:1)由探空资料中各层露点温度计算饱和水汽压;2)根据(2)式计算各层比湿;3)将(1)式离散化，通过各层累加来计算整层水汽含量。

1.2.2 地面法

回归试验表明，可降水量与对应的地面水汽压之间有良好的数值对应关系［8］，实际应用中通常用有效水汽含量代替实际水汽含量来计算，满足如下形式的经验关系式:W=a+be，其中a和b为经验系数。杨景梅［9］等通过引进地理纬度φ和测站海拔高度H，建立了能反映我国整层大气可降水量同地面湿度参量(水汽压、露点)普遍关系的经验计算模式;张学文［10］也统计出基于月平均资料的整层大气可降水量与地面水汽压经验关系:W=1.74e。

1.2.3 GPS 法

由于地基GPS/MET天顶湿延迟近似正比于大气水汽量含量［11］，因此可利用地基 GPS/MET资料来反演整层大气可降水量。利用GAMIT软件可解算出GPS/MET对流层天顶总延迟ΔL，总延迟为对流层天顶静力延迟与湿延迟之和，而对流层天顶静力延迟可利用GPS/MET接收机所在点的气压(p/hPa)、海拔高度(H/km)和纬度(λ)，采用如下公式算出:

于是可得到湿延迟:

最后大气可降水量可由下式求得:

PWV为大气柱的总水汽含量转换成等效液态水柱的高度，即整层可降水量，单位为mm;∏为转换系数，是无量纲数，其值与加权平均温度Tm的大小有关，一般常取转换系数∏=0.15或建立Tm本地化模型来计算。

2 结果分析

2.1 “地面法”回归方程

本文用2010—2012年(其中2011年5月1日—2012年3月15日及其它个别时次资料缺)浙江3站每天08和20时的探空资料，利用1.2.2中介绍的大气可降水量(W/mm)与地面水汽压(e/hPa)的相关关系，计算出每个站点的a和b值，建立回归方程，方程中的大气可降水量由“探空法”计算得出，地面水汽压由对应时次的地面气压、露点求出。

表1 2010—2012年浙江3个探空站大气可降水量(W)与地面水汽压(e)回归方程

表1可看出，3站W和e的相关系数为0.9左右，均通过0.001 的信度检验［12］，说明大气可降水量与地面水汽压之间确实存在非常好的相关性。表1中回归方程与杨景梅［9］得出的适合浙江地区的方程以及张学文［10］得出的全国月平均关系式W=1.74e比较接近。

2.2 “地面法”与“GPS法”结果的比较

本文用2013年1—11月探空资料，用“探空法”计算大气可降水量;根据上述的回归方程，计算“地面法”的大气可降水量;以“探空法”结果为基准，与对应时次的“GPS法”结果进行比较。为了3种方法间的可比性，仅选取各站探空和GPS/MET资料相匹配的时次进行计算和分析。

表2 2013年浙江3站“地面法”与“GPS法”结果比较

表2可以看出:3站结果基本一致，“地面法”和“GPS法”的结果与“探空法”(基准值)都有很高的相关性，均通过0.001的信度检验［12］，相关系数分析“GPS法”高于“地面法”，3站均超过0.90，且标准差比“地面法”偏小近2 mm，表明“GPS法”相对“地面法”反演的可降水量不仅与实际值相关性更高，而且更加稳定，更能反映实际情况。但“GPS法”相对“地面法”的误差平均值更大，“GPS法”3站普遍为 2.38～2.92 mm，“地面法”3 站有正有负，为 －1.11 ～1.31 mm，说明“GPS法”反演产品存在一定的系统误差，而“地面法”是由回归方程计算得到，从而有效地减小了系统误差。如果经过一定时间的资料累积，针对“GPS法”的结果用统计方法加以订正，将会有效减小“GPS法”结果的总体偏差。

图1是2013年3站“地面法”与“GPS法”大气可降水量散点图，可以看出:3站总体情况比较相似，2种方法相比，“地面法”散点图呈“橄榄型”，“GPS法”呈“棒型”，这也说明“GPS法”与“探空法”(基准值)相关性高，离散度更小。分析图1a、1c、1f还可以看出:“橄榄型”的外沿轮廓，上方弓形更明显，而下方更接近直线，说明“地面法”的计算结果在50 mm以下容易偏大，而50 mm以上容易偏小。

图1 2013年浙江3站“地面法”与“GPS法”大气可降水量散点图

分析表2，3站“GPS”的误差平均 2.38～2.92 mm，标准差 6.50～7.69 mm，相对“探空法”结果均值的百分比分别为7.60% ～8.69%、20.13% ～24.52%，误差接近正常水平略偏大［13］，其中偏大的原因是本文使用的是日常业务运行结果，而浙江GPS/MET资料业务化时间仅1 a左右时间，还需要对历史资料进行回算，对照探空结果求出最佳的反演参数以提高产品的准确性。

3 结语

通过浙江3站2010—2013年的探空资料和2013年GPS/MET资料对大气可降水量的产品分析得出:

1)大气可降水量与地面水汽压之间确实存在很好的相关性，建立回归方程后可以通过地面水汽资料来推算大气可降水量，但存在一定的误差，计算结果在50 mm以下容易偏大，而50 mm以上容易偏小。

2)“GPS法”相对“地面法”与“探空法”结果的相关性更高，标准差更小，也更能反映实际情况。

3)浙江省 GPS/MET资料的反演的 GPSPWV业务化产品误差接近正常水平，可以应用于降水的监测、预报以及数值模式中，但产品准确性还可以改进和提高。

GPS/MET资料以其高时空的分辨率相对传统的探空资料具有巨大的优越性，提高其反演产品的准确和可用性是今后一项长期的工作。一般来说，通过历史资料回算，改进反演过程中某些参数是提高产品质量的一项重要举措，本文使用的“GPS法”计算结果是基于日常业务运行产品，所以还有很大的提升空间;另外文中通过3种方法计算结果的比较还得出如果对历史资料产品进行回归统计分析，建立方程，也能有效减小产品的系统误差，进一步提高产品质量。

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