湖南省GPS/MET与探空水汽资料对比分析

罗 宇，罗林艳，吕冠儒

(1.中国气象局气象干部培训学院湖南分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省气象信息中心，湖南 长沙 410118)



湖南省GPS/MET与探空水汽资料对比分析

罗 宇1，罗林艳2，吕冠儒2

(1.中国气象局气象干部培训学院湖南分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省气象信息中心，湖南 长沙 410118)

GPS/MET探测具有建设维护成本低、探测精度高、不受云雨影响、全天候等特点，已成为获取大气水汽资料的重要探测手段。该文对比分析了湖南省4月(春季)和7月(夏季)长沙、怀化、郴州GTS1探空仪与GPS/MET获取的水汽资料。分析结果表明：在可比较时刻点上，GPS/MET与探空对水汽总量变化趋势描述是一致的，二者测得值呈显著相关性，相关系数在0.939 0～0.968 3之间，残差标准误差在3.339～4.547之间，GPS/MET水汽值比探空平均偏高3.121 1～5.143 6 mm，相对平均误差为9.407 3%。

GPS/MET；高空气象观测；水汽总量；大气遥感

1 引言

水汽是大气的基本参量，是大气中唯一能发生相变的成分，在很多大气物理化学过程中扮演十分重要的角色。同时，水汽能强烈地吸收地面辐射，也能放射长波辐射，是一种重要的温室气体，对地面和大气的辐射平衡有很大的影响。在时间和空间上，水汽分布极不均匀，难以精确测量。探空是目前获取大气水汽信息最直接手段，但受到成本高、站点少等条件限制，其资料时空分辨率有限，制约了人们对水汽空间分布和时间变化的了解，进而影响强降水等灾害性短临预报准确性[1]。地基GPS遥感大气水汽技能是20世纪90年代发展起来的一种全新的大气探测手段。基于水汽对GPS信号的“湿延迟”可反演出大气的水汽总量,精度约在2 mm[2]。因此,利用GPS对大气中水汽的连续监测, 有效弥补常规大气探测的不足。为更好的利用GPS水汽资料，有必要对GPS和探空测得水汽总量进行对比。李成才等(1999)利用上海、武汉两地GPS资料反演30 min间隔的水汽变化信息，与探空资料对比其均方根误差约为5 mm[3]。毕研盟等对比了2008年5—7月锡林浩特GPS和探空水汽资料，得出二者相关系数为0.89，GPS水汽值较探空平均约偏高0.18 g/cm2[4]。卢会国等分析了2010年7月第八届国际探空对比试验资料，认为探空与GPS/MET测量的水汽值存在较强相关性，相关系数在0.57～0.74之间，且探空水汽值较GPS/MET偏高0.71～1.47 mm[5]。考虑到大气中水汽空间分布差异较大，因此有必要在上述研究基础上对湖南省GPS/MET水汽探测资料进行对比分析，使其更好的应用到相关气象业务中。

2 数据处理方法

本文选用湖南省2016年4月(春季)和7月(夏季)GPS/MET资料及长沙、怀化、郴州高空秒级资料，所有资料均由全国综合气象信息共享平台(CIMISS)获取。

2.1 探空资料的处理

选取湖南省3个探空业务站的高空秒级资料。由于探空原始资料只提供相对湿度数据，因此需首先利用温度(t)、气压(p)和相对湿度(U)计算水汽压(e)并得到水汽混合比(r)[6]：

(1)

(2)

水面饱和水汽压时(t>0 ℃)，a=17.27，b=237.3；冰面饱和水汽压时(t<0 ℃)，a=21.87，b=265.5。

由此计算气柱水汽总含量CPWV：

(3)

2.2 GPS/MET资料的选取

湖南省3个探空业务站2016年4月和7月高空探测放球时间均值约为78 min。考虑到大气水汽主要集中在300 hPa高度以下，而气球上升到该高度时间约为30 min[7]，因此选取探空仪释放后最近1 h的GPS/MET资料作比较。即19时15分释放探空仪获取的资料与GPS/MET获取的20时00分水汽资料进行对比。

3 资料对比分析

3.1 各GPS/MET站资料对比分析

临近长沙、怀化、郴州探空站分别选取4个GPS/MET站点(长沙探空站：汨罗、湘乡、赫山、双峰；怀化探空站：芷江、凤凰、溆浦、沅陵；郴州探空站：桂阳、宜章、资兴、永兴)，各GPS/MET站点4月和7月的有效探测数据均在600个时次以上。分组对比可见GPS/MET测得的水汽除个别高值或低值点外，变化趋势基本一致(图1)，这也从侧面反映出大气中水汽局地时空分布存在一定连续性。

3.2 GPS/MET与探空水汽资料对比

分别选取离3个探空站最近的GPS/MET水汽站资料作为参考值，与对应探空站点计算所得水汽总量进行对比分析，采用最小二乘法拟合回归方程、计算相关系数，并进行相关性检验，如表1、图2所示。

图1 2016年4月、7月湖南省长沙(a)、怀化(b)、郴州(c)周边GPS/MET站点水汽对比图Fig.1 Comparison of GPS/MET precipitable water vapor in April and July of 2016 around Changsha(a), Huaihua(b), Chenzhou(c) City in Hunan Province

台站样本数拟合方程残差标准误差平均偏差相关系数p-value长沙105Y=4.1290+0.9782X4.5473.12110.94752.200×10-16怀化115Y=5.3148+0.9962X3.3535.14360.96832.200×10-16郴州106Y=9.83770+0.8745X3.3394.35500.93902.200×10-16

通过上述对比可见，湖南省GPS/MET与探空测量水汽值符合较好，二者之间存在非常显著的相关性(p-value<0.01)，相关系数分别为0.947 5、0.968 3和0.939 0，标准差分别为1.552 2、1.119 9和1.396 47。在对比数据集上，二者变化趋势基本一致(如图3所示)，GPS/MET水汽值稍高于探空，平均分别偏高3.121 1 mm、5.143 6 mm和4.355 0 mm，平均相对偏高7.754 0%、13.293 0%、11.1576%，与华东区域资料对比分析所得结论相当[8]。同时，对比数据集上的平均偏差与水汽含量有关。当水汽含量较低时(小于35 mm)，GPS/MET水汽值平均偏高1.968 2 mm，当水汽含量较高时(大于35 mm)，GPS/MET水汽值平均偏高4.563 6 mm。

图2 2016年4月、7月湖南省长沙(a)、怀化(b)、郴州(c)GPS/MET与探空水汽数据回归分析图Fig.2 Regression analysis with GPS/MET and radiosonde precipitable water data in April and July of 2016 in Changsha (a), Huaihua(b), Chenzhou(c) in Hunan Province

图3 2016年4月、7月湖南省长沙(a)、怀化(b)、郴州(c)GPS/MET与探空水汽数据对比图Fig.3 Comparison on GPS/MET and radiosonde precipitable water data in April and July of 2016 in Changsha(a), Huaihua(b), Chenzhou(c) in Hunan Province

4 结论与讨论

①利用GPS/MET测得的水汽与探空直接测量所得数据具有很高的一致性，对水汽总量变化趋势的描述与探空基本一致(图3)，平均误差在4.343 0 mm，百分比误差平均为9.407 3%，因此湖南省GPS/MET资料已完全具备业务化价值，有效弥补高空探测不足，对提升灾害性天气监测预报能力有着广阔的应用前景。

②以GPS/MET水汽探测数据为参考，湖南省3个探空站探空资料相关系数(0.947 5、0.968 3、0.939 0)基本相同，其中长沙站数据离散度程度较高，可能是由于所选的GPS/MET站离长沙相对较远，水汽空间分布变化剧烈的原因(汨罗站，距离长沙探空站60余千米)。

③由于探空采用直接测量方式，其测得的水汽数据应更为可靠，GPS/MET水汽资料与之相比仍有一定偏差，且存在个别时次变化趋势不一致的情况，可能是由于探测设备系统误差、探空站与GPS/MET站的空间距离、国产探空仪对湿度的低温探测性能较差[10]以及GPS/MET水汽反演中加权平均温度Tm的地区性差异等因素造成的，具体原因有待进一步研究。

致谢：感谢湖南省气象信息中心同事文立恒，在本文研究过程中，文立恒就相关资料问题给予了有益的帮助和讨论。

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A comparative analysis of vapor data between GPS/MET and radiosonde in Hunan Province

LUO Yu1，LUO Linyan2，LV Guanru2

(1.China Meteorological Training Center Hunan Branch, Changsha 410125, China;2.Hunan Provincial Meteorological Information Center, Changsha 410118, China)

Based on the advantage of GPS/MET in measuring atmospheric water vapor, a comparative analysis of the GPS/MET vapor data and radiosonde results was presented, and it is found that the water vapor data obtained by GPS/MET is generally 3.121 1 to 5.143 6 mm higher than the radiosonde measurements, and the relative error is 9.407 3%. The two methods are correlated well on describing water vapor tendency with correlation coefficients between 0.939 0 to 0.968 3, with the standard deviation between 1.119 9 to 1.552 2.

GPS/MET; radiosonde; precipitable water; atmospheric remote sensing

1003-6598(2016)06-0028-04

2016-06-27

罗宇(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事大气遥感与探测相关科研与教学工作，E-mail:mariachi41qq.com。

P412.13

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