地基GPS水汽资料在1709“纳沙”台风暴雨过程中的应用分析

陈颖 谢万芬

(赣州市气象局,江西 赣州 341000)

0 引 言

大气中的水汽是发生降水的必要条件之一,对降雨量有直接的影响。近些年,GPS技术迅速发展起来,GPSPW探测的是大气柱总水汽含量,精度高、稳定性好,运用GPSPW可以提高对灾害性天气的监测和预报能力。万蓉等在“地基GPS在暴雨预报中的应用进展”里指出,大气可降水量的初始峰值在暴雨临近预报中有重要的指示意义[1]。姚建群等用GPS可降水量资料对一次暴雨过程进行了分析,发现大气可降水量达到50 mm时的时间与实际降雨时间有很好的对应关系[2]。付琦琼等研究发现,在强天气发生前,GPS水汽会剧烈增长。然而,目前对GPSPW的研究大多是侧重于数据的演变与降雨量的相关,对于天气过程发生时的动力和热力条件考虑的还很不充分[3]。

目前江西省建有62个地基GPS观测站,其中赣州地区就有15个,这15个地基GPS观测站是从2009年6月开始运行进行观测的。目前,赣州对这方面资料研究应用还是空白。为了能找出GPS探测到的水汽资料对于降雨预报的指示意义以及其发生变化的内在原因,增强该水汽资料在实际预报中的应用价值。本文对赣州地区地基GPS观测数据进行反演,利用反演后的大气可降水量数据,结合实时雨量数据和其它观测资料,对2017年7月31日发生的台风暴雨过程进行了综合分析,然后再结合相关的动力和热力条件,研究大气可降水量和实际降水的相关性,并研究了大气可降水量发生变化的内在原因,供台风暴雨预报作参考。

1 台风“纳沙”概况和降雨实况

2017年第9号台风“纳沙”(图1)于7月26日11时在菲律宾以东洋面发展成为热带风暴,中心气压为998 hPa,随后逐渐加强北上,27日11时加强成为强热带风暴,中心气压为985 hPa,17时路径转为西北方向移动,强度继续加强,于28日17时在距离台湾省宜兰县南偏东方向335 km的海面上加强成为台风,中心气压降至975 hPa。加强成为台风级后,“纳沙”移动速度明显加快,于29日20时在台湾省宜兰县附近登陆,登陆时为台风级,登陆后向偏西方向移动,强度未减弱,在台湾境内移动时强度一直维持台风级。进入台湾海峡后,“纳沙”又转向西北方向移动,于30日06时前后在福建省福清市沿海再次登陆,登陆后“纳沙”的强度仍维持在台风级,登陆后,“纳沙”快速减弱并继续向西北方向移动,30日10时减弱为热带风暴,中心气压986 hPa。30日20时对其停止编号。于7月31日20时左右从抚州进入江西,强度为热带低压,随后低压中心转向偏北方向移动。

图1 9号台风“纳沙”移动路径图

受其外围云系影响,7月30日20时至31日20时赣州出现了一次暴雨、大暴雨降雨过程(图2),国家站平均雨量为49.0 mm,出现3站大暴雨(赣县100.6 mm、安远141.8 mm、寻乌112.0 mm),3站暴雨(兴国、南康、上犹),3站大雨。据上报灾情资料统计,寻乌3个乡镇受灾,受灾人口23人,转移人口7人;农作物受灾面积2668 m2;公路中断11段;损坏提防3处;直接经济总损失99.7万元。

图2 7月31日雨量实况分布图(单位：mm)

2 环流形势分析

台风“纳沙”从生成到影响赣州期间,我国中高纬环流以纬向环流为主,太平洋副热带高压强盛,呈带状分布,位于23°～35° N之间,西伸脊点到达70°E,脊线一直稳定在30°N附近。7月28日08时(图3)在110°～120°E副高北侧有一高空槽东移发展,移动速度缓慢,24 h移动了不到10个经距,在移动过程中高空槽不断增强、加深,强大的高压坝被分裂为东、西两环。此时台风“纳沙”受副高南侧东南气流引导,向西北方向移动。“纳沙”登陆台湾后,由于受到北面高空槽东移的阻挡,它开始转向偏西方向移动,朝着福建沿海靠近。在登陆福建后,受副高西侧的东南偏南气流引导,转向西北偏北方向移动。随着台风逐渐靠近,GPSPW值也随之快速增长。

图3 7月28日08时500 hPa风场、高度场(a)7月29日20时500 hPa风场、高度场(b)

3 GPS PW与降水的关系

3.1 GPS PW资料处理方法

江西省气象局和江西省测绘局在赣州设立了15个GPS观测站(图4),由这些GPS观测站监测到的数据,再结合赣州探空站资料,可以建立适合的ZHD模型。

图4 15个GPS观测站海拔分布图(单位：m)

GPS卫星发射信号后,经过大气的折射,信号会出现延迟,这种延迟被称为对流层天顶总延迟(ZTD),主要由电离层延迟和对流层延迟组成,电离层延迟与信号频率平方成反比,因此利用双频接收机两个频率大气延迟方程的线性组合来进行消除[4]。对流层延迟包含了天顶湿延迟ZWD和天顶静力延迟ZHD[5-6]。具体计算过程如下:

大气可降水量计算公式

PW=Π×ZWD,

(1)

ZWD=ZTD-ZHD。

(2)

对流层天顶总延迟ZTD可用GAMIT软件计算得出。天顶静力延迟ZHD可以通过Saastamoinen模型[7]、Hopfield模型[8]或Black模型[9]和地面气压计算得到,这些模型中的系数会随着地理位置而变化。邹海波[10]等人结合探空站资料对ZHD模型进行了改善,ZHD的计算精度得到提高。改善后的ZHD模型为:

ZHDS=96.9573+0.1337

ZHDH=100.21+0.89(40.082

(3)

PW是由大气气柱的总水汽含量转换为等效液态水柱高度得到的,其中转换因子Π为:

(4)

3.2 GPS PW和降雨量演变特征分析

台风“纳沙”影响赣州期间,兴国、安远、赣州3站大气可降水量(GPSPW,下同)与逐时降雨量的演变过程进行分析(图5),发现,在台风影响前(30日09时前),兴国、赣州、安远3站GPSPW值均小于50 mm,无降水出现。30日09时后,“纳沙”在福建登陆后缓慢向西移动,向赣州东北部地区靠近,GPSPW值开始明显增加。离“纳沙”较近的兴国于30日09时后开始明显增加,安远在30日10时后开始明显增加,赣州位置偏西,于30日12时后GPSPW值才开始明显增加。30日14时兴国GPSPW值率先超过62 mm,并一直稳定维持在62 mm以上,达到62 mm值之后的4 h出现降雨(1 h降水量超过1 mm)。30日18时安远GPSPW值超过55 mm,随后3 h出现降雨。而赣州的GPSPW值则在30日19时超过60 mm,随后1 h出现降雨。“纳沙”台风向江西中东部与福建边界移动靠近,兴国、安远、赣州GPSPW值继续增大。31日03时兴国GPSPW值达到最大75.85 mm,对应出现31.6 mm/h强降雨;31日05时赣州GPSPW值达到最大74.07 mm,对应出现32.9 mm/h强降雨。31日20时“纳沙”从抚州进入江西后,转向偏北方向移动,对赣州中部以南地区的影响逐渐结束,安远在8月1日0时以后GPSPW值降至55 mm左右并稳定后,降水停止;此时中部以北地区仍受到“纳沙”减弱后的低压槽影响,GPSPW值仍然维持在60～66 mm左右,降雨仍在继续。赣州、兴国当GPSPW值分别降至60 mm、62 mm以下并稳定后,降水才停止。

图5 兴国、安远、赣州3站7月29日08时至8月3日14时GPS PW和降水量时序图

对这次大暴雨过程中赣州市其他12个地基GPS站的GPSPW与降雨也做了类似的分析,发现结果与之类似,即降雨都出现在GPSPW迅速增加至一稳定值(阈值)后的一段时间,而结束于GPSPW明显减小至一稳定值(阈值)时。通过分析发现,赣州所有站GPSPW值持续增长到阈值后的1～4 h才出现降雨。强降雨都出现在GPSPW迅速增长后达到最大值时。

对15个GPS站的海拔进行分类分析后发现(图6),海拔相近的站点GPSPW阈值相近,不同海拔的GPSPW阈值都不相同。按每50 m海拔分段分析GPSPW阈值,发现100～150 m(赣州、上犹、于都)的阈值在60 mm左右;151～200 m(兴国、会昌)的阈值在62 mm左右;201～250 m(大余、瑞金、信丰、宁都)的阈值在58 mm左右;251～300 m(崇义、定南、石城、全南)的阈值在57 mm左右;301～350 m(安远、寻乌)的阈值在55 mm左右。由此可见,海拔在200 m以上的站点随着海拔的增加,其阈值有明显减小的趋势。

图6 不同海拔站点的GPS PW阈值变化图

4 GPS PW与动力、热力条件分析

大气中具备足够的水汽条件是降雨产生的必要条件,但是动力和热力条件也是必不可少的。因此,找出GPSPW变化的内在原因,可以增强该水汽资料在预报中的实际应用价值。在此次暴雨过程中,分析垂直速度场发现(图7),从7月30日08时开始,赣州地区500 hPa以下均处于上升运动区中,这为大气可降水量的积累提供了足够的动力条件,此时也正是GPSPW值逐步增大的过程。30日08时开始,赣州北部地区上升运动先发展到了200 hPa,GPSPW值在随后4 h上升至62 mm以上,其余地区在30日14时开始,上升运动才发展到200 hPa,GPSPW值也同样在随后的3～4 h越升至60 mm以上。强烈的上升运动有利于水汽的堆集,局地强烈的垂直运动发展与GPSPW值的增长有明显的对应关系。

图7 7月29—31日赣州垂直速度场剖面图

从散度场和涡度场分析中发现(图8),在此次过程中,中低层一直为正涡度,负散度;高层一直为负涡度,正散度这样的上下配置,对降水的持续和发展十分有利。低层有源源不断地水汽输送,加之高空辐散的动力作用,有利于垂直上升运动的加强和发展,降水得以持续。

从比湿(q)和假相当位温场(θse)分析中发现(图9),本次降雨过程发生前,赣州上空大气层一直呈现出不稳定的状态,同时水汽条件也是相当好,850 hPa比湿一直在14～16 g/kg,表明降雨开始前赣州上空一直处于高温高湿不稳定状态。随着台风登陆福建后向西移动,30日14时开始高能舌也随之西移,赣州在30日14时以后至31日20时一直处于85 ℃高能区和q大于16 g/kg区域中。该不稳定状态发展持续的时间,恰好同GPSPW的变化存在较好的对应关系,即30日14时以后,GPSPW呈现出快速增长态势。

图8 7月29—31日赣州涡度和散度场垂直分布图

图9 7月29—31日赣州θse和q垂直分布图

根据水汽收支方程(Trenberth等[11]1995):

(5)

5 结 语

1)此次“纳沙”台风降水过程主要是台风本体降水带来的暴雨,台风移动路径主要受副高南侧引导气流移动。随着台风登陆后逐渐靠近,GPSPW值也随之增长。

图10 7月29—31日赣州水汽通量散度垂直分布图

2)通过对第9号“纳沙”台风暴雨过程中逐时GPSPW和雨量资料分析发现,GPSPW和实际降水量存在对应关系。实际降水开始前和结束后,分别对应着GPSPW的快速递增和递减。当GPSPW值在增长过程时超过一个稳定值55～62 mm(阈值)后的1～4 h出现降雨,并在GPSPW值达到最大时出现降雨量最大值。

3)GPSPW达到阈值时,产生降水。然而不同海拔高度的站点出现降水时,其GPSPW阈值则有所不同,海拔高度在200 m以上的站点,海拔高度增加,阈值则减小。

4)利用GPSPW提供的精确的水汽变化资料,并结合相关的动力和热力条件,发现上升运动越强,GPSPW值的增长越快;大气一直处于不稳定状态时,GPSPW呈现快速增长态势。此次过程结束后GPSPW减小,主要是因为出现了降水。