应用全球定位系统、太阳光度计和探空仪探测大气水汽总量的对比分析

介绍了应用全球定位系统(GPS)和太阳光度计估算大气水汽总量的方法。大气中的水汽会对GPS信号的传播造成显著的影响,故可以利用GPS观测估算水汽总量或可降水量(PW);在近红外940 nm波段,水汽对太阳直射辐射的吸收作用会直接影响到太阳光度计观测的信号,利用水汽吸收透过率与水汽量的关系,应用太阳光度计的辐射观测资料也可以反演出无云情况下的水汽总量。将锡林浩特观象台2008年5—7月的GPS、CE-318型太阳光度计和探空仪3种观测的水汽量进行了比较,三者对水汽量的变化趋势描述较为吻合,相关系数在0.88以上,说明GPS和太阳光度计都能捕捉到大气中的水汽变化信息;但在水汽量的具体数值上存在差异。统计分析表明:相对于探空来说,GPS-PW稍高于探空值约0.18 g/cm2,太阳光度计PW值则低于探空。太阳光度计便于携带,观测简便;GPS可全天观测无需标定,利用GPS-PW对太阳光度计反演中的模拟参数进行校正是一种可行的方法。     

地基GPS遥感大气水汽总量中的"静力延迟"和"湿延迟"

介绍了静力延迟和湿延迟概念的由来,推导了由对流层延迟计算水汽总量的一般公式;与李延兴等提出的新模型进行了对比,对其相应的观点提出讨论意见.认为国际上通用的AN模型比较严密地求解了对流层大气水汽总量,不存在与"真值"相比偏小的问题.     

利用北京GPS监测网分析夏季暴雨的水汽特征

利用覆盖北京地区的地基GPS水汽监测网数据反演的地基GPS大气柱水汽含量 (precipitable water vapor, PWV),分析了2009年7月3次暴雨天气过程中大气柱水汽含量的水平分布特征;利用高空、地面常规气象资料以及加密气象自动站观测资料计算地面和高空比湿,结合温度、风等物理量分析3次暴雨天气过程中的大尺度水汽输送和中尺度局地辐合作用;对最大降水强度以及降水量的时间变化的分析表明:3次降水落区分布特征与降水前期大气柱水汽含量高值的水平分布较为一致;大气柱水汽含量曲线变化特征与各尺度天气系统造成的水汽输送和水汽辐合密切相关,大气柱水汽含量的大小与水汽来源密切相关;降水前4小时内大气柱水汽含量出现陡增,线性增速大于1.1 mm/h,最大降水强度出现在大气柱水汽含量峰值出现后的1~2 h。     

利用地基北斗站反演大气水汽总量的精度检验

采用上海市气象局建立的北斗气象站的2014年观测数据和我国自主研发的精密导航数据处理软件PANDA (position and navigation data analysist) 实现了基于北斗数据的大气水汽总量 (precipitable water vapor,PWV) 反演,并将利用北斗卫星信号解算的大气水汽总量 (W_BD) 结果与目前较为成熟的GPS卫星反演结果 (W_GPS) 和无线电探空反演结果 (W_Radio) 进行对比,研究表明:反演的W_BD与W_GPS的均方根误差均低于3.5 mm,反演的W_BD与W_Radio的均方根误差为3.6 mm,两种对比方式的相关系数均在0.95以上,反演方法以及地理位置的差异对于反演结果有一定影响;反演的W_BD能够很好地反映出大气中水汽的变化特征,对于气象短时临近预报、气候分析有指示作用。     

利用FY-3A近红外资料反演水汽总量

该文介绍了利用搭载在FY-3A卫星上的中分辨率光谱成像仪 (MERSI) 的近红外 (NIR) 通道反演大气水汽总量 (PWV) 的方法。根据预先建立的查找表,大气水汽总量可以通过水汽通道与窗区通道的卫星测值相比反演得到。对MERSI近红外水汽通道灵敏度进行估算,结果表明:处于吸收带两翼的905 nm和980 nm通道对不同水汽量的敏感性表现比较接近,对较大水汽含量最为敏感;当水汽较弱时,强吸收的940 nm通道非常敏感。基于这3个通道对水汽含量敏感性的不同表现,采用3个通道水汽总量的加权平均值作为PWV产品的最终反演值。文中设计了水汽总量业务算法反演流程,并基于FY-3A/MERSI最新观测资料进行晴空大气水汽总量的业务处理生成试验,顺利生成MERSI单轨道水汽总量产品及日拼图中国区域产品和全球产品,同时生成多天合成产品,产品反映出MERSI具有较好的近红外水汽探测能力。将卫星反演结果与探空数据进行初步比对检验,显示卫星反演值有20%~30%系统性偏低,需要进一步改进反演查找表。     

地基GPS反演大气水汽总量的初步试验

1998年5~6月的“海峡两岸及邻近地区暴雨试验”(HUAMEX) 期间, 同时进行了小规模的地基GPS长时间连续估测大气水汽总量的外场试验。试验中应用探空和地面降水资料与GPS反演结果进行了比较分析。地基GPS反演的大气水汽总量与探空得到的大气水汽总量, 两者随时间演变的趋势一致, 两者估算的水汽总量平均偏低6.5 mm, 两者偏差的均方差为4.3 mm。GPS反演的大气水汽总量随时间明显的呈周期性变化, 平均周期为7.2天。从GPS反演的大气水汽总量随时间演变图上可以清楚地看出水汽的积累与释放过程, 并与地面降水存在一定的对应关系, 地面降水大多发生在GPS反演的水汽总量处于相对高值且变化率较大的时候。     

基于地基GPS遥感的大连地区大气水汽总量变化特征

基于大连地区地基GPS综合观测网遥感反演了大气水汽总量（PWV）,分析了大连地区PWV空间变化、逐月变化和日变化特征以及PWV变化与降水的关系,并利用大连本站2005-2011年的探空资料拟合了大连地区地面温度和大气加权平均温度的关系。结果表明：大连本站的PWV与探空积分的水汽含量相关系数达到0.988,均方根误差为2.5 mm。大连地区PWV南北分布比较均匀;PWV最大的月份为7-8月,最大月平均值约40 mm,PWV最小的月份为1月,最小月平均值小于4 mm;大连地区PWV春季和冬季日变化幅度约0.5 mm,夏季和秋季日变化幅度约1.3 mm。夏季和秋季的PWV日变化呈单峰型,春季和冬季的PWV日变化呈多峰型; 在降水发生前8 h 大气水汽总量有明显增加过程,对降水的发生有指示作用。     

GPS气象应用：水汽总量绝对值的直接解算

文章说明了利用ＧＰＳ接收机的布风观测结果来解算积水分叫量的简单方法，采用标准的空间测地方法了对流层大气（电中怀）的中性天顶延迟，通过地面气压的观测量来计算其中的静力延迟。从中性天顶延迟中减去静力延迟得到湿项延迟，用其来估算水汽一。通过将远距离的ＧＰＳ全球跟踪观测站 ＧＰＳ观测网来一同分析，解算出天顶中性延迟的绝对值。这一方法去了观测网内水汽微波辐射计观测的必要性，提出了一套“纯ＧＰＳ”测水汽的Ｇ     

青藏高原探空大气水汽偏差及订正方法研究

水汽是大气的主要成分和降水的主要物质来源.青藏高原大气水汽分布对区域天气和气候有很大影响,为了探讨探空观测的大气水汽总量（R）资料的可靠性,本文以地基GPS遥感的大气水汽总量（G）为参照标准,对拉萨（1999~2010年）和那曲（2003年）的R进行对比分析和偏差（R-G）订正.结果表明:近10多年拉萨站R比G明显偏小,偏小程度随使用不同的探空仪而异.GZZ-2型机械探空仪和GTS-1型电子探空仪多年平均的PW偏差分别为-8.8%和-3.9%,随机误差分别为17.6%和13.6%.近10多年PW偏差变化呈减少趋势,这与探空仪性能改进有关.分析发现,青藏高原PW偏差具有明显季节变化和日变化特征,夏季比冬季明显,1200 UTC比0000 UTC明显.拉萨站GZZ-2型和GTS-1型探空仪在1200 UTC多年平均的PW偏差分别为-15.8%和-7.3%,在0000 UTC分别为-1.6%和-0.4%.那曲站GZZ-2型探空仪在1200 UTC和0000 UTC的PW偏差分别为-12.4%和-0.3%.分析还表明,太阳辐射加热与气温的日变化和季节变化是造成高原PW偏差日变化和季节变化的重要原因.据此,提出了高原PW偏差的订正方法,并以拉萨和那曲站为例进行PW偏差订正,订正后的PW系统偏差显著减少,随机误差也相应得到了改善.     

用GPS资料分析华南暴雨的水汽特征

对1998年华南暴雨试验期间获取的半小时时间间隔的GPS资料进行了分析，揭示华南前汛期局地大气气柱水汽总量增减变化特征及增湿方式，并证明气柱的水汽总量的增减有明显的不连续性。这种不连续性与大气环流的变化及华南暴雨的突发有很密切的关系。     

Moisture analysis of a squall line case based on precipitable water vapor data from a ground-based GPS network in the Yangtze River Delta

A squall line swept eastward across the area of the Yangtze River Delta and produced gusty winds and heavy rain from the afternoon to the evening of 24 August 2002. In this papers the roles of moisture in the genesis and development of the squall line were studied. Based on the precipitable water vapor （PWV） data from a ground-based GPS network over the Yangtze River Delta in China, plus data from a Pennsylvania State University/National Atmospheric Center （PSU/NCAR） mesoscale model （MM5） simulation, initialized by three-dimensional variational （3D-VAR） assimilation of the PWV data, some interesting features are revealed. During the 12 hours prior to the squall line arriving in the Shanghai area, a significant increase in PWV indicates a favorable moist environment for a squall line to develop. The vertical profile of the moisture illustrates that it mainly increased in the middle levels of the troposphere, and not at the surface. Temporal variation in PWV is a better precursor for squall line development than other surface meteorological parameters. The characteristics of the horizontal distribution of PWV not only indicated a favorable moist environment, but also evolved a cyclonic wind field for a squall line genesis and development. The ＂＋2 mm＂ contours of the three-hourly PWV variation can be used successfully to predict the location of the squall line two hours later.     

地基GPS技术在广东区域水汽分布研究中的应用

利用广东省连续运行卫星定位服务系统（GDCORS）观测资料,采用地基GPS／MET技术线路,用Bemese软件平台求解各参考站上的对流层天顶总延迟和湿延迟。通过推导湿延迟与大气可降水汽含量之间的转换关系得到GPS各测站大气水汽含量。试验结果表明,GPS／MET技术可获得覆盖广东省范围的高时空分辨率的大气水汽总含量分布图。     

基于地基GPS资料的天山山区夏季大气可降水量特征

基于新疆天山山区2012—2015年夏季的GPS/PWV资料、探空资料和逐日降水资料,运用多种统计方法,分析天山山区夏季大气可降水量(PWV)的时空变化特征,并初步探讨其原因。从夏季平均值分布来看,天山山区各站PWV分布存在明显差异,与海拔高度呈显著负相关关系;且低海拔站点PWV比高海拔站点表现出更大的发散性和可变性,有雨日PWV的极值、中位数等整体高于无雨日。天山山区夏季PWV表现出显著的月变化和日变化。大部分站点7月PWV最大,6月次之,8月最少;一日之中在10时左右出现日最大值,个别站点表现出不同的变化特征,且有雨日和无雨日也存在一定差异。天山山区各站夏季降水量与其PWV关联性不明显,降水量和水分循环指数均与海拔高度呈显著正相关关系。这可能是因为夏季山区高海拔站点更易产生局地对流性降水,从而增加水分循环次数所致。     

江淮入梅异常的强信号及其对入梅的影响

江淮入梅具有显著的年际变化特征.利用NCEP/NCAR再分析数据集以及NOAA提供的全球射出长波辐射(OLR)和扩展重建海温(ERSST)等资料,采用相关分析和合成分析等方法研究了江淮入梅异常的前兆强信号,并初步分析了其影响入梅的可能机制.结果表明,ENSO事件是影响江淮入梅早晚较强的前兆信号.前期冬春季出现ENSO暖位相时有利于入梅开始偏晚,ENSO冷位相出现时入梅往往偏早.前期冬季2月和春季Nino 4区的海温异常能较好地预测入梅早晚,具有短期气候预测的指示意义和实用性.ENSO暖位相年,亚澳"大陆桥"、菲律宾、西太平洋暖池以及印度半岛附近对流偏弱,不利于西太平洋副热带高压北跳和印度夏季风爆发,东亚地区大气环流季节转换偏晚,入梅因而偏晚;ENSO冷位相年情况则相反.     

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。     

云南地基GPS观测大气可降水量变化特征

利用2007年云南地基GPS站点观测资料,分析GPS反演的大气可降水量(PWV)变化特征,并用探空、实际降水量资料和GPS反演结果进行比较。结果表明:GPS/PWV能反映云南降水的季节变化特征,海拔较低的测站普遍比同期海拔较高的测站测得的GPS/PWV值高;GPS/PWV值与探空得到的大气水汽总量随时间演变趋势基本一致,其相关系数均达0.89;GPS/PWV变化周期和实际降水发生的周期基本相同,降水大多为GPS/PWV值连续增加达到峰值(或从峰值开始下降)后开始;GPS/PWV上升幅度较大或位于高位可作为连续性强降水过程出现的预报指标,但使用GPS/PWV峰值作预报指标时,还应考虑季节因素。     

北斗和GPS反演大气可降水量的对比分析

北斗地基增强系统是我国北斗卫星导航系统重要的地面基础设施,它可以获取高精度、高时间分辨率的水汽产品,满足数值预报、空间天气监测和预警业务的需求。本文利用2017年北斗地基增强系统中北斗单模、GPS单模和GPS+BD双模的数据资料,对同址的北斗气象站、GPS气象站和探空站反演大气可降水量进行对比分析,结果表明:(1)现行北斗地基增强系统所提供的数据,可以有效地用来反演大气柱总水汽含量,所得结果合理,平均偏差都小于1 mm,在变化上与GPS系统和探空系统基本一致,对数值预报有一定的指示作用;(2)与GPS系统相比,GPS单模/PWV和GPS+BD双模/PWV的均方差小于2 mm,相关系数均在0. 97以上,表明两者在反演PWV的精度上与GPS系统相当,而北斗单模/PWV的均方差为3～6 mm,相对方差达到了15%～20%,其精度与GPS系统还有一定的差距;(3)与探空相比,北斗单模在个别时次变化趋势上存在不一致的情况,其均方差为2. 14～6. 12 mm,相对方差为15. 32%～20. 84%,其误差可能是由于探测系统误差等因素造成的,而GPS+BD双模和GPS单模会更加稳定。     

四川盆地一次强降水过程水汽特征

利用WRF模式、地基GPS资料以及常规气象观测资料,结合模式输出资料的高空间分辨率(10km)和GPS大气可降水量(GPS-PWV)资料的高时间分辨率(30min)的优点,对2008年7月20—22日四川盆地一次暴雨过程的水汽变化特征及各物理量与大气可降水量的关系进行综合分析。结果表明:此次降雨过程是由高原涡和西南涡共同作用引起,WRF模式能够较好地模拟出降雨落区和强度。GPS-PWV反映的大气可降水量增减趋势与WRF模拟的较为一致。水汽密度垂直分布反映了大气可降水量分布,水汽密度随高度增加而递减,降雨初期,水汽密度随高度减小迅速,降雨强盛时期,水汽密度随高度减小的速度减慢。水汽辐合使得水汽密度和大气可降水量增大,风的散度项与水汽通量散度的变化一致,而水汽平流项对水汽辐合贡献较小,水汽的辐合主要由风场辐合造成。     

引潮力对副高的影响及在入梅期中的作用

分析了长江中下游入梅期后西太平洋副高的演变，发现，无论是入梅副高形势的建立，还是入梅后副高的稳定发展，都与引潮力有密切关系，并归纳得到预示长江中下游入梅的天文判据。