GNSS水汽与降水比较及用于河北省水汽通道探测研究*

王 勇，毛志锋，曾昭扬

(天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384)

2013年7月1-8日河北省发生了大范围、高强度和长时间的降水过程，该次降水过程造成严重的气象灾害，短时强降水预报已经成为当前急需解决的重要问题。水汽是影响降水过程的重要因素，利用GNSS技术可反演出高时空分辨率的水汽信息。目前河北省建成GNSS CORS网络，如何利用现有GNSS数据为短时天气预报提供参考，是大地测量与气象学两个学科的交叉问题。Bevis在1992年首次提出了“GNSS气象学”的概念[1]。多位学者就北京[2]、河北[3-4]和江苏盐城[5]等地区开展了GNSS水汽与降水的比较研究，发现两者存在着较好的对应关系。刘严萍等人指出北京GNSS水汽的变化对应了从西南到东北的水汽输送过程[6]。以上研究中对河北省的研究较少，缺少长时间、大范围、多测站的GNSS水汽应用研究。

本文利用河北省2013年5-8月CORS网络数据和对应的气象数据反演GNSS测站水汽，开展GNSS水汽与实际降水的关系及探测河北省夏季水汽通道，以期为区域短时强降水预警提供参考。

1 研究区域与研究数据

1.1 研究区域

研究区域为河北省，地处113°27′～119°50′ E，36°05′～42°40′ N，该地区地形复杂，包含高原、平原、草原、山地、丘陵、盆地和海滨等地形。根据河北省的地理位置和地形条件等信息，结合河北省GNSS站点分布情况，选取涉县、魏县、南和等19个GNSS站点作为研究对象。19个GNSS站点的区域分布如图1所示。

1.2 研究数据

由于河北省降水多发生在夏季，论文选择2013年5-8月CORS网络及同期测站气象数据开展相关研究。GNSS水汽获取是论文研究的基础，GNSS水汽反演过程如下：解算软件为GAMIT10.6，卫星高度角设置为10°，松弛解解算模式，每小时解算一个对流层延迟值。利用SAAS模型解算测站静力学延迟，由对流层延迟去除静力学延迟获得测站对流层湿延迟，根据湿延迟与水汽之间的对应关系[7]，结合气象要素(温度)，即可获得河北省GNSS站点水汽序列。

研究数据还包括气象观测要素，主要有测站气压、温度、降水量，以上要素均为小时观测，数据来源于河北省气象局。

图1 河北省GNSS站点分布

2 GNSS水汽与实际降水的比较

2.1 GNSS水汽与实际降水的逐时演变

水汽随时间和空间的变化比较显著，连续的GNSS监测能够比较好的确定水汽的时空变化，可以为降水预报提供及时可靠的依据。由于论文篇幅的限制，本节以涉县和青龙为例，研究GNSS水汽与实际降水的关系，分别对涉县和青龙2个GNSS测站2013年5-8月的GNSS水汽与实际降水进行比较(图2)。

由图2可以看出每次降水出现之前总对应着一次GNSS水汽的峰值的出现，总体而言GNSS水汽序列的峰值略超前于实际降水过程。为近一步说明GNSS水汽的峰值与实际降水之间的关系。选择涉县(8月1日)和青龙(6月28日)两次暴雨过程进行分析(图3)。

以涉县为例，分析一次强降水过程GNSS水汽的变化，涉县在2013年8月1日有一次暴雨过程(图3a)，暴雨持续时间为8月1日7时至9时，该段时间内总降水量为77.9 mm 。在暴雨发生前，GNSS水汽从7月29日17时至30日6时开始连续下降，6时下降到极小值后，从7月30日6时至7月31日7时开始缓慢上升，从7月31日7时至8月1日6时GNSS水汽开始急剧增大至最大值49.33 mm，在8月1日7时出现降雨，暴雨主要出现在7时，单位小时内降水高达69.2 mm。青龙站点GNSS水汽与实际降水比较也有相似的规律。

可见，降水过程发生前，GNSS水汽迅速递增并且达到峰值，可作为降水预报的重要判断依据之一。

2.2 GNSS水汽与本站降水过程的比较

为了GNSS水汽能在实际的降水预报中发挥作用，探究GNSS水汽峰值超前实际降水的时间，由于论文篇幅的限制，仍以涉县和青龙为例。

由表1可知，涉县2013年5-8月总共发生降水28次，GNSS水汽序列峰值与实际降水时间的比较如表1所示。在28次降水事件中，GNSS的水汽序列峰值与实际降水同时发生的次数和超前降水发生的次数一样，都占到总降水次数的50%。

由表2可看出，青龙2013年5-8月发生降水30次，GNSS水汽序列峰值与实际降水时间的比较如表2所示。青龙发生的30次降水事件中，GNSS水汽序列峰值与实际降水同时发生和超前降水发生时间1 h的次数最多，分别为16次和7次。GNSS水汽序列峰值与实际降水同时发生的次数占总降水次数的53%，GNSS水汽序列峰值超前降水发生的次数占到总降水次数的47%。

图2 河北省2013年5-8月GNSS水汽与实际降水的比较

图3 暴雨过程GNSS水汽与实际降水的比较

表1 涉县GNSS水汽序列峰值超前降水时间统计

表2 青龙GNSS水汽序列峰值超前降水时间统计

图4 两条水汽通道GNSS站点分布图

图5 GNSS PWV的变化

图6 GNSS △PWV时空变化

通过统计19个测站GNSS水汽序列峰值与实际降水时间的关系可知，GNSS水汽序列峰值超前降水发生时间1 h和2 h的次数较多。即GNSS水汽序列峰值超前降水发生时间约为1～2 h。GNSS水汽序列峰值超前降水发生的次数占到总降水次数的59%，GNSS水汽序列峰值与实际降水同时发生的次数占总降水次数的41%。说明GNSS水汽监测在短期强降水预报中具有超前性和实用性。

3 基于GNSS的河北省夏季水汽通道探测

3.1 水汽通道选取

从上一节的研究结果可以看出GNSS水汽序列峰值与实际降水同时发生的次数占总降水次数的41%，对于这些降水过程GNSS测站水汽无法进行提前预警。如果能通过区域GNSS水汽的变化与降水的关系研究(即水汽通道探测)可为河北省夏季降水提前预报提供辅助决策。国内学者对华北地区夏季水汽通道开展了相关研究[8-10]，对于利用GNSS水汽研究河北省夏季的水汽通道的文献甚少。结合河北GNSS站点的分布，本节将针对西南至东北方向和西北至东南方向上的站点开展GNSS水汽空间变化来验证其水汽通道的存在。GNSS站点选择如下：在西北-东南的方向上选择丰宁、兴隆、遵化和唐山四个站点；在西南-东北的方向上选择沙县、晋州、永清和三河四个站点。两条水汽通道的GNSS站点分布如图4所示。本节的研究还用到了单位时间(h)的水汽变化，用△PWV表示(mm)，△PWV计算公式见式(1)。

△PWVi=PWVi-PWV(i-1)。

(1)

式中：△PWVi表示第i时的水汽变化，△PWVi表示第i时的水汽，PWV(i-1)表示第(i-1)时的水汽。

3.2 西北-东南水汽通道的存在性验证

为验证河北省西北-东南方向上水汽通道的存在，选择西北-东南方向上四个GNSS测站(丰宁、兴隆、遵化和唐山)2013年夏季的6次降水过程进行分析(图5)。

为了更好地表达△PWV的时空变化，本节使用ArcGIS绘制出2013年7月31日20时至8月1日1时的△PWV时空变化如图6所示。

图7 GNSS PWV的变化

由图5和图6可以看出，在西北-东南方向上发生的6次降水过程中，各站点的GNSS_PWV峰值出现的时间也存在着空间和时间上差异性，△PWV值由正变负的时间也存在差异性。丰宁、兴隆、遵化和唐山四个站点的GNSS水汽序列沿着西北-东南方向依次到达峰值，然后开始下降。这四个站点的△PWV值由正到负的变化过程也是沿着西北-东南的方向。结合气象部门提供的2013年夏季的降水资料，6月8日至10日丰宁、兴隆、遵化和唐山的降水时间分别为9日0时、9日7时、9日10时和10日01时；6月16日丰宁、兴隆、遵化和唐山的降水时间分别为8时、12时、16时和21时；6月25日至26日丰宁、兴隆、遵化和唐山的降水时间分别为14时、20时、20时和21时；6月28日至29日丰宁、兴隆、遵化和唐山的降水时间分别为28日19时、28日20时、29日0时和29日0时；7月4日丰宁、兴隆、遵化和唐山的降水时间分别为16时、18时、19时和20时；7月31日至8月1日丰宁、兴隆、遵化和唐山的降水时间分别为31日20时、31日22时、31日23时和8月1日2时。由此可知，降水过程的发生，对应了GNSS水汽序列到达峰值并开始下降，及△PWV值由正变为负的变化过程，这与上一节得出的结论一致。

国内学者马京津[8]指出由于夏季东亚大气环流的影响华北地区的水汽主要来自西北方向。由于丰宁、兴隆和遵化等城市主要位于河北的西北方向，因此受西北-东南方向水汽通道的影响较大。故认为，河北省的确存在着西北-东南方向的水汽通道。

3.3 西南-东北水汽通道的存在性验证

选择西南-东北方向上4个GNSS测站(涉县、晋州、永清和三河)2013年夏季的6次降水过程进行分析(图7)。

由图7可看出在西南-东北方向上发生的6次降水过程中，各站点的GNSSPWV峰值出现的时间也存在着空间和时间上差异性。涉县、晋州、永清和三河四个站点的GNSS水汽序列沿着西南-东北方向依次到达峰值，然后开始下降。结合气象部门提供的2013年夏季降水资料，5月25-26日涉县、晋州、永清和三河的降水时间分别为25日22时、26日8时、26日17时和26日21时；7月10日涉县、晋州、永清和三河的降水时间分别为3时、6时、7时和14时；7月22-23日涉县、晋州、永清和三河的降水时间分别为22日17时、22日21时、31日1时和31日2时；7月29日涉县、晋州、永清和三河的降水时间分别为11时、12时、13时和15时；8月1日的降水时间分别为7时、12时、12时和13时；8月7日涉县、晋州、永清和三河的降水时间分别为14时、15时、18时、19时。

由图7的分析可知，河北省存在由WS-NE方向的水汽通道。华北地区夏季的水汽通道有三条，分别为西南、东南和偏西方向水汽通道，其中西南方向水汽通道最为重要[10]。而西南水汽源地主要在孟加拉湾、南海和东海，孟加拉湾水汽通过西南方向水汽通道输送到华北，而南海水汽在到达广西和广东地区后并入西南风水汽通道输送到华北。西南方向水汽通道是两股水汽来源会合的结果。故可认为，河北省存在西北-东南方向的水汽通道。

4 结论

通过对河北省GNSS水汽开展其与降水比较并用于河北省水汽通道探测，获得以下结论：

(1)GNSS水汽序列峰值超前降水发生时间约为1～2 h。GNSS水汽序列峰值超前降水发生的次数占到总降水次数的59%，GNSS水汽序列峰值与实际降水同时发生的次数占总降水次数的41%。

(2)河北省存在西北-东南和西南-东北方向的水汽通道，利用区域GNSS水汽变化可为河北省短时强降雨的预报提供参考和借鉴。