期梁丰等应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量目前对大气总水汽量在短期天气预报中的应用研究还刚刚开始主要涉及以下几个方面由于大气总水汽量反映了大气柱中水汽总的最大有效潜热因此可以引入中尺度数值预报模式对模式的数据同化给出很强的约束从而改进湿度场的分析质量提高预报准确

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铿虑罗
7 years ago
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1 第卷第期大气科学年月! "#$%&'! "! 应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量梁丰李成才王迎春毛节泰方宗义北京市气象局北京,( 北京大学物理学院大气科学系北京, 国家卫星气象中心北京, 摘要利用年月日 -, 月日北京地区地基全球定位系统./ 0 % 1 % & 网遥感大气总水汽量试验的观测资料分析了北京地区夏季大气总水汽量的时空变化研究了大气总水汽量与日平均温度地面水汽压和降水的关系研究结果表明大气总水汽量存在明显的时空变化对于地理位置基本相近的台站海拔高度的影响比较明显一般情况下高山站的水汽总量低于平原站在晴天地面水汽压与大气总水汽量有较好的相关性而在云雨日由于高低层大气湿度的变化常常不同步用地面水汽压估算的大气总水汽量具有较大的偏差大气总水汽量短时间内的快速增加往往对应有降水过程出现但总水汽量的大小与降水量之间并没有明显的相关在降水预报中应综合考虑总水汽量的前期平均水平短时的增幅和峰值大小等条件的影响关键词地基全球定位系统大气总水汽量地面水汽压引言水汽作为大气的一种主要成分它的分布极不均匀时空变化很大尽管它在大气中的含量不高但它的重要性却不容低估它的时空分布以及由于相变所产生的异常高的潜热显著地影响着大气的垂直稳定度和强对流系统的结构和演变水汽还是大气中重要的长波辐射和吸收物质它对地气系统的辐射收支及全球气候变化也有重要的作用尽管水汽在大气的物理化学过程中具有如此重要的作用但它却是地球大气主要成分中人们了解和描述得还不够充分的成分之一近年来地基全球定位系统.0 技术作为一种新的遥感探测技术被应用于大气水汽观测方面取得了一些成果 -, 与以往的观测手段如探空微波辐射计飞机观测等相比它具有成本低精度高时间分辨率高能够全天候观测的优点因此可以被广泛使用美国等发达国家已经开始发展业务的地基.0 观测网 ( 但是地基.0 只能遥测观测路径上的大气总水汽量而不能提供水汽的垂直分布信息因此研究大气水汽总量或称大气总水汽量在天气气候分析和预报中的应用是充分利用这一新的数据资源的基础收到 ( ) 收到再改稿北京市科委资助项目 * + (

2 期梁丰等应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量目前对大气总水汽量在短期天气预报中的应用研究还刚刚开始主要涉及以下几个方面由于大气总水汽量反映了大气柱中水汽总的最大有效潜热因此可以引入中尺度数值预报模式对模式的数据同化给出很强的约束从而改进湿度场的分析质量提高预报准确率使用高时空分辨率的.0 水汽观测作为独立的数据源来校正数值预报模式研究大气总水汽量及其时间变化率与降水强度和范围的关系 ) + 考察将其直接应用于短时预报中的可能本文利用年夏季北京地区地基.0 加密观测试验数据研究北京地区大气总水汽量的局地变化特征及其在暴雨分析和预报中的作用观测试验概述年月日 -, 月日北京市气象局北京大学和国家卫星气象中心三家单位合作在京津地区进行了我国首次区域性地基.0 网遥感大气总水汽量的试验共设个观测站图站点间的平均距离大约为 + & 左右其中南郊探空站延庆平谷顺义密云和斋堂的试验站点设在当地的气象观测站海淀十三陵房山蓟县的试验站点距离最近的地面观测站有一定的距离由于数据通讯条件的限制对观测数据的处理是在整个试验结束后进行的在试验期间定期下载各站的观测数据导航星历收集相应的地面气压气温和湿度等气象观测数据并下载了位于武汉上海拉萨乌鲁木齐和国外的部分跟踪站数据以及国际.0 服务 % %! "% ".0!2 提供的精密星历利用麻省理工学院 3 的.$ 3 软件对观测数据进行了解算得到时间间隔 & 的对流层总图.0 $0 试验的站点分布示意图延迟然后利用地面气压气温数据和天顶流体静力学延迟公式计算了大气总水汽量 + 与使用常规探空资料计算的积分水汽相比在所有相同时刻南郊站.0 反演结果的总的均方差为 ( && 观测结果分析北京地区大气总水汽量的时空变化表是个测站年月日至, 月日的旬平均大气总水汽量很明显 -, 月北京地区的大气总水汽量是逐渐增加的尤其以月下旬到月上旬增加最快平均增加了 && 月下旬大气总水汽量出现一个低谷, 月上旬又快速增加

3 , 大气科学卷表站遥测大气总水汽量的旬平均值北京西北西南中部东南东北 && 天津站名延庆昌平斋堂房山海淀南郊平谷密云顺义蓟县海拔高度 & ), ++) ),,) +(+ (+ ( +) +,( 月 - 日,)( + )) )( ))) ) + 月 - 日 ( + )(+, ( +,,,) ) 月 - 日 ),, ) ) ( ) 月 - 日, ( )) ) + ) ) ( ),+ ), )+ )(( 月 - 日 (, )+ ( ) ) ) ),+ + ( +,, +)) ), 月 - 日 (+ + +,( ( + +,, 月 - 日,() )+)) ) )+ )() )( ), + ),( ) )++ 注为缺测为高山站此外从表中还可看出延庆斋堂这些高山站的大气水汽含量明显低于其他平原站而北京西北部地区的水汽含量又低于其它地区这主要是因为一般情况下大气中的水汽主要分布在 + 0" 以下的大气中海拔较高的地区的总水汽量因而要低于海拔低的地区大气总水汽量与日平均温度的关系图显示了试验期间南郊观象台站 +)+ 的日平均温度的变化与大气总水汽量值之间的关系大气总水汽量与日平均温度基本呈反相关这是不难理解的大气总水汽量值的上升意味着该地区大气中水汽增多出现云的概率增加这将导致地面接收的来自太阳的短波辐射减少日平均温度降低图年月日 -, 月日南郊站的日平均温度和大气总水汽量的时间序列图大气总水汽量与地面水汽压的关系在研究地面水汽压或露点与大气总水汽量的关系方面国内外已有许多工作 - ( 大多是利用常规探空资料来计算大气总水汽量的因此时间分辨率较粗我们试图利用高时间分辨率的.0 遥测资料来分析两者间的关系

4 期梁丰等应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量 ( 我们选用试验期间南郊站每一次的地面观测资料计算了地面水汽压并与同时刻的.0 遥测资料进行了比较地面水汽压的计算公式为 4 其中 4 为露点温度为经验常数其值分别取为 + 和分析结果表明大气总水汽量和地面水汽压之间有较好的线性对应关系图晴天时用地面水汽压计算的总水汽量与.0 的观测值之间的相关系数为, 在云雨天相关系数为, 但与杨景梅等的研究相比相关系数 ( 均方根误差 + && 我们的结果相关系数明显偏低特别是云雨天均方根误差达 ) && 晴天略好均方根误差为, && 分析其原因我们认为在一般情况下水汽含量是随高度递减分布的但当有对流活动发展时低层湿空气向上输送云内温度迅速增大高于环境温度使得饱和状态下的水汽总量急剧增加从而导致大气总水汽量迅速增加但此时近地层的水汽含量的增长要落后于总水汽量的增加在降水过程结束后云中的饱和水汽已转为雨滴降落到地面总水汽量减少而雨后地面比较潮湿地面水汽压的降低要落后于总水汽量的减少因此在晴天用地面水汽压估算大气总水汽量具有较小的误差在气溶胶遥感以及气候研究中是有直接使用价值的而在云雨天由于高低层大气湿度的变化常常不同步用地面水汽压计算的总水汽量有较大的偏差在我们的试验中云雨天的最大正误差为 && 最大负误差为 && 这样大的误差是不能忽略不计的图年月日 -, 月日南郊站地面水汽压与大气总水汽量的散点图 " 晴天 / 云雨日大气总水汽量与降水的关系我们将年月日 -, 月日的 & 间隔的.0 观测数据与相应的累积降水量进行比较图 ) 仅给出了南郊站的结果其他测站略在试验的天中 + 站以上出现降水的日数为天小于 + 站的降水日数为天南郊站出现降水的日数为天含微量降水即观测值为我们发现几乎对所有测站而言在降水

5 ) 大气科学卷图 ) 年月日 -, 月日南郊站大气总水汽量与累积降水量时间序列图 & 间隔的总水汽量日平均总水汽量小时累积降水量开始前的几个小时总水汽量都持续增长这与毛节泰等对武汉上海的.0 观测试验的分析结果是一致的此外我们还发现在降水开始前的一两天大气水汽总量也是连续快速增长的超过某个阈值时便出现降水不同地区或同一地区不同时期这个阈值是不同的观测结果还表明水汽总量的大小与降水量之间并没有明显的相关比如月 ) 日与月日各测站的日平均大气水汽总量以及之前两三天的增幅基本相当但前者出现了全市性的暴雨后者却只在部分地区出现了小雨这是因为前者尚属夏初北京地区的湿度相对较小而后者已是北京的主汛期大气中水汽含量的平均值已明显高于前者又如月日各站的日平均总水汽量与月日基本相近但前期的增幅小于后者结果仅有房山站出现了 && 的降水所以我们认为在分析大气水汽总量与降水的关系时应综合考虑前期平均水平短时的增幅和峰值的大小等条件当中尺度雨团与天气尺度系统相配合时由于得到充足的水汽输送往往出现超过本站上空可降水汽总量的暴雨在此次观测试验期间北京地区共出现了两次暴雨过程其中又以月 ) -+ 日的过程更大我们利用.0 的观测资料来分析此次暴雨过程的水汽输送情况在月 ) 日,6 和 6 点北京时间的天气图图 + 上 + 0" 上空河套地区有一个中心强度 +, 位势什米的低压中心而辽东半岛附近为稳定的高压脊控制形成所谓的东高形势从,+ 0" 风场上可以看到此次暴雨过程的水汽有两个来源一支来自东南海面由高压外侧的东南风携带到北京另一支来自西南在河套地区的低压的牵引下北上到达北京受高空低涡与偏南暖湿气流的影响北京普降暴雨部分地区为特大暴雨全市平均雨量为 ( && 最大暴雨中心位于雁翅达, && 毛节泰等全球定位系统气象学.0 53 研究论文汇编国家卫星气象中心北京大学地球物理系 ((( 年月 )) -+

6 #! 期梁#丰等& 应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量!A# = 图 C#" 月 A 日 C)),H4高度场和 DC),H4风场 #4 " )DT ))' # G"!)T )) 此次暴雨过程大致可分为两个阶段! " 月 A 日凌晨至傍晚为第一阶段! 雨团从北京的西南部发展起来! 稳定少动! 降水主要集中在西部山区! 主要时段为 A 日 == T)) E!)T )) 时' A 日夜至 C 日晨为第二阶段! 东南部地区有雨团发展! 逐渐向西北移动! 降水主要集中在东南部平原和山前地区! 主要时段为 C 日凌晨 )!T )) E)DT )) 时% )) 时 E" 月 C 日 =AT )) 时的 FH; 观测水汽总量时间序列图! 斋图? 为 " 月 * 日 =AT 堂$ 海淀和蓟县站纬度基本相同! 房山$ 延庆站的经度基本相同! 通过对比这两组站点的观测! 可以了解这次降水过程的水汽输送情况% 图?4中斋堂站从 " 月 * 日 =DT )) )) 时大时起大气总水汽量开始增加! 海淀站略晚半小时左右! 蓟县站直到 " 月 A 日 ))T 气总水汽量! 值才开始增大' 同样! 从房山和延庆站的比较中可知! 位于北部的延庆站大气总水汽量! 值的增加要晚于房山站约!,! 这些差异表明暴雨开始前水汽是由

7 !A! 大##气##科##学!" 卷# 西南向东北输送的! 并且南北方向的输送更快一些! 这从同时段的大气水汽总量的水平分布图 # 图略" 上也可看出% 图?#" 月 * 日!)T )) EC 日!)T )) FH; 遥测大气总水汽量的时间序列 #4 " 海淀$ 斋堂$ 蓟县站' # G" 房山$ 延庆站图 "#北京地区大气水汽总量的 * 小时差值图等值线间隔 )' )! : 8! 实线为正! 虚线为负 #4 " " 月 A 日 ="T )) E!)T ))' # G" " 月 A 日!)T )) EA 日!*T ))' #: " " 月 A 日!*T )) EC 日 )!T ))' # R" " 月 C 日 )CT )) E)DT ))

8 期梁丰等应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量 ) 为了更清楚地分析此次暴雨过程两个阶段水汽输送的异同我们制作了北京地区大气总水汽量水平分布的差值图图与前面的分析一致在第一阶段水汽主要是从西南方向进入北京的伴随着降水第一阶段的结束大气水汽总量略有减低图 " 之后东南部地区又开始增湿图 / 水汽逐渐向中部西北部输送图第二阶段降水开始降水结束后图 4 天气逐渐转晴水汽总量降低结合,+ 0" 的流场分析可知在暴雨过程的第一阶段两支水汽通道都向北京地区提供了水汽输送因此水汽较第二阶段更充沛降水量也相对大些而在第二阶段随着 + 0" 低涡的南掉阻挡了西南水汽向北京地区的输送东南方向的水汽输送起主要作用结论通过对年夏季北京地区地基.0 加密观测试验结果的分析可以得到以下结果大气总水汽量存在明显的时空变化对于地理位置基本相近的台站海拔高度的影响比较明显一般情况下高山站的水汽总量低于平原站晴天地面水汽压与大气总水汽量有较好的相关性而在云雨日由于高低层大气湿度的变化常常不同步用地面水汽压估算的大气总水汽量具有较大的偏差大气总水汽量短时间内的快速增加往往对应有降水过程出现但总水汽量的大小与降水量之间并没有明显的相关在降水预报中应综合考虑总水汽量的前期平均水平短时的增幅和峰值大小三个条件总之地基.0 的观测结果可用于短时降水的监测预报和分析下一步我们将尝试将这些观测数据同化到中尺度数值预报模式中以改善模式的湿度场分析提高短期降水预报的准确性参考文献 ! 38$8*! 1 8 8$8$ % " 4 8*89"!.0 & %!1 &% 1#"%&'! :"%!2"'! 1% 1/"' % 1 % &!8 (( +, - +, " *2 8 ;8 & 89"! : " !.0 %!&.0 1#"%&'! :"%!2"'!#!& %!1 "# $%&'% 8 ((+ ), - ),8 7 1! 8 " 4 "%! 3 '!& #.0 "%&'! & %! 18 "# 8 (( + -,8 ) " 8 " 4 "%!.0 %!1! % % &"% #% "/% 2" #'! ' %"/ :"%! " 8 ((, -,,8 + 李成才毛节泰李建国等.0 遥感水汽总量科学通报 ((( - 8 王小亚朱文耀严豪健等地面.0 探测大气可降水量的初步结果大气科学 ((( " 1 " 4 " %" 3 "''!" %! &% 1#:"%!2"'!/" 4.0 " 4 "!! 1! 3& "%!! 1 # " " &%& ((, )+ -)+,8, *8 8 " 4 8. "! "% "" & "% #'! ' %"/ :"%! 1" 4!%"%

9 )) 大气科学卷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杨红梅等用单站探空资料分析对流层气柱水汽总量气象 ((,, - 8 '"!%& %#5"!% $%&'! " 4 0" %"! # "" % % %% #3 1! '' % %% # " 1!"' #? 2! % # " #! ""% " 1 & %"% #!%.$ 3.0 $ " #%:"! " (8 8 '% &/! ((8 杨景梅邱金桓我国可降水量同地面水汽压关系的经验表达式大气科学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é ê 廖光洪朱小华杨成浩徐晓华基于南海年夏季调查航次诊断计算的流函数场选取越南以东偶极子发生海域进行不同的声层析观测站位设置实验模拟计算声线传播时间信息然后应用基函数重建方法进行了流函数场的模拟反演研究讨论了不同随机观测误差对反演结果的影响研究结果表明该方法是可行的在所选取的约海域内在观测海域外围配置个声层析观测站位就能够很好地重构原流函数场空间分辨率约为可以分辨模拟海域中尺度涡场结构