（气象学专业论文）华北地区地基gps遥感可降水量及天气学应用研究.pdf

摘要 本文首先对华北地区可降水量资料处理中的两个关键问题一准确性和完整 性等进行了分析，主要工作集中在以下四个方面： ( 1 ) 针对导致目前河北省地基g p s 可降水量资料存在较高的缺测率和误算率 问题，根据g p s 反演可降水量的原理，编程解算了河北省三个地基g p s 站的可降 水量资料。 ( 2 ) 与探空资料积分法计算得到的加权平均温度对比得出，华北地区常规计 算模型( b e v i s 经验公式) 普遍存在一定的系统误差。在分析加权平均温度与地 面各气象要素关系的基础上，分别建立了基于地面气象要素的单因子和多因子回 归方程，较好地满足了g p s 遥感可降水量实时性和高精度的要求。 ( 3 ) 利用探空资料积分法、g p s 反演法分别计算了有探空观测和g p $ 观测站 点的大气可降水量，分析了华北地区大气可降水量与地面各气象要素的关系，建 立了不同情形下用地面水汽压估算大气可降水量的经验公式。检验结果表明，按 天气状况分型时，地面水汽压和可降水量相关性好、估计精度高，可作为除探空 资料积分法和g p s 遥感方法之外估计可降水量的一种备选方案。 “) 对同时刻地基g p s 反演和探空积分得到的可降水量对比得出，地基g p s 是一种重要的测定大气可降水量的方法，具有较高的精度和时间分辨率。 其次，在上述研究基础上，利用石家庄、秦皇岛和张家口地基g p s 可降水量 的资料，对河北省g p s 可降水量的时空分布特征、可降水量与实际降水的关系进 行了统计和分析，对可降水量在单纯积状云产生的对流降水、层状云产生的稳定 性降水以及层积混合云产生的暴雨三类典型降水过程中的演变趋势进行了研究， 归纳出可降水量用于各种降水天气的预报指标，可为短时临近天气预报提供参 考。 关键词：地基g p s ；可降水量；加权平均温度；地面水汽压；时空分布；降水 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，f o u rk e yp r o b l e m so fv e r a c i t ya n di n t e g r i t yi nr e m o t es e n s i n g p r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o r a r es t u d i e di nn o r t hc h i n a t h er e s u l t ss h o w ： ( 1 ) i no r d e rt oi m p r o v et h el a c k i n ga n dm i s c a l c u l a t i n gr a t ei ng r o u n d - b a s e dg p s d a t a , p r o g r a m sa r ep r o g r a m m i n gt oc a l c u l a t el m 。c i p i t a b l ew a t e rv a p o ra c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo f g r o u n d - b a s e dg p s n 正t - ( z ) s o m ed i f f e r e n tm e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e di nn o r t hc h i n a , t h e f o l l o w i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ei sas y s t e m a t i ce r r o ri nt h e s ea r e a sb yu s i n gb e v i s e m p i r i c a lf o r m u l a s o m er e g r e s s i o ne q u a t i o n so ft h ew e i g h t e dm e a nt e m p e r a t u r e b a s e do ns i n g l ef a c t o ro rm u l t i - f a c t o ra r eg i v e ni nn o r t hc h i n a i ti sh e l p f i l lt om c c t t h en e e do fr e m o t es e n s i n gr e a l - t i m ea n dh i g hp r e c i s ep r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o rb y g r o u n d - b a s e dg p s ， ( 3 ) t h ec o r r e s p o n d i n gp r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o ri sc a l c u l a t e db a s e do ns o u n d i n g a n dg p sd a t ai nn o r t hc h i n a , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o ra n d s u r f a c eo b s e r v a t i o n a ld a t aa r ea n a l y z e d d i f f e r e n te m p i r i c a lf o r m u l a sa r ee s t a b l i s h e d u n d e rd i f f e r a n tc l a s s i f i c a t i o n sb yu s i n gr e g r e s s i o nm e t h o d a st h er e s u l t , t h ef o r m u l a c o n s i d e r i n gs k yc o n d i t i o ni st h eb e s ta n dc a nb eu s e da st h er e p l a c e m e n to f e s t i m a t i n g p r e c i p r a b l ew a t e rv a p o rb e s i d e sr a d i o s o n d em e t h o da n dg p st e c h n o l o g y ( 4 ) c o m p a r i n gg p st e c h n o l o g yw i t hr a d i o s o n d em e t h o di nc a l c u l a t i n gp r e c i p i t a b l e w a t e rv a p o r ，g r o u n d - b a s e dg p si sa ni m p o r t a n tw a yw i t hh i g hp r e c i s ea n dt e m p o r a l d i s t r i b u t i o n i na d d i t i o n ，0 1 1t h eb a s eo f t h ea b o v ea n a l y s i s , t h et e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o n f e a t u r e so fp r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o ri ng p sa r ea n a l y z e d , a n dt h er e l a t i o nb e t w e e n p r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o ra n dr e a lp r e c i p i t a t i o na r ea l s os t u d i e di ns 坷i a z h u a n g ， q i n h u a n g d a oa n dz h a n g j i a k o uc i t y w i t ht h ea n a l y s i so fp r o c i p i t a b l ew a t e rv a p o ri n c o n v e c t i v ep r e c i p i m t i o np r o d u c e di nt h el a m i n o s ec l o u d , s t e a d yp r e c i p i t a t i o ni nt h e l a y e rc l o u d ，a n dt h eh e a v yr a i ni nt h el a m i n o s ea n dl a y e rm i x e dc l o u d , s o m ev a l u a b l e c o n c l u s i o n sa r cp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s ，a n di tp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h es h o r t r a n g ef o r e c a # t i n ga n dn o w c a s t i n g k e yw o r d s ：g r o u n d - b a s e dg p s ；p r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o r ( p w v ) ：w e i g h t e dm e a n t e m p e r a t u r e ：s u r f a c ev a p o rp r e s s u r e ；t e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o n ；p r e c i p i t a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么叁窖霹- 日期：勘z 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产 权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论 文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸 质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州太学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名 单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 导师签名：垭日期： 王研文学硕士研究生论文 1 引言 1 1g p s 遥感简介及研究意义 g p s 气象学( o p s m e t e o r o l o g y ，简写为o p s m e t ) 是近十年来蓬勃发展起来的，由卫星 动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出的新兴边缘学科，发源于美国。 根据g p s 接收机的位置，g p s 遥感大气水汽含量的技术分为两类：一类是地基g p s 气象遥 感技术，即利用地球表面上静止的g p s 接收机接收g p s 卫星讯号，以连续的对地球大气参数( 主 要是综合水汽或可降水量) 进行测量。地基g p s 技术的数据获取方法简单，可供研究的数据多， 是当前研究的重点；另一类是空基g p s 气象遥感技术，即主要利用安置在低轨人造卫星平台 上的g p s 接收机接受g p s 卫星讯号，采用掩星法对气象参数( 主要是大气综合水汽或可降水量) 进行测量，目前耗资大而难以实现，且可供研究的数据少。 水汽在大气物理和大气化学诸多过程中起着关键作用，它不仅是重要的温室气体，也是 影响短期降水预报的关键因子。同时，它还影响着大气垂直稳定度、大气风暴系统的结构和 演变过程，以及大气能量平衡。水汽及其变化是天气和气候的主要驱动力，水汽的分布极不 均匀、时空变化很大，是预测降雨、中尺度恶劣天气以及全球气候变化的一个非常重要的物 理量。 目前在气象学中，探测大气水汽含量的方法主要有两种：( 1 ) 无线电探空技术，即通过 发射探空气球，收集有关的温度、气压、湿度等气象因子来计算水汽含量。但由于探空气球 成本高，所以其分布密度较小，目前空间分辨率为数百到数千千米；而且一般每天仅进行早 晚2 次探测，时空分辨率低，不能满足中小尺度灾害性天气的需要。( 2 ) 使用微波辐射计，日 前微波辐射计是探测大气水汽最为精确的一种设备。但地基微波辐射计在有浓云时穿透能力 下降，特别是有降水发生时更会产生较大误差。两星载微波辐射计由于受背景温度影响较大， 所以在陆地上其精度较低。同时微波辐射计昂贵的价格，也限制了它的广泛应用。而作为新 一代大气探测技术的g p s 水汽遥感具有较高的精度，可以全天候观测商不受气溶胶、云和降 水的影响，具有很高的垂直分辨率和时间分辨率( 可获得半小时甚至几分钟高时间分辨率水 汽资料) ，无需校准、设备维护简单等优势。目前国内g p s 观测站网建设正在迅速展开，如何 应用好g p s 水汽观测资料已成为气象业务工作的个关键问题。 1 2 国内外研究现状 在g p s 遥感大气水汽总量的研究进展和前景方面，李国平【l , 2 1 、曹云昌圆等已有系统性综 述。 在2 0 世纪8 0 年代，美国的d a v i s 、h e r r i n g 、a s k n e , n o r d i u s 等人在该领域做了许多理论 上的研究并进行了多次试验，为其发展奠定了理论基础。后来，b e v i s 和b u s i n g e r 等人进行了 王州土学嘎士研究t 论文 较全面的研究，1 9 9 2 年提出了采用地基g p s 技术探测大气水汽含量的原理【4 】。1 9 9 2 - - 1 9 9 7 年美国经过多次地基站g p s 试验( 其中比较著名的是1 9 9 3 年进行的g p s s t o r m 观测试验) 表明：g p s 可作为具有高时间分辨率的动态测定大气水份的“气象站”，以g p s 估算水汽与微 波辐射计的对照精度为l 一2 蚴( 相对水汽总量法) 和l 1 5 m m ( 绝对水汽总量法) 5 - 7 1 。 1 9 9 8 年又进行了g p s m e t 计划，对地基g p s 和空基g p s 技术在遥感大气水汽含量方面的结 合应用进行了试验嘲。此外。美国和加拿大的一些研究机构合作实拖的w e s f f o r d 水汽试验 ( w w 矾，e ) ，主要目的是评估应用地基g p s 测定大气柱可降水总量。试验证明了这一技术的 可行性，测量结果的精度达1 一2 。在冬天的某些地区，g p sp w v 的精度从未低于1 5 m m ， 并且这种精度在与无线电探空系统的比较中不断得到肯定。美国n a s a j p l ( 国家航空航天 局喷气推进实验室) 现已研究出几种准实时处理g p s 数据并可算出较精确的大气水汽总量的 方法，用于数值天气预报和短时天气预报。目前，美国等发达国家已经开始发展投入业务应 用的地基g p s 观测网。 日本地理测量院( g s i ) 自1 9 9 4 年起就布设全国p g g a ，现在已建成了全球最密集的 p g g a ，其测站数为1 2 0 0 个。该阵列的空间分辨率与日本气象厅( j m a ) 的气象数据自动获取 系统( 即日本全国地面气象监测网) 的空间分辨率相当。这种p g g a 与气象资料系统的组合， 对大地测量学和气象学之间的交叉学科研究非常有利。由日本科学技术厅资助的日本地基 g p s m e t 规划1 9 1 ，一个重要目标是建立一个由g s i 全国p g g a 测定的大气水汽总量的数据流 系统。这一时间序列将被引入到j m a 数值天气预报模式的四维数据同化系统中，以改进中尺 度和局部范围的恶劣天气现象( 如暴雨) 的预报。此外可建立大气水汽总量数据库，供卫星 遥感、大气污染研究、水分循环研究和日本境内洪水预报之用。由于日本拥有的全球最密集 的p g g a 和全球规模最大的地面气象观测网，加之又有现代化的数值天气预报系统。两者的 组合，使日本目前处于世界地基g p s m e t 研究及应用的领先地位，同时也使大地测量学、 气象学和地球物理学之间的联系前所未有地紧密。 2 0 t r 纪9 0 年代中期，中国科学院e 海天文台的严豪健、朱文耀等在我国较早开展了地基g p s 气象学及其在恶劣天气分析中应用的研究。与具有无线电探空观测的7 个高空气象站( 上海、 武汉、长春和西宁) 的资料比较后发现：g p s 可降水量( g p sp w v ) 和无线电探空可降水量 ( s o n d ev w v ) 之闯的平均误差为3 - 4 r a m ! 删；北京大学李成才、毛节泰等人 1 1 - 1 3 】利用1 9 9 7 年 夏季共3 周的东亚地区g p s 跟踪站数据和i g s 星历，结合相应的地面气象资料反演了上海和 武汉的大气水汽总量，与探空资料获得的水汽总量的对照均方根误差为5 m m 左右：中国测绘 科学研究院党亚民1 1 4 1 利用北京、上海和武汉3 个g p s 跟踪站的实际观测资料反演了相应的大 气水汽含量。该研究院的丁继新等人 1 5 1 也用我国沿海地区5 个测站的g p s 数据解算出对应的 大气水汽含量。武汉测绘科技大学刘焱雄0 6 - 1 8 应用地基g p s 技术遥感了香港地区大气水汽含 量，提出了计算大气水汽含量的分段多项式方法，并结合无线电探空资料，分析出遥感的精 度为1 - 2 r a m ；中国气象科学研究院何平等f 19 】在1 9 9 8 年5 - 6 月期间实施的海峡两岸及临近地 区暴雨试验”中在汕头、阳江、海口进行了地基g p s 长时间连续估测大气水汽总量的外场试 验。探空资料与g p s 反演结果的比较表明：两者随时间演变的趋势一致，但g p s 反演的水 2 王州土季j 置士研究生论文 汽总量比探空资料计算的结果平均偏低6 5 m m ，偏差量的均方差为4 3 m m 。在随后该研究院 参与主持的国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目中也开展了强暴雨系统的g p s i v i e t 探测 方法的研究；北京市气象局梁丰等 2 0 l 利用2 0 0 0 年6 月1 日至8 月1 1 日在京津地区l o 个测站 进行的我国气象界首次区域性地基g p s 网遥感大气水汽总量试验资料，分析了北京地区夏季 大气水汽总量的时间、空间变化，研究了大气水汽总量与日平均温度、地面水汽压和降水的 关系。 在g p s 探测大气水汽应用于天气预报的业务工作方面，2 0 0 0 年上海多个部门联合在全国 率先兴建以上海为中心覆盖整个长江三角洲地区的g p s 综合应用网( s cg a f o ，其中包括由 1 4 个0 p s 基准站组成的g p s 气象服务子网。s cg a n 于2 0 0 2 年6 月投入正式运行，已利用 获得的2 0 0 2 年入梅前后长江三角湘地区高分辨率可降水量资料，分析出入梅过程中水汽变化 空间分布的细微特征，并将g p sp w v 资料同化到中尺度数值模式m m 5 的初始场中，通过优 化初始场来提高模式对降雨量的预报能力【2 1 】；2 0 0 2 年8 月，北京市气象局在北京汛期降水的 主要水汽输入通道一房山区建成了由8 个站组成的地基g p s 水汽遥测站网，已用瑞士b e m e s e g p s 数据分析软件对解算大气可降水量进行了初步试验，并与传统无线电探空资料计算的可 降水量进行了对比；2 0 0 3 年初，广东省也计划用3 年时间兴建1 个与长江三角洲类似的珠江 三角洲g p s 应用网。这种区域g p s 气象网的建立可近实时地提供水平空间密度1 0 0 k m 左右， 时间间隔3 0 r a i n 一次的准连续的、精度优于2 m m 的大气可降水汽量序列，这将大大提高监视 和预报中小尺度灾害性天气能力，减少漏报次数，对提高天气预报特别是灾害性天气的预报 能力及其准确度具有重要意义，为更好地适应社会对气象预报“更早，更准，更细”的要求提 供了高新技术支持。 1 3 本文的主要研究内容 目前，我国g p s 布网工作正在如火如荼的展开，利用g p s 遥感水汽的研究及其在天气 方面的应用研究必将成为各级气象台站重要的研究课题。近年来，河北省已建成石家庄、秦 皇岛和张家口3 个地基g p s 水汽观测站，其中张家口也是探空站。从2 0 0 5 年开始，河北省 气象台已逐步开展由g p s 原始观测资料计算天顶总延迟和可降水量的解算工作，但资料缺测 或缺算很多。为弥补资料缺欠，更好地研究g p s 水汽资料在天气分析、临近预报以及气候学、 人工影响天气等方面中的应用，提高灾害性天气的预报能力和预报准确率，适应天气预报“更 早、更准、更细”的要求，拟选择g p s 遥感水汽及其在天气分析、预报中的应用为本研究的 主要方向。 在g p s 反演可降水量的准确性、完整性和连续性方面，以及可降水量在降水天气的应用 方面，本文在前人工作的基础上，针对华北地区的特点，重点做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 根据g p s 反演可降水量的原理，利用天顶总延迟和地面气压、气温资料，解算了河 北省相应站点的可降水量； ( 2 ) 利用当地的地面气象资料和探空资料，推算适用于华北地区相应时间的加权平均温 王州土学硬士研究s t 论文 度订正算式，实现加权平均温度t m 的本地化； ( 3 ) 探讨利用地面水汽压估算可降水量的可行性，并与前人的研究对比，对华北地区与 其它地区的异同之处简单分析； ( 4 ) 对兼具探空气球观测和g p s 观测的站点，利用对比法对g p s 反演可降水量的精度进 行检验； ( 5 ) 对g p s 反演的可降水量进行时序分析： ( 6 ) 搜寻有资料以来的降水个例，对g p s 可降水量在降水天气中的演变特征进行分析和 归纳，以便更好地业务应用。 1 4 参考文献 【1 】李国平，黄丁发g p s 遥感区域大气水汽总量研究回顾与展望气象科技2 0 0 4 ，3 2 ( 4 ) ：2 0 1 - 2 0 5 f 2 】李国平，黄丁发。g p s 气象学研究及应用的进展与前景气象科学2 0 0 5 ，2 5 ( 6 ) ：6 5 1 - 6 6 1 【3 】曹云昌，方宗义，夏青地基g p s 探测应用研究进展南京气象学院学报2 0 0 4 ，2 7 ( 4 ) ：5 6 5 5 7 2 【4 】b e v i sm b u s i n g e rs ，c h i s w e l ls ，e ta 1 g p sm e t e o r o l o g y ：m a p p i n gz e n i t hw e td e l a y so n t op r e c i p i t a b l e w a t e r , j o u r n a lo f a p p l i e dm e t e o r o l o g y , 1 9 9 4 ，3 3 ：3 7 9 - 3 8 6 【5 】d u a nj h m g p i n gb e v i sm ，f a n gp e n g , e ta 1 g p sm e t e o r o l o g y ：d i r e c te s t i m a t i o no ft h ea b s o l u t ev a l u eo f p r e c i p i t a b l ew a t e r j o u r n a lo f a p p l i e dm e t e o r o l o g y , 1 9 9 6 , 3 5 ：8 3 0 - 8 3 8 嘲w a r ek e x n e rm ，f e n gd e ta 1 g p ss o u n d i n go f t h ea t m o s p h e r ef r o ml o we a r t ho r b i t ：p r e l i m i n a r yr e s u l t s b u l l e t i no f t h e a m e r i c a nm e t e o r o l o g i c a ls o c i e t y , 1 9 9 7 , 7 7 ( 1 ) ：1 9 - 4 0 mb u s i n g e rs ，c h i s w e l ls ，b e v i sm ，e ta 1 t h ep r o m i s eo fg p si na t m o s p h e r i cm o n i t o r i n g b u l l e t i no ft h e a m e r i c a nm e t e o r o l o g i c a ls o c i e t y , 1 9 9 7 ，7 7 ( i ) ：1 - 1 8 【8 1 r e i g b e r c w a t e r v a p o r m o n i t o r i n g f o r w e a t h e r f o r e c a s t g p s w o r l d ，2 0 0 2 ，1 3 ( i ) ：1 8 - 2 7 【9 】t s u d at ，h e k ik ，m i y a z a k is ，e ta 1 g p sm e t e o r o l o g yp r o j e c to fj a p a n e x p l o r i n gf r o n t i e ro fg e o d e s y e a r t h p l a n e t ss p a c e ，1 9 9 8 ，5 0 ( 1 ) ：l - 5 【1 0 l 王小亚，朱文耀，严豪健，等地面g p s 探测大气可降水量的初步结果大气科学，1 9 9 9 ，2 3 ( 5 ) ： 6 0 5 - 6 1 2 【1 1 】李成才，毛节泰g p s 地基遥感大气水汽总量分析应用气象学报。1 9 9 8 ，9 ( 4 ) ：4 7 0 - 4 7 7 【1 2 】李成才，毛节泰。李建国，等全球定位系统遥感水汽总量科学通报，1 9 9 9 ，4 4 ( 3 ) ：3 3 3 - 3 3 6 【1 3 】李建国，毛节泰，李建国，等使用全球定位系统遥感水汽分布原理和中国东部地区加权“平均温度” 的回归分析气象学报，1 9 9 9 ，1 5 7 ( 3 ) ：2 8 3 - 2 9 3 f 1 4 】党亚民，王权，冯金涛利用g p s 资料反演大气水汽含量的研究溯绘科技动态，1 9 9 9 ， ( 3 ) ：2 - 5 【1 5 】丁继新，成荚燕。王权，等利用g p s 技术遥感大气对流层水汽含量的研究测绘科学2 0 0 2 ，2 7 ( 2 ) ： 1 6 - 1 9 【1 6 】刘炎雄地基g p s 技术遥感香港地区大气水汽含量武汉测绘科技大学学报1 9 9 9 。2 8 ( 3 ) ：2 4 5 - 2 4 8 【1 7 】刘焱雄，陈永奇，刘经南利用地面气象观测资料确定对流层加权平均温度武汉测绘科技大学学 4 王州土学硕士唧竟t 论文 报，2 0 0 0 ，2 5 ( 5 ) ：4 0 0 - 4 0 3 【1 8 1 刘炎雄，陈永奇g p s 气象学中垂直干分量延时的精确确定测绘学报2 0 0 0 ，2 9 ( 2 ) ：1 7 2 - 1 8 0 【1 9 】何平，徐宝祥，周秀骥等地基g p s 反演大气水汽总量的初步实验应用气象学报2 0 0 2 ，1 3 ( 2 ) ：1 7 9 - 1 8 3 【2 0 】梁丰，李成才。王迎春，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大气科 学2 0 0 3 ，2 7 ( 2 ) ：2 3 6 - 2 4 3 【2 1 1 宋淑露，严文耀，丁金才，等上海g p s 综合应用鄹对2 0 0 2 年长江三角洲地区入海过程的监测天 文学进展，2 3 ，2 1 ( 2 ) ：1 8 0 一l “ ， 王州土学嘎士研究生论文 2 基本原理 2 1 探空资料计算可降水量 整层大气可降水量w 可表示为 胪去r 仲 像1 ) 其中q 为比湿，p 为气压，p 为液态水密度，g 为重力加速度，p o 为地面气压。 在实际应用中，比湿通常根据水汽压p 算出，它和水汽压的关系为 牙： 丝 ：竺：丝丝( 2 - 2 ) 2 - 2口= 忡 1 p - ( 1 - e ) ep - 0 3 7 8 e 式中，占= z ，所，以和约分别为水汽和干空气的平均摩尔质置。 在探空观测资料中，大气湿度量通常是不同等压面上的温度鳝点差。我们需要根据饱和 水汽压与温度的关系，通过露点来确定各个等压面上的水汽压值，这就是气象上常用的马格 拉斯经验公式 、竺t e = e 1 0 ”( 2 3 ) 对水面而言，口= 7 5 ，b = 2 3 7 3 0 c ；对冰面而言，口= 9 5 ，b = 2 6 5 5 0 c ；e = 6 1 0 7 8 h p a 。 根据探空资料提供的各等压面上的气压、温度和温度露点差，利用( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 式，就可以计算出整层大气的可降水量 2 2 地基g p s 反演大气可降水量 当g p s 发出的信号穿过大气层中对流层时，受到对流层的折射影响，g p s 信号要发生弯 曲和延迟，其中信号的弯曲量很小，而延迟量很大，通常在2 3 m 左右。在g p s 精密定位测量 中，大气折射的影响是被当作误差源而要尽可能将它的影响消除干净。而在g p s ，m e t 中，与 之相反，所要求得的量就是大气折射量。折射影响可分成电离层影响和对流层大气影响：对 流层大气延迟( 中性延迟) 可分为静力延迟项( 干项延迟) 和湿项延迟。其中湿项延迟由水 汽引起，静力延迟由其他的大气组成成份引起。干气占总的中性大气的8 0 9 0 ，千项延 迟比较有规律，天项方向可以】的精度估算；但湿项延迟很复杂，影响因素较多，目前只能 以1 0 2 0 的精度估算。由此大气延迟量可划分为电离层延迟、静力延迟和湿项延迟。通 过采用双频技术，并且电离层延迟与信号频率的平方成反比，电离层延迟误差可订正到毫米 6 王州大学j 重士研竟t 论文 精度。静力延迟与地面观测量( 气压) 具有很好的相关，也可以订正到毫米量级。这样就得 到了毫米量级的湿项延迟。湿项延迟与水汽总量口w ) 可建立严格的正比关系，从而求解水 汽总量。g p s 遥感可降水量流程图如图2 1 所示。 圈2 - 1g p s 遥感可降水量流程图 用g p s 技术遥感可降水量的原理基于大气电波传播延迟物理学。由于大气的影响，g p s 卫星发射的带有时间标识的无线电信号( 厶和厶波段) 经过大气到达地面g p s 接收机时，会 产生延迟。造成这种延迟的原因有二，一是射线弯曲效应，二是与电波在真空中传播相比， 其传播速度减慢( 即延迟) ，它们都与大气折射率的分布有关。由于大气折射率的变化使其相 对在真空中直线传输而言出现了延迟。 地基g p s 接收机在同时接收6 - - 8 颖g p s 卫星发射的双频信号后可定量获得接收机上空 的延迟量( 称天顶总延迟) 。天顶总延迟( z 之) 由静力延迟( z 矗) 和湿延迟( z w o ) 组成， 即 zm=z口+z(2-4) ；眼据e l g e r e d 等【l 】的估算静力延迟公式： = 箜铲 ( 2 - s ) 其中，最为地面气压( h p a ) ，厂印，圩) 为重力加速度，它随纬度妒和椭圆地球表面的高度 圩变化，其计算式为： ，( 伊，日) = ( 1 一o 0 0 2 6 6 e o s 2 矿一0 0 0 0 2 8 h ) ( 2 - 6 ) 7 王州土学咦士碍究生论文 因此，在测得地面b 并且g p s 接收机纬度和高度已知时可求出静力延迟。根据( 2 - 4 ) 式，天顶总延迟( 2 ；r d ) 减去静力延迟( z m o ) 后可求出湿延迟( z w o ) 。从而，可反演出g p s 接收机上空的累计可降水量( 简称可降水量p w v ) 。 大气可降水量定义为单位面积上空的所有水汽凝结成液态水时的等效水柱高度。b u s i n g e r 等人1 2 1 给出的湿延迟与可降水量的转换关系( 亦即地面g p s 系统遥感大气水汽的基本方程) 可表示为： p w v = h z 品 ( 2 - 7 ) 其中无量纲系数为湿延迟 1 0 0 ，当显著性水平a = o 0 0 1 时，相关系 数的临界值( 力= o 3 2 1 1 。则当线性相关系数r 名时，表示在o 0 0 1 的显著性水平下，相 关系数能通过显著性检验，反之则通过不了显著性检验。 通过对上述计算得到的回归系数的统计，结果表明：对于单站不同月份的回归方程，相 王州土学硕士研究生论文 关系数普遍偏低，有时甚至不能通过相关系数的显著性检验，如北京7 月、l o f t 的相关系数分 别只有0 2 5 、0 3 1 ，低于临界水平；而对于样本较多的情况，r 乞u ) ，即回归系数均能通 过显著性检验。 3 6 1 3 结果分析 通过对同一站点或华北地区不同月份、不同季节和年回归方程系数的分析，可以看出： 对于单站或区域( 所有站) 不同季节来讲，春、秋季相关性普遍好于冬、夏季。春、秋季相 关系数除北京春季为0 7 3 外，其余均在0 8 以上，而冬、夏季则位于0 5 o 7 之间，相对较 低。另外，区域的季节或月相关优于单站的相关。单站的年相关优于月或季节相关由此说 明，回归方程相关性的好与不好在很大程度上取决于样本数的多少，当样本数较少时，相关 性较差，样本数越多越能较好地描述加权平均温度的变化与地面气温之间的关系，可以预计 利用单站长对间资料建立的加权平均温度计算模型的优势会更加明显。因此，为提高g p s 反 演大气可降水量的精度，应该利用当地长期气象资料确定出适宜的加权平均温度的计算公式。 3 6 2 基于地面气压、气温和露点温度的多因子模型 在建立多因子本地化的回归方程时，侧重考虑了以下几个方面：一是在选取因子方面， 考虑到水汽压和露点温度均是表示大气湿度的物理量，二者的物理意义相近。同时水汽压数 值比加权平均温度因子量级小很多。且二者关系更接近于对数形式( 而非直线) ，所以选用露 点温度；二是考虑到多元逐步回归要求的资料样本不宜太多，对资料应进行适当处理：三是 考虑到单因子方程的比较结果，仅对三站两年的资料进行回归模拟。 对2 0 0 4 2 0 0 5 年逐日气象要素及加权平均温度等因子进行拟合，得到每个月上、中、 下三个旬的平均值，共计样本数7 2 个。在此基础上，以加权平均温度为因变量，地面气 压、气温和露点温度三个因子为自变量，在显著水平为0 0 5 下( 置信度磊。= 2 7 3 ) ，利用逐 步回归分析方法分别建立了邢台、北京和张家口三站基于地面多要素计算乙的方程： 邢台： 乙= o 2 9 4 7 t , + o 4 0 0 3 t a + 7 9 3 4 9 3 复相关系数：r = 0 9 4 3 7 北京： 乙= o 0 1 6 1 t , + o 6 9 7 3 t a + 7 7 6 7 0 9 复相关系数：r = 0 9 5 3 5 张家1 ：3 ：t = 0 2 6 3 0 t , + o 4 8 9 0 t a + 6 2 6 4 4 9复相关系数：r = o 9 5 4 5 式中，为加权平均温度，z 为地面气温，乃为露点温度( k ) ，r 为复相关系数。 3 6 3 回归方程的历史拟合 站名 邢台 北京 王州土学硕士研究生论文 表3 4 两种本地化计算模型得到的平均加权平均温度( k ) 平均加权平均温度( k ) 绝对误差( k ) 探空积分法单因子本地化多因子本地化b e v i s 公式 单因子本地化 多因子本地化 2 7 5 3 0 2 7 3 9 7 2 7 5 2 6 2 7 5 2 2 2 7 5 3 8 2 7 4 2 1 1 7 8 2 4 0 张家口 2 6 8 6 62 6 8 6 32 6 8 8 74 4 1 - - o 0 4 1 2 6 一o 0 3 0 0 8 0 2 4 0 2 1 王州土学硕士研究t 论文 图3 - 92 0 0 4 2 0 0 5 年本地化计算模型与探空数值积分法计算的加权平均温度的对比 ( a 张家口，b 邢台，c 北京) 利用上述得到的单因子和多因子本地化计算模型，将张家口、邢台和北京三站2 0 0 4 年1 月2 0 0 5 年1 2 月资料( 因子的历史值) 代入回归方程，计算得到加权平均温度的回归值， 与探空计算结果( 视为真值) ( 表3 4 、图3 - 9 ) 进行拟合对比，结果表明，对瓦进行本地化 建模( 局地订正) 后，计算模型的误差明显减小，估值曲线与真值曲线更加吻合。 3 6 4 回归方程效果检验 为了进一步对上述本地化方程的实用性进行检验，我们分别应用单因子、多因子本地化 方程对张家口2 0 0 6 年1 1 0 月的加权平均温度进行模拟预报，并与探空计算出的真值以及 b e v i s 经验公式的估值进行对比，得到表3 - 5 、图3 - 1 0 所示的结果。 图3 1 0 张家n 2 0 0 6 年1 1 0 月加权平均温度本地化方程的预报值与探空法计算值的对比 王州文学| i t - j t - 研究生论文 表3 s 单因子和多因子本地化方程、经验公式与探空法计算值的对比检验 由表3 5 和图3 - l o 的分析可得出，与b e v i s 经验公式相比，两种本地化计算模型算出的 加权平均温度明显接近于探空计算值( 真值) ，计算精度得到明显提高，并且多因子本地化模 型的改进效果更为显著。 3 7 小结 ( 1 ) 华北地区加权平均温度的月变化表现为单峰曲线，在7 月之前逐渐递增，7 、8 月 达到最大值，之后随着月份增加又开始下降：在地理位置上呈现出南高北低的形式。 ( 2 ) 加权平均温度与地面气温、水汽压成正相关，与气压呈负相关，与日降水量的相关 性不明显；加权平均温度与地面气温、地面气压呈现线性关系，与水汽压呈现非线性的对数 关系。 ( 3 ) 利用常数法和b e “s 经验公式估算的加权平均温度普遍高于探空数值积分，其中张 家口偏高最多，北京其次，邢台最少。利用b e v i s 公式得到的加权平均温度随时间变化明显， 且变化趋势基本与探空法一致，能够反映出加权平均温度的时问变化特征，而常数法则不能 反映出这种变化。 ( 4 ) 为了提高g p s 遥感可降水量的精度，有必要根据测站所在地或附近站点的探空资 料建立本地化加权平均湿度的计算模型，其订正精度比经验公式离，并且应用因子和样本数 越多，精度越高，模型的改进效果也越显著。因此，利用当地长期气象资料建立适宜的加权 平均温度的计算模型，对于提高g p s 反演大气水汽可降水量的精度具有重要意义。 3 8 参考文献 【i 】李建国毛节泰李成才使用全球定位系统遥感水汽分布原理和中国东部地区加权“平均温度”的回归分 析气象学报，1 9 9 9 ，5 7 ( 3 ) ：2 8 3 - 2 9 2 【2 】谷晓平王长耀吴登秀g p s 水汽遥感中的大气加权平均温度的变化特征及局地算式研究气象科学 2 0 0 5 , 2 5 0 ) ：7 9 - 8 3 f 3 】刘旭春王艳秋张正禄等地基g p s 遥感大气水汽含量中加权平均温度获取方法的比较分析北京建筑 工程学院学报，2 0 0 6 。2 2 ( 2 ) ：3 8 - 4 0 【4 】刘焱雄陈永奇刘经南利用地面气象观测资料确定对流层加权平均温度武汉测绘科技大学学 ， 2 3 王州文学硕士研究生论文 报，2 0 0 0 ，2 5 ( 5 ) ：4 0 0 - 4 0 3 明李国平黄丁发刘碧全成都地区地基g p s 观测网遥感大气可降水量的初步试验武汉大学学报( 信息 科学版) 。2 0 0 6 ，3 1 ( 1 2 ) ：1 0 8 6 - 1 0 8 9 【6 1 章红平刘经南朱文耀等利用地基g p s 技术反演武汉地区大气可降水分天文学进展2 0 0 5 ，2 3 ( 2 ) ： 1 6 9 - 1 7 9 【7 jr o s s 。r j ，a n ds r o s e n f e i d ，1 9 9 7 ：e s t i m a t i n gm e a nw e i g h t e dt e m p e r a t u r eo ft h ea t m o s p h e r ef o rg t o b a i p o s i t i o n i n gs y s t e ma p p l i c a t i o n s j g e o p h y r e * ，1 0 2 ：2 1 7 1 9 - 2 1 7 3 0 【8 】r o s s , r j ，a n ds r o s e n f e l d , 1 9 9 9 ：c o r r e c t i o nt o e s t i m a t i n gm e a nw e i g h t e dt e m p e r a t u r eo f t h ea t m o s p h e r e f o r g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t