淺析香港地區(qū)一次大面積降雨過程中的GPS可降水量特征

李星光 鄭南山 狄利娟

1 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，徐州市大學(xué)路1號，221116

2 兗礦集團東華建設(shè)有限公司地礦建設(shè)分公司，鄒城市東灘路1029號，273500

水汽是降水形成的基本條件，其時空分布及由相位變化產(chǎn)生的潛熱，直接影響著大氣的垂直穩(wěn)定性和天氣系統(tǒng)的發(fā)展，進而造成強烈的對流天氣，產(chǎn)生降雨甚至暴雨。由于其空間分布極不均勻且高度可變性，傳統(tǒng)的水汽探測手段很難獲取高時空分辨率的水汽資料。而地基GPS遙感可降水量技術(shù)以其快速、精確、時空分辨率高、不受天氣條件影響等優(yōu)點，在水汽觀測系統(tǒng)中日益受到重視［1－5］。

大氣中的可降水量隨距水汽源地的距離、緯度、季節(jié)和高程等的不同面變化。同一地區(qū)，不同的降水過程其水汽分布及傳輸過程存在差異。香港地處中國東南沿海，三面環(huán)海且海岸曲折、多丘陵，受控于亞熱帶季風(fēng)氣候，地形條件和氣候背景復(fù)雜。許多學(xué)者對香港地區(qū)作了大量的GPS氣象研究，王曉英［6］等利用探空站數(shù)據(jù)獲取了不同年份更適合香港地區(qū)GPS水汽反演所需的加權(quán)平均溫度公式。陳永奇［7］等分析了香港已建成的實時GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細介紹了實時估算可降水分中的幾個關(guān)鍵問題。于勝杰［8］等基于香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)的實測氣壓及GPS 觀測數(shù)據(jù)，分析氣壓對天頂總延遲（zenith tropospheric delay，ZTD）和天頂靜力學(xué)延遲（zenith hydrostatic delay，ZHD）解算精度的影響。筆者主要在前人研究的基礎(chǔ)上，運用GAMIT 軟件解算GPS資料反演大氣可降水估值，并使用Surfer軟件繪制可降水量等值線分布時序圖，輔助分析香港大面積降水過程中水汽傳輸變化過程。

1 GPS可降水量估算

1.1 GPS可降水量估算原理

利用地基GPS 技術(shù)進行水汽監(jiān)測，是在對GPS原始觀測數(shù)據(jù)處理后獲得的天頂總延遲的基礎(chǔ)上，從中減去由大氣所引起的天頂靜力學(xué)延遲，得到與大氣中水汽相關(guān)的濕延遲，再將該濕延遲參數(shù)乘以某一轉(zhuǎn)換系數(shù)，便得到氣象學(xué)中的大氣可降水量［9］。其主要算式如下：

式中Π為無綱量比例常數(shù)，通常采用的是：

其中，ρ為液態(tài)水的密度，Rv、k3、k′2均為常數(shù)，起關(guān)鍵作用的是加權(quán)平均溫度Tm，通常采用的是Bevis經(jīng)驗公式：Tm＝70.2＋0.72Ts。

1.2 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 GPS數(shù)據(jù)處理軟件及設(shè)置

本文采用GAMIT 軟件進行GPS數(shù)據(jù)處理，具體方法可參考文獻［10－11］，使用的主要參數(shù)設(shè)置有：截止高度角為10°；處理模式為松弛解（RELAX）；電離層延遲模型用消除電離層的LCHELP；干濕投影函數(shù)為GMF 全球投影函數(shù)；天頂延遲參數(shù)為每天25個；IGS基準(zhǔn)站的坐標(biāo)約束（NER）：0.050、0.050、0.050m；GPS待解點坐標(biāo)約束（NER）：9.999、9.999、9.999m。

1.2.2 GPS／PWV 等值線圖獲取

高精度GPS解算軟件獲取的大氣可降水量為其天頂方向上的水汽分布，就幾何意義而言，單基站GPS 反演大氣可降水量的理論范圍如圖1所示。通常情況下，70%的水汽集中在4km 以下，而10～12km 高度以下的水汽約占水汽總量的99%。解算時設(shè)置10°的截止角理論上能獲取距GPS站點約17km 范圍內(nèi)的水汽含量分布（以距地面3km 解算）。但實際上由于地形條件及GPS衛(wèi)星所處位置等因素制約，不可能達到理論范圍。

圖1 單基站GPS反演大氣可降水量理論范圍Fig.1 The theoretical range of single base GPS stationinversion atmospheric precipitation

假定單基站GPS可確定水汽分布范圍為10 km，在不考慮地形等因素的影響時，香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)完全可以覆蓋整個香港地區(qū)水汽分布。

2 資料分析

2.1 雨量站數(shù)據(jù)分析

2014－03－30香港地區(qū)先后出現(xiàn)大面積降水，部分地區(qū)出現(xiàn)強對流惡劣天氣，甚至伴有冰雹。表1為香港天文臺發(fā)布的香港各區(qū)錄得的每h降水量（下文時間系統(tǒng)均為UTC）?？梢钥闯?，11時左右降水開始并波及香港大部分地區(qū)，12、13時間段錄得雨量大幅度增加，其中元朗、屯門兩區(qū)2h內(nèi)錄得降水量超過了190mm。14時前后雨量逐漸減弱并漸止，16時左右再次迎來大面積降水過程，18時雨量站錄得降水量大部分為0mm，降水過程結(jié)束。

2.2 GPS反演可降水量分析

運用GAMIT 軟件解算GPS數(shù)據(jù)后，使用sh＿metutil提取可降水量估值，獲取香港衛(wèi)星參考站網(wǎng)所有站的GPS／PWV 值變化（圖2）?？梢钥闯?，部分站點PWV 值在雨前上升階段升幅有著明顯差異，這與該站點所在地區(qū)的地理位置及環(huán)境是密不可分的，其中HKNP、HKSS、HKST、HKKT 四站變化幅度最大，4個站所在區(qū)分別為離島區(qū)、大埔區(qū)、沙田區(qū)、元朗區(qū)。

表1 香港各區(qū)雨量站每h錄得降水量／mmTab.1 Therecorded precipitation hourly in Hong Kong rainfall stations／mm

圖2 香港地區(qū)衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)各站點PWV 時序圖Fig.2 PWV timing diagram for each site of Hong Kong satellite positioning reference station network

顧及到端部效應(yīng)，統(tǒng)計2～12 時PWV 每h增幅發(fā)現(xiàn)，在降水發(fā)生前都伴隨著PWV 激增，其中HKNP和HKSS兩站PWV 最大增幅超過10 mm／h。對于短期內(nèi)非連續(xù)性降水，其PWV 峰值可能出現(xiàn)在后一次降水附近，即降水期間會伴隨著PWV 增長。比較表1、2看出，不同區(qū)域的降水強度與降水前PWV 增幅之間的關(guān)系存在差異，在實際分析中，不能以同一PWV 增幅評定標(biāo)準(zhǔn)來衡量不同區(qū)域的降水強度。

表2 4個參考站點PWV分析Tab.2 The analysis of PWV on four reference sites

由于篇幅有限，本文選取離島區(qū)、元朗區(qū)及屯門區(qū)進行分析，同時為了便于說明，將第一次降水出現(xiàn)時刻的PWV 值作為降水閾值。

HKPC、HKNP、HKMW 三個站點位于離島區(qū)內(nèi)。比較3個站獲取的PWV 值與離島區(qū)雨量站錄得的降水量（圖3）可以看出，在發(fā)生降水前幾個小時出現(xiàn)明顯增濕過程，且降水過程中PWV 仍繼續(xù)增加，為雨勢的擴大提供充足的水汽條件。PWV 峰值出現(xiàn)前后伴隨著雨勢增長，繼而隨著PWV 下降，降水由弱漸止。相距約4.817km 的HKPC、HKMW 兩站PWV 上升趨勢幾乎趨于一致，且相距約11.293 km 的HKNP、HKMW 部分時刻（5 ～15時）PWV 相差很小，其差值均值為0.23 mm，總體上3 個站在降水前后某一時間段內(nèi)變化趨勢趨于一致。初步分析，HKNP與HKPC、HKMW 的PWV 值差異與所處的地理環(huán)境密不可分，HKNP 位于內(nèi)陸，空氣較干燥，而HKPC 與HKMW 離海較近，空氣比較濕潤。值得說明的是，各區(qū)雨量站與該區(qū)內(nèi)衛(wèi)星參考站點的地理位置關(guān)系不夠明確，未能對應(yīng)分析（下同）。

圖3 離島區(qū)3個站點PWV與雨量站錄得降水量時序圖Fig.3 Timing diagram of three sites’PWV and rainfall stations recorded rainfall in Outlying Islands

HKKT 位于元朗區(qū)，HKSL位于屯門區(qū)西南邊緣，HKLT 位于屯門區(qū)較靠近元朗區(qū)的邊界。比較表1與圖4知，元朗區(qū)與屯門區(qū)雨量站錄得的小時降水量具有很高的相似性，而其區(qū)中的衛(wèi)星參考站點獲取的PWV 存在很大的差異，尤其是相距較遠的HKKT 與HKSL 站，即不同地區(qū)的降水閾值存在一定差異，并與降水大小無明顯相關(guān)性。圖4中屯門區(qū)HKSL站PWV 最大增幅為4.41mm／h（10～11時），HKLT 站PWV 最大增幅達到6.81mm／h（10～11時），同時錄得降水量最大時刻（12 時）出現(xiàn)在PWV 最大增幅量之后，而并未出現(xiàn)在PWV 峰值附近。元朗區(qū)的HKKT 獲得了類似的結(jié)論。

圖4 屯門區(qū)與元朗區(qū)參考站點PWV與錄得降水量時序圖Fig.4 Timing diagram of reference sites’PWV and recorded rainfall in Tuen Mun and Yuen Long district

PWV 值與實際降水量并不是一種簡單的正比關(guān)系，出現(xiàn)降水時刻前必然伴隨著PWV 的增加，而伴隨著降水的結(jié)束可能出現(xiàn)一個短暫PWV 上升期，同時PWV 峰值未必出現(xiàn)在雨量最大值附近；發(fā)生降水前PWV 增幅明顯變大，且PWV 增幅最大時刻可能會出現(xiàn)在距發(fā)生降水較遠的時刻（HKNP和HKSS站）。在實際分析中，不能僅以PWV 峰值來判斷降水出現(xiàn)時間及降水強度，應(yīng)當(dāng)綜合考慮分析PWV 小時增幅量變化。

2.3 PWV 等值線分布變化分析

為更直觀分析每個站隨時間的降水變化，以1h為時間間隔，運用Surfer軟件繪制香港地區(qū)上空PWV 等值線分布演變圖。限于篇幅，選取9～20時PWV 等值線圖（圖5）進行分析。9時，香港東北面為水汽的高值區(qū)，西北面為水汽的低值區(qū)。9～11時，水汽變化呈現(xiàn)出從東北向西南方向演變過程。12～13時，水汽演變成由東向西推進，期間伴隨大幅度降水，部分地區(qū)出現(xiàn)局部強對流天氣。伴隨著大幅度降水結(jié)束，14時香港的西南方向及南部，PWV 相比較上一時刻逐漸減小。14～16時，無明顯的水汽傳輸過程，16時前后伴隨著又一次降水過程，PWV 呈明顯下降趨勢。比較19時與20時的PWV 等值線分布圖，發(fā)現(xiàn)已無顯著變化，趨于短期的穩(wěn)定狀態(tài)。

從穩(wěn)定狀態(tài)的20時可以看出，香港地區(qū)水汽分布區(qū)域之間存在明顯的地域特點，西南方向水汽分布明顯小于東北方向，最大差值達38.71 mm。總之，PWV 等值線分布圖能夠用于分析某地區(qū)的整體水汽傳輸狀況，為區(qū)域天氣研究提供直觀分析資料。

圖5 GPS／PWV 等值線分布時序圖Fig.5 GPS／PWV isoline timing diagram

2.4 不足之處

1）由于僅對香港地區(qū)一次大面積降水過程進行分析，數(shù)據(jù)有限，較肯定的結(jié)論尚需要進一步驗證。

2）香港地區(qū)上空PWV 等值線的繪制未考慮地形條件的復(fù)雜變化對水汽分布和降水的影響。比較參考站確定的水汽分布范圍及香港地區(qū)行政區(qū)劃圖（圖略），HKOH 和HKSC 兩站覆蓋的區(qū)域內(nèi)包含的區(qū)較多，其中HKOH 站位于東區(qū)，覆蓋了南區(qū)、灣仔區(qū)、觀塘區(qū)和中西區(qū)；HKSC 站位于深水埗區(qū)，覆蓋了油尖旺區(qū)、九龍?zhí)羺^(qū)、葵青區(qū)、黃大仙區(qū)和部分沙田區(qū)。通過圖6分析，各區(qū)錄得的降水量并不具有較強的相關(guān)性，即復(fù)雜地形條件下相距較近的地區(qū)降水量會出現(xiàn)差異，故在實際分析中單以PWV 值及確定的理論水汽分布范圍來確定降水落區(qū)及降水強度是不具有共性的，應(yīng)綜合考慮其他因素的影響。

3）由于資料及知識匱乏等原因，各區(qū)雨量站錄得降水量與實際降水量之間的對應(yīng)關(guān)系未能準(zhǔn)確表達。

圖6 站點及對應(yīng)區(qū)域范圍內(nèi)降水量Fig.6 The sites and its corresponding regional precipitation

3 結(jié) 語

1）在同一地區(qū)（離島區(qū)），復(fù)雜的地形條件是導(dǎo)致PWV 差異的重要因素，單基站獲取的有效水汽分布范圍要因地而異；同一衛(wèi)星參考站確定理論覆蓋范圍內(nèi)的錄得降水量不一定具有很強的相關(guān)性。

2）PWV 峰值未必出現(xiàn)在雨量最大值附近，但降水前后必然會出現(xiàn)PWV 峰值。在實際分析中，不能僅以PWV 峰值來判斷降水出現(xiàn)時間及降水強度，應(yīng)當(dāng)綜合分析PWV 小時增幅量，后者更為重要。

3）降水等值線演變圖能夠很好地反映降水的時空分布，同樣繪制的測區(qū)上空PWV 等值線分布演變圖能夠反映水汽的時空分布信息，可直觀地分析地區(qū)內(nèi)的水汽分布狀況及水汽傳輸變化，為降水預(yù)報提供簡單的依據(jù)。

致謝：感謝香港天文臺提供雨量站數(shù)據(jù)、香港大地測量組提供衛(wèi)星參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)。

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