天山北坡東段GPS反演的大氣可降水量變化特征及其與降水的關(guān)系

苗運玲，李如琦，卓世新

（1．新疆哈密地區(qū)氣象局，新疆 哈密 839000；2．新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

天山北坡東段GPS反演的大氣可降水量變化特征及其與降水的關(guān)系

苗運玲1，李如琦2，卓世新1

（1．新疆哈密地區(qū)氣象局，新疆 哈密 839000；2．新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

利用2012年3月—2013年2月新疆巴里坤國家基本氣象站地基GPS反演的大氣可降水量（PWV）、降水量逐時資料，研究分析了PWV的時間變化特征及其與降水的關(guān)系。結(jié)果表明：GPS／PWV資料能夠反映巴里坤地區(qū)大氣中水汽含量的變化。其中，PWV月變化呈典型的單峰型分布，7月最大，1月最小；PWV日變化呈1峰2谷變化，最大值出現(xiàn)在10：00，最小值出現(xiàn)在04：00和20：00。降水較最大PWV出現(xiàn)時間明顯滯后，春、夏季降水多發(fā)生在PWV最大值出現(xiàn)后1～3 h，秋、冬季降水多發(fā)生在PWV最大值出現(xiàn)后2～4 h；PWV最大值與小時降水量有很好的對應(yīng)關(guān)系，PWV最大值出現(xiàn)有降水產(chǎn)生共39次，占總次數(shù)62．9%，但與小時最大降水對應(yīng)僅有18次。

天山北坡東段；GPS反演；大氣可降水量；降水

苗運玲，李如琦，卓世新．天山北坡東段GPS反演的大氣可降水量變化特征及其與降水的關(guān)系［J］．干旱氣象，2016，34（6）：989－994，［MIAO Yunling，LIRuqi，ZHUO Shixin．Temporal Variation Characteristics of PrecipitableWater Vapor Based on GPSand Their Relation with Precipitation in Eastern Section of the Northern Slope of Tianshan Mountains［J］．Journal of Arid Meteorology，2016，34（6）：989－994］，DOI：10．11755／j．issn．1006 －7639（2016）－06－0989

引 言

水汽及其變化是天氣、氣候變化的主要驅(qū)動力，是預(yù)測降雨、中尺度惡劣天氣以及全球氣候變化的一個非常重要的物理量［1］。盡管水汽在大氣中的含量不高，卻是成云致雨（雪）的一個關(guān)鍵因子，其時空分布及其相變所產(chǎn)生的潛熱，在大氣能量轉(zhuǎn)換和天氣系統(tǒng)演變過程中起著重要作用。因此，獲取高精度、高時空分辨率的水汽資料對天氣、氣候變化研究和提高天氣預(yù)報具有重要意義。

目前獲取水汽觀測資料的手段有多種。地基全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）作為一種全新的大氣觀測手段，逐漸成為常規(guī)氣象探測手段的有力補充，通過GPS反演的大氣可降水量（GPS precipitable water vapor，PWV）已廣泛應(yīng)用于災(zāi)害性天氣監(jiān)測分析和預(yù)警業(yè)務(wù)中：利用地基GPS／PWV資料揭示臺風(fēng)降水［2－3］、暴雨［4－15］、降雪［16］等降水天氣過程中水汽演變特征，以及PWV與大霧天氣形成［17］、霧霾天氣中PM2．5／PM10質(zhì)量濃度［18］的關(guān)系；另外，還通過PWV研究與人工增雨的對應(yīng)關(guān)系［19］。對于降水天氣下GPS反演的PWV研究表明，降水通常出現(xiàn)在PWV高于某一閾值，且有顯著變化時（一般是急增［9］或大幅遞增［14］，對于盛夏暴雨，強降雨常發(fā)生在PWV峰值急速下降后）。新疆哈密地區(qū)地處中緯度亞洲腹地，天山東部山間盆地，屬于典型的大陸性暖溫帶干旱及半干旱荒漠氣候區(qū)，其北部的巴里坤哈薩克自治縣（簡稱巴里坤）地處天山北坡東段，屬于大陸性冷涼干旱區(qū)，受大陸性氣候條件和地形的影響形成山南、山北完全不同的2個氣候區(qū)。哈密地區(qū)溝溪多、流程短、水量有限，水資源短缺已成為制約該地區(qū)經(jīng)濟及社會發(fā)展的一個重要因素。目前針對半干旱半濕潤的天山北坡東段大氣可降水量的研究較少，巴里坤站地基GPS遙感儀器的建立，為研究大氣可降水量與降水的關(guān)系提供了第一手資料，同時對降水天氣預(yù)報、開發(fā)空中云水資源和實施人工增雨（雪）作業(yè)具有十分重要意義。

1 研究區(qū)概況和資料

1．1 研究區(qū)概況

新疆哈密北部巴里坤位于天山山脈東段與東準噶爾斷塊山系之間的草原上，地理坐標為91°19′30″E —94°48′30″E、43°21′N—45°05′19″N，東鄰伊吾縣，南接哈密市，西毗木壘縣，北界蒙古國，面積約3．84 ×104km2，平均海拔1 650 m，形成“3山（巴里坤山、莫欽烏拉山、東準噶爾斷塊山）夾2盆（巴里坤盆地、三塘湖盆地）”的地形。巴里坤氣象站（93°03′E，43°36′N）坐落在巴里坤盆地中央、東天山以北（迎風(fēng)坡），海拔1 677．2 m，年平均氣溫2．7℃，極端最高氣溫35．0℃，極端最低氣溫 －41．4℃，平均年降水230．6 mm，降水主要集中在5—9月，占全年降水的76．0%。

1．2 資料及處理

所用資料是2012年3月—2013年2月巴里坤國家基本氣象站的地基GPS遙感大氣水汽觀測資料，剔除由于儀器維修、故障造成異常的數(shù)據(jù)，利用GAMIT軟件［20］處理反演得到逐時的大氣可降水量（PWV），以及新疆氣象局整編的逐時降水量觀測數(shù)據(jù)。

在分析 PWV變化特征的基礎(chǔ)上，針對 5—8月大雨及以上量級（新疆標準［21］，大雨及以上的降水量≥12．1 mm，下同）的降水過程進行分析，探尋PWV與實際降水的對應(yīng)關(guān)系，以期為降水天氣的短時臨近預(yù)報提供參考。為便于分析，季節(jié)劃分為春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月至翌年2月；氣候平均值時段為1981—2010年。

2 結(jié)果分析

2．1 天山北坡東段PWV時間變化特征

2．1．1 月變化特征

圖1是巴里坤2012年3月—2013年2月PWV、降水量及1981—2010年降水量（以下簡稱歷年降水量）的月變化?？梢钥闯觯屠锢?PWV的月變化呈單峰型分布，峰谷特征明顯，5月之前緩慢上升（PWV＜19．00 mm），之后迅速增大，7月達峰值36．71 mm，較5月增加了18．02 mm；而后迅速減小，10月降至10．81 mm，之后緩慢減小，11月至翌年2月變幅不大，PWV在4．97～6．82 mm之間，其中1月最小。除7月外，PWV與同期降水量變化特征相似。盡管2012年7月降水日數(shù)較歷年偏多14 d，但降水以小雨為主，從而造成月降水量明顯偏小，比歷年偏少50．78%，這主要是因為影響降水的因素很多，單純考慮PWV的變化還不夠，若僅有水汽的補充，沒有系統(tǒng)的配合和冷暖空氣的交匯也不會產(chǎn)生較大的降水［22］，說明大氣中的水汽含量僅是產(chǎn)生降水的必要因素之一。PWV與歷年月均實際降水量變化趨勢基本一致，基本能反映各月降水量的分布情況，但數(shù)值明顯偏低于實際降水量，這與降水過程中水汽輻合及水汽源有很大關(guān)系［23］。

圖1 2012年3月—2013年2月巴里坤站PWV、降水量及歷年降水量的月變化Fig．1 Themonthly variations of PWVand precipitation from March 2012 to February 2013 and historical average precipitation during 1981－2010 in Barkol station of Xinjiang

2．1．2 日變化特征

大氣中充足的可降水量是產(chǎn)生降水的前提條件。多數(shù)情況下，在降水開始前，PWV有一次急劇增長過程，是形成降水的先兆；降水期間，PWV持續(xù)維持高值意味著降水持續(xù)。從巴里坤2012年3月—2013年2月日均PWV和日降水量變化曲線（圖2）可知，日均PWV變化曲線總體表現(xiàn)為波動性先增后降趨勢，5—7月波動較大，且表現(xiàn)出6～12 d左右的跳躍周期；隨著PWV急劇增加后，出現(xiàn)了14次比較明顯的降水過程（大雨及以上量級），其中5次降雨過程（≥12．1 mm），9次降雪過程（≥6．1 mm）。另外，日均PWV與日降水量相關(guān)系數(shù)達0．276，通過α＝0．01的顯著性檢驗，說明PWV的變化對降水影響較大。

2．1．3 逐時變化特征

2012年3月—2013年2月巴里坤PWV日變化在14．5～17．5 mm之間（圖3），呈1峰2谷變化，峰值出現(xiàn)在10：00（北京時，下同），為17．39 mm，谷值出現(xiàn)在04：00（14．68 mm）和20：00（14．96 mm）。崔麗娜等［24］指出，塔克拉瑪干沙漠腹地2009年水汽含量日變化最大值出現(xiàn)在08：00和23：00，最小值出現(xiàn)在01：00和14：00。可見，新疆沙漠地區(qū)和山區(qū)大氣中水汽含量日變化有很大差別。大氣中水汽含量的多寡不僅受太陽輻射影響，還與該地區(qū)獨特的地理環(huán)境以及下墊面性質(zhì)密切相關(guān)。而降水量的豐枯不僅與環(huán)流背景有關(guān)，還與氣溫、水汽壓等氣象要素關(guān)系緊密，同時也離不開地形因素的影響。巴里坤站地處天山北坡東段的巴里坤盆地，地勢東南高、西北低，形成了西北氣流通道。首先，當氣流受到天山地形的阻擋被迫抬升，從而加強了空氣上升運動，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，引起爬坡效應(yīng)，水汽易凝結(jié)形成降水；其次，山脈迎風(fēng)坡阻擋氣團和鋒面的活動，使降水時間延長［25］；此外，地形會使系統(tǒng)性風(fēng)向發(fā)生改變，產(chǎn)生地形輻合或輻散，影響垂直運動和降水［26］。因此，在山脈迎風(fēng)坡隨著水汽含量不斷增大，降水量也隨之增加。

圖2 巴里坤2012年3月—2013年2月日均PWV與日降水量變化Fig．2 The daily variations of average PWVand precipitation in Barkol station of Xinjiang from March 2012 to February 2013

圖3 2012年3月—2013年2月巴里坤站PWV日變化Fig．3 The diurnal change of PWVin Barkol station of Xinjiang from March 2012 to February 2013

另外對各月PWV日變化分析發(fā)現(xiàn)（表1），除了12月和1月，其它各月PWV最大值出現(xiàn)在09：00—11：00之間，最大PWV出現(xiàn)在7月每日11：00（39．58 mm）；最小值有9個月出現(xiàn)在01：00—04：00之間，10月、12月和1月最小值分別出現(xiàn)在20：00、11：00、 13：00，其中1月的PWV最小為4．44 mm。此外，雨季（5—9月）PWV日變化波動較大，最大的是8月，最大值與最小值相差6．86 mm；秋季和冬季波動較小，波動最小的是10月，最大值與最小值相差僅1．12 mm。

表1 2012年3月—2013年2月巴里坤站各月PWV日變化（單位：mm）Tab．1 The diurnal variations of PWVin Barkol station of Xinjiang from March 2012 to February 2013（Unit：mm）

2．2 天山北坡東段PWV與降水的關(guān)系

為了更好地將PWV應(yīng)用于實際降水預(yù)報，需要分析PWV與實際降水量的對應(yīng)關(guān)系。由于不同季節(jié)PWV存在較大差異，且降水性質(zhì)、機制也不相同，因此需要對不同季節(jié)開展研究。

2．2．1 最大PWV和降水開始時間

從表2中可見，2012年3月—2013年2月巴里坤共出現(xiàn)降水62次（≥0．1 mm），其中PWV最大值出現(xiàn)時間與降水同步發(fā)生的共7次；超前降水發(fā)生時間1 h、2 h、3 h和4 h分別為15次、16次、11次、10次，占總降水次數(shù)83．87%?？梢姡琍WV最大值出現(xiàn)時間較降水提前，超前實際降水發(fā)生時間約為1～4 h。另外，對PWV逐小時變化分析發(fā)現(xiàn)（圖略），在降水前6 h左右PWV有明顯增大現(xiàn)象，且持續(xù)到降水發(fā)生前2 h左右，該特征可用于短期或短時臨近預(yù)報或人工影響天氣作業(yè)的前期準備，有利于提高預(yù)報準確率和人工影響天氣的作業(yè)效果。

從四季PWV與降水分布可知（表2），春季出現(xiàn)降水11次，其中8次發(fā)生在PWV最大值出現(xiàn)后1～3 h，占春季降水總次數(shù)72．72%；夏季降水25次，PWV最大值與降水同步發(fā)生的7次均出現(xiàn)在該季，16次出現(xiàn)在PWV最大值出現(xiàn)后1～3 h（占夏季降水總次數(shù)64．0%）。這是因為夏季降水多以對流性降水為主，大氣層結(jié)不穩(wěn)定、中高層弱冷空氣的侵入和低層西南暖濕氣流加強導(dǎo)致水汽迅速輻合上升形成降水，過程迅速；秋季和冬季，大部分降水出現(xiàn)在 PWV最大值出現(xiàn)后2～4 h，分別占總降水次數(shù)的75．0% 和78．57%，這是由于秋、冬季降水多為一般性降水（一般性降水是指大氣層結(jié)穩(wěn)定，以層狀云為主，降水形態(tài)以固態(tài)為主），有系統(tǒng)配合、水汽充足、強的垂直運動才能形成降水，過程比較緩慢。

表2 2012年3月—2013年2月巴里坤站各季PWV最大值相對降水開始時間提前量的頻次分布Tab．2 The frequency of hours early of themaximum PWVto precipitation in Barkol station of Xinjiang from March 2012 to February 2013 in four seasons

2．2．2 PWV最大值與小時降水量（或小時最大降水量）的關(guān)系

PWV變化對于降水而言具有超前性，PWV迅速增加通常會出現(xiàn)降水。最大PWV值出現(xiàn)的同時是否預(yù)示有強降水發(fā)生？最大PWV值與小時降水量之間的對應(yīng)關(guān)系怎樣？為此，分析了PWV最大值與小時降水量（或小時最大降水量）的時間關(guān)系（表3）。由表3看出，在62次降水中，PWV最大值出現(xiàn)時有降水產(chǎn)生共39次，占總次數(shù)62．9%，但與小時最大降水量對應(yīng)僅有18次，占總次數(shù)29．03%；PWV最大值出現(xiàn)時沒有出現(xiàn)降水共23次，其中提前PWV最大值共有7次，均出現(xiàn)在夏季，推后共有16次?？梢?，小時最大降水量與PWV最大值出現(xiàn)時間不一定吻合，但有強降水出現(xiàn)時PWV通常處于高值持續(xù)階段，而PWV迅速下降則預(yù)示降水即將結(jié)束或已經(jīng)結(jié)束。因此，可利用GPS獲取大氣中水汽的空間分布狀況，有效彌補常規(guī)探測手段的不足，以便更加細致地了解降水前后水汽含量分布，為降水預(yù)報提供有利參考。

表3 2012年3月—2013年2月巴里坤站各季PWV最大值與小時降水量的對應(yīng)關(guān)系（單位：次）Tab．3 The corresponding relation between themaximum PWVand hourly precipitation in four seasons in Barkol station of Xinjiang from March 2012 to February 2013（Unit：times）

2．2．3 強降水過程中PWV與降水的關(guān)系

通過對巴里坤2012年5—8月大雨及以上量級（≥12．0 mm）的4次降水過程進行分析，尋找逐時PWV與降水量之間的關(guān)系，以及最大PWV與小時最大降水量、降水發(fā)生時間是否有精確對應(yīng)關(guān)系？

圖4 2012年5月18日21：00—20日17：00巴里坤站PWV和降水量逐時演變Fig．4 The hourly variations of PWVand precipitation in Barkol station of Xinjiang from 21：00 BST 18 to 17：00 BST 20 May 2012

2012年5月20日05：00—17：00巴里坤出現(xiàn)一次暴雨天氣過程，13 h累計降水量達24．7mm（圖4）。降水發(fā)生前PWV有2次增加過程：從18日22：00的18．07 mm增加到19日03：00的24．86 mm，之后略有下降，但PWV始終維持在20 mm以上，表明此階段是水汽累積過程，持續(xù)時間長達20 h；0日00：00開始PWV再次急劇上升，由21．47mm增加至04：00的峰值30．76 mm（PWV最大值），4 h水汽增量達9．26 mm。最大PWV出現(xiàn)后1 h（05：00）開始出現(xiàn)降水；隨著降水的發(fā)生，PWV逐漸減小，維持在22～29 mm之間，小時最大降水量出現(xiàn)在15：00；當PWV減小至5月平均值（18．69 mm）以下時，降水結(jié)束。此次降水發(fā)生時間及小時最大降水量出現(xiàn)時間與最大PWV出現(xiàn)時間并不精確對應(yīng)。

2012年6月4—7日巴里坤出現(xiàn)2次明顯的降水過程，日降水量分別為14．1 mm、4．3 mm、22．6 mm、8．2 mm。由圖5可見，在降水前PWV先緩慢增加，3 日15：00開始急劇增加，由25．52 mm增加到4日00：00的38．82mm，9 h水汽增量達12．90mm，此時刻開始出現(xiàn)降水；隨后PWV持續(xù)上升，至4日02：00達到峰值（40．05 mm），之后PWV開始波動下降，小時最大降水量出現(xiàn)在4日08：00。隨著降水的斷斷續(xù)續(xù)，PWV波動下降，但下降幅度不大，維持在32～37 mm之間，明顯高于 6月平均PWV（31．08 mm），有利于水汽堆積，為后期5—7日降水提供了有利水汽條件；5日只在00：00、15：00和16：00出現(xiàn)降水。水汽是產(chǎn)生降水的必要條件之一，還須配合相應(yīng)的環(huán)流系統(tǒng)和動力條件。雖然此階段PWV維持較大，但沒有有利的環(huán)流系統(tǒng)或動力條件配合，產(chǎn)生的降水也較??；6日在有利的環(huán)流系統(tǒng)或動力條件配合下，降水持續(xù)長達22 h（02：00—23：00），此階段的小時最大降水量與最大PWV出現(xiàn)時間相同，均出現(xiàn)在21：00；隨著PWV下降到30 mm以下，主要降水過程結(jié)束。

圖5 2012年6月2日21：00—7日20：00巴里坤站PWV和降水量逐時演變Fig．5 The hourly variations of PWVand precipitation in Barkol station of Xinjiang from 21：00 BST 2 to 20：00 BST 7 June 2012

2012年8月11日22：00—12日14：00巴里坤出現(xiàn)了34．9mm的暴雨過程。從圖6看出，從11日10：00開始PWV有一急劇增濕過程，到13：00達到次峰值33．78 mm，3 h水汽增量為10．81 mm，此階段是水汽堆積過程；隨后有短暫的下降過程，到19：00又有一明顯增濕過程，一直持續(xù)到12日10：00達到峰值（40．85 mm），但該時次降水僅有0．4 mm，而降水發(fā)生時間是11日23：00，小時最大降水量出現(xiàn)在12日07：00（5．1 mm）。在降水期間PWV平均維持在33 mm以上，明顯高于8月平均值（28．12 mm）?？梢?，隨著降水持續(xù)，PWV不斷增大，降水及小時最大降水量發(fā)生時間與最大PWV出現(xiàn)時間對應(yīng)較差。

圖6 2012年8月11日05：00—12日15：00巴里坤站PWV和降水量逐時演變Fig．6 The hourly variations of PWVand precipitation in Barkol station of Xinjiang from 05：00 BST 11 to 15：00 BST 12 August2012

3 結(jié) 論

（1）2012年3月—2013年2月巴里坤PWV月變化呈單峰型，7月最大，1月最小，最大值與最小值相差31．74 mm；PWV日變化呈1峰2谷變化，峰值出現(xiàn)在10：00，谷值出現(xiàn)在04：00和20：00。

（2）2012年3月—2013年2月，巴里坤最大PWV出現(xiàn)時間超前實際降水發(fā)生時間約為1～4 h。其中，春季、夏季降水主要發(fā)生在PWV最大值出現(xiàn)后的1～3 h，分別占各季降水總次數(shù)72．72%和64．0%；秋季和冬季降水主要發(fā)生在PWV最大值出現(xiàn)后2～4 h，分別占各季總降水次數(shù)的75．0%和78．57%。此外，在降水前6 h左右PWV有明顯增大現(xiàn)象，且持續(xù)到降水發(fā)生前2 h左右，該特征可用于短期或短時臨近預(yù)報或人工影響天氣作業(yè)的預(yù)報指標之一。

（3）小時最大降水量與PWV最大值出現(xiàn)時間不一定吻合，但有強降水出現(xiàn)時PWV通常持續(xù)較高，且伴有一顯著增大過程，持續(xù)時間約為1 d左右。

由于資料限制，本文僅利用巴里坤站1 a的GPS水汽含量和降水資料，初步分析了PWV的月、日變化特征，及其與實際降水的關(guān)系。為得到更加普遍的結(jié)論，還需要利用更長的資料進行分析研究。此外，在實際降水預(yù)報業(yè)務(wù)中，還應(yīng)結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品以及衛(wèi)星、雷達等資料進行綜合分析，以提高降水預(yù)報精度，實現(xiàn)精細化預(yù)報的目標。

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Temporal Variation Characteristics of Precipitable Water Vapor Based on GPS and Their Relation w ith Precipitation in Eastern Section of the Northern Slope of Tianshan Mountains

MIAO Yunling1，LIRuqi2，ZHUO Shixin1

（1．HamiMeteorological Bureau of Xinjiang，Hami839000，China；2．Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi830002，China）

Based on the hourly precipitation and precipitable water vapor（PWV）of GPS at Barkol station of Xinjiang from March 2012 to February 2013，the temporal variation characteristics of PWVand their relation with precipitation were analyzed．The results showed that PWVcould well reflect the change ofwater vapor content in the atmosphere．PWVhad an obvious seasonal variation from March 2012 to February 2013 in Barkol of Xinjiang，and themonthly varying curve acted as a single peak distribution，themaximum PWVappeared in July and theminimum PWVappeared in January．The diurnal change of PWVwas obvious，themaximum appeared at10：00 BST and theminimum appeared at04：00 BST and 20：00 BST．Precipitation was later than the occurrence time of themaximum PWV．The precipitation in spring and summer occurred usually in the first1－3 hours of themaximum PWVappearring，while that in autumn and winter occurred in the first2－4 hours of themaximum PWVappearring．Themaximum PWVwas closely related to hourly precipitation，and the precipitation appearred 39 timeswhen PWVreached themaximum，which accounted for62．9%of the total number of precipitation，but only 18 times itsmaximum PWVwas corresponded to themaximum hourly precipitation．

eastern section of the northern slope of Tianshanmountains；GPS inversion；precipitable water vapor；precipitation

1006－7639（2016）－06－0989－06

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0989

P426．6

A

2016－03－02；改回日期：2016－04－13

新疆維吾爾自治區(qū)人民政府“新疆吐魯番哈密地區(qū)空中云水資源開發(fā)利用”項目子課題（TUHA201508）資助

苗運玲（1976－），女，高級工程師，本科，主要從事災(zāi)害性天氣研究．E－mail：1360455877＠qq．com