淺析香港地區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 中國礦業大學環境與測繪學院，徐州市大學路1號，221116

2 兗礦集團東華建設有限公司地礦建設分公司，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生的潛熱，直接影響著大氣的垂直穩定性和天氣系統的發展，進而造成強烈的對流天氣，產生降雨甚至暴雨。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遙感可降水量技術以其快速、精確、時空分辨率高、不受天氣條件影響等優點，在水汽觀測系統中日益受到重視［1－5］。

大氣中的可降水量隨距水汽源地的距離、緯度、季節和高程等的不同面變化。同一地區，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，三面環海且海岸曲折、多丘陵，受控于亞熱帶季風氣候，地形條件和氣候背景復雜。許多學者對香港地區作了大量的GPS氣象研究，王曉英［6］等利用探空站數據獲取了不同年份更適合香港地區GPS水汽反演所需的加權平均溫度公式。陳永奇［7］等分析了香港已建成的實時GPS水汽監測系統，并詳細介紹了實時估算可降水分中的幾個關鍵問題。于勝杰［8］等基于香港衛星定位參考站網的實測氣壓及GPS 觀測數據，分析氣壓對天頂總延遲（zenith tropospheric delay，ZTD）和天頂靜力學延遲（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 技術進行水汽監測，是在對GPS原始觀測數據處理后獲得的天頂總延遲的基礎上，從中減去由大氣所引起的天頂靜力學延遲，得到與大氣中水汽相關的濕延遲，再將該濕延遲參數乘以某一轉換系數，便得到氣象學中的大氣可降水量［9］。其主要算式如下：

式中Π為無綱量比例常數，通常采用的是：

其中，ρ為液態水的密度，Rv、k3、k′2均為常數，起關鍵作用的是加權平均溫度Tm，通常采用的是Bevis經驗公式：Tm＝70.2＋0.72Ts。

1.2 數據處理關鍵技術

1.2.1 GPS數據處理軟件及設置

本文采用GAMIT 軟件進行GPS數據處理，具體方法可參考文獻［10－11］，使用的主要參數設置有：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；干濕投影函數為GMF 全球投影函數；天頂延遲參數為每天25個；IGS基準站的坐標約束（NER）：0.050、0.050、0.050m；GPS待解點坐標約束（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%。解算時設置10°的截止角理論上能獲取距GPS站點約17km 范圍內的水汽含量分布（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，香港衛星定位參考站網完全可以覆蓋整個香港地區水汽分布。

2 資料分析

2.1 雨量站數據分析

2014－03－30香港地區先后出現大面積降水，部分地區出現強對流惡劣天氣，甚至伴有冰雹。表1為香港天文臺發布的香港各區錄得的每h降水量（下文時間系統均為UTC）。可以看出，11時左右降水開始并波及香港大部分地區，12、13時間段錄得雨量大幅度增加，其中元朗、屯門兩區2h內錄得降水量超過了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，降水過程結束。

2.2 GPS反演可降水量分析

運用GAMIT 軟件解算GPS數據后，使用sh＿metutil提取可降水量估值，獲取香港衛星參考站網所有站的GPS／PWV 值變化（圖2）。可以看出，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的地理位置及環境是密不可分的，其中HKNP、HKSS、HKST、HKKT 四站變化幅度最大，4個站所在區分別為離島區、大埔區、沙田區、元朗區。

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

圖2 香港地區衛星定位參考站網各站點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，統計2～12 時PWV 每h增幅發現，在降水發生前都伴隨著PWV 激增，其中HKNP和HKSS兩站PWV 最大增幅超過10 mm／h。對于短期內非連續性降水，其PWV 峰值可能出現在后一次降水附近，即降水期間會伴隨著PWV 增長。比較表1、2看出，不同區域的降水強度與降水前PWV 增幅之間的關系存在差異，在實際分析中，不能以同一PWV 增幅評定標準來衡量不同區域的降水強度。

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、元朗區及屯門區進行分析，同時為了便于說明，將第一次降水出現時刻的PWV 值作為降水閾值。

HKPC、HKNP、HKMW 三個站點位于離島區內。比較3個站獲取的PWV 值與離島區雨量站錄得的降水量（圖3）可以看出，在發生降水前幾個小時出現明顯增濕過程，且降水過程中PWV 仍繼續增加，為雨勢的擴大提供充足的水汽條件。PWV 峰值出現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境密不可分，HKNP 位于內陸，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，各區雨量站與該區內衛星參考站點的地理位置關系不夠明確，未能對應分析（下同）。

圖3 離島區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，HKSL位于屯門區西南邊緣，HKLT 位于屯門區較靠近元朗區的邊界。比較表1與圖4知，元朗區與屯門區雨量站錄得的小時降水量具有很高的相似性，而其區中的衛星參考站點獲取的PWV 存在很大的差異，尤其是相距較遠的HKKT 與HKSL 站，即不同地區的降水閾值存在一定差異，并與降水大小無明顯相關性。圖4中屯門區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）出現在PWV 最大增幅量之后，而并未出現在PWV 峰值附近。元朗區的HKKT 獲得了類似的結論。

圖4 屯門區與元朗區參考站點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系，出現降水時刻前必然伴隨著PWV 的增加，而伴隨著降水的結束可能出現一個短暫PWV 上升期，同時PWV 峰值未必出現在雨量最大值附近；發生降水前PWV 增幅明顯變大，且PWV 增幅最大時刻可能會出現在距發生降水較遠的時刻（HKNP和HKSS站）。在實際分析中，不能僅以PWV 峰值來判斷降水出現時間及降水強度，應當綜合考慮分析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，西北面為水汽的低值區。9～11時，水汽變化呈現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，部分地區出現局部強對流天氣。伴隨著大幅度降水結束，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，發現已無顯著變化，趨于短期的穩定狀態。

從穩定狀態的20時可以看出，香港地區水汽分布區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的整體水汽傳輸狀況，為區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）由于僅對香港地區一次大面積降水過程進行分析，數據有限，較肯定的結論尚需要進一步驗證。

2）香港地區上空PWV 等值線的繪制未考慮地形條件的復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行政區劃圖（圖略），HKOH 和HKSC 兩站覆蓋的區域內包含的區較多，其中HKOH 站位于東區，覆蓋了南區、灣仔區、觀塘區和中西區；HKSC 站位于深水埗區，覆蓋了油尖旺區、九龍塘區、葵青區、黃大仙區和部分沙田區。通過圖6分析，各區錄得的降水量并不具有較強的相關性，即復雜地形條件下相距較近的地區降水量會出現差異，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及降水強度是不具有共性的，應綜合考慮其他因素的影響。

3）由于資料及知識匱乏等原因，各區雨量站錄得降水量與實際降水量之間的對應關系未能準確表達。

圖6 站點及對應區域范圍內降水量Fig.6 The sites and its corresponding regional precipitation

3 結 語

1）在同一地區（離島區），復雜的地形條件是導致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；同一衛星參考站確定理論覆蓋范圍內的錄得降水量不一定具有很強的相關性。

2）PWV 峰值未必出現在雨量最大值附近，但降水前后必然會出現PWV 峰值。在實際分析中，不能僅以PWV 峰值來判斷降水出現時間及降水強度，應當綜合分析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，可直觀地分析地區內的水汽分布狀況及水汽傳輸變化，為降水預報提供簡單的依據。

致謝：感謝香港天文臺提供雨量站數據、香港大地測量組提供衛星參考站網數據。

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