GPS／PWV資料在兩次臺風襲港期間的特征分析

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，鄒城市設計院路669號，273500

大氣中的水汽是降水的來源，也是維持臺風動力所需能量的主要成分，通過持續觀測的GPS可降水量了解其時空分布對監測和預測臺風特性有一定的研究價值［1］。由于水汽空間分布極不均勻且高度的可變性，傳統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PWV（precipitable water vapour）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，在水汽觀測中日益受到重視［2］。GPS遙感可降水量技術已被證實在極端天氣（如臺風等）狀況下能提供高精度的PWV 值［3－5］。

許多學者對臺風及其帶來的降水進行了研究。Lion［1］、丁金才［5］、鄒海波［6］等研究發現，在臺風影響期間，GPS／PWV 變化與降水有較好的對應關系。黃振［7］等發現，不同性質的降水過程中PWV 變化特征不同。鈕學新［8］等對影響臺風降水量的主要因素進行分析，得出熱帶氣旋的強度、地形作用等都會對降水產生較大影響。黃新晴［9］等研究了“羅莎”臺風波動特征引發的浙江遠距離降水后得出，在對流層中高層，臺風能量頻散表現出的波動特征，能夠影響到較遠距離外的天氣系統，但對同一地區不同距離臺風影響下的PWV 變化研究很少。不同距離臺風及不同移動路徑，對同一地區的PWV 影響可能會產生很大變化。本文利用GPS／PWV 相關資料對2013年香港地區8、9月份兩次不同距離臺風影響過程中水汽變化特征進行分析。

1 兩次臺風及其引發的降水分布

香港地區地處中國東南沿海，三面環海且海岸曲折、多丘陵，受控于亞熱帶季風氣候，每年都會遭到臺風侵襲。2013年8、9月先后遭遇了第11號臺風“尤特”和第19號臺風“天兔”侵襲，臺風移動路徑見圖1（未作說明時間系統均為UTC）。

圖1 臺風“尤特”與“天兔”移動路徑Fig.1 The movement path of typhoon“Utor”and“Usagi”

氣象學中經常把臺風地面中心氣壓值作為臺風強度的指標，一般來說，中心氣壓越低，臺風越劇烈。圖2（a）中，“尤特”在移動過程中，從08－13 02：00起其中心壓強一直保持955hPa不變，持續到08－14 08：00登陸后氣壓升高而相應的風力減弱；圖2（b）顯示“天兔”在移動過程中中心氣壓從09－22 06：00開始呈緩慢的增長過程，相應的中心風力呈衰減趨勢。從強度上看，“尤特”強盛時期維持時間更長，“天兔”強度更強、強盛時期維持時間較長。

兩次臺風都給香港地區帶來大面積降水和大風，圖3給出了臺風影響香港期間的日降水量分布。可以看出，“尤特”帶來的香港地區降水量遠小于“天兔”。“尤特”影響期間，降水由西南向東北方向轉移，且雨勢進一步擴大；“天兔”影響期間，09－22降水高值區集中在東北方向，而09－23降水高值區主要集中在香港西部地區，降水總體趨勢由東向西轉移。對比圖1可以發現，兩次臺風影響過程中，降水強度沿臺風移動路徑縱向變化相對劇烈，遠離臺風移動路徑降水量增加相對更明顯。

圖2 “尤特”與“天兔”中心氣壓及風速時序圖Fig.2 “Utor”and“Usagi”central pressure and wind speed timing diagram

圖3 香港地區日降水量分布Fig.3 The distribution of Hong Kong daily precipitation

2 GPS／PWV資料分析

2.1 數據來源

香港衛星定位參考站網（SatRef）由12 個連續運行的參考站組成（圖4），除進行GPS 觀測外，還利用Meteo Met4／Met4A 對測站表面的氣象數據進行觀測。我們利用GAMIT 軟件對香港地區衛星定位參考站網2013年第225～227、264～266年積日的觀測數據進行處理，一天內每0.5 h估算一次對流層延遲參數。同時，為了消除區域GPS 網ZTD 解算的相關性，獲得更精確的PWV 估值，引入LHAZ、SHAO、TWTF、WUHN 4 個IGS 站組成長基線進行解算。

圖4 香港地區衛星定位參考站分布Fig.4 The locations of Hong Kong satellite positioning reference station

2.2 PWV和氣壓變化分析

于勝杰等［10］通過分析氣壓對GPS大氣可降水量解算的影響發現，臺風等惡劣天氣狀況下，氣壓變化會對ZTD 和ZHD 造成影響，進而影響到PWV 的變化。同時，由于臺風中心氣壓相對較低，臺風中心過境的地方氣壓會發生一個急劇的隨時間的漏斗狀降升變化，即離臺風中心越近其氣壓變化越明顯。

香港地區衛星參考站相距較近（圖4），在統一解算后發現部分站點間PWV 相關性明顯。限于篇幅，同時為了滿足對香港大部分區域的覆蓋及分析需求，選取沿臺風移動路徑方向和遠離臺風移動路徑方向的5個不同方位分布的衛星參考站進行比較分析，站點分別為HKFN、HKNP、HKOH、HKST、HKWS。

1）氣壓變化

“尤特”影響香港期間，氣壓變化曲線（圖5（a））并沒有出現類似于圖5（b）的漏斗槽變化，初步判斷是由于“尤特”距離香港地區較遠：“天兔”距香港最近時約60km，而“尤特”距香港最近時約230km。而圖5（b）中氣壓變化曲線能夠很好地反映臺風“天兔”經過時產生的影響。對比發現，HKOH 站最先降到氣壓最低值，HKFN、HKST、HKWS 3 站幾乎同時降到氣壓最低值，HKNP站最后降到氣壓最低值，且其氣壓變化幅度小于其他4個站點。結合圖1、圖4可看出，臺風“天兔”是由東南向西北方向移動，最先遭遇臺風的站點為HKOH 站，HKNP站離臺風移動路徑最遠，受影響程度相對較晚也較小，即氣壓的沿線變化時間與臺風移動路徑有一定的對應聯系。

圖5 臺風影響期間氣壓變化Fig.5 The pressure changes during typhoon

2）PWV 變化

為方便說明，將上述5個參考站按照與臺風移動路徑方向的關系分為沿臺風移動路徑方向站和沿臺風移動路徑縱向站。對比分析如下：

①沿臺風移動路徑方向站PWV 變化。圖6（a）中，“尤特”影響期間，各參考站PWV 均呈震蕩性劇烈變化，波動性更強。隨著臺風不斷遠離，HKOH 站 最 先 降 到PWV 最 低 值，HKFN 與HKST 兩站略落后HKNP降到PWV 最低值，同時3個站PWV 波動曲線趨勢很相近。而“天兔”影響期間，各站PWV 呈現出明顯的單峰小幅度震蕩性升降過程，增濕過程延續時間長，且PWV 峰值都超過了70mm，PWV 最大增長量分別為27.31 mm（HKOH）、29.57 mm（HKST）、27.86mm（HKFN）。

②沿臺風路徑縱向站PWV 變化。“尤特”影響期間（圖7（a）），明顯看出離臺風路徑最近的HKNP站出現了3次短時間內PWV 劇烈升降變化過程，最大增幅達到8.07mm／0.5h；對于距離最遠的HKWS 站，PWV 變化總體震蕩性更明顯，波動性劇烈。“天兔”影響期間（圖7（b）），除個別 站 個 別 時 刻 外（HKNP 站，09－22 19：00～21：00）3個參考站PWV 變化曲線并沒有出現明顯的差異。

圖6 沿臺風移動路徑各站PWV 變化Fig.6 The PWV changes of each station along the typhoon paths

圖7 沿臺風移動路徑縱向各站PWV 變化Fig.7 The PWV changes of each station along the longitudina typhoon moving path

為了更好地說明臺風影響期間PWV 變化與降水之間的關系，表1列出上述參考站附近的雨量站實測的日降水量（日降水量數據與UTC 時間系統存在近8h的時差）。不難看出，“尤特”影響期間，PWV 曲線震蕩性最強的HKWS站兩日內降水量最大，而HKNP站PWV 短時間內急升變化劇烈，兩日內的降水量卻最小；“天兔”影響期間，所有站PWV 呈明顯的單峰結構，其中HKNP站PWV 短時間升降變化劇烈，最大升幅達7.88 mm／0.5h，最大降幅達14.27mm／0.5h，對應時間段（09－23）獲取的降水量也最大，達到120mm。故對于遠距離臺風降水來說，PWV 無明顯的單峰結構，其震蕩劇烈程度與實際降水量大小有較強的對應關系；而近距離臺風降水發生前后，PWV 單峰結構明顯，降水量大小與PWV 每h內增幅量有很強的對應關系。

表1 5個參考站日降水量分布Tab.1 The distribution of 5reference stations daily precipitation

3 結 語

1）對于遠距離臺風影響，PWV 呈整體震蕩性變化，波動性更強，無明顯的單峰結構；相對近距離臺風影響，PWV 呈明顯的單峰結構、總體上緩慢的增濕過程，可能與離臺風中心距離及臺風影響時間有關系。

2）氣壓對于臺風的影響反映更靈敏，離臺風中心越近越易發生變化。對于近距離臺風，使用氣壓及PWV 變化進行臺風強度及影響時間判斷更具研究意義。

3）臺風降水量大小與PWV 變化有較強的對應關系。對于遠距離臺風降水，PWV 震蕩性越強，波動幅度越大，降水強度越大；近距離臺風降水，PWV 短時間內的升幅量越大，對應的降水量往往越大。

［1］Liou Y A，Huang C Y.GPS Observations of PWV during the Passage of a Typhoon［J］.Earth Planets Space，2000，52（10）：709－712

［2］王勇，劉嚴萍.地基GPS 氣象學原理與應用研究［M］.北京：測繪出版社，2012（Wang Yong，Liu Yanping.Theory and Application of Ground－Based GPS Meteorology［M］.Beijing：Surveying and Mapping Press，2012）

［3］Song D S，Yun H S，Lee D H.Verification of Accuracy of Precipitable Water Vapour from GPS during Typhoon Rusa［J］.Survey Review，2008，40（307）：19－28

［4］Liou Y A，Huang C Y.Geophysical Phenomena Associated with GPS Observed PWV during the Passage of a Typhoon［J］.IETE Technical Review，2004，21（1）：67－74

［5］丁金才，黃炎，葉其欣，等.2002年臺風Ramasun 影響華東沿海期間可降水量的GPS 觀測和分析［J］.大氣科學，2004，28（4）：613－624（Ding Jincai，Huang Yan，Ye Qixin，et al.GPS Observation and Analysis of Precipitable Water Vapor during Typhoon Ramasun in 2002Influencing East China Coast［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，2004，28（4）：613－624）

［6］鄒海波，單九生，吳珊珊，等.GPS 水汽反演方法的改善及其在臺風暴雨中的應用［J］.中山大學學報：自然科學版，2013，52（6）：17－25（Zou Haibo，Shan Jiusheng，Wu Shanshan，et al.Improvement of GPS Moisture Solving Method and the Application to Typhoon Induced Heavy Rainfall［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2013，52（6）：17－25）

［7］黃振.GPS 遙感大氣可降水量在降水天氣過程分析中的應用［J］.氣象與環境學報，2013，29（4）：31－36（Huang Zhen.Application of Precipitable Water Vapor from Ground Based GPS Data to Analysis of Precipitation Weather Process［J］.Journal of Meteorology and Environment，2013，29（4）：31－36）

［8］鈕學新，杜惠良，滕代高，等.影響登陸臺風降水量的主要因素分析［J］.暴雨災害，2010，29（1）：76－80（Niu Xuexin，Du Huiliang，Teng Daigao，et al.Main Factors Affecting the Rainfall Caused by Landing Typhoons［J］.Torrential Rain and Disasters，2010，29（1）：76－80）

［9］黃新晴，滕代高，陸瑋.“羅莎”臺風波動特征與浙江遠距離降水相互關系的初步研究［J］.大氣科學學報，2014，37（1）：57－64（Huang Xinqing，Teng Daigao，Lu Wei.A Preliminary Study on the Relationship between the Distant Precipitation and the Wave Characteristics of Typhoon Krosa in Zhejiang Province［J］.Transactions of Atmospheric Sciences，2014，37（1）：57－64）

［10］于勝杰，萬蓉，付志康.氣壓對GPS 大氣可降水量解算的影響分析［J］.大地測量與地球動力學，2013，33（2）：87－90（Yu Shengjie，Wan Rong，Fu Zhikang.Impact Analysis of Pressure Parameter on Inversion of GPS Precipitable Water Vapor［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2013，33（2）：87－90）