地基GPS水汽資料在1709“納沙”臺風暴雨過程中的應用分析

陳穎 謝萬芬

(贛州市氣象局,江西 贛州 341000)

0 引 言

大氣中的水汽是發生降水的必要條件之一,對降雨量有直接的影響。近些年,GPS技術迅速發展起來,GPSPW探測的是大氣柱總水汽含量,精度高、穩定性好,運用GPSPW可以提高對災害性天氣的監測和預報能力。萬蓉等在“地基GPS在暴雨預報中的應用進展”里指出,大氣可降水量的初始峰值在暴雨臨近預報中有重要的指示意義[1]。姚建群等用GPS可降水量資料對一次暴雨過程進行了分析,發現大氣可降水量達到50 mm時的時間與實際降雨時間有很好的對應關系[2]。付琦瓊等研究發現,在強天氣發生前,GPS水汽會劇烈增長。然而,目前對GPSPW的研究大多是側重于數據的演變與降雨量的相關,對于天氣過程發生時的動力和熱力條件考慮的還很不充分[3]。

目前江西省建有62個地基GPS觀測站,其中贛州地區就有15個,這15個地基GPS觀測站是從2009年6月開始運行進行觀測的。目前,贛州對這方面資料研究應用還是空白。為了能找出GPS探測到的水汽資料對于降雨預報的指示意義以及其發生變化的內在原因,增強該水汽資料在實際預報中的應用價值。本文對贛州地區地基GPS觀測數據進行反演,利用反演后的大氣可降水量數據,結合實時雨量數據和其它觀測資料,對2017年7月31日發生的臺風暴雨過程進行了綜合分析,然后再結合相關的動力和熱力條件,研究大氣可降水量和實際降水的相關性,并研究了大氣可降水量發生變化的內在原因,供臺風暴雨預報作參考。

1 臺風“納沙”概況和降雨實況

2017年第9號臺風“納沙”(圖1)于7月26日11時在菲律賓以東洋面發展成為熱帶風暴,中心氣壓為998 hPa,隨后逐漸加強北上,27日11時加強成為強熱帶風暴,中心氣壓為985 hPa,17時路徑轉為西北方向移動,強度繼續加強,于28日17時在距離臺灣省宜蘭縣南偏東方向335 km的海面上加強成為臺風,中心氣壓降至975 hPa。加強成為臺風級后,“納沙”移動速度明顯加快,于29日20時在臺灣省宜蘭縣附近登陸,登陸時為臺風級,登陸后向偏西方向移動,強度未減弱,在臺灣境內移動時強度一直維持臺風級。進入臺灣海峽后,“納沙”又轉向西北方向移動,于30日06時前后在福建省福清市沿海再次登陸,登陸后“納沙”的強度仍維持在臺風級,登陸后,“納沙”快速減弱并繼續向西北方向移動,30日10時減弱為熱帶風暴,中心氣壓986 hPa。30日20時對其停止編號。于7月31日20時左右從撫州進入江西,強度為熱帶低壓,隨后低壓中心轉向偏北方向移動。

圖1 9號臺風“納沙”移動路徑圖

受其外圍云系影響,7月30日20時至31日20時贛州出現了一次暴雨、大暴雨降雨過程(圖2),國家站平均雨量為49.0 mm,出現3站大暴雨(贛縣100.6 mm、安遠141.8 mm、尋烏112.0 mm),3站暴雨(興國、南康、上猶),3站大雨。據上報災情資料統計,尋烏3個鄉鎮受災,受災人口23人,轉移人口7人;農作物受災面積2668 m2;公路中斷11段;損壞提防3處;直接經濟總損失99.7萬元。

圖2 7月31日雨量實況分布圖(單位：mm)

2 環流形勢分析

臺風“納沙”從生成到影響贛州期間,我國中高緯環流以緯向環流為主,太平洋副熱帶高壓強盛,呈帶狀分布,位于23°～35° N之間,西伸脊點到達70°E,脊線一直穩定在30°N附近。7月28日08時(圖3)在110°～120°E副高北側有一高空槽東移發展,移動速度緩慢,24 h移動了不到10個經距,在移動過程中高空槽不斷增強、加深,強大的高壓壩被分裂為東、西兩環。此時臺風“納沙”受副高南側東南氣流引導,向西北方向移動。“納沙”登陸臺灣后,由于受到北面高空槽東移的阻擋,它開始轉向偏西方向移動,朝著福建沿海靠近。在登陸福建后,受副高西側的東南偏南氣流引導,轉向西北偏北方向移動。隨著臺風逐漸靠近,GPSPW值也隨之快速增長。

圖3 7月28日08時500 hPa風場、高度場(a)7月29日20時500 hPa風場、高度場(b)

3 GPS PW與降水的關系

3.1 GPS PW資料處理方法

江西省氣象局和江西省測繪局在贛州設立了15個GPS觀測站(圖4),由這些GPS觀測站監測到的數據,再結合贛州探空站資料,可以建立適合的ZHD模型。

圖4 15個GPS觀測站海拔分布圖(單位：m)

GPS衛星發射信號后,經過大氣的折射,信號會出現延遲,這種延遲被稱為對流層天頂總延遲(ZTD),主要由電離層延遲和對流層延遲組成,電離層延遲與信號頻率平方成反比,因此利用雙頻接收機兩個頻率大氣延遲方程的線性組合來進行消除[4]。對流層延遲包含了天頂濕延遲ZWD和天頂靜力延遲ZHD[5-6]。具體計算過程如下:

大氣可降水量計算公式

PW=Π×ZWD,

(1)

ZWD=ZTD-ZHD。

(2)

對流層天頂總延遲ZTD可用GAMIT軟件計算得出。天頂靜力延遲ZHD可以通過Saastamoinen模型[7]、Hopfield模型[8]或Black模型[9]和地面氣壓計算得到,這些模型中的系數會隨著地理位置而變化。鄒海波[10]等人結合探空站資料對ZHD模型進行了改善,ZHD的計算精度得到提高。改善后的ZHD模型為:

ZHDS=96.9573+0.1337

ZHDH=100.21+0.89(40.082

(3)

PW是由大氣氣柱的總水汽含量轉換為等效液態水柱高度得到的,其中轉換因子Π為:

(4)

3.2 GPS PW和降雨量演變特征分析

臺風“納沙”影響贛州期間,興國、安遠、贛州3站大氣可降水量(GPSPW,下同)與逐時降雨量的演變過程進行分析(圖5),發現,在臺風影響前(30日09時前),興國、贛州、安遠3站GPSPW值均小于50 mm,無降水出現。30日09時后,“納沙”在福建登陸后緩慢向西移動,向贛州東北部地區靠近,GPSPW值開始明顯增加。離“納沙”較近的興國于30日09時后開始明顯增加,安遠在30日10時后開始明顯增加,贛州位置偏西,于30日12時后GPSPW值才開始明顯增加。30日14時興國GPSPW值率先超過62 mm,并一直穩定維持在62 mm以上,達到62 mm值之后的4 h出現降雨(1 h降水量超過1 mm)。30日18時安遠GPSPW值超過55 mm,隨后3 h出現降雨。而贛州的GPSPW值則在30日19時超過60 mm,隨后1 h出現降雨。“納沙”臺風向江西中東部與福建邊界移動靠近,興國、安遠、贛州GPSPW值繼續增大。31日03時興國GPSPW值達到最大75.85 mm,對應出現31.6 mm/h強降雨;31日05時贛州GPSPW值達到最大74.07 mm,對應出現32.9 mm/h強降雨。31日20時“納沙”從撫州進入江西后,轉向偏北方向移動,對贛州中部以南地區的影響逐漸結束,安遠在8月1日0時以后GPSPW值降至55 mm左右并穩定后,降水停止;此時中部以北地區仍受到“納沙”減弱后的低壓槽影響,GPSPW值仍然維持在60～66 mm左右,降雨仍在繼續。贛州、興國當GPSPW值分別降至60 mm、62 mm以下并穩定后,降水才停止。

圖5 興國、安遠、贛州3站7月29日08時至8月3日14時GPS PW和降水量時序圖

對這次大暴雨過程中贛州市其他12個地基GPS站的GPSPW與降雨也做了類似的分析,發現結果與之類似,即降雨都出現在GPSPW迅速增加至一穩定值(閾值)后的一段時間,而結束于GPSPW明顯減小至一穩定值(閾值)時。通過分析發現,贛州所有站GPSPW值持續增長到閾值后的1～4 h才出現降雨。強降雨都出現在GPSPW迅速增長后達到最大值時。

對15個GPS站的海拔進行分類分析后發現(圖6),海拔相近的站點GPSPW閾值相近,不同海拔的GPSPW閾值都不相同。按每50 m海拔分段分析GPSPW閾值,發現100～150 m(贛州、上猶、于都)的閾值在60 mm左右;151～200 m(興國、會昌)的閾值在62 mm左右;201～250 m(大余、瑞金、信豐、寧都)的閾值在58 mm左右;251～300 m(崇義、定南、石城、全南)的閾值在57 mm左右;301～350 m(安遠、尋烏)的閾值在55 mm左右。由此可見,海拔在200 m以上的站點隨著海拔的增加,其閾值有明顯減小的趨勢。

圖6 不同海拔站點的GPS PW閾值變化圖

4 GPS PW與動力、熱力條件分析

大氣中具備足夠的水汽條件是降雨產生的必要條件,但是動力和熱力條件也是必不可少的。因此,找出GPSPW變化的內在原因,可以增強該水汽資料在預報中的實際應用價值。在此次暴雨過程中,分析垂直速度場發現(圖7),從7月30日08時開始,贛州地區500 hPa以下均處于上升運動區中,這為大氣可降水量的積累提供了足夠的動力條件,此時也正是GPSPW值逐步增大的過程。30日08時開始,贛州北部地區上升運動先發展到了200 hPa,GPSPW值在隨后4 h上升至62 mm以上,其余地區在30日14時開始,上升運動才發展到200 hPa,GPSPW值也同樣在隨后的3～4 h越升至60 mm以上。強烈的上升運動有利于水汽的堆集,局地強烈的垂直運動發展與GPSPW值的增長有明顯的對應關系。

圖7 7月29—31日贛州垂直速度場剖面圖

從散度場和渦度場分析中發現(圖8),在此次過程中,中低層一直為正渦度,負散度;高層一直為負渦度,正散度這樣的上下配置,對降水的持續和發展十分有利。低層有源源不斷地水汽輸送,加之高空輻散的動力作用,有利于垂直上升運動的加強和發展,降水得以持續。

從比濕(q)和假相當位溫場(θse)分析中發現(圖9),本次降雨過程發生前,贛州上空大氣層一直呈現出不穩定的狀態,同時水汽條件也是相當好,850 hPa比濕一直在14～16 g/kg,表明降雨開始前贛州上空一直處于高溫高濕不穩定狀態。隨著臺風登陸福建后向西移動,30日14時開始高能舌也隨之西移,贛州在30日14時以后至31日20時一直處于85 ℃高能區和q大于16 g/kg區域中。該不穩定狀態發展持續的時間,恰好同GPSPW的變化存在較好的對應關系,即30日14時以后,GPSPW呈現出快速增長態勢。

圖8 7月29—31日贛州渦度和散度場垂直分布圖

圖9 7月29—31日贛州θse和q垂直分布圖

根據水汽收支方程(Trenberth等[11]1995):

(5)

5 結 語

1)此次“納沙”臺風降水過程主要是臺風本體降水帶來的暴雨,臺風移動路徑主要受副高南側引導氣流移動。隨著臺風登陸后逐漸靠近,GPSPW值也隨之增長。

圖10 7月29—31日贛州水汽通量散度垂直分布圖

2)通過對第9號“納沙”臺風暴雨過程中逐時GPSPW和雨量資料分析發現,GPSPW和實際降水量存在對應關系。實際降水開始前和結束后,分別對應著GPSPW的快速遞增和遞減。當GPSPW值在增長過程時超過一個穩定值55～62 mm(閾值)后的1～4 h出現降雨,并在GPSPW值達到最大時出現降雨量最大值。

3)GPSPW達到閾值時,產生降水。然而不同海拔高度的站點出現降水時,其GPSPW閾值則有所不同,海拔高度在200 m以上的站點,海拔高度增加,閾值則減小。

4)利用GPSPW提供的精確的水汽變化資料,并結合相關的動力和熱力條件,發現上升運動越強,GPSPW值的增長越快;大氣一直處于不穩定狀態時,GPSPW呈現快速增長態勢。此次過程結束后GPSPW減小,主要是因為出現了降水。