基于地基GPS的祁連山大氣可降水量特征*

程 鵬 羅 漢 劉 琴 李寶梓 曹彥超 尚子溦

1 甘肅省人工影響天氣辦公室,蘭州 730020 2 中國氣象局云霧物理環境重點實驗室，北京 100081 3 蘭州大學資源環境學院,蘭州 730020 4 甘肅省慶陽市氣象局,慶陽 745000 5 蘭州市氣象局,蘭州 730020

提 要： 利用2016—2018年祁連山區中東部11個站的地基GPS反演的大氣可降水量(以下簡稱GPS/PWV)，分析了大氣可降水量的時空分布、地帶性和垂直變化特征。結果表明：與張掖和民勤探空實測資料計算的PWV(以下簡稱 RS/PWV)相比，GPS/PWV均方根誤差和偏差平均值分別為2.1 mm和1.07 mm，GPS/PWV略大于 RS/PWV且兩者相關系數平均值達到0.97。祁連山中東部PWV日最大值出現在11—16時，日最小值出現在01—05時；PWV的月最大值出現在8月，月最小值出現在1—2月；PWV的季節分布為夏季>秋季>春季>冬季；PWV高值區主要分布在祁連山東南部，祁連山中部的剛察、民和為明顯低值區；祁連山中段PWV低于東段。PWV地帶性和垂直變化特征明顯，與海拔高度的相關系數達到了-0.77。PWV隨經度自西向東，逐漸升高；PWV隨緯度從南往北，存在著“高—低—高”的變化特征；PWV的空間分布和季節變化與季風影響相關。

引 言

大氣中的水汽是空中云水資源的重要組成部分，雖然在大氣中的含量不高(占比約為0.1%～3%)，但卻在各種尺度的天氣過程中發揮著重要作用，充足的水汽條件是成云致雨的必要條件(盛裴軒等，2013；秦鑫等，2020)。大氣可降水量(PWV)是指單位面積上整層大氣水汽全部凝結降至地面的降水量(于曉晶等，2019)，是表征大氣中水汽含量的重要指示因子，對于研究降水形成及其預報非常重要(劉健文等，2005)。有效的利用各種手段對大氣水汽進行探測研究，對天氣、氣候、人工影響天氣等的研究及應用具有重要意義(曾光平等，1993；李霞和張廣興，2003；郭學良等，2013)。

相比較于探空、地基微波輻射計、衛星紅外遙感等探測技術手段，地基GPS探測反演大氣可降水量具有精度高、時空分辨率高等優點(段曉梅和曹云昌，2018；李光偉等，2018；胡姮等，2019)，地基GPS遙感的大氣可降水量與微波輻射計探測反演結果的均方根誤差小于2 mm(Baelen et al，2005)。美國學者首先應用GPS測量大氣水汽并提出了地基GPS估算大氣水汽含量的原理(Askne and Brosset，1972；Bevis et al，1992；1994；Yao et al，2013)，基于GPS探測的大氣可降水量反演技術和方法得到研究者的廣泛關注并迅速發展(陳小雷等，2007；楚艷麗等，2007；王繼竹等，2014；劉晶和楊蓮梅，2017)。研究發現，受地形、下墊面及天氣氣候背景的影響，大氣可降水量的分布具有極大的差異(鄒進上和劉惠蘭，1981；翟盤茂和周琴芳，1997；蔡英等，2004)，我國大氣可降水量存在“南方大、西北小，夏季大、冬季小”的時空分布特征，并與東亞低層大氣環流的關系密切(鄒進上和劉惠蘭，1981)；大氣可降水量分布隨時間具有明顯的季節和日變化特征(梁宏等，2006；柳典和劉曉陽，2009)。西北地區大氣可降水量總體呈增加趨勢，平均每10年增加0.11 mm，大氣可降水量高值區主要分布在西北東部地區，低值區主要分布在西北中部地區(黃小燕等，2018)。

祁連山是我國河西走廊重要的生態屏障；受西風帶和季風環流耦合的影響，祁連山空中水汽資源非常豐富，形成了一個比較特殊的大地形降水區(張強等，2007)。該區域年大氣可降水量變化呈現增加趨勢，云和大氣可降水量具有明顯的季節變化特征，存在春季到夏季先升高后減少的變化特征(王寶鑒等，2006；朱飆等，2019)；水汽輸入主要在600 hPa以下層(張良等，2007)；祁連山地區的大氣水汽含量空間分布呈東南多、西北少的空間分布特征(鞏寧剛等，2017)；利用GPS資料分析祁連山中部夏季大氣可降水量的日變化特征及成因發現，大氣可降水量的日變化與氣溫和比濕等氣象要素相關(梁宏等，2010)。受青藏高原地形、西風環流作用和復雜地貌格局的影響，祁連山區大氣可降水量不僅空間分布不均勻，且隨時間變化快，其水汽分布及降水產生機理與我國東部季風區有著明顯差異，天氣氣候特征較為獨特。空氣中的水汽是降水形成的物質基礎，在全球氣候變暖背景下，我國西北地區氣候暖濕化現象明顯(Zhang et al，2019)，已出現空中水循環加快，降水明顯增加的特征(鞏寧剛等，2017)。在此背景下，祁連山區的大氣可降水量又呈現出何種變化特征？由于受觀測資料、技術手段限制，對祁連山區大氣可降水量分布及變化特征的認識還不夠定量和科學，不能滿足社會經濟發展的需要。因此，充分利用新型觀測技術手段和方法研究祁連山區域大氣可降水量的變化很有必要。本文利用GPS反演資料，對祁連山區中東部的大氣可降水量分布和變化特征進行分析，同時采用周邊探空資料加以驗證，以期深層次認識祁連山地區的大氣可降水量分布特征和變化規律，為該地區生態修復和合理開發利用空中云水資源提供參考依據。

1 研究區概況

祁連山呈西北—東南走向，位于青藏高原東北邊緣，地處青藏、內蒙古、黃土三大高原交匯地帶，東西長為800 km，南北寬為200～400 km，海拔高度在3 000～6 000 m的地形高程變化較大，地形復雜。祁連山氣候受大陸性氣候和青藏高原氣候的綜合影響，屬溫帶半干旱氣候區，其降水兼具中國東部、青藏高原和黃土高原三類雨季區特征，降水空間分布很不均勻，山前低山屬荒漠氣候，年均溫度為6℃左右，年降水量約為150 mm；中山下部屬半干旱草原氣候，年均溫度為2～5℃，年降水量為250～300 mm；中山上部為半濕潤森林草原氣候，年均溫度為0～1℃,年降水量為400～500 mm；亞高山和高山屬寒冷濕潤氣候，年均溫度為-5℃左右，年降水量約800 mm，隨海拔高度的增加降水有增加的趨勢。山地東部氣候較濕潤，西部較干燥。祁連山是青藏高原與內蒙古高原和黃土高原的分界線，在自然氣候分區上起著非常重要的作用(張強等，2009)；受西風帶、偏南季風(南亞季風和高原季風)和東亞季風的共同影響，其上空云水資源豐富，降水充沛，培育了永久性的山地冰川和積雪，發育了石羊河、黑河和疏勒河等內陸河流。

2 資料和分析方法

2.1 資料介紹

祁連山區中東部共有11個地基GPS站點，分布在甘肅和青海境內(圖1)，其中甘肅境內7個，青海境內4個，站點經緯度和海拔高度見表1；經計算，此次研究的各站點間的地方時差在1～15 min內，因此各站點間因地方時的差異可忽略不計。GPS原始資料通過GAMIT軟件解算處理，反演得到1 h間隔的PWV數據(以下簡稱GPS/PWV)，所用GPS資料時段為2016年5月至2018年10月，在統計分析前，對GPS/PWV資料進行了質量控制。為進一步驗證研究時段資料的可靠性，利用張掖、民勤探空站每日兩次的08時和20時(北京時，下同)的探空資料計算PWV(以下簡稱RS/PWV)，與對應時次和對應站點的GPS/PWV資料進行比較。張掖、民勤GPS站均在當地氣象觀測站內，滿足GPS站與探空站水平距離在50 km以內且海拔落差小于100 m的對比條件(Wang and Zhang，2008)，兩者可進行比較。

圖1 祁連山中東部GPS站和周邊探空站分布(GT:高臺,ZY:張掖,ML:民樂,GL:皋蘭,MQ:民勒,LZ:蘭州,JT:景泰,MY:門源,GC:剛察,MH:民和,XN:西寧)Fig.1 Distribution of GPS stations and sounding stations in the central and eastern Qilian Mountains(GT: Gaotai, ZY: Zhangye, ML: Minle, GL: Gaolan, MQ: Minqin, LZ: Lanzhou, JT: Jintai, MY: Menyuan, GC: Gangcha, MH: Minhe, XN: Xining)

表1 站點基本信息Table 1 The basic information of sites

2.2 計算方法

大氣可降水量(PWV)根據單位氣柱中的水汽含量計算得到，即：

(1)

(2)

(3)

式中:W為單位氣柱中的水汽含量(單位：mm)，g為重力加速度，ps、pl分別為地面氣壓、大氣上界氣壓，q為比濕，Td為規定層露點溫度，e為水汽壓。考慮到實際大氣中300 hPa以上大氣水汽含量很少，本文計算時大氣上界氣壓選擇300 hPa。

3 結果分析

3.1 GPS/PWV數據驗證

PWV的計算方法主要有四類：包括探空實測資料計算、再分析資料估算、地面經驗公式估算和多源遙感探測方法，RS/PWV結果準確客觀，但因探空站點稀疏所以無法全面反映水汽變化特征，因此其常被用于驗證其他方法的準確性(于曉晶等，2019)。表2和圖2分別為分析時段內08時和20時張掖和民勤站GPS/PWV的檢驗統計值和散點圖，由表2可以看出， 民勤站樣本數(N)略多于張掖站，張掖、民勤兩站均方根誤差(RMSE)為1.71～2.55 mm，離散度較小， 民勤站RMSE小于張掖站；兩站08時GPS/PWV的RMSE均大于20時。兩站GPS/PWV值與RS/PWV探測計算結果相比均為正值，偏差(Bias)為0.88～1.38 mm，表明GPS/PWV值比RS/PWV偏大，這與韓輝邦等(2020)對柴達木盆地格爾木站的研究結論一致。民勤站的Bias小于張掖站，兩站08時的Bias均小于20時。兩站兩個時次的相對偏差均在0.5%之內。

表2 2016—2018年GPS/PWV和RS/PWV檢驗統計值Table 2 GPS/PWV and RS/PWV statistics test values from 2016 to 2018

圖2為民勤、張掖兩站08時和20時的GPS/PWV與RS/PWV的散點分布。可以看出，GPS/PWV整體上略大于RS/PWV，兩種探測方式反演或計算得到的PWV絕大部分值密集分布在擬合直線附近，兩站兩個時次的擬合直線斜率在1.0附近。從相關系數來看，兩站不同時次GPS/PWV和RS/PWV相關系數均達到了0.96以上，在0.01水平上顯著相關，民勤站GPS/PWV和RS/PWV相關性更好(圖2a、2b)，相關系數在0.98以上。可以看出，GPS反演結果與探空計算結果具有較好的相關性，兩者RMSE較小。從GPS/PWV和RS/PWV相關性來看，本文所選站GPS/PWV和RS/PWV相關系數要高于天山山區(于曉晶等，2019)和柴達木盆地(韓輝邦等，2020)的分析結果。

圖2 2016—2018年民勤(a,b),張掖(c,d)的08時(a，c)和20時(b，d)GPS/PWV與RS/PWV散點Fig.2 Scatter plots of GPS/PWV and RS/PWV at Minqin (a, b) and Zhangye (c, d) stations at 08:00 BT (a, c) and 20:00 BT (b, d) from 2016 to 2018

通過民勤、張掖兩站GPS/PWV與RS/PWV的檢驗表明，RMSE和Bias平均值分別為2.1 mm、1.07 mm，相關系數平均值為0.97，結果表明：GPS/PWV反演結果和RS/PWV計算結果非常接近，本文中所用的GPS/PWV資料具有較高的可信度。

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3.2 GPS/PWV水汽時間變化

3.2.1 日變化

圖3為祁連山中東部11個站GPS/PWV的日變化特征，各站小時降水量標準差在0.2～0.5 mm。PWV與隨海拔高度的變化有一定的關系，在分析各站PWV日變化特征時，根據測站海拔高度對站點進行了劃分。圖3a、3b和 3c分別是海拔高度 1 600 m 及以下、1 600～2 900 m和2 900 m以上的站點PWV日變化曲線。圖3a中，民勤和張掖站PWV日變化幅度較其他站明顯偏大，峰、谷值出現時間也不同。張掖站PWV日最大值出現在13時，最小值在10時；民勤站PWV日最大值出現在09時，最小值在13時；其他3個站PWV日最大值出現在13—14時，最小值出現在01時。圖3b中3個站變化趨勢基本一致，PWV日最大值呈“雙峰型”分布特征，峰值分別出現在11時和14—16時，PWV日最小值出現在05時。與1 600 m以下的站點相比較，PWV日最大值出現時間明顯偏早，日最小值出現時間偏晚。圖3c中各站PWV日最大值呈“單峰型”分布特征，峰值出現在12時，PWV日最小值均出現在03—05時；PWV日最大值和最小值出現時間接近1 600～2 900 m的站點。可以看出，低海拔站點的PWV日變化相對平緩，大部分站點PWV最小值出現在夜間01—05時，之后持續緩慢上升，至13—16時達到最大值，隨后轉為減小趨勢。這種變化規律與日溫度變化相似，日出后氣溫逐漸上升，地表水蒸發至大氣中，空氣濕度上升，PWV隨之增加，傍晚至夜間地表蒸發減弱，伴隨大氣的水平運動，PWV轉為下降趨勢。

圖3 2016—2018年祁連山區不同海拔高度GPS/PWV的日變化特征(a)海拔高度<1 600 m，(b)1 600 m≤海拔高度<2 900 m，(c)海拔高度≥2 900 mFig.3 Diurnal variation of GPS/PWV at different altitudes in Qilian Mountains from 2016 to 2018 (a) altitude <1 600 m， (b) 1 600 m ≤ altitude <2 900 m， (c) altitude ≥ 2 900 m

3.2.2 月變化和季節變化

圖4a為祁連山中東部11個站PWV的月變化，各站PWV月變化趨勢特征基本一致，均為明顯的“單峰型”分布特征，7—8月PWV值較大，大部分站點值大于15 mm，1—2月PWV值最小。PWV從2月開始逐漸增加，大部分站點峰值出現在8月，8月后迅速減小。7月下旬至8月中旬是西太平洋副熱帶高壓脊線位置最偏北的時候，東亞季風將南海及孟加拉灣的水汽輸送到西北內陸地區(趙俊虎等，2014)，祁連山區空氣濕度及降水量達到年度峰值，大氣可降水量迅速上升。門源和民和兩站峰值出現在7月，略早于其他站，這可能與其所處的海拔高度和地理環境相關。各站PWV月平均值分布在0.9～32.4 mm，蘭州站最大，明顯高于其他站，民和、剛察站最小，其他站接近。民和、剛察等山區站點明顯小于祁連山北側的低海拔區，原因是低空偏南氣流受祁連山脈阻擋，沿山區東北側邊緣繞流，使低海拔地區的大氣水汽含量明顯高于高海拔地區(段瑋等，2015)。

圖4b為各站PWV季節變化，春季到冬季表現出了先增大，后減小的趨勢。春、夏、秋、冬四季PWV平均值分別為7.5、21.4、9.7、2.6 mm，夏季>秋季>春季>冬季；夏季各站PWV遠高于其他季節，冬季各站間的差異最小。PWV的這種季節變化受地理位置和大氣環流的季節性調整影響較大，大氣環流的季節性變化決定了氣流中攜帶水汽的多寡，冬半年祁連山受高原冷高壓控制，水汽來源匱乏(申紅艷等，2012)，同時寒冷的天氣也不利于地表水的蒸發，因此空氣濕度低；夏半年隨著季風的發展和增強，南亞季風、高原季風攜帶的水汽和東亞季風越過秦嶺將水汽輸送至祁連山北麓，祁連山區PWV迅速攀升(張強等，2007)。

圖4 2016—2018年祁連山區GPS/PWV的月變化(a)和季節變化特征(b)Fig.4 Monthly variation (a) and seasonal variation (b) of GPS/PWV in Qilian Mountains from 2016 to 2018

3.3 GPS/PWV水汽時空分布

從GPS/PWV的時空分布來看(圖5)，PWV的季節空間分布與年均空間分布特征基本一致，不同季節和年均PWV沿西南、東北方向遞減的梯度特征明顯，祁連山東段PWV高于中段，祁連山北坡低海拔區域PWV明顯高于南坡高海拔區域。PWV高值區主要分布在祁連山東部海拔迅速降低區域，民和、剛察為明顯低值區。PWV沿西南、東北方向遞減的這種分布特征和該區域降水的分布特征正好相反，這與降水轉化率相關，民和、剛察降水轉化率達到了66%，大氣水汽凝結轉化為降水的效率較高，而民勤等地降水轉化率為18%，轉化率較低(鞏寧剛等，2017)。祁連山區中東部PWV年平均值為6～14 mm，分季節看，夏季PWV最高，秋季次之，冬季最低。夏季祁連山區域大氣可降水量最為充沛，春季和秋季接近。PWV的空間分布和季節差異與季風影響相關。張強等(2007)研究指出，祁連山中南部受偏南季風(南亞季風和高原季風)的影響特征較為明顯，在祁連山的東部則是東亞季風的影響比較明顯；因此，祁連山PWV的空間分布和季節變化特征主要受南亞季風、高原季風和東亞季風的擴展方向影響。同時，PWV的分布與地形分布也有很好的對應關系，在地形特殊的地區往往會對應大氣水汽含量的極值中心，如海拔高度較高的民和、剛察，對應著不同季節的PWV低值區。PWV反映了該區域大氣中水分含量的多寡，是人工增雨作業潛力的重要指標，從PWV的季節分布可以看出，除夏秋季外，春季也具備較好的人工增雨開發潛力，特別是在降水轉化率較低的區域。

3.4 GPS/PWV的地帶性分布和垂直分布

水汽含量和降水與海拔高度有密切關系，氣流遇迎風坡地形產生明顯輻合抬升會導致降水增強(張沛等，2020)。海拔高度決定了大氣柱厚度，直接影響大氣含水量；緯度決定了大氣的溫度，對大氣的持水能力有影響。利用各觀測站點的經緯度和海拔高度等地理信息，分析PWV與經緯度和海拔高度的關系，揭示PWV的地帶性分布和垂直分布規律。圖6為各站點年PWV值隨海拔高度的變化，總體來看，隨海拔高度的增加PWV逐漸減小，這與PWV的計算方法對應，PWV與海拔高度的相關系數達到了-0.77，在0.01水平上顯著相關。高臺、民勤、張掖、蘭州和景泰5個站的海拔高度在1 600 m以下且相差不大，但蘭州和景泰的PWV值明顯高于其他三站，由于蘭州和景泰受東亞季風影響大，其帶來較為充足的水汽，景泰又位于蘭州的季風下游區，因此蘭州的PWV最高，景泰次之；其余3個站受干燥的西風帶氣流影響，PWV較蘭州和景泰的低。皋蘭、民樂和西寧的海拔高度在2 000～2 500 m，皋蘭和西寧主要受東亞季風控制，民樂主要受西風帶控制，民樂的PWV最低，說明東亞季風控制下的地區PWV要高于西風帶控制的地區。門源、民和和剛察的海拔高度在3 000 m左右，民和的PWV值最低，說明在高海拔地區，西南氣流主導的地區PWV要高于東亞季風控制的地區。

圖6 2016—2018年PWV隨海拔高度的變化特征Fig.6 Variation of PWV with different altitudes from 2016 to 2018

圖7 2016—2018年祁連山區GPS/PWV和(a)經度，(b)緯度的變化關系Fig.7 The variaiton of GPS/PWV with different longitudes (a) and latitudes (b) in Qilian Mountains from 2016 to 2018

因此，總的來說PWV隨經度和緯度的這種變化特征主要原因是與各測站海拔高度有關，海拔高度越高，PWV越低，次要原因是祁連山不同區域所受不同季風及其強弱變化有關，祁連山中部受偏南氣流的影響特征較為明顯，在祁連山的東部則是東亞季風的影響比較明顯，在低海拔地區東亞季風主導的PWV要強于西南氣流主導的PWV，但在高海拔地區，西南氣流主導的地區PWV要高于東亞季風控制的地區。

4 結論與討論

利用祁連山中東部區域11個站的GPS反演PWV數據，分析了GPS/PWV的可用性，對該區域PWV的時空分布變化特征和原因進行了分析探討，得到如下結論：

(1)GPS反演的PWV與探空站計算值非常接近，均方根誤差和平均偏差值分別為2.1 mm、1.07 mm，與探空站計算的PWV相關系數平均值為0.97，GPS/PWV值略大于RS/PWV。

(2)祁連山中東部PWV存在著明顯的時間變化特征。PWV日最大值出現在11—16時，日最小值出現在01—05時。PWV月變化呈明顯的“單峰型”分布特征，峰值出現在8月， 1—2月PWV值最小。春、夏、秋、冬四季PWV的平均值依次為7.5、21.4、9.7、2.6 mm，夏季最大，春、秋季接近，冬季最小。春、夏和秋季均具備較好的人工增雨開發潛力。

(3)PWV沿西南、東北方向遞減的梯度特征明顯，祁連山中段PWV低于東段；PWV高值區主要分布在祁連山東南部，祁連山中部的剛察、民和為低值區。PWV的空間分布和季節變化特征主要受季風變化影響。

(4)PWV與海拔高度和地形分布相關，與海拔高度的相關系數達到了-0.77。PWV隨經度自西向東逐漸升高，隨緯度從南往北存在著“高—低—高”的變化特征。低海拔地區東亞季風主導的PWV要高于西南氣流主導的PWV，但在高海拔地區，西南氣流主導的地區PWV要高于東亞季風控制的地區。

地基GPS提供的高時空分辨率的水汽數據，能夠得到更為精細的水汽變化特征，可在降水預報及人工增雨作業中應用。從祁連山中東部PWV的季節分布可以看出，除夏秋季外，春季也具備較好的增雨開發潛力，因此，加強春、秋季祁連山區域的空中水資源開發有利于改善和維持該區域生態環境。