地基GPS层析大气三维水汽及其在气象中的应用

【摘要】：大气水汽是大气中最重要的组成部分，其时空分布和变化十分复杂，在天气变化及天气系统的发生发展中起着关键作用。对大气水汽分布及其变化特征的观测是大气探测最重要也最困难的课题之一。常规的大气水汽探测手段受时空分辨率或探测精度的影响，限制了高时空分辨率、高精度的水汽信息的获取。应用地基GPS网层析反演三维大气水汽技术是近十多年来发展起来的大气水汽探测新技术，对分析中小尺度水汽场的分布及其演变有很好的潜在应用价值。本论文围绕地基GPS层析大气水汽技术的几个关键难题展开研究，包括以下几方面内容：在对历史探空资料统计分析基础上，建立了新的GPS层析方程垂直约束条件模型；分析不同层析垂直分层方法对层析结果的影响；比较三种不同的先验方案(指层析模型初值场)对层析结果的影响；采用蒙特卡罗(Monte Carlo)随机模拟方法确定最佳层析解，分析不同模拟次数对蒙特卡罗层析解算的影响；对北京房山地区进行GPS层析大气水汽实验，获得了大气水汽四维分布信息；基于房山地区GPS层析水汽信息，分析不同天气条件下水汽分布特征。主要结论概括如下： (1)利用北京南郊观测站1999～2009年历史探空资料，通过统计拟合方法建立符合指数分布规律的GPS层析方程组的垂直约束条件，并将垂直约束条件加入层析方程组共同解算。未加入垂直约束时，GPS层析水汽结果与探空反演的水汽结果相比，二者相关系数约0.95，均方根误差约0.70g/m~3，平均相对偏差(层析－探空)约为负0.29g/m~3；加入垂直约束后，二者相关系数达0.98，均方根误差减小为0.42g/m~3，平均相对偏差约为负0.05g/m~3。表明通过统计拟合方法建立的垂直约束条件能够改善GPS层析结果。 (2)在研究垂直分层方法对层析结果的影响的工作中，采用了垂直均匀分层(垂直分辨率0.8km)和非均匀分层(0～3km垂直分辨率0.5km，3～6km垂直分辨率1km，6～8km为一层)进行对比实验。对比两种垂直分层情况下GPS层析水汽结果与探空反演的水汽结果，非均匀分层时二者相关系数约为0.98，平均偏差(层析-探空)约为0.1g/m~3，均方根误差约为0.24g/m~3；垂直均匀分层时，二者的相关系数约为0.95，平均偏差约为0.32g/m~3，均方根误差约为0.73g/m~3。根据对比结果，垂直非均匀分层能够改善GPS层析大气水汽结果，更能够体现大气水汽实际分布特征。 ⑶垂直先验信息会对层析结果产生较大影响，本论文给出三种垂直先验方案，即按照统计的指数规律建立的垂直先验信息(简称FR方案)、月平均探空的垂直先验方案(简称MR方案)和三天平均探空的垂直先验方案(简称TR方案)。三种不同的垂直先验方案得到的GPS层析水汽结果与探空反演水汽结果对比，FR方案得到的二者相关系数0.98，均方根误差0.66g/m~3；MR方案得到的二者相关系数0.96，均方根误差0.87g/m~3；TR方案得到二者相关系数0.96，均方根误差0.99g/m~3。其中FR方案能够获得更好的GPS层析大气水汽结果。 ⑷利用蒙特卡罗随机模拟方法确定最佳GPS层析解，模拟次数对蒙特卡罗层析解算有很大影响。模拟3000次的层析水汽结果与探空对比，二者相关系数为0.95，均方根误差为1.04g/m~3；模拟5000次二者相关系数增加到0.98，均方根误差减小为0.62g/m~3；模拟10000次的均方根误差最小，为0.49g/m~3，相关系数增加到0.99。一般来说，随着模拟次数增加，模拟结果越好，但模拟时间也大大增加，失去解算的实时性意义。出于计算精度和效率的考虑，本文给出模拟次数取5000次就可以得到很好的层析结果。 ⑸利用房山地区GPS观测网资料进行GPS层析反演大气水汽实验。观测区域上空大气垂直非均匀分层，加入按照指数规律建立的垂直约束，蒙特卡罗模拟次数取5000次的最优结果，在这些前提条件下得到房山地区GPS层析四维大气水汽分布信息。结合日本再分析资料计算的大气动力热力条件参数，利用GPS层析的四维水汽信息初步分析大气水汽分布特征。 ⑹根据GPS层析水汽结果，分析暴雨、晴天和小雨天气背景条件下水汽分布特征。利用两层之间水汽均值相对偏差定量描述水汽垂直分布差异，各网格内水汽值相对于网格所在层水汽均值的绝对偏差的平均值定量描述水汽水平分布差异。暴雨天气。2km以下层水汽均值约5.16g/m~3，占各层总水汽量的77.35%；6～8km和5～6km两层之间水汽垂直分布差异最大，相对偏差约0.75，占总相对偏差的28.4%；2.5～3km和2～2.5km两层之间的水汽垂直分布差异最小，仅0.04，占总相对偏差的1.51%。总体上各层水汽水平分布比较均匀，但各网格水汽值与网格所在层水汽平均值之间存在差异。5～6km层水汽水平分布差异最明显，约4.47×10~(-2)g/m~3，该层水汽均值约0.76g/m~3，即单位水汽水平变化约5.9×10~(-2)；0.5～1km层水汽水平差异最小，仅0.88×10~(-2)g/m~3，该层水汽均值约6.65g/m~3，即单位水汽水平偏差约1.3×10~(-3)。 晴天天气。垂直方向水汽随高度增加而减小，有一定的层状结构。2km以下层水汽均值约为4.56g/m~3，占各层平均水汽总量的76.69%；6～8km和5～6km两层之间水汽垂直差异最大，相对偏差约0.82，占总相对偏差的33.74%；2.5～3km和3～4km两层之间的垂直差异最小，约0.01，仅占总相对偏差的0.41%。各层水汽总体上水平分布特征与暴雨天气相似，1.5～2km层水汽水平分布差异最明显，约0.1g/m~3，该层水汽均值约1.59g/m~3，即单位水汽水平分布差异约6.6×10~(-2)；0.5～1km层水汽水平差异最小，仅1.65×10~(-2)g/m~3，该层水汽均值约6.35g/m~3，即单位水汽水平分布差异约2.6×10~(-3)。 小雨天气。垂直方向水汽随高度增加而减小，有一定层状结构。2km以下层水汽均值约为4.98g/m~3，约占各层水汽总量的71.94%；4～5km和3～4km两层之间水汽垂直差异最大，约0.42，约占总垂直相对偏差的24.53%；5～6km和4～5km两层之间水汽垂直差异最小，仅0.002，仅占总垂直相对偏差的0.11%。各层水汽总体上水平分布与晴天天气和暴雨天气相似，5～6km层水汽水平分布差异最明显，约7.97×10~(-2)g/m~3，该层水汽均值约1.16g/m~3，即单位水汽水平偏差约6.87×10~(-2)；0.5～1km层水汽水平分布差异最小，仅1.57×10~(-2)g/m~3，该层水汽均值约4.85g/m~3，即单位水汽水平偏差约3.2×10~(-3)。 三种天气情况下，水汽水平和垂直分布既有相同之处也有差异。水平方向上：三种天气背景下，总体上水汽水平分布比较均匀，0.5～1km层各网格内水汽值与该层水汽均值之间的平均偏异最小。两种降雨天气水汽水平分布偏差最大出现在5～6km层，晴天天气水汽水平分布最大偏差与两种降雨天气有所不同；垂直方向上：三种天气背景条件下，水汽随高度增加而减小，70%以上水汽集中在2km以下各层，各层水汽垂直分布有一定的层状结构。暴雨天气和晴天天气，水汽垂直偏差最小值出现在中低层，垂直偏差最大值出现在5～8km之间的两层，小雨天气水汽垂直分布差异与暴雨天气和晴天天气有所区别。