2018, Vol. 38
2. 天津城建大学经济与管理学院，天津市津静路26号，300384;
3. 河北省气象局，石家庄市体育南大街178号，050022
近年来，受季风和气流的共同影响，我国华北地区夏季经常发生强降水。暴雨预警和地质灾害预警对于灾害风险的防范及应对具有重要的现实意义。充沛的水汽输送是持续性强降水形成的必要条件，因此分析水汽输送特征对于研究降水成因和机理有重要的意义[1]。利用GNSS技术可反演高精度和高时空分辨率的水汽序列，水汽序列的峰值超前于实际降水1~3 h[2-4]。有学者利用GNSS水汽资料开展了南加利福尼亚季风期间的降水预报和Lowa春季降水的观测和模拟分析[5-6]，取得了一定的成果。郝立生等[7]认为，影响华北夏季降水的主要因素是存在西南风水汽通道、东南风水汽通道和偏西风水汽通道，水汽源自孟加拉湾、南海越赤道气流和西太平洋的水汽输送。梁萍等[8]指出，来源于西太平洋的水汽输送及华北区西北侧的西风带水汽输送与华北暴雨的产生有密切关系。刘严萍等[3]在地基GPS可降水量用于2011年北京暴雨监测时指出，北京GPS可降水量的变化对应了从西南到东北的水汽输送过程。马京津[9]、周晓霞等[10]的研究论证了华北地区夏季水汽输送路径分为两条：一条为由南至北方向，另一条为由西北至东南方向。
综合GNSS水汽变化与降水过程的关联性，利用GNSS水汽资料研究区域性水汽输送路径有助于区域性强降水过程的监测预警。本文以河北省CORS为例，针对2014年夏季(6~8月)的多次降水过程，利用不同站点GNSS PWV的空间变化验证该地区的水汽输送路径，探索利用区域GNSS水汽变化进行区域降水预警的可行性。
1 研究方案与研究数据获取 1.1 研究方案结合河北CORS站点的分布，本文针对文献[9-10]中的两条水汽输送路径，分别选择相应的站点开展GNSS PWV空间变化验证水汽输送路径。站点选择如下：在由南至北的方向上选择邯郸、晋州、满城、涿州4个站点；在由西北至东南的方向上选择沽源、滦平、遵化3个站点(图 1)。
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图 1 河北水汽输送路径的GNSS站点分布 Fig. 1 Distribution of GNSS sites of Hebei for water vapor transport path |
河北省GNSS水汽数据时间为2014-06~08，由该省CORS数据通过GAMIT软件解算获得。GAMIT解算方案如下：GAMIT10.6解算软件，IGS精密星历，Relax解算方式，10°卫星高度角。为获得天顶对流层延迟的绝对量，引入同期国内IGS站点(WUHN、LHAZ、URUM和SHAO)联合解算。GNSS站点天顶对流层延迟的解算为每小时估算一个值，结合站点气象观测数据可以获得GNSS站点时值水汽[2]。GNSS水汽单位为mm。本研究还使用单位时间(h)的水汽变化，用ΔPWV表示(单位为mm)：
| $\Delta {\rm{PW}}{{\rm{V}}_\mathit{i}} = {\rm{PW}}{{\rm{V}}_\mathit{i}} - {\rm{PW}}{{\rm{V}}_{\left( {\mathit{i - }{\rm{1}}} \right)}} $ | (1) |
式中，ΔPWVi表示第i时的水汽变化，PWVi表示第i时的水汽，PWV(i-1)表示第(i-1)时的水汽。
2 利用GNSS PWV的水汽输送路径分析 2.1 由南至北方向的水汽输送路径分析选择2014年夏季的两次降水过程(07-29，08-28)，对由南向北方向的水汽输送路径进行相关分析，图 2为4个站点PWV在两次降水过程的比较。用单位时间的PWV变化ΔPWV同样可以呈现由南到北方向的4个站点的水汽变化。为了更好地表达ΔPWV的时空变化，本文用ArcGIS软件绘制07-29 18：00~21：00 ΔPWV时空变化图(图 3)。
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图 2 GNSS PWV比较 Fig. 2 Comparisons of GNSS PWV |
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图 3 GNSS ΔPWV时空变化 Fig. 3 Spatio-temporal change of GNSS ΔPWV |
由图 2和图 3可以看出，针对由南向北的两次降水过程，GNSS站点PWV峰值出现的时间存在差异性，ΔPWV值由正变负的时间也存在差异性，邯郸、晋州、满城、涿州的水汽序列依次达到峰值，然后下降，4个站点的ΔPWV值由正到负的变化也是由南到北的方向。结合气象部门提供的降水资料，2014-07-29邯郸、晋州、满城、涿州的降水时间分别为17：00、19：00、20：00和21：00；08-28邯郸、晋州、满城、涿州的降水时间分别为19：00、20：00、21：00和22：00。由此可知，降水过程的发生，对应了PWV到达峰值并开始下降及ΔPWV值由正变为负的变化过程。来自南方向的水汽通道是由于东亚夏季风强度较强，南方暖湿气流比较活跃，暖湿的偏南风经常伸展到华北地区。4个站点PWV及ΔPWV的不同时间变化印证了河北省的由南向北的水汽输送路径。
2.2 由西北至东南方向的水汽输送路径分析为开展河北省由西北至东南方向的水汽输送路径分析，选择2014年夏季的3次降水过程(06-08，06-17和08-04)的3个站点(沽源、滦平、遵化)的GNSS ΔPWV变化进行比较分析，如图 4所示。
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图 4 GNSS ΔPWV比较 Fig. 4 Comparisons of GNSS ΔPWV |
为了更好地表达ΔPWV的时空变化，用ArcGIS软件绘制06-08 13：00~17：00的ΔPWV时空变化图(图 5)。
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图 5 GNSS ΔPWV时空变化 Fig. 5 Spatio-temporal change of GNSS ΔPWV |
由图 4和图 5可看出，针对由西北向东南的3次降水过程，GNSS站点ΔPWV值由正变负的时间存在差异性，沽源、滦平、遵化3个站点的ΔPWV值由正到负的变化次序是由西北向东南的方向。结合气象部门提供的降水资料，2014-06-08沽源、滦平、遵化的降水时间分别为14：00、16：00和17：00；06-17沽源、滦平、遵化的降水时间分别为04：00、05：00和08：00；08-04沽源、滦平、遵化的降水时间分别为19：00、21：00和22：00。由此可知，降水过程的发生，对应了ΔPWV值由正变为负的变化过程。来自西北方向的水汽通道是由于东亚季风减弱，西太副高的中心位置偏东偏南，南方暖流的夏季风气流主要只能影响江淮流域伸展不到华北，使得冷暖空气无法在华北地区交汇，该地区受单一的干冷西北气流控制，此时到达华北地区的水汽主要来自西北方向。由于沽源、滦平、遵化等城市主要位于河北的西北部，因此受西北水汽通道的影响较大。4个站点ΔPWV的不同时间变化印证了河北省的由西北至东南方向的水汽输送路径。
3 结语针对2014年河北省CORS观测资料结合气象资料，基于GNSS PWV进行河北省水汽输送路径的研究，获得以下结论：
1) 河北省的水汽输送路径存在由南向北、由西北向东南的两条水汽通道。GNSS PWV及ΔPWV的变化与实际降水的比较印证了河北省的两条水汽输送路径。
2) GNSS PWV到达峰值后及ΔPWV值由正变负的过程对应了实际降水过程的发生。研究表明，可以利用GNSS PWV及ΔPWV的变化进行汛期降水预报。
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2. School of Economics and Management, Tianjin Chengjian University, 26 Jinjing Road, Tianjin 300384, China;
3. Hebei Province Meteorological Bureau, 178 South-Tiyu Street, Shijiazhuang 050022, China