环北京四维大气水汽实时监测的“天眼”

能够发生相变的大气成分――水

水是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源。在大气温度变化范围内，水是地球上唯一一种能够发生相变的大气成分。地球上的水在三种状态间变换（相变），对人类生活产生了重要的影响，同时，水的相变在大气物理过程中起到了重要的作用。当水由固态或液态变为气态时，它要向周围的大气吸收能量；当水由气态转变为液态或固态时，它要向周围的大气释放出同等数量的能量。某地水汽蒸发过程中消耗能量，而在完全不同的地方会因水汽的凝结而释放能量。这是地球上热量在大范围内传输的有效途径。伴随水的相变，会产生“潜热”，“潜热”是许多暴风雨形成的能量来源，并且它在雷雨、龙卷风和飓风等天气现象中也起着重要作用。同时全球性的水循环会导致能量在全球的重新分配，这驱动了气候和天气系统的演变，水汽在水循环中扮演着重要的角色。大气中含有微量的汽态水，通常水汽只占大气总体积的4%，但是水汽是大气中含量最丰富和最不稳定的温室效应气体。大气水汽影响着地球的辐射收支平衡、能量传输、云的生成和降水的分布。在大气辐射传输过程中，水汽既吸收来自太阳的短波辐射，也吸收来自地球的长波辐射。在大气能量传输过程中，由水的蒸发输送产生的潜热是能量从赤道向高纬度地区输送的重要途径。水汽凝结生成云的过程中释放能量，这影响着大气的动力学结构，使大气垂直稳定度发生改变，从而影响了天气系统的形成和降水的类型。

水汽实时监测“天眼”保障北京气象预报

虽然水汽在大气中的作用如此重要，但是目前气象业务上获取水汽资料主要依赖于常规的气象高空探空气球观测网，费用昂贵（每次观测约需1000～2000元），站点分布间距300km以上，间隔12小时观测一次，很难获得精确的水汽观测数据，远不能满足北京监测和预报中小尺度灾害性天气的需要。由于缺乏细致而准确的水汽分布信息，严重制约了数值预报和天气/气候预报技术的发展，并成为北京暴雨、冰雹和其他洪涝灾害等灾害性天气漏报的重要原因之一。

以实际行动为科技奥运增色添彩是每一个科技人员的光荣职责。中国气象局北京城市气象研究所在国家科技部、北京市科委、中国气象局和北京市气象局连续多年的大力支持下，于2005年顺利完成了环北京地区地基GPS遥感大气水汽监测技术与应用的研发工作。依托在北京夏季强烈天气敏感区（房山、怀柔）建立的北京地基全球定位系统气象（GPS－MET）监测平台（由4个双频接收站和10个单频接收站组成），在2006年通过共建共享等方式，整合了京津冀等地各部门地基GPS气象站网资料，实现了环北京地区地基GPS气象资料的准实时解算处理和产品分发共享中心的建设。该平台通过测量美国全球定位系统卫星信号在大气中湿延迟量的大小来遥测大气水汽信息。这一科研成果实现了地基GPS大气水汽四维层析，单、双频地基GPS接收系统共同组网，以及把地基GPS水汽监测资料变分同化到中尺度数值天气预报业务中等方面的国际前沿技术。目前已能提供全天候，每30分钟更新的四维大气水汽实时监测信息，相关气象监测和水汽反演解算产品均以网面形式，北京市各气象业务与保障部门可以通过访问地基GPS水汽监测主页，获取所需产品。由于以往所有的气象探测手段都无法全天候、高精度、高时效地提供大气中有关水汽输送和累积的精确数据，并进而形成了一个制约提高强天气过程的预报能力的关键。所以这一平台的建成，为气象业务和2008年北京奥运气象科技保障提供了全新的四维大气水汽实时监测“天眼”。

实时监测“天眼”技术领先

该项目成果在进一步探索环北京地区暴雨强度、移动路径以及中尺度数值模式的研究上提供了新的探测手段和资料渠道，荣获了“2005年北京市科学技术二等奖”和“2005年北京市气象科技开发奖”。这一项目利用全球定位系统的特点，借助GPS手段来遥感大气具有覆盖全球、费用低廉、精度较高，可提供全天候，高时、空分辨率的大气水汽监测信息等明显优点，自上世纪90年代开始发展，GPS－MET监测技术研究与应用迅速成为全球定位系统应用的热点，并已成为大气水汽遥感探测领域中最有发展前途的方法之一。因此，环北京全球定位系统气象监测平台的建成和应用，较好地弥补了传统大气水汽获取手段中的不足。获取的环北京地区实时的高时空密度水汽监测资料，对提高中小尺度天气预测与服务水平，诸如城市环境预报、暴雨、冰雹和其他洪涝灾害的预报都是至关重要的。对北京强降水天气过程的分析研究表明，通过在区域数值天气预报中引入地基GPS大气水汽监测网资料，可使6小时和24小时降水TS检验评分值在1mm、5mm、10mm和20mm预报检验阈值下分别提高1%～8%；基于先进的地基GPS数值同化分析与预报结果，可清楚揭示出北京地形对降水地理分布特征的重要作用。地基GPS大气水汽监测资料对分析北京及周边地区空中云水资源分布状况与未来中、小尺度高影响天气（尤其是强对流雷暴天气，如2004年7月10日北京城区大暴雨灾害）发展关系，提高天气预测准确率有重大的实用价值。

环北京地基全球定位系统气象监测平台由地基GPS接收站监测系统；远程CDMA/GPS监测数据无线通讯转输系统；GPS卫星数据与监测站数据预处理、分析与气象产品解算系统；网面分发与服务系统；数值天气预报同化应用系统五大部分组成。各系统主要涉及以下九个方面的关键技术：①远程遥控GPS数据采集与通讯技术；②解算方案与数据处理流程；③单/双频地基GPS接收机电离层订正技术与应用；④天顶大气可降水量反演技术与应用；⑤倾斜路径可降水量反演技术与应用；⑥多路径效应订正技术与应用；⑦大气水汽层析技术与应用；⑧地基GPS资料的数值变分同化与应用；⑨监测产品网页技术。其中，在区域混合地基GPS－MET组网设计，层析大气水汽方法以及资料采集与通讯系统方案设计等方面所取得的成果，对区域地基GPS水汽监测网建设及其资料应用具有重要的推广价值和示范意义。在系统整合以上关键技术，集成五部分子系统后，北京市气象局形成了一套完善的环北京地区地基GPS数据解算和业务产品提供流程。生成的每30分间隔的水汽监测产品包括：单站大气水汽总量时间序列、北京强降水敏感区区域大气水汽总量的二维时空演变及其四维空间水汽层析等多种全新水汽探测信息。平台监测产品在人影和气象业务中的初步应用已表明，该平台除对提高北京灾害性强对流天气预测准确率有重大的实用价值外，还对分析利用空中云水资源，合理选择人影作业时机，缓解北京地区水资源紧缺具有重大的科研与业务应用价值。对改善北京地区生态环境，减少沙尘，净化空气具有十分重要的意义。该项目是2008年北京实现科技奥运、绿色奥运和人文奥运理念，实践中国气象局安全气象、公共气象和资源气象三大战略所取得的巨大成果。

相 关 链 接

该项目分别受北京市科委重点项目（H010510120119），国家科技部与北京市科委 “全球定位系统单双频地基水汽遥测技术研究” 国际合作项目、国家气象局与北京市气象局等部门项目联合资助。

张朝林，博士，中国气象局北京城市气象研究所副所长、副研究员。主要从事数值预报模式开发应用和地基GPS气象研究。