引言

20世纪90年代以来，GPS气象学迅速发展成为一个前沿性、多学科交叉的研究领域，利用GPS技术探测大气水汽含量的研究取得很大进展。所谓GPS/MET(GPS Meteorology)即GPS气象学，就是指利用全球卫星导航技术(GPS)主动遥感地球大气层，通过测量穿过大气层的GPS信号的延迟来获得大气折射率进而从中得到温、压、湿等信息，反演出的大气可降水量在气象领域得到了广泛的应用^[1-2]。

1 地基GPS遥测大气可降水量基本原理

GPS卫星发射的L波段无线电波信号在穿过大气层时，受到电离层电子和平流层、对流层大气的折射，由于速度的减弱和路径的弯曲，从而造成信号的延迟。大气延迟量可分为电离层延迟、静力延迟和湿延迟，电离层延迟、静力延迟分别通过双频技术、地面气象要素订正可得出，最终通过得到的湿延迟可以解算出精确的大气可降水量^[3-4]。

2 地基GPS遥测大气可降水量处理流程 2.1 地基GPS资料处理软件GAMIT

河北省实时地基GPS水汽监测处理软件使用的是GAMIT软件，GAMIT软件由美国麻省理工学院与加州圣迭戈Scripps海洋研究所(SIO)共同开发。GAMIT是运行在UNIX/LINUX环境下的高精度的三维定位和定轨软件，它由不同的模块构成，来完成数据的预处理、轨道的积分、地心模型中残差和偏导数的计算和最小二乘分析。

2.2 地基GPS遥测大气可降水量处理流程

一是资料收集。包括卫星星历、数据处理必需的数据文件(极移、日长变化、日月位置表等)、GPS观测数据和气象观测数据等。二是数据处理。在资料收集完成后，就可以使用GAMIT软件对资料进行解算，得到各站点的对流层天顶总延迟，进而解算出各站点的大气可降水量。

河北省气象局于2004年建立的石家庄、秦皇岛、张家口三个GPS水汽观测站，GPS接收机每30秒采样一次，每小时形成一组GPS数据，该数据包括GPS导航文件和观测文件，其中导航文件包括卫星广播轨道、卫星状态信息及电离层和时间信息，观测文件包括每个历元的卫星观测的双频C码和P码伪距以及相位。导航文件和观测文件经压缩后传到省气象台信息网络中心GPS处理服务器，匹配3个站的每小时气象资料(气温、气压和湿度)通过GAMIT软件对原始数据解算，最终反演出大气可降水量PWV。

3 河北GPS/PWV的时间变化特征 3.1 月平均GPS/PWV的分布特征

表 1是2005年石家庄、张家口、秦皇岛3站4—11月月平均PWV值。由表 1可见，4—11月石家庄、张家口、秦皇岛3站的月平均PWV值变化的总趋势一致，从4月到7月PWV是逐渐增加，到8月略有下降，9月、10月明显下降，11月小幅下降。3站中均是7月平均PWV值最大，11月PWV值最小。

3.2 日平均GPS/PWV的变化特征

图 1a、b、c分别是2005年石家庄、张家口、秦皇岛3站4—11月PWV逐日日平均变化图。由图 1a、b、c可见，石家庄、张家口、秦皇岛3站从5月到8月上旬PWV值均有波动的上升，特别是6月下旬和7月中旬有两次明显的快速上升；8月中旬有一次明显的快速下降，8月下旬的平均PWV值比8月上旬平均PWV值明显偏低。这些特征表明了河北6月下旬入汛、7月中旬进入主汛的气候特征。

3.3 GPS/PWV大气可降水量的日变化特征

通过分析石家庄、张家口、秦皇岛3站4—11月每日不同时刻PWV值分布，PWV有小幅度波动，但日变化较小，不超过5mm。

4 GPS/PWV与降水关系 4.1 PWV降水基准值(基值)

曹云昌等^[5]在研究中采用2h GPS遥感的大气可降水量增量为5mm作为阈值，得出在大气可降水量迅速增加后4h内出现降水。如果将每月非降水时段的PWV平均值作为每月PWV降水基值(见表 2)，据统计，石家庄2005年4—11月降水时段均出现在PWV值高于基值的时刻。说明小于PWV基值时降水概率较低。

对张家口和秦皇岛两站资料分析，90%以上的降水都出现在大于PWV基值的时段，基值指示意义较好。但6月和7月基值指示意义相对较差，特别是6月有20%~30%的降水出现在小于基值的时段。

进一步分析表明，张家口6月PWV小于基值但有降水的10个时段，有8个时段在上旬，2个时段在中旬；秦皇岛6月PWV小于基值但有降水的12个时段，有6个时段在上旬，6个时段在中旬，即均集中在6月中上旬。分析其原因，主要是因为6月为河北省北部地区春季向夏季过渡的月份。若6月基值分旬计算，小于基值有降水的时段，张家口、秦皇岛均降低为6个，分别占总时段的12.5%和13.3%，可见在春夏过渡月份基值的计算以旬为单位较以月为单位计算效果要好。

7月为河北省的盛夏，其平均PWV值在全年最高，高水汽条件时，外界较小扰动就易引发降水，故单以大气水汽为条件预测降水效果较差。详细分析张家口7月PWV小于基值但有降水的3个时段均出现在上旬，秦皇岛7月PWV小于基值但有降水的6个时段，2个时段在上旬，4个时段在中旬，且在中旬的4个时段的PWV值与基值差均小于1mm，即与基值非常接近，故在高PWV值月份时段，当PWV变化接近基值时就有产生降水可能。

4.2 不同影响天气系统产生降水的PWV变化特征

2005年4—11月PWV资料完整的石家庄、张家口、秦皇岛3站分别有44、44、32个雨日。造成降水的主要影响天气系统有西来槽、高空冷涡、副高外围西南气流等。对上述三种天气系统产生降水的PWV变化进行分析，发现有如下特征。

对于明显西来槽系统，降雨前PWV有一个从相对低值逐渐升到高值的“爬高”过程，之后在相对高值小幅度摆动一段时间后产生降水。在爬高和高位浮动过程中有2~3h的急升阶段。急升幅度为5~10mm。若急升在爬高期，高位浮动时间相对长一些；若在高位浮动期，则一般急升后即产生降雨，雨停后PWV有明显的急降过程(图 2)。若西来槽较弱，降水时间较短，雨量多为小雨时，PWV变化的趋势与明显的西来槽影响PWV变化趋势相似，只是变化幅度、上升所需时间均略小。

高空冷涡产生的降水为辐合型降水，降水量分布很不均匀。其PWV变化特征为降雨前期的增值时间较短，增值幅度也较缓，若有1~2h急增8~10mm的增幅，常常有降水强度大于10mm·h^-1的较强降水。雨停前后PWV的变化特征也不明显，常常是只有小幅度的下降，之后又缓慢上升，为再次受冷涡影响产生降水积聚水汽；若降雨后又明显的急降，且降到该站本月PWV基值之下，则冷涡影响再造成降水的可能性较小(图 3)。

副高外围西南暖湿气流影响时，其降水产生在高于该站本月PWV基值近20mm的高位PWV的波动中，雨前有一天以上较长时间在平稳上升，雨后也没有PWV值急降现象，这与副高外围西南暖湿气流输送较强是一致的。

2006年通过对几次天气个例分析，得出结论与以上基本是一致的。

4.3 PWV变化与降水开始、结束时间的关系

姚建群等^[6]在一次个例分析中发现PWV第一次达到及最后一次出现50mm的时间与实际降水开始、结束有着较好的对应关系。通过对2005年盛汛期(7月下旬8月上旬)石家庄、张家口、秦皇岛3站PWV变化发现PWV变化与降水开始没有简单的一一对应关系，但是大部分过程在降水前24h之内PWV值有在1~3h增长4~5mm以上的急升过程现象出现。

在7月下旬至8月上旬河北盛汛期，3站有急升现象的降水次数占该时段各站总降水次数60%以上，其中石家庄站最高。急升距降水开始时间均在6h以内。急升的幅度，张家口最小，距降水开始时间也较长；石家庄幅度大，距降水开始时间最短，降水突发性大(表 3)。

非盛汛期，3站有PWV急升现象的降水次数占该时段各站总降水次数60%以上，其中石家庄和秦皇岛站达到或超过80%。急升现象距降水开始时间有两种情况，一种是距降水开始时间长(即高位振荡时间长)，急升幅度相对大，此种情况3站均在50%以上，这时降水天气的影响系统多为深厚的西风槽、高空低涡等，降水时间也较长，突发性小；另一种是距降水开始时间短，急升幅度相对小，此种情况3站均在40%以下，这时降水天气的影响系统多为低空切变、高空浅槽等，降水时间也较短，突发性大。

降水结束时，3站均有80%以上过程，是降水停止后PWV持续在高位几小时后，才急降的，而在雨停前急降和雨停后没有急降的情况相对较小，均不超过20%。

分析发现，1h降水量与PWV增幅和PWV最大值的关系并不明显。但过程总雨量与PWV上升所用时间、上升幅度以及相对高位值与该站本月降水PWV基值之差有一定关系。

在连续降雨的过程中，一般PWV升到高位后，在高位上下波动几个小时后才产生降水。降水过程中，较大的1h降水量常出现在PWV波动过程中一个相对高点之后。PWV振荡下降后雨量变小或降水暂停。

5 结论

(1) 过对GPS/PWV月、季时空特征分析发现，PWV月、季变化特征反映了河北的天气气候特点，特别是6月下旬和7月中旬有两次明显上升，表现出河北夏季入汛、主汛期两个阶段的开始。

(2) 利用每月非降水时段GPS/PWV大气可降水量平均值作为月降水基值对于降水有一定的指示性，统计发现产生的大多数降水过程PWV值要高于当月基值。但在过渡(春夏)转换季节月份以旬为单位计算PWV基值效果更好。在主汛期7月份PWV接近基值时就容易产生降水，如果根据不同影响天气系统进行分析效果更好。

(3) 大部分降水过程前24h之内PWV值有在1~3h内增长4~5mm以上的急升出现，可以做为降水预测的指标之一。