引言

气候资源主要包括光、温（热）、水等，是人类赖以生存的基础资源，同时具有清洁、可再生、可永续利用等特点。随着社会的发展和科技的进步，如何合理开发、利用、保护气候资源，是当前人类社会可持续发展进程中面临的重大课题。我国是一个淡水资源欠缺的国家，时间、空间上分布不均匀则加重了其危害性，如何科学合理开发水资源，解决生产、生活和建设用水问题，是关系国家安全、发展和人民生活的大事。空中水汽资源是大气降水的主要来源，根据前期研究，空中水资源存量远大于地面得到的降水量，具有极大的开发潜力^[1-4]，同时由于空中水资源存在较大的时、空差异，计算、分析和评价空中水汽资源，对于合理开发空中水资源具有重要意义。

空中水汽资源无法直接测量，但可以进行推算，目前采用的方法主要有以下三种，即气象探空资料累加计算^[6]（简称为“探空法”）、地面气象资料推算^[7-8]（简称为“地面法”）、地基GPS探测资料反演^[9-11]（简称为“GPS法”）。由于探空资料包括大气中不同高度层的湿度参量，在气象部门被广泛用于计算整层水汽含量^[2-5]，通常以探空资料计算结果作为标准来判断其它计算方法的优劣，不足之处是探空站分布过于稀疏，还需要结合其它分布较为密集的观测资料，才能全面反映一个地区的空中水汽资源状况。地面气象资料具有时间序列长、空间分辨率比较高的特点，而GPS是近些年广泛应用的新型探测技术，可全天候监测，监测站点也在逐步增多，这两种资料都可用于推算空中水汽资源^{[7-8, 12-14]}。本文应用地面气象资料、GPS资料推算反演了整层水汽含量，并与探空计算结果进行了比较，通过对三类方法的结果进行比较分析，评价其优缺点和推算误差，以寻求空中水资源推算的最佳方案。

1 资料与方法

某个区域的空中水汽资源可用一定时段的整层大气可降水量之和来表征。

1.1 资料

包括2004、2005、2007年湖北省77站地面水汽压资料和降水量资料、3站探空资料以及2007年湖北省5站GPS资料。探空站位于恩施、宜昌、武汉，其经度、纬度和海拔高度分别为（30.28°N，109.47°E，458m）、（30.70°N，111.30°E，134m）、（30.62°N，114.13°E，23m）。5个GPS站包括潜江、咸宁、宜昌、钟祥、黄石。其中宜昌站同时具有探空和GPS观测资料。

1.2 方法 1.2.1 探空法

应用探空资料计算整层大气水汽含量（简称水汽含量）的公式^[5]为：

$ w = \frac{1}{g}\int_0^{{p_0}} {q{\rm{d}}p} $

(1)

式中w表示水汽含量，单位为g·cm^－2；g为重力加速度，单位为m·s^－2；q(p)为随气压变化的各气压层比湿，单位为g·kg^－1；p₀为地面气压值，单位为hPa。

$ q = 621.98e/p $

其中，e为饱和水汽压，可根据Tentens经验公式^[5]由露点温度计算。

整层大气可降水量为大气气柱的总水汽含量转换成等效液态水柱的高度，则：

$ {W_1} = W/\rho $

(2)

式中ρ为水汽密度，W₁单位为cm。

1.2.2 地面法

（1）地面法一：应用杨景梅等建立的整层大气可降水量与地面水汽压经验关系式^[7]：

$ {{W}_{2-1}}={{\alpha }^{'}}_{0}+{{\alpha }^{'}}_{1}e $

(3)

其中W_2－1为整层大气可降水量(单位：cm)，e为地面水汽压(hPa)，α₀^'和α₁^'为经验系数。青藏高原以外地区的经验系数为：

$ {{\alpha }^{'}}_{0}=\left\{ \begin{align} & 0.03\exp \left( -1.39{{H}^{2}}+2.74H+0.15 \right) \\ & \left( \varphi \ge 33{}^\circ \right) \\ & 0.04\exp \left( 0.6H \right)-{{d}_{1}}+{{d}_{2}}\ \ \ \ \ \left( \varphi <30 \right) \\ \end{align} \right. $

$ {{\alpha }^{'}}_{1}=\left\{ \begin{align} & 0.17+{{D}_{3}}\ \ \ \ \ \left( \varphi \ge 33{}^\circ \right) \\ & \left( 0.20-{{d}_{3}} \right)d\ \ \ \ \ \ \left( \varphi <33{}^\circ \right) \\ \end{align} \right. $

(4)

其中，

$ \begin{array}{l} {d_1} = 0.05/[{\left( {\varphi-25.0} \right)^2} + 0.25]\\ {d_2} = \left\{ \begin{array}{l} 0\;\;\;\left( {\varphi > 20^\circ } \right)\\ - 0.9\;\;\;\left( {\varphi \le 20^\circ } \right) \end{array} \right.\\ {d_3} = - 0.66/\left[{{{\left( {\varphi-33.0} \right)}^2} + 4.41} \right]\\ {d_4} = 1.0 \end{array} $

其中，ψ为地理纬度，H为测站海拔高度（km）。

（2）地面法二：应用张学文建立的整层大气可降水量与地面水汽压的经验关系式^[8]：

$ {W_{2 - 2}} = 1.74e $

(5)

式中W_2－2为整层水汽含量，单位为cm，e为地面水汽压。

1.2.3 GPS法

由于地基GPS天顶湿延迟近似正比于大气水汽量含量^[9]，因此可利用地基GPS资料来反演整层大气可降水量。利用GAMIT软件可解算出GPS对流层天顶总延迟ΔL，而对流层天顶静力延迟可利用GPS接收机所在点的气压（p，hpa）、海拔高度（H，km）和纬度（λ）采用如下公式^[10]算出：

$ \mathit{\Delta }{L_d} = 2.2779\frac{p}{{f\left( {\lambda, H} \right)}} $

(6)

$ f\left( {\lambda, H} \right) = \left( {1 - 0.0026\cos 2\lambda - 0.0028H} \right) $

于是可得到湿延迟：

$ \mathit{\Delta }{L_w} = \mathit{\Delta }L - \mathit{\Delta }{L_d} $

(7)

最后大气可降水量可由下式求得：

$ {W_3} = \Pi {Z_{WD}} $

(8)

W₃为大气气柱的总水汽含量转换成等效液态水柱的高度，即整层可降水量；Π为转换系数，是无量纲数，其值与加权平均温度T_m的大小有关^[14]，一般常取转换系数Π=0.15。计算分析发现取Π=0.15时计算的整层大气可降水量与探空计算偏差较大，故采用徐桂荣等^[15]建立的T_m本地化模型来计算Π。

1.2.4 几个定义

（1）地面法相对误差＝（地面法推算值－探空法计算值）/探空法计算值×100%

（2）GPS法相对误差＝（GPS法反演值－探空法计算值）/探空法计算值×100%

（3）地面法平均绝对偏差＝（地面法推算值－探空法计算值）/天数

（4）GPS法平均绝对偏差＝（GPS法反演值－探空法计算值）/天数

（5）有效空中水汽资源：一定时期内所有降水日的整层大气可降水量之和。

2 结果分析 2.1 地面法与探空法结果的比较 2.1.1 年总量结果比较

表 1为应用3年探空资料和同期地面水汽压资料(地面法一)推算的恩施、宜昌、武汉3站年整层大气可降水量及相对误差。可以看出，地面资料计算反演的整层大气可降水量均低于探空资料计算的整层大气可降水量，相差－2.3% ~－7.0%，其中宜昌平均相对误差最小，武汉平均相对误差最大。3年中3站平均以2005年平均相差最小，平均绝对偏差为1.5mm、0.9mm、1.8mm。

2.1.2 月总量结果比较

如图 1所示，两种方法计算的月水汽含量年内变化趋势基本一致，均为1、2月最小，然后逐渐增多，7、8月达到最大，然后逐渐减小。两种方法相对误差绝对值最大值出现在7、8月，最小值出现在4、5月，其中5—9月地面法一推算的月水汽含量大于探空法计算的月水汽含量，10—3月则相反，4月则时大时小。其中以12、1、2、3、7月差值较大，4、5月差值较小。3个站中，各月以恩施站两种方法计算的差值绝对值（除4月外）最小，可能跟恩施的海拔高度最高，纬度最小有关。

2.2 GPS法与探空法结果的比较

2007年宜昌有有效GPS测量值309天，所计算的水汽总量为10241mm，而相同日数探空法计算的水汽总量为9695mm，相差546mm，总的相对误差为5.6%（表 2）。平均绝对偏差为1.77mm。

2.3 两种地面方法与GPS法结果的比较

如表 2所示，地面法一比地面法二的推算结果大。除咸宁站外，其它4站地面法一推算的整层大气可降水量比GPS法结果大，相对误差在0.3%~4.4%之间，说明两种方法推算结果非常接近。而地面法二推算结果与GPS法相对误差较大，在－7.6%~－13.8%之间。

2.4 有降水日三类方法结果的比较

应用2007年宜昌站有有效GPS测量值的309天中有降水的日的资料进行统计，其中75天有降水，地面法一、GPS法、探空法（推）计算的有效空中水汽资源分别为2745mm、3017、2783mm，GPS推算结果偏大，地面法一和GPS法与探空法所得有效水汽资源相对误差分别为－1.4%、8.4%，平均绝对偏差为0.51mm和3.12mm。

2.5 地面法修订结果分析

两种地面法计算模型均是在全国范围内的资料基础上建立的可供全国采用的通用公式，体现的是所有地区的平均状况，各地根据本地资料对经验系数进行修订，理论上效果应该会更好。因此，针对地面法二进行了试验计算，应用2007年宜昌站逐日的探空法计算的大气可降水量和逐日的地面水汽压，基于最小二乘法原理，建立了新的回归方程，即修订的地面法二计算公式：

$ {w_{2 - 2r}} = 14.232 + 0.999e $

(9)

其中，e为地面水汽压。

用本地化修订的地面法二计算模型计算宜昌站2004、2005年的总可降水量（见表 3），其与探空计算值的误差百分率为－6.9%和－6.3%，而地面法二计算结果与探空计算值的误差百分率为－13.4%和－11.4%，修订后的地面法二与探空计算值的误差百分率减小了6.5%和5.1%，说明本地化订正提高了精度。

3 小结与讨论

（1）研究表明，用地面资料推算整层大气水汽含量是可行的。地面法一推算的水汽含量与探空法计算结果的3年平均相对误差小于5.4%, 二者计算值的月变化趋势基本一致，虽然月水汽含量有一定偏差，但是通过比较分析其差值变化规律，发现这种偏差是有规律的，属于系统性偏差，可以进行比值或差值订正。地面法二虽然简单，但精度上要逊于地面法一。GPS作为一种新型高科技技术，具有高时空分辨率监测的特点，文中所述的GPS反演水汽含量方法与探空推算法的年总量相对误差为5.6%，在数值上略大于地面法一与探空法的相对误差。

（2）对于能产生降水的有效空中水资源，地面法一和GPS法与探空法所得相对误差分别为－1.4%和8.4%, 平均绝对偏差分别为0.51mm和3.12mm。地面法推算的有效空中水汽资源的相对误差比总的空中水汽资源相对误差要小，说明降水天气条件下，地面测得的湿度参量能更好地反映空中水汽状况，所以推算反演的结果更接近探空法所得结果，而GPS法推算的的有效空中水汽资源的相对误差比总的空中水汽资源相对误差要大，跟国内已有的研究^[16]在5—6月份可降水量较大(可降水量可达65 mm以上)时，GPS法与探空法的平均偏差为6.5 mm，而在2—3月份可降水量较小^[17](PW≤35 mm)时，GPS法与探空法的平均偏差为0.1mm的结论比较吻合，湖北夏季降水日多且可降水量大，故降水日的有效空中水汽资源相对误差要大。

（3）地面法和GPS法应用本地资料进行本地化订正后，精度均明显提高，且两种方法各有优点，应进一步对两类空中水汽资源计算方法进行订正和优化，尤其是应用本地资料建立本地化模型，甚至分季节建立模型，从而使之可以在时间、空间上互为补充，以便更加全面、合理地分析、评价空中水汽资源。