香港大气可降水量多种推算方法比较研究

论文总字数：19401字

目 录

摘要 I

Abstract II

1.引言 1

1.1研究意义 1

1.2 国内外研究进展 2

1.2.1 国外可降水量研究进展......................................................................................................2

1.2.2 国内可降水量研究进展......................................................................................................2

1.3主要研究内容 3

2.数据与方法 3

2.1 数据来源 3

2.2研究区地理地形及气候概况 4

2.2.1 香港地理及地形概况..........................................................................................................4

2.2.2 香港地区气候概况..............................................................................................................4

2.3 研究方法.................................................................................................................................5

2.3.1 探空法..................................................................................................................................5

2.3.2 假绝热法..............................................................................................................................5

2.3.3 经验公式法..........................................................................................................................7

3.结果与分析 8

3.1月平均可降水量计算概况 8

3.2 季节概况 13

3.3 最大可降水量计算概况 14

4.结论与讨论 16

参考文献 17

致谢 18

香港大气可降水量多种推算方法比较研究

鲁超莹

, China

Abstract: According to the sounding data provided by the Hong Kong Observatory, calculate the atmospheric precipitable water below the 300hpa atmosphere. Then, compare with the results of using empirical equation method and dew-point data method to choose a better one for the radiosonde data deficient areas. The results show that the dew-point data method and empirical equation method both have a good correlation with the results of sounding data method. In calculating the monthly average precipitation, the result of empirical formula method is closer to the sounding data method. But when estimated the monthly maximum precipitation, although the result of empirical formula is closer, the dew-point data’s trend is more similar to the sounding data. So we should consider both the two ways.

Key word: atmospheric precipitable water；sounding data；dew-point data；empirical equation

1. 引言
   1. 研究意义

我国地处副热带和温带大陆东岸季风气候区,西有青藏高原,地形复杂,东南临太平洋,受海陆影响显著。由于我国夏季盛行东南风和西南风，水汽充裕，导致暴雨频发，是世界上出现暴雨次数最多的国家之一。除了众所周知的“63.8海河暴雨”、“35.7五峰暴雨”、“75.8林庄暴雨”外，24小时内雨量超过1000毫米的特大暴雨还有很多，有的暴雨甚至已经逼近世界记录。古往今来,不少流域或地区暴雨肆虐，洪水为患，洪水成了威胁我们生命财产安全的最严重和最频繁的自然灾害之一，它不仅影响范围广，而且还具有突发性强，损失大等特点。其中，农业所受的毁害最严重也最直接，一旦发生洪水，大面积的农田被淹、农作物被毁是常有的事，从而造成农作物大面积减产甚至绝收，直接经济损失严重。洪涝灾害的发生与地貌、气候和水文等因素以及人类活动都脱不了干系，其中气候因素是最主要和最根本的原因。由于受季风环流的影响，我国大部分地区的年降水量大致集中在夏秋两季，6-9月的降水量几乎占全年总降水量的60%以上，且基本上集中在几次暴雨过程中，因此特别容易形成特大洪涝灾害。2009年8月的“莫拉克”台风依然让人记忆犹新，我国台湾地区因其受到了巨大的经济损失，这是我国近年来出现的最严重的一次洪涝灾害。自此我国水利部门开始重视如何提高防洪工程的安全性，降低洪水灾害造成的损失。估算可能最大降水（Probable Maximum Precipitation,PMP）是推求设计洪水的关键因素，无论是大型防洪水利工程或是高风险水库工程中的设计洪水都是依靠PMP推求的。所以，准确的推求可能最大降水（PMP)是我们的目标，然而，目前估算可能最大降水（PMP）最常用的方法分为四类六种，且都是基于大气可降水量的计算结果。大气可降水量（Precipitable Water）也叫可降水量，它是指垂直空气柱中的全部水汽凝结后在气柱底面上所形成的液态水的深度，表征的是降水的潜能^[1]。

另一方面，在研究全球热量输送和大气辐射及吸收时整层大气的水汽含量是一个重要参量。在实际工作中，通常使用可降水量来表示单位截面大气柱中的水汽含量。所以计算大气可降水量在许多大气辐射研究和遥感探测试验中，对遥感回波数据进行大气订正时具有重要作用^[2-3]。由于计算整层大气可降水量时往往要依靠探空资料，而在许多比较偏远的地区，探空站通常较为稀疏，探空资料也不全面，给计算可降水量带来了一定的难度。所以研究其它的替代方法，如假绝热法和地面露点经验公式法与探空法的相关性，可以在探空资料缺乏时给实际工作带来便利。

向玉春^[20]和卢士庆^[21]等人曾分别对这三种计算方法进行过对比研究，可是他们得到的结论却大相庭径，向玉春得到的结论认为经验公式法计算的大气可降水量比探空法所得偏小，而卢士庆实验后认为探空法所求得的大气可降水量比经验公式法所求偏小。因此，本文针对香港地区，着重研究利用探空法、假绝热法、地面露点经验公式法计算大气可降水量的结果差异，分析其适用情况和优劣，既为了进一步验证前人的结论，也为可能最大降水（PMP）的估算提供更适用更可靠的方法依据。

• 1. 国内外研究进展
     1. 国外可降水量研究进展

基于大气可降水量对降水有如此重要的影响，国内外学者对计算可降水量做出了丰富的研究。早在1987年，Askne等^[4]便提出大气湿延迟与可降水量之间的关系，并提出利用地基GPS（Global Positioning System）技术来探测大气的设想，为这一技术后来的实现打下基础。Kassomenos和Mcgregor^[5]利用希腊南部28年来一日两次的探空资料证明大气可降水量在月度和年际有相当大的变化，以及在年际变化上的上升趋势非常显著，且大气可降水量的变化存在季节性，与地面气候的干湿度有关。Xubin Zeng^[6]利用全球一年降水中每月降水的数据探究热带地区云顶温度与可降水量、月降水量之间的关系。Bevis^[7]在1992年提出利用地面湿度推算大气加权平均温度以便实现GPS估算大气水汽含量的原理，表明具有高时间分辨率的GPS技术可作为估算大气水汽含量的有效方法之一。Xie等^[8]根据1979-2005年我国106个探空站的850、700、500Hpa高度层的气象要素资料降水量(PW)和相对湿度（RH）的年际和季节性趋势，发现中对流层底层的大气可降水量增加与我国气候变暖有关，并且我国北部的可降水量在夏季有增加的趋势，而冬季我国大部分地区则相对干燥。Duan^[9]1996年在Rocken的实验数据中，选用了4个位于南美洲遥远地点的IGS（The International GNSS Service）站的数据，重新计算可降水量，消除了系统误差，所得结果的精度约为1mm。1998年Emardsond等^[10]利用位于芬兰和瑞典的25个GPS站计算的可降水量与一个微波辐射仪的4个探空资料对比，结果两者的均方根偏差（nrms）约为1.5kg/m²。

• • 1. 国内可降水量研究进展

对于可降水量的研究，我国的起步虽然较国外略晚，但是近几十年来奋起直追，也取得了丰硕的成果。徐淑英^[11]是最早对我国水汽含量展开相关研究的先驱者。蔡英等^[12]利用美国国家环境预报中心的再分析资料和实测雨量资料全面分析了高原及其附近地区可降水量的分布特点和我国南北方大气可降水量的年代际变化以及华北和西北地区东部的降水气候差异，提出高原及周围地区的气柱可降水量存在显著的地域性和季节性变化，东亚和南亚季风区可降水量的冬夏季节差异最大，而华北区干湿季节的可降水量变化明显。此外,李成才等^[13-15]陆续从多个方面分析了利用GPS反演大气可降水量的方法及可行性。刘焱雄等^[16]运用香港已建成的实时GPS水汽监测系统，利用双差网解和非双差精密单点定位这两种数据处理方法，提出利用分段多项式方法来计算大气水汽含量，并结合无线电高空气象探测资料，分析评估了地基GPS遥感技术的精度。香港地区的可降水量计算结果表明，地基GPS遥感技术的精度为1mm。王维佳^[17]、何军等^[18]则分别对四川和重庆地区在时间和空间的大气可降水量进行特征分析。2006年杨景梅等人^[19-20]利用1992-1993年全国20个台站地面及高空要素资料，综合考虑了我国的地理及气候特点，拟合建立了利用地面露点计算整层大气可降水量的经验公式，实验证明，该公式具有广泛的实际应用价值。该公式计算所得的可降水量也是本文将要研究的方法之一。

• 1. 主要研究内容

本文首先将阐述计算大气可降水量的重要现实意义，然后说明目前为止国内以及国外研究的进展和现状。接着将介绍3种计算可降水量方法的原理和应用，分别是：探空法，假绝热法和地面露点经验公式法。利用香港天文台提供的探空数据分别求出每日可降水量。制作折线图，计算均方根误差（RMSE)，分析各种方法计算结果的数值差异及其季节变化规律，比较不同方法的适用环境和可靠性。

1. 数据与方法

2.1 数据来源

本文使用由香港天文台（HKO）提供的无线电探空资料。该数据来自美国国家气候数据中心（NCDC）研制的全球站点无线电探空资料数据集（Integrated Global Radiosonde Archive，简称IGRA），该数据集包含了11个数据源整合后经过质量控制的全球1538个探空站点的探空资料^[21]。该数据是1938年9月至今集多层次、多要素等优点于一体的逐日探空资料，是目前全球范围内时空密度最高、资料最全面的一套高质量探空站点资料数据集。IGRA数据集中的探空站覆盖了全球大部分地区，但是探空站区域分布却并不不均匀，其中，分布密度最大的是欧洲站点，而非洲，北美洲的北部和南极洲等地的探空站则分布较为稀疏。全球探空时间在1958年以前均统一为世界时的03时和05时。而1958年以后，各国探空站开始进行一日两次探空，探空时间也更改为世界时的00时和12时（其中香港站的观测时间为当地时的早8点和晚8点），如果有特别需要，各国也可以在特定站点或特定时段进行加密探空。在垂直层次上，该数据集的探测要素涵盖了标准等压面层、特性层、温度层和风层的探测资料。探测要素包括位势高度、气温、水汽压、相对湿度、风向和风速等（如表1所示，其中-99999代表的是缺测数据）。值得一提的是，鉴于全球范围内通常在温度低于-40°C时停止温度测量，所以在该数据集中对流层高层的露点温度差资料相对缺乏。

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