水汽含量

大氣水汽是人工影響天氣基礎(chǔ)條件之一，整層大氣水汽總量及其動態(tài)變化是云水資源考察的關(guān)鍵性因素之一，一些研究利用地基微波輻射計(jì)對云天水汽含量和云液態(tài)水含量進(jìn)行監(jiān)測，研究人工增雨的最佳作業(yè)區(qū)。也有利用GPS監(jiān)測水汽的結(jié)果，但針對不同云天條件下的水汽含量特征分析則未見。人工影響天氣主要作業(yè)對象是云，云的研究最近年來一直受到高度重視，研究利用2002年6月18日～28日安徽屯溪站(58531)GPS水汽監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了該站出現(xiàn)不同云天條件時(shí)的水汽含量及其變化，希望能對人工影響天氣最佳作業(yè)時(shí)機(jī)及作業(yè)云的選擇提供幫助。

水汽含量GPS水汽監(jiān)測簡述

地基GPS接收機(jī)的相位信號可用于計(jì)算整層大氣的水汽含量，其時(shí)間精度可達(dá)到15分鐘，而且，GPS測量大氣水汽含量的監(jiān)測方法是一種絕對測量，不需要校準(zhǔn)，并可以全天候自動進(jìn)行。所以，GPS測量大氣水汽含量將會越來越多地應(yīng)用到天氣、氣候、人工影響天氣等諸多領(lǐng)域。

水汽含量空中水汽含量分析

我們選取2002年6月18日08時(shí)～28日08時(shí)每整點(diǎn)的GPS水汽探測資料，共有整點(diǎn)觀測時(shí)次241個(gè)，和該時(shí)段內(nèi)屯溪站整點(diǎn)的云狀觀測資料(包括晴空)，統(tǒng)計(jì)了各類云天條件下或晴空時(shí)的空中水汽含量平均值、極值，見表1(在觀測時(shí)段內(nèi)，共觀測到卷積云2例，積云性層積云2例，層云2例，碎層云1例，碎雨云3例，雨層云3例，因樣本數(shù)較少，故在統(tǒng)計(jì)時(shí)舍去)。對于同一時(shí)次出現(xiàn)兩種或以上云狀時(shí)，則分別記入不同云狀樣本。

從表1中可以看出，當(dāng)出現(xiàn)蔽光層積云(Scop)和鬃積雨云(Cb cap)兩種云時(shí)，平均的空中水汽含量最大，分別是蔽光層積云64.7mm、鬃積雨云69.3mm，晴空時(shí)或出現(xiàn)其它云時(shí)，空中的平均水汽含量與這兩種云天條件相差較大。而除出現(xiàn)鬃積雨云外，其它情況下空中的水汽含量變化范圍則非常大，從30～40mm，一直到60～70mm都有可能出現(xiàn);出現(xiàn)鬃積雨云時(shí)，水汽含量變化范圍相對較小，在62.7～72.7mm之間。

當(dāng)出現(xiàn)蔽光層積云(Scop)和鬃積雨云(Cb cap)兩種云時(shí)，產(chǎn)生降水的可能性最大，出現(xiàn)鬃積雨云的30個(gè)樣本中，有29次產(chǎn)生降水，占96.7%，出現(xiàn)蔽光層積云的106次樣本中，有73次產(chǎn)生降水，占68.9%。另外，出現(xiàn)透光層積云、蔽光高積云、碎積云時(shí)，也可能產(chǎn)生降水，產(chǎn)生降水的比例分別為:5.9%、5.3%和3.0%。而其它云天條件下在觀測時(shí)段內(nèi)均未產(chǎn)生降水。

不論對于晴空還是不同的云天條件，水汽含量都有可能出現(xiàn)較大值，達(dá)到60mm以上，而且對于出現(xiàn)低云(淡積云、碎積云、濃積云、透光層積云、蔽光層積云、鬃積雨云)和中云中的蔽光高積云時(shí)，空中水汽含量達(dá)到60mm以上的比例均大于50%，尤其是出現(xiàn)蔽光層積云和鬃積雨云時(shí)，空中水汽含量達(dá)到60mm以上的比例則高達(dá)90%以上。說明出現(xiàn)低云或蔽光高積云時(shí)，空中的水汽含量大多數(shù)情況下可能會達(dá)到較大的值。

水汽含量降水效率分析

上面我們分析了晴空和不同云天條件時(shí)的空中水汽含量一些特征，下面，我們再分析一下不同云天條件下的降水效率的情況。

我們選取GPS探測期間，屯溪站每小時(shí)的降水資料，以整點(diǎn)前1h雨量和該整點(diǎn)后1h雨量的平均值，作為該時(shí)次所觀測到云的降水量，例如:6月27日19～20時(shí)雨量為7.5mm，20～21時(shí)雨量為25.9mm，20時(shí)觀測到的云為Cbcap，則該時(shí)次Cbcap雨量以(7.5 25.9)/2=16.7mm計(jì)算。不同云天條件下的降水量統(tǒng)計(jì)見表2(舍去了樣本數(shù)少的云)。

表2中，對于不同的云天條件，產(chǎn)生的降水量不同，每小時(shí)的平均降水量以鬃積雨云最多，達(dá)到4.75mm，蔽光層積云次之，為1.66mm，其它云天條件時(shí)降水量則非常小或沒有降水。

我們以不同云天條件下的平均降水量與此時(shí)的平均水汽含量的比值作為該云天條件下的降水效率，鬃積雨云和蔽光層積云是兩種降水效率最高的云，但都不到10%，其它云的降水效率僅為0.1%左右或不會產(chǎn)生降水?？梢姡幢闶墙邓首罡叩淖追e雨云，其降水效率只有6.86%，空中90%以上的水汽均不能降落，空中云水資源的開發(fā)潛力將是巨大的。

水汽含量水汽含量變化特征

從2002年6月18日08時(shí)～28日08時(shí)，共有整點(diǎn)時(shí)次241次，也即觀測樣本241個(gè)，其中整點(diǎn)前一小時(shí)或整點(diǎn)后一小時(shí)內(nèi)發(fā)生降水的樣本共有85個(gè)，在這些發(fā)生降水的時(shí)次里，除6月25日07時(shí)和08時(shí)，空中水汽含量分別為58.2和57.7mm外，其余各時(shí)次的空中水汽含量均大于60mm，可見只有空中水汽含量達(dá)到一定的數(shù)值后，才可能發(fā)生降水，這個(gè)數(shù)值一般為60mm。

圖1是觀測期間空中水汽含量和降水量時(shí)間序列圖，圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是水汽含量V(單位mm)或降水量R(單位0.1mm)，V是水汽含量變化曲線，R是降水量變化曲線。

在水汽含量變化序列曲線圖上，每次降水發(fā)生前水汽含量值都有一個(gè)躍變，如圖中A、B、C、D、E時(shí)段，F(xiàn)是一個(gè)連續(xù)發(fā)生降水的過程，此時(shí)水汽含量維持在一個(gè)較高的量值上，降水前躍變不明顯，降水發(fā)生后，水汽含量呈緩慢下降趨勢。G是降水結(jié)束后，水汽含量迅速下降的過程，時(shí)間在6月25日07～11時(shí)期間，水汽含量值低于60mm而發(fā)生降水的特除情況就在該時(shí)段07:00和08:00兩個(gè)時(shí)次。

水汽含量研究結(jié)論

對2002年6月18日08時(shí)到6月28日08時(shí)，GPS測得的水汽含量及降水量分析認(rèn)為：

(1)晴空或不同云天條件下，空中水汽含量是不同的，當(dāng)出現(xiàn)蔽光層積云和鬃積雨云兩種云時(shí)，平均的空中水汽含量最大，而且此時(shí)，產(chǎn)生降水的可能性也最大，這兩種云應(yīng)是人工增雨作業(yè)的最佳作業(yè)對象。

(2)出現(xiàn)低云和中云中的蔽光高積云時(shí)，空中水汽含量也較大，50%以上情況下水汽含量可以達(dá)到降水的水汽含量要求，這些云也可以作為作業(yè)對象。

(3)降水效率是自然降水量與空中水汽含量的比值，即便是降水效率最高的鬃積雨云，其自然降水效率只有6.86%，空中90%以上的水汽均不能降落，空中云水資源的開發(fā)潛力將是巨大的。

(4)當(dāng)水汽含量達(dá)到60mm時(shí)，可能產(chǎn)生降水，產(chǎn)生降水的可能性和降水效率因不同云天條件而不同，這可能與當(dāng)時(shí)的動力條件及云中凝結(jié)核有關(guān)，適當(dāng)改變動力條件和凝結(jié)核，應(yīng)可以增加降水的發(fā)生。

(5)降水發(fā)生前，空中水汽含量將會有一個(gè)躍變，這既可以作為短時(shí)降水預(yù)報(bào)的參考，也是實(shí)施人工增雨作業(yè)的最佳時(shí)機(jī)。發(fā)生連續(xù)性降水后，空中仍有大量的水汽，此時(shí)仍可以實(shí)施人工增雨作業(yè)來增加地面降水。

颮線（squallline）是由多個(gè)活躍雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對流系統(tǒng)，其發(fā)生時(shí)常伴有大風(fēng)、冰雹、暴雨等劇烈的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。國內(nèi)外對颮線系統(tǒng)開展過不少的研究，對颮線的發(fā)生條件、組織方式、生命史演變、雷達(dá)回波特征、中尺度結(jié)構(gòu)等方面已經(jīng)有了一些認(rèn)識。提出成熟階段颮線系統(tǒng)的概念模型，研究對颮線有觸發(fā)和組織作用的天氣系統(tǒng)。在對颮線分類研究的基礎(chǔ)上，采用觀測資料分析了對流組織形式與環(huán)境條件的關(guān)系。將我國江淮流域的線狀對流分成六類，包括無層云的線狀系統(tǒng)（NS）、前部層狀云的線狀系統(tǒng)（LS）、嵌入型線狀系統(tǒng)（EL）、后部層狀云的線狀系統(tǒng)（TS）、平行層狀云線狀系統(tǒng)（PS）和弓狀回波（BE），并對它們發(fā)生的環(huán)境條件和產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象做了分析，發(fā)現(xiàn)不同組織類型的系統(tǒng)產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象有較大的差別，其中，BE最容易產(chǎn)生大風(fēng)和冰雹，而美國的研究也認(rèn)為BE為最“危險(xiǎn)”的一種線狀中尺度對流系統(tǒng)。

針對影響線狀中尺度對流系統(tǒng)組織形式和強(qiáng)度的物理機(jī)制也已經(jīng)開展了大量研究。最著名的是低層風(fēng)切變與蒸發(fā)形成的地面冷池的動力平衡是對流線是否維持的主要因子，但是該理論過于簡化，對可能影響對流發(fā)展的其他環(huán)境條件考慮較少，包括溫度、水汽等對系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展應(yīng)該也有重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，在保持對流有效位能（CAPE）不變的情況下，高濕或高溫會減小蒸發(fā)的降溫，使冷池的強(qiáng)度減弱，從而影響對流線的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。揭示靜力穩(wěn)定度也是影響颮線強(qiáng)度的一個(gè)重要因子，弱靜力穩(wěn)定有利于形成地面的強(qiáng)冷池，而冷池的強(qiáng)度影響上升運(yùn)動的尺度和強(qiáng)度以及颮線的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。雖然這些結(jié)果揭示了影響中尺度對流系統(tǒng)的形式和強(qiáng)度的一些物理機(jī)制，但這些研究主要是理想試驗(yàn)的結(jié)果，缺乏針對水汽含量及垂直分布對強(qiáng)對流系統(tǒng)影響的研究，也缺乏針對真實(shí)個(gè)例，尤其是東亞季風(fēng)區(qū)的強(qiáng)對流個(gè)例的研究。

對2007～2010年暖季（6～9月）發(fā)生在江淮和黃淮流域?qū)α魈鞖膺^程的統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在不同水汽條件環(huán)境中的對流線的觸發(fā)和維持機(jī)制可能存在明顯的差異，冰雹和大風(fēng)等天氣更容易發(fā)生在相對干的環(huán)流背景條件下。在這種較干的環(huán)流背景條件下，水汽的垂直分布如何影響對流的組織形態(tài)和強(qiáng)度呢？數(shù)值試驗(yàn)可以通過改變影響中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境特征，從而分析這些環(huán)境條件如何影響中尺度對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度。研究將通過對真實(shí)個(gè)例的數(shù)值試驗(yàn)，研究環(huán)境水汽含量及垂直分布對中尺度對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響。

水汽含量個(gè)例選取和試驗(yàn)方案

（1）個(gè)例選取

2009年6月3～4日罕見強(qiáng)颮線突襲河南、安徽、江蘇（圖2），這些地區(qū)遭受了雷雨、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣襲擊，河南省有42個(gè)縣市出現(xiàn)雷電，19個(gè)縣市出現(xiàn)了17ms^-1以上的短時(shí)大風(fēng)，特別是河南省的商丘出現(xiàn)了歷史罕見的大風(fēng)天氣，寧陵、永城最大風(fēng)速分別達(dá)28.6ms^-1和29.1ms^-1，均為有氣象記錄以來的歷史極值。從雷達(dá)回波和地面觀測資料上來看，本次大風(fēng)過程主要是由颮線所致。圖2中的大風(fēng)是每3小時(shí)的常規(guī)地面觀測，從2009年6月3日14時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）至3日18時(shí)出現(xiàn)了20ms^-1以上的大風(fēng)，并且大風(fēng)在“人”字形回波的右半支[沿著系統(tǒng)移動的方向，左側(cè)部分命名為左半分支，右側(cè)部分命名為右半分支（下同）]附近。并且“人”字形系統(tǒng)的移動方向（往東南移動）垂直于右半支的伸展方向。

“人”字形回波系統(tǒng)的右半支的結(jié)構(gòu)與一般的颮線系統(tǒng)類似，災(zāi)害性大風(fēng)的產(chǎn)生主要由這個(gè)“人”字形系統(tǒng)的右半支造成的。觀測和數(shù)值模擬研究認(rèn)為中層入流和低層渦旋是地面大風(fēng)形成的重要原因，降水粒子的蒸發(fā)和融化冷卻過程對降低地面溫度和產(chǎn)生地面強(qiáng)風(fēng)速也有重要影響。這些研究把重點(diǎn)發(fā)生地面大風(fēng)的形成機(jī)制上，沒有探討影響颮線的組織形式和強(qiáng)度的機(jī)制，研究在強(qiáng)颮線研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)研究水汽的垂直分布對颮線發(fā)生發(fā)展過程的影響。

（2）試驗(yàn)方案

控制試驗(yàn)采用WRF模式，3層嵌套，水平分辨率分別為36km、12km、4km，垂直方向有28層。長波輻射采用RRTM方案，短波輻射采用Dudhia方案，陸地選取Noah方案，邊界層選取YonseiUniversity方案，36km和12km的模擬區(qū)域采用Kain-Fritsch積云對流參數(shù)化方案而不采用微物理方案，4km的模擬區(qū)域不采用積云對流參數(shù)化方案，只采用Morrisondouble-moment微物理方案。初始場是在NCEP/FNL再分析資料的分析基礎(chǔ)上，利用WRF的OBSGRID模塊將地面自動站觀測資料分析到模式格點(diǎn)上作為初始場。模擬初始時(shí)間為6月3日00時(shí)，積分24小時(shí)。

本個(gè)例的整層可降水量較小，探空觀測為15～20mm，屬于發(fā)生在干環(huán)境的典型颮線個(gè)例。為了研究大氣中水汽含量對線狀對流的觸發(fā)、組織類型的影響，針對水汽設(shè)計(jì)了一些試驗(yàn)。根據(jù)控制試驗(yàn)的結(jié)果，河南西北部和山西高原上的對流在3日09時(shí)發(fā)展的比較旺盛，12時(shí)在河南中北部觸發(fā)新的對流單體。所有的試驗(yàn)都是在積分7小時(shí)后，即3日07時(shí)，修改圖3虛線框內(nèi)部的水汽含量。分別修改整層水汽含量至原來的90%、110%和120%，定義為試驗(yàn)MA90、MA110和MA120（表3）。修改水汽含量后再繼續(xù)積分16小時(shí)，其他設(shè)置與CTRL試驗(yàn)相同。由于水汽主要集中在對流層的中下層，而且過去的研究認(rèn)為颮線后側(cè)的中層干空氣入流會加強(qiáng)其發(fā)展（SmullandHouze，1985，1987），因此，設(shè)計(jì)了針對不同層次水汽含量的試驗(yàn)（表3），試驗(yàn)過程中保持整層可降水量與相應(yīng)的對照試驗(yàn)（MA120和MA90）一致，在此基礎(chǔ)上改變不同層次的水汽含量。在MA120和MA90試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分別試驗(yàn)中層（500～700hPa）、低層（850hPa以下）水汽對颮線觸發(fā)、演變和組織形態(tài)的影響。

水汽含量研究結(jié)論

2009年6月3～4日的颮線過程整層的可降水量比較小，造成災(zāi)害的是地面大風(fēng)，但已有的研究對濕度的影響關(guān)注不夠，通過增加和減少整層和不同層次的水汽試驗(yàn)，研究了此次過程中水汽含量及其垂直分布對颮線系統(tǒng)的組織類型、維持、強(qiáng)度等的影響，以期獲得更多的水汽影響的信息。研究結(jié)果表明，水汽含量及其垂直分布對這類系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程有重要的作用。有以下主要結(jié)論：

（1）整層水汽試驗(yàn)表明，增加水汽有利于對流的發(fā)展，且容易造成對流的快速增長。而把整層的水汽減少10%（MA90試驗(yàn)），對流的范圍和強(qiáng)度明顯減弱，且沒有出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。增加水汽越多最強(qiáng)地面大風(fēng)越強(qiáng)、雷暴高壓越強(qiáng)。最強(qiáng)雷暴高壓出現(xiàn)的時(shí)間先于最強(qiáng)地面大風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間。增加水汽越多發(fā)展階段冷池強(qiáng)度越強(qiáng)，成熟階段后期冷池減弱地越快。最強(qiáng)雷暴大風(fēng)在發(fā)展階段，成熟階段大風(fēng)減弱越快，成熟階段后期，對流層中上層的斜升氣流減弱，層狀云區(qū)的后部入流減弱，不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和對流的維持。

（2）不同層次的水汽試驗(yàn)表明，水汽的垂直分布有很顯著的影響。中層的干空氣（即“上干下濕”的層結(jié)）有利于線狀回波和雷暴大風(fēng)的形成，對雷暴高壓的增強(qiáng)、地面風(fēng)速的增強(qiáng)有重要作用，但不利于整個(gè)對流系統(tǒng)的長時(shí)間維持。在保持整層水汽含量不變的情況下，線狀對流易發(fā)生在中層干、低層（特別是850hPa以下）濕的環(huán)境中。低層（700hPa以下）的水汽增加有利于對流的形成，但不易形成線狀對流，而低層水汽的減少不利于對流系統(tǒng)的維持、雷暴高壓和地面大風(fēng)的增強(qiáng)。

（3）從垂直氣流、冷池強(qiáng)度與地面大風(fēng)的分析看，盡管地面大風(fēng)的形成和強(qiáng)度受很多動力、熱力因子影響，改變環(huán)境場中的水汽含量，會影響對流的組織形態(tài)、維持時(shí)間和強(qiáng)度，從而影響下沉氣流和冷池的強(qiáng)度和地面風(fēng)速。

研究表明，水汽的垂直分布和含量影響對流系統(tǒng)的組織形式、垂直氣流，從而影響地面冷池和大風(fēng)的形成。但是影響對流的組織類型和發(fā)展過程的因子非常復(fù)雜，只是個(gè)例研究，應(yīng)開展不同環(huán)流背景條件下各影響因子對對流系統(tǒng)的組織類型和發(fā)展過程的研究，以獲得各種因子對對流系統(tǒng)的定量影響。此外，在真實(shí)個(gè)例的模擬中，各種影響中尺度系統(tǒng)發(fā)展的因子是相互影響的，因此，在今后的研究中，將開展理想試驗(yàn)來研究東亞季風(fēng)區(qū)中各個(gè)關(guān)鍵因子對颮線組織形式和地面大風(fēng)形成的作用。

在氣壓一定的條件下，空氣中水汽含量越大，其冷卻到飽和時(shí)的溫度越高，即其露點(diǎn)溫度越高。水汽冷凝需要降溫，當(dāng)水汽含量高時(shí)，降溫很容易達(dá)到飽和即不需要降溫太多，即水汽含量越高其露點(diǎn)溫度越高，相反當(dāng)水汽含量很低時(shí)，很難達(dá)到飽和使其冷凝為水，因此降溫的幅度要大，故水汽含量越低起露點(diǎn)溫度越低。

露點(diǎn)（Dew point），又稱露點(diǎn)溫度（Dew point temperature），是反映大氣中水汽含量的物理量。在氣象學(xué)中是指在固定氣壓之下，空氣中所含的氣態(tài)水達(dá)到飽和而凝結(jié)成液態(tài)水所需要降至的溫度。在這溫度時(shí)，凝結(jié)的水飄浮在空中稱為霧、而沾在固體表面上時(shí)則稱為露，因而得名露點(diǎn)。

假設(shè)取固定空間，取固定氣壓值，則在這個(gè)環(huán)境當(dāng)中的露點(diǎn)溫度也就確定了，其中隱形條件：單位空間量中的氣態(tài)水達(dá)到飽和凝結(jié)成液態(tài)水的這個(gè)過程即確認(rèn)在此瞬間單位空間量中的水汽含量是準(zhǔn)確值。

水汽探測水汽介紹

水汽是大氣的基本參量。衛(wèi)星探測水汽含量的基本方式是用微波輻射計(jì)(如NOAA的AMSU)，近紅外和熱紅外波段探測,而地基GPS遙感大氣水汽技能是九十年代發(fā)展起來的一種全新的大氣觀測手腕。它應(yīng)用地基高精度GPS接管機(jī)，通過測量GPS信號在大氣中濕延遲量的大小來遙感大氣中水汽總量。下面首先介紹一下其原理。

水汽原理和方式

GPS技能通過觀測GPS衛(wèi)星信號傳輸?shù)紾PS接管機(jī)的時(shí)間來測量接管機(jī)天線的地位，衛(wèi)星信號經(jīng)過大氣層時(shí)，要受到大氣的折射而延遲，將該延遲量作為待定參數(shù)引入到觀測模型和解算方案中，逐項(xiàng)斟酌誤差起源和肅清法子，精密的大氣延遲量（毫米級）可以與定位參數(shù)一同求解出來。大氣延遲量可劃分為電離層延遲、靜力延遲和濕項(xiàng)延遲。通過采納雙頻技能，可以將電離層延遲幾乎完整肅清。靜力延遲與地面觀測量（氣壓）具有很好的相干，可以訂正到毫米量級。這樣就得到了毫米量級的濕項(xiàng)延遲。濕項(xiàng)延遲與水汽總量（PW）可創(chuàng)造嚴(yán)格的正比關(guān)系，準(zhǔn)確的水汽總量就求解出來。應(yīng)用MIT的GAMIT軟件進(jìn)行解算。軟件請求試驗(yàn)采納雙頻載波相位觀測，應(yīng)用差分法以肅清源于衛(wèi)星鐘和接管機(jī)鐘的誤差，同時(shí)可采納“軌道松弛法”，以對軌道的準(zhǔn)確度進(jìn)行修改和調(diào)解。此外還有反演方式即：應(yīng)用接管更高空之GPS衛(wèi)星發(fā)出來的訊號，強(qiáng)度與路徑的變化，反推出電離層電漿密度的三維空間散播“照片”，以及大氣的水汽的三維空間散播。

采納載波相位觀測產(chǎn)生的重要難題是載波相位的整周未知數(shù)N0的出現(xiàn)。N0一般采納“三差法”來判斷，即不僅通過同一接管機(jī)對兩顆衛(wèi)星求差來肅清接管機(jī)鐘差和同一衛(wèi)星對不同的接管機(jī)求差來肅清衛(wèi)星鐘差，還通過繼續(xù)觀測歷元的求差來判斷整周未知數(shù)N0。這就請求不同觀測歷元的衛(wèi)星仰角要有必然的變化，而在這個(gè)變化期內(nèi)（如15～30min），假設(shè)大氣特點(diǎn)或變化率堅(jiān)持定常，在觀測站局地上空水平均一或球面分層均一，大氣延遲未知量大致遵守secθ（θ為衛(wèi)星天頂角）的映射函數(shù)而變化。這決定了GPS遙感大氣的時(shí)間辨別率。

通過地面GPS水汽遙感監(jiān)測，可以獲得很高時(shí)空辨別率、達(dá)到毫米精度的水汽資料，以補(bǔ)充探空資料在時(shí)間空間辨別率上的不足，供應(yīng)快速變化的信息。這種信息通過資料的四維同化，對改進(jìn)中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式精度，進(jìn)步預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有很好的應(yīng)用遠(yuǎn)景。而要了解GPS探測水汽的原理和方式，要了解一下大氣構(gòu)造、延時(shí)以及延時(shí)和降水的關(guān)系。

水汽輸送是指，大氣中水分因擴(kuò)散而由一地向另一地運(yùn)移，或由低空輸送到高空的過程。水汽在運(yùn)移輸送過程中，水汽的含量、運(yùn)動方向與路線，以及輸送強(qiáng)度等隨時(shí)會發(fā)生改變，從而對沿途的降水以重大影響。

對于某一給定區(qū)域范圍上的氣柱來說，若取下界為地面，上界為對流層頂，則根據(jù)水量平衡原理，可建立該氣柱的大氣水分平衡式：

(W1 Ei)-(W2 Pi)=ΔW （2-46）

式中，W1是流入氣柱的水汽量；W2是流出氣柱的水汽量； Ei是蒸發(fā)散發(fā)量；Pi是降水量；ΔW是氣柱內(nèi)水汽變量。

對于長時(shí)段ΔW→0，于是研究時(shí)段內(nèi)氣柱的降水量可用下式表示：

Pi=W1-　W2 Ei （2-47）

由于區(qū)域蒸發(fā)量遠(yuǎn)小于水汽輸送量，所以區(qū)域降水量的大小，主要決定于出入該氣柱的水汽量的多少。

同時(shí)由于水汽輸送過程中，還伴隨有動量和熱量的轉(zhuǎn)移，因而要影響沿途的氣溫、氣壓等其它氣象因子發(fā)生改變，所以水汽輸送是水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，也是影響當(dāng)?shù)靥鞖膺^程和氣候的重要原因。水汽輸送主要有大氣環(huán)流輸送和渦動輸送兩種形式，并具有強(qiáng)烈的地區(qū)性特點(diǎn)和季節(jié)變化，時(shí)而環(huán)流輸送為主，時(shí)而以渦動輸送為主。水汽輸送主要集中于對流層的下半部，其中最大輸送量出現(xiàn)在近地面層的850—900百帕左右的高度，由此向上或向下，水汽輸送量均迅速減小，到500—400百帕以上的高度處，水汽的輸送量已很小，以致可以忽略不計(jì)。

（一）水汽輸送通量與水汽通量散度

水汽輸送通量與水汽通量散度是用來定量表達(dá)水汽輸送量的基本參數(shù)。

1.水汽輸送通量的概念水汽輸送通量是表示在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一單位面積的水汽量。水汽通量有水平輸送通量和垂直輸送通量之分。通常說的水汽輸送主要是指水平方向的水汽輸送。現(xiàn)取一與水平面正交、又垂直于風(fēng)速的矢量截面ABCD，其高為ΔZ，底邊長為ΔL，風(fēng)速為v，空氣密度為ρ，比濕為q，則單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)截面積ABCD的水汽質(zhì)量為：

位時(shí)間內(nèi)通過與風(fēng)速正交的ABCD面的水汽質(zhì)量為：

取ΔL·ΔP=1，則水平方向的水汽輸送通量表達(dá)式為：

其單位為克每百帕厘米秒。

水平水汽輸送通量是一個(gè)向量，輸送方向與風(fēng)速相同，并可分解為經(jīng)向輸送和緯向輸送兩個(gè)分量。緯向輸送的水汽通量規(guī)定向東輸送為正，向西為負(fù)；經(jīng)向輸送的水汽通量，規(guī)定向北輸送為正，向南為負(fù)。

垂直輸送的水汽通量是指單位時(shí)間流經(jīng)單位水平面的水汽通量，規(guī)定向上輸送為正，向下為負(fù)，其單位為克每平方厘米秒。

2.水汽通量散度水汽通量散度是指單位時(shí)間匯入單位體積或從該體積輻散出的水汽量，單位為克每百帕平方厘米秒。它和水汽通量一樣，也是一個(gè)向量，因此，水汽通量散度的定義與計(jì)算公式，完全可以仿照水平散度給出，即：

式中，（qvnΔL）i/q表示通過長度為ΔLi邊上的水汽通量；vn表示與該邊正交的風(fēng)速分量。

表示由于水平運(yùn)動而引起單位時(shí)間內(nèi)單位體積中水汽的

任一地點(diǎn)的水汽通量散度，均可由風(fēng)和溫度資料計(jì)算出來，并可繪成等值線圖。用以表示廣大范圍內(nèi)的水汽通量散度場。散度為正的地區(qū)表示水汽自該地區(qū)的四周輻散，稱該地區(qū)為水汽源，在這種情況下降水比較少；反之散度為負(fù)的地區(qū)，表示四周有水汽向該地區(qū)匯集，稱該地區(qū)為水汽匯，降水比較多。例如，我國大陸東半部水汽總輸送場中，其主要水汽耦合區(qū)與主要降水區(qū)的分布就存在良好的對應(yīng)關(guān)系。黃土高原與華北平原常年為水汽源，東南沿海地區(qū)為主要水汽耦合區(qū)，所以前者降水遠(yuǎn)少于后者。

水汽

（二）影響水汽輸送的主要因素

影響水汽含量與水汽輸送的因素很多，主要因素如下。

1.大氣環(huán)流的影響如前所述水汽輸送形式有兩種，其中環(huán)流輸送處于主導(dǎo)地位。這是和大氣環(huán)流決定著全球流場和風(fēng)速場有關(guān)。而流場和風(fēng)速場直接影響全球水汽的分布變化，以及水汽輸送的路徑和強(qiáng)度。因此大氣環(huán)流的任何改變，必然通過流場和風(fēng)速場的改變而影響到水汽輸送的方向、路徑和強(qiáng)度。

2.地理緯度的影響地理緯度的影響主要表現(xiàn)為影響輻射平衡值，影響氣溫、水溫的緯向分布，進(jìn)而影響蒸發(fā)以及空中水汽含量的緯向分布，基本規(guī)律是水汽含量隨緯度的增高而減少。

3.海陸分布的影響海洋是水汽的主要源地，因而距海遠(yuǎn)近直接影響空中水汽含量的多少，這也正是我國東南沿海暖濕多雨，愈向西北內(nèi)陸腹地伸展，水循環(huán)愈弱、降水愈少的原因。

4.海拔高度與地形屏障作用的影響這一影響包括兩方面：其一是隨著地表海拔高度的增加，近地層濕空氣層逐步變薄，水汽含量相應(yīng)減少，這也是青藏高原上雨量較少的重要原因；其次是那些垂直于氣流運(yùn)行方向的山脈，常常成為阻隔暖濕氣流運(yùn)移的屏障，迫使迎風(fēng)坡成為多雨區(qū)，背風(fēng)坡絕熱升溫，濕度降低，水汽含量減少，成為雨影區(qū)。

（三）我國水汽輸送基本特點(diǎn)

關(guān)于我國水汽輸送，劉國緯和崔一峰通過選用全國122個(gè)探空站及國外27個(gè)探空站的資料，并以1983年為典型年進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析、計(jì)算與研究，得出了如下的基本結(jié)論。

第一，存在三個(gè)基本的水汽來源，三條輸出入路徑，并有明顯的季節(jié)變化。三個(gè)來源是極地氣團(tuán)的西北水汽流、南海水汽流及孟加拉灣水汽流。西北水汽流自西北方向入境，于東南方向出境，大致呈緯向分布，冬季直達(dá)長江，夏季退居黃河以北；南海氣流自廣東、福建沿海登陸北上，至長江中下游地區(qū)偏轉(zhuǎn)，并由長江口附近出境，夏季可深入華北平原，冬季退縮到北緯25°以南地區(qū)，水汽流呈明顯的經(jīng)向分布，由于水汽含量豐沛，所以輸送通量值大；而孟加拉灣水汽流通常自北部灣入境，流向廣西、云南，繼而折向東北方向，并在貴陽-長沙一線與南海水汽流匯合，而后亦進(jìn)入長江中下游地區(qū)，然后出海，全年中春季強(qiáng)盛，冬季限于華南沿海。

第二，水汽輸送既有大氣平均環(huán)流引起的平均輸送，又有移動性渦動輸送，其中平均輸送方向基本上與風(fēng)場相一致。而渦動輸送方向大體上與濕度梯度方向相一致，即從濕度大的地區(qū)指向濕度小的地區(qū)。渦動輸送的這一特點(diǎn)對于把東南沿海地區(qū)上空豐沛的水汽向內(nèi)陸腹地輸送，具有重要作用。

第三，地理位置、海陸分布與地貌上總體格局，制約了全國水汽輸送的基本態(tài)勢。青藏高原雄踞西南，決定了我國水汽輸送場形成南北兩支水汽流，北緯30°以北地區(qū)盛行緯向水汽輸送；30°以南具有明顯的經(jīng)向輸送。而秦嶺-淮河一線成為我國南北氣流的經(jīng)常匯合的地區(qū)，是水汽流輻合帶；海陸的分布制約了我國上空濕度場的配置，并呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢，進(jìn)而影響我國降水的地區(qū)分布。

第四，水汽輸送場垂直分布存在明顯差異：在850百帕氣層上，一年四季水汽輸送場形勢比較復(fù)雜；在700百帕氣層上，在淮河流域以北盛行西北水汽流，淮河以南盛行西南水汽流，兩股水汽流在北緯30°—35°一帶匯合后東流入海；在500百帕高度上，一年四季水汽輸送呈現(xiàn)緯向分布；而低層大氣中則經(jīng)向輸送比較明顯，因而自低層到高層存在經(jīng)向到緯向的順鐘向切變。

我國上空水汽的收支有如下特點(diǎn)：

1）全國年輸入水汽總量為15023.2×109米3，總輸出量為12362.7×109米3，凈輸入量為2660.5×109米3，與全國入海徑流量很接近。這些水量折合全國平均水深為279.4毫米。

2）從四方邊界來說，水汽主要從南部和西部邊境進(jìn)入（占總輸入量的89.1%），從東界輸出（占總輸出量的88.8%）。就不同流域而言，長江流域凈輸入量最大，依次為華南、西南、東北和西北區(qū)，華北區(qū)為負(fù)值區(qū)。

3）輸入的水汽量中，經(jīng)向的輸入占55.8%，緯向的輸入占44.2%；輸出情況相反，緯向的占89.2%，經(jīng)向的僅占總輸出量的10.8%。

呈氣態(tài)的水。水汽的密度約相當(dāng)于同溫、同壓下干空氣的0.622倍，即水汽密度永遠(yuǎn)小于干空氣的密度。水汽的氣體常數(shù)（Rw）為461焦耳/千克·開，定容比熱（Cv）等于716焦耳/千克·開。大氣中的水汽來源于下墊面的蒸發(fā)與蒸騰，其含量因時(shí)因地而異，按容積計(jì)算其變化范圍在0—4%之間，熱帶多雨地區(qū)可達(dá)4%以上，寒冷干燥地區(qū)幾乎近于零。其垂直分布主要集中離地面2—3公里的氣層中，高度愈高，水汽愈少。水汽是大氣中唯一能發(fā)生相變的成分，故在天氣變化中極為重要。水汽能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，也能放射長波輻射，在水相變化中不斷放出或吸收熱量，故對地面和空氣的溫度影響很大。