一種降水預(yù)警方法及其在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及一種降水預(yù)警方法，特別是涉及一種利用地基GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)）數(shù)據(jù)反演的大氣可降水量（PrecipitableWaterVapor，簡(jiǎn)稱PWV)與實(shí)際降水相結(jié)合進(jìn)行降水預(yù)警的方法，及其在山洪、泥石流、滑坡等暴雨型地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用。【
背景技術(shù)：
】[0002]降水作為大氣最活躍的要素，在各種時(shí)空尺度的大氣過(guò)程中均扮演著重要的角色。當(dāng)前，降水監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)大致可分為衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)、雨量站監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)等四類。在上述監(jiān)測(cè)方法中，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)主要依賴于星載傳感器反演降水，并且依據(jù)傳感器的不同大致分為可見(jiàn)光/紅外、被動(dòng)微波、主動(dòng)微波（雷達(dá)）以及多傳感器聯(lián)合等4種類型，多用于大區(qū)域降水分布監(jiān)測(cè)，但在短歷時(shí)、小尺度的降水監(jiān)測(cè)上則具有較大誤差；雷達(dá)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)Z-I關(guān)系定量確定降水量，能較好地反應(yīng)降水的空間不均勻性，其中Z-I關(guān)系的確定主要依賴于雨滴譜，但受雨滴譜的不確定性和局地地形影響，雷達(dá)難以有效地反映局地尤其是小尺度下的降水特征；雨量站監(jiān)測(cè)則一般作為降水真值使用，受站點(diǎn)布設(shè)限制，雨量站監(jiān)測(cè)難以滿足小尺度監(jiān)測(cè)需求。而在降水預(yù)報(bào)方面，數(shù)值預(yù)報(bào)則以大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)報(bào)，并且隨著探測(cè)手段的進(jìn)步，數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)常與暴雨、雷雨等劇烈天氣過(guò)程相聯(lián)系的中小尺度天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和提高，但是由于現(xiàn)有的探測(cè)手段仍難以滿足小尺度過(guò)程的監(jiān)測(cè)需要，這就使得關(guān)于小尺度的大氣運(yùn)動(dòng)方程存在有一定的問(wèn)題，造成數(shù)值預(yù)報(bào)在小尺度范圍的準(zhǔn)確率較低。此外，隨著我國(guó)雷達(dá)網(wǎng)的初步建成和雨量站網(wǎng)的密度逐步提高，雷達(dá)聯(lián)合雨量計(jì)估測(cè)降水集成系統(tǒng)亦逐漸成為降水預(yù)報(bào)的主要方法之一?？梢哉f(shuō)上述手段在分析大、中尺度的天氣過(guò)程和降水預(yù)報(bào)方面提供了不同尺度上的技術(shù)支撐。但與此同時(shí)，對(duì)山區(qū)誘發(fā)山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的小流域（范圍）局地暴雨的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)方面，現(xiàn)有的技術(shù)手段在降水的監(jiān)測(cè)預(yù)警的空間精度、時(shí)效以及降水量的大小等方面與實(shí)際的減災(zāi)需求仍存在一定的差距。[0003]另一方面，考慮到大氣中的水汽含量對(duì)于降水的發(fā)生有著極好的指示意義，將水汽值引入降水預(yù)報(bào)中已成為提高其精度的技術(shù)手段之一。當(dāng)前對(duì)于水汽的探測(cè)主要以無(wú)線電探空儀探測(cè)，衛(wèi)星遙感和地基GPS信號(hào)反演為主。其中無(wú)線電探空儀是探測(cè)大氣水汽含量最常用的工具，通過(guò)施放探空氣球收集水汽所需數(shù)據(jù)，其值通常作為大氣水汽的真值，但在實(shí)際應(yīng)用中，該方法成本較高且難以分辨水汽的時(shí)空變化；衛(wèi)星遙感通過(guò)衛(wèi)星上的紅外輻射計(jì)和微波輻射計(jì)探測(cè)水汽，但受垂直分辨率限制，該方法亦無(wú)法滿足小時(shí)空尺度的降水監(jiān)測(cè)和預(yù)警需求；隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展，利用地基GPS信號(hào)延遲解算水汽已逐漸成為水汽研宄的主要數(shù)據(jù)來(lái)源之一。地基GPS技術(shù)相比水汽常規(guī)方法而言，具有高時(shí)空分辨率、高精度、全天候、近實(shí)時(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)，為小時(shí)空尺度的水汽研宄提供了有益的數(shù)據(jù)支持。目前，大量的研宄已表明利用地基GPS反演水汽不僅能夠獲得測(cè)站上空的水汽發(fā)展情況，通過(guò)GPS測(cè)站網(wǎng)還能得到區(qū)域三維水汽時(shí)空分布特征；并且隨著水汽應(yīng)用于降水預(yù)報(bào)中，其預(yù)報(bào)精度有一定程度的提高。地基GPS技術(shù)為水汽提供了高時(shí)空精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但在水汽與降水的關(guān)系探討上尤其是在定量關(guān)系上仍無(wú)準(zhǔn)確定論，基于小流域的水汽-降水關(guān)系探討更是近乎空白。【
發(fā)明內(nèi)容】[0004]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用地基GPS數(shù)據(jù)反演水汽與雨量站數(shù)據(jù)相結(jié)合的降水預(yù)警方法，能夠?qū)崿F(xiàn)小流域、高準(zhǔn)確率的降水預(yù)警，并結(jié)合開(kāi)展山洪、泥石流、滑坡等暴雨型地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警報(bào)工作。[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：[0006]本發(fā)明提出的降水預(yù)警方法，其技術(shù)思想是：利用地基GPS數(shù)據(jù)反演的大氣可降水量（簡(jiǎn)稱PWV)與降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，考慮到PWV的積累在發(fā)生降水過(guò)程中的作用，找出PWV轉(zhuǎn)化為有效降水發(fā)生的冪函數(shù)規(guī)律，并將該規(guī)律引入降水預(yù)警中作為形成有效降水的臨界閾值，從而提高降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。具體而言，本發(fā)明的降水預(yù)警方法步驟如下：[0007](-）獲取擬進(jìn)行降水預(yù)警的流域內(nèi)的地基GPS數(shù)據(jù)和雨量數(shù)據(jù)。[0008](二）基于GAMIT軟件，利用步驟（一）中獲取的地基GPS數(shù)據(jù)反演得到大氣可降水量PWV序列。所述大氣可降水量PWV序列的時(shí)間尺度為lOmin，或30min，或60min;選這三個(gè)時(shí)間尺度主要是和我們現(xiàn)在降雨強(qiáng)度以及災(zāi)害預(yù)警時(shí)常用IOmin雨強(qiáng)、30min雨強(qiáng)、60min雨強(qiáng)這些指標(biāo)相匹配；從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)，IOmin的效果最好，推薦優(yōu)先使用。[0009]這一步是求解PWV。地基GPS解算PWV的基本原理為GPS信號(hào)在穿越對(duì)流層大氣時(shí)，會(huì)受其影響而產(chǎn)生信號(hào)延遲，通過(guò)計(jì)算對(duì)流層延遲值，即可解得PWV值。其中對(duì)流層延遲亦可稱為大氣總延遲（ZenithTotalDelay，簡(jiǎn)稱ZTD)，分為大氣干延遲（ZenithHydroDelay，簡(jiǎn)稱ZHD)和大氣濕延遲（ZenithWetDelay，簡(jiǎn)稱ZWD)，即ZTD=ZHD+ZWD;而ZWD又與測(cè)站上空pwv存在如下關(guān)系，即PWV=ZWDxn(n為水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)），據(jù)此即可求得站點(diǎn)上空的PWV值。考慮到PWV在實(shí)際降水預(yù)警中的應(yīng)用，可選取lOmin、或30min、或60min等時(shí)間尺度解算水汽值，解譯過(guò)程基于美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的GAMIT/GLOBK免費(fèi)軟件，計(jì)算所需氣象文件由GAMIT軟件中的"全球氣壓和氣溫（globalpressureandtemperature，簡(jiǎn)稱GPT)"模型提供。[0010](三）根據(jù)步驟（一）中獲取的雨量數(shù)據(jù)，任意選取一個(gè)時(shí)間段，要求該時(shí)間段內(nèi)、連續(xù)的至少2個(gè)時(shí)間尺度單位內(nèi)有降水發(fā)生（即連續(xù)的大于等于2個(gè)時(shí)間尺度單位內(nèi)有降水發(fā)生），然后在步驟（二）得到的大氣可降水量PWV序列中選取對(duì)應(yīng)該時(shí)間段的PWV長(zhǎng)序列；所述雨量數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度單位為l〇min，或30min，或60min。[0011](四）在步驟（三）選取的PWV長(zhǎng)序列上，設(shè)PtSt時(shí)刻對(duì)應(yīng)的PWV值，其前一時(shí)亥Ij的PWV值為Pt_i，其后一時(shí)刻的PWV值為Pt+1，當(dāng)滿足Pt<Pt_i且Pt<Pt+1，則記t時(shí)刻為一個(gè)節(jié)點(diǎn)；相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的PWV序列視為一個(gè)PWV短序列，從而根據(jù)節(jié)點(diǎn)將步驟（三）選取的PWV長(zhǎng)序列劃分為若干個(gè)PWV短序列（即將PWV長(zhǎng)序列上相鄰兩個(gè)波谷之間的PWV序列視為一個(gè)PWV短序列，從而將PWV長(zhǎng)序列劃分為若干個(gè)PWV短序列）。結(jié)合步驟（一）中獲取的雨量數(shù)據(jù)，將每一個(gè)PWV短序列劃分為有降水PWV短序列或無(wú)降水PWV短序列（即將PWV短序列和雨量數(shù)據(jù)均以時(shí)間為橫坐標(biāo)放在一起進(jìn)行分析，如果PWV短序列對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)有降水發(fā)生，則該P(yáng)WV短序列為有降水PWV短序列，如果PWV短序列對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有降水發(fā)生，則該P(yáng)WV短序列為無(wú)降水PWV短序列），得到若干個(gè)有降水PWV短序列和若干個(gè)無(wú)降水PWV短序列；如果有降水PWV短序列的數(shù)量小于11個(gè)，則返回步驟（三），重新選取PWV長(zhǎng)序列，如果有降水PWV短序列的數(shù)量大于等于11個(gè)，則繼續(xù)進(jìn)行步驟（五）。[0012](五）在步驟（四）得到的每一個(gè)有降水PWV短序列上，將降水開(kāi)始至降水終止時(shí)間內(nèi)所有PWV值相加得到有效累積PWV值，將降水開(kāi)始前的所有PWV值相加得到前期累積PWV值（即：如圖1所示，記降水開(kāi)始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的PWV值為Pkci，降水終止時(shí)刻對(duì)應(yīng)的PWV值為PKe，有效PWV值則為降水開(kāi)始至降水終止時(shí)間內(nèi)的所有PWV值，記為Pjpm，即PjpmG[pKQ，PJ，進(jìn)一步有效累積PWV值為S有效=EP有效；同時(shí)，記PKQ時(shí)刻前的PWV值為前期PWV值，記為Ptra，進(jìn)一步前期累積PWV值為Stra=EPtra);最終得到所有有降水PWV短序列的有效累積PWV值和前期累積PWV值。[0013](六）分別以有效累積PWV值和前期累積PWV值為橫縱坐標(biāo)構(gòu)建坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系上標(biāo)出步驟（五）得到的所有有降水PWV短序列的有效累積PWV值和前期累積PWV值，在該坐標(biāo)系上得到與有降水PWV短序列數(shù)量相同的點(diǎn)，將這些點(diǎn)進(jìn)行冪函數(shù)曲線擬合（即將S有效和S前期按y=axb+c進(jìn)行曲線擬合），得到PWV臨界線。[0014](七）在步驟（二）得到的大氣可降水量PWV序列中，選取對(duì)應(yīng)擬進(jìn)行降水預(yù)警時(shí)刻之前的PWV序列為預(yù)警PWV序列；在預(yù)警PWV序列上，設(shè)Pt為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的PWV值，其前一時(shí)刻的PWV值為Pt_i，其后一時(shí)刻的PWV值為Pt+1，當(dāng)滿足Pt<Pt_i且Pt<Pt+1，則記t時(shí)刻為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在預(yù)警PWV序列上找到擬進(jìn)行降水預(yù)警時(shí)刻之前的2個(gè)節(jié)點(diǎn)（即找到擬進(jìn)行降水預(yù)警時(shí)刻之前的2個(gè)波谷位置）；將擬進(jìn)行降水預(yù)警時(shí)刻之前的2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的所有PWV值相加，得到預(yù)警前期累積PWV值（即：如圖2所示，記擬進(jìn)行降水預(yù)警時(shí)刻之前的2個(gè)波谷之間的PWV值為預(yù)警前期PWV值，記為P'，則預(yù)警前期累積PWV值為S'"g=EP'將擬進(jìn)行降水預(yù)警時(shí)刻至其前1個(gè)節(jié)點(diǎn)（即最靠近進(jìn)行降水預(yù)警時(shí)刻的1個(gè)節(jié)點(diǎn)）之間的所有PWV值相加，得到預(yù)警有效累積PWV值（S卩：如圖2所示，記擬進(jìn)行降水預(yù)警時(shí)刻與其前1個(gè)波谷之間的PWV值為預(yù)警有效PWV值，記為P'，則預(yù)警有效累積PWV值為S'有效=EP'有效）。[0015](八）將步驟（七）中得到的預(yù)警前期累積PWV值和預(yù)警有效累積PWV值放入步驟（六）構(gòu)建的坐標(biāo)系中得到一個(gè)預(yù)警點(diǎn)，將該預(yù)警點(diǎn)與步驟（六）中得到的PWV臨界線進(jìn)行比較；如果該預(yù)警點(diǎn)位于PWV臨界線以上區(qū)域，則發(fā)出降水預(yù)警；反之（即該預(yù)警點(diǎn)位于PWV臨界線上或PWV臨界線以下區(qū)域），則不發(fā)出降水預(yù)警。[0016]本發(fā)明方法適用于暴雨型地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警，所述暴雨型地質(zhì)災(zāi)害為山洪、或泥石流、或滑坡，或由降水引起的其他災(zāi)害等；具體可結(jié)合已有研宄結(jié)果，針對(duì)激發(fā)各類災(zāi)害的臨界降水條件進(jìn)行分析。[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：利用地基GPS數(shù)據(jù)反演的大氣可降水量(簡(jiǎn)稱PWV)與降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，找出水汽臨界線，并根據(jù)此臨界線提前預(yù)警降水的發(fā)生，降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高；由于本發(fā)明可只采用單臺(tái)GPS，因此地基GPS的高度角和區(qū)域半徑?jīng)Q定了本發(fā)明的降水預(yù)警范圍可基于小流域尺度，如IOkm2~50km2左右的泥石流流域尺度范圍；本發(fā)明也可采用多臺(tái)地基GPS聯(lián)解借助三維層析技術(shù)能覆蓋更大的范圍，因此本發(fā)明的降水預(yù)警范圍也可不僅僅限于小流域?！靖綀D說(shuō)明】[0018]圖1是有降水PWV短序列的有效累積PWV值和前期累積PWV值的求解示意圖。其中，曲線為PWV序列，柱狀圖為降水?dāng)?shù)據(jù)。[0019]圖2是預(yù)警PWV序列的預(yù)警前期累積PWV值和預(yù)警有效累積PWV值的求解示意圖。[0020]圖3當(dāng)前第1頁(yè)1 2