程 鵬 羅 漢 劉 琴 李寶梓 曹彥超 尚子溦

1 甘肅省人工影響天氣辦公室,蘭州 730020 2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,蘭州 730020 4 甘肅省慶陽市氣象局,慶陽 745000 5 蘭州市氣象局,蘭州 730020

提 要： 利用2016—2018年祁連山區(qū)中東部11個(gè)站的地基GPS反演的大氣可降水量(以下簡稱GPS/PWV)，分析了大氣可降水量的時(shí)空分布、地帶性和垂直變化特征。結(jié)果表明：與張掖和民勤探空實(shí)測資料計(jì)算的PWV(以下簡稱 RS/PWV)相比，GPS/PWV均方根誤差和偏差平均值分別為2.1 mm和1.07 mm，GPS/PWV略大于 RS/PWV且兩者相關(guān)系數(shù)平均值達(dá)到0.97。祁連山中東部PWV日最大值出現(xiàn)在11—16時(shí)，日最小值出現(xiàn)在01—05時(shí)；PWV的月最大值出現(xiàn)在8月，月最小值出現(xiàn)在1—2月；PWV的季節(jié)分布為夏季>秋季>春季>冬季；PWV高值區(qū)主要分布在祁連山東南部，祁連山中部的剛察、民和為明顯低值區(qū)；祁連山中段PWV低于東段。PWV地帶性和垂直變化特征明顯，與海拔高度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.77。PWV隨經(jīng)度自西向東，逐漸升高；PWV隨緯度從南往北，存在著“高—低—高”的變化特征；PWV的空間分布和季節(jié)變化與季風(fēng)影響相關(guān)。

引 言

大氣中的水汽是空中云水資源的重要組成部分，雖然在大氣中的含量不高(占比約為0.1%～3%)，但卻在各種尺度的天氣過程中發(fā)揮著重要作用，充足的水汽條件是成云致雨的必要條件(盛裴軒等，2013；秦鑫等，2020)。大氣可降水量(PWV)是指單位面積上整層大氣水汽全部凝結(jié)降至地面的降水量(于曉晶等，2019)，是表征大氣中水汽含量的重要指示因子，對(duì)于研究降水形成及其預(yù)報(bào)非常重要(劉健文等，2005)。有效的利用各種手段對(duì)大氣水汽進(jìn)行探測研究，對(duì)天氣、氣候、人工影響天氣等的研究及應(yīng)用具有重要意義(曾光平等，1993；李霞和張廣興，2003；郭學(xué)良等，2013)。

相比較于探空、地基微波輻射計(jì)、衛(wèi)星紅外遙感等探測技術(shù)手段，地基GPS探測反演大氣可降水量具有精度高、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)(段曉梅和曹云昌，2018；李光偉等，2018；胡姮等，2019)，地基GPS遙感的大氣可降水量與微波輻射計(jì)探測反演結(jié)果的均方根誤差小于2 mm(Baelen et al，2005)。美國學(xué)者首先應(yīng)用GPS測量大氣水汽并提出了地基GPS估算大氣水汽含量的原理(Askne and Brosset，1972；Bevis et al，1992；1994；Yao et al，2013)，基于GPS探測的大氣可降水量反演技術(shù)和方法得到研究者的廣泛關(guān)注并迅速發(fā)展(陳小雷等，2007；楚艷麗等，2007；王繼竹等，2014；劉晶和楊蓮梅，2017)。研究發(fā)現(xiàn)，受地形、下墊面及天氣氣候背景的影響，大氣可降水量的分布具有極大的差異(鄒進(jìn)上和劉惠蘭，1981；翟盤茂和周琴芳，1997；蔡英等，2004)，我國大氣可降水量存在“南方大、西北小，夏季大、冬季小”的時(shí)空分布特征，并與東亞低層大氣環(huán)流的關(guān)系密切(鄒進(jìn)上和劉惠蘭，1981)；大氣可降水量分布隨時(shí)間具有明顯的季節(jié)和日變化特征(梁宏等，2006；柳典和劉曉陽，2009)。西北地區(qū)大氣可降水量總體呈增加趨勢，平均每10年增加0.11 mm，大氣可降水量高值區(qū)主要分布在西北東部地區(qū)，低值區(qū)主要分布在西北中部地區(qū)(黃小燕等，2018)。

祁連山是我國河西走廊重要的生態(tài)屏障；受西風(fēng)帶和季風(fēng)環(huán)流耦合的影響，祁連山空中水汽資源非常豐富，形成了一個(gè)比較特殊的大地形降水區(qū)(張強(qiáng)等，2007)。該區(qū)域年大氣可降水量變化呈現(xiàn)增加趨勢，云和大氣可降水量具有明顯的季節(jié)變化特征，存在春季到夏季先升高后減少的變化特征(王寶鑒等，2006；朱飆等，2019)；水汽輸入主要在600 hPa以下層(張良等，2007)；祁連山地區(qū)的大氣水汽含量空間分布呈東南多、西北少的空間分布特征(鞏寧剛等，2017)；利用GPS資料分析祁連山中部夏季大氣可降水量的日變化特征及成因發(fā)現(xiàn)，大氣可降水量的日變化與氣溫和比濕等氣象要素相關(guān)(梁宏等，2010)。受青藏高原地形、西風(fēng)環(huán)流作用和復(fù)雜地貌格局的影響，祁連山區(qū)大氣可降水量不僅空間分布不均勻，且隨時(shí)間變化快，其水汽分布及降水產(chǎn)生機(jī)理與我國東部季風(fēng)區(qū)有著明顯差異，天氣氣候特征較為獨(dú)特?？諝庵械乃墙邓纬傻奈镔|(zhì)基礎(chǔ)，在全球氣候變暖背景下，我國西北地區(qū)氣候暖濕化現(xiàn)象明顯(Zhang et al，2019)，已出現(xiàn)空中水循環(huán)加快，降水明顯增加的特征(鞏寧剛等，2017)。在此背景下，祁連山區(qū)的大氣可降水量又呈現(xiàn)出何種變化特征？由于受觀測資料、技術(shù)手段限制，對(duì)祁連山區(qū)大氣可降水量分布及變化特征的認(rèn)識(shí)還不夠定量和科學(xué)，不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。因此，充分利用新型觀測技術(shù)手段和方法研究祁連山區(qū)域大氣可降水量的變化很有必要。本文利用GPS反演資料，對(duì)祁連山區(qū)中東部的大氣可降水量分布和變化特征進(jìn)行分析，同時(shí)采用周邊探空資料加以驗(yàn)證，以期深層次認(rèn)識(shí)祁連山地區(qū)的大氣可降水量分布特征和變化規(guī)律，為該地區(qū)生態(tài)修復(fù)和合理開發(fā)利用空中云水資源提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

祁連山呈西北—東南走向，位于青藏高原東北邊緣，地處青藏、內(nèi)蒙古、黃土三大高原交匯地帶，東西長為800 km，南北寬為200～400 km，海拔高度在3 000～6 000 m的地形高程變化較大，地形復(fù)雜。祁連山氣候受大陸性氣候和青藏高原氣候的綜合影響，屬溫帶半干旱氣候區(qū)，其降水兼具中國東部、青藏高原和黃土高原三類雨季區(qū)特征，降水空間分布很不均勻，山前低山屬荒漠氣候，年均溫度為6℃左右，年降水量約為150 mm；中山下部屬半干旱草原氣候，年均溫度為2～5℃，年降水量為250～300 mm；中山上部為半濕潤森林草原氣候，年均溫度為0～1℃,年降水量為400～500 mm；亞高山和高山屬寒冷濕潤氣候，年均溫度為-5℃左右，年降水量約800 mm，隨海拔高度的增加降水有增加的趨勢。山地東部氣候較濕潤，西部較干燥。祁連山是青藏高原與內(nèi)蒙古高原和黃土高原的分界線，在自然氣候分區(qū)上起著非常重要的作用(張強(qiáng)等，2009)；受西風(fēng)帶、偏南季風(fēng)(南亞季風(fēng)和高原季風(fēng))和東亞季風(fēng)的共同影響，其上空云水資源豐富，降水充沛，培育了永久性的山地冰川和積雪，發(fā)育了石羊河、黑河和疏勒河等內(nèi)陸河流。

2 資料和分析方法

2.1 資料介紹

祁連山區(qū)中東部共有11個(gè)地基GPS站點(diǎn)，分布在甘肅和青海境內(nèi)(圖1)，其中甘肅境內(nèi)7個(gè)，青海境內(nèi)4個(gè)，站點(diǎn)經(jīng)緯度和海拔高度見表1；經(jīng)計(jì)算，此次研究的各站點(diǎn)間的地方時(shí)差在1～15 min內(nèi)，因此各站點(diǎn)間因地方時(shí)的差異可忽略不計(jì)。GPS原始資料通過GAMIT軟件解算處理，反演得到1 h間隔的PWV數(shù)據(jù)(以下簡稱GPS/PWV)，所用GPS資料時(shí)段為2016年5月至2018年10月，在統(tǒng)計(jì)分析前，對(duì)GPS/PWV資料進(jìn)行了質(zhì)量控制。為進(jìn)一步驗(yàn)證研究時(shí)段資料的可靠性，利用張掖、民勤探空站每日兩次的08時(shí)和20時(shí)(北京時(shí)，下同)的探空資料計(jì)算PWV(以下簡稱RS/PWV)，與對(duì)應(yīng)時(shí)次和對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的GPS/PWV資料進(jìn)行比較。張掖、民勤GPS站均在當(dāng)?shù)貧庀笥^測站內(nèi)，滿足GPS站與探空站水平距離在50 km以內(nèi)且海拔落差小于100 m的對(duì)比條件(Wang and Zhang，2008)，兩者可進(jìn)行比較。

圖1 祁連山中東部GPS站和周邊探空站分布(GT:高臺(tái),ZY:張掖,ML:民樂,GL:皋蘭,MQ:民勒,LZ:蘭州,JT:景泰,MY:門源,GC:剛察,MH:民和,XN:西寧)Fig.1 Distribution of GPS stations and sounding stations in the central and eastern Qilian Mountains(GT: Gaotai, ZY: Zhangye, ML: Minle, GL: Gaolan, MQ: Minqin, LZ: Lanzhou, JT: Jintai, MY: Menyuan, GC: Gangcha, MH: Minhe, XN: Xining)

表1 站點(diǎn)基本信息Table 1 The basic information of sites

2.2 計(jì)算方法

大氣可降水量(PWV)根據(jù)單位氣柱中的水汽含量計(jì)算得到，即：

(1)

(2)

(3)

式中:W為單位氣柱中的水汽含量(單位：mm)，g為重力加速度，ps、pl分別為地面氣壓、大氣上界氣壓，q為比濕，Td為規(guī)定層露點(diǎn)溫度，e為水汽壓?？紤]到實(shí)際大氣中300 hPa以上大氣水汽含量很少，本文計(jì)算時(shí)大氣上界氣壓選擇300 hPa。

3 結(jié)果分析

3.1 GPS/PWV數(shù)據(jù)驗(yàn)證

PWV的計(jì)算方法主要有四類：包括探空實(shí)測資料計(jì)算、再分析資料估算、地面經(jīng)驗(yàn)公式估算和多源遙感探測方法，RS/PWV結(jié)果準(zhǔn)確客觀，但因探空站點(diǎn)稀疏所以無法全面反映水汽變化特征，因此其常被用于驗(yàn)證其他方法的準(zhǔn)確性(于曉晶等，2019)。表2和圖2分別為分析時(shí)段內(nèi)08時(shí)和20時(shí)張掖和民勤站GPS/PWV的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值和散點(diǎn)圖，由表2可以看出， 民勤站樣本數(shù)(N)略多于張掖站，張掖、民勤兩站均方根誤差(RMSE)為1.71～2.55 mm，離散度較小， 民勤站RMSE小于張掖站；兩站08時(shí)GPS/PWV的RMSE均大于20時(shí)。兩站GPS/PWV值與RS/PWV探測計(jì)算結(jié)果相比均為正值，偏差(Bias)為0.88～1.38 mm，表明GPS/PWV值比RS/PWV偏大，這與韓輝邦等(2020)對(duì)柴達(dá)木盆地格爾木站的研究結(jié)論一致。民勤站的Bias小于張掖站，兩站08時(shí)的Bias均小于20時(shí)。兩站兩個(gè)時(shí)次的相對(duì)偏差均在0.5%之內(nèi)。

表2 2016—2018年GPS/PWV和RS/PWV檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Table 2 GPS/PWV and RS/PWV statistics test values from 2016 to 2018

圖2為民勤、張掖兩站08時(shí)和20時(shí)的GPS/PWV與RS/PWV的散點(diǎn)分布。可以看出，GPS/PWV整體上略大于RS/PWV，兩種探測方式反演或計(jì)算得到的PWV絕大部分值密集分布在擬合直線附近，兩站兩個(gè)時(shí)次的擬合直線斜率在1.0附近。從相關(guān)系數(shù)來看，兩站不同時(shí)次GPS/PWV和RS/PWV相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.96以上，在0.01水平上顯著相關(guān)，民勤站GPS/PWV和RS/PWV相關(guān)性更好(圖2a、2b)，相關(guān)系數(shù)在0.98以上?？梢钥闯觯珿PS反演結(jié)果與探空計(jì)算結(jié)果具有較好的相關(guān)性，兩者RMSE較小。從GPS/PWV和RS/PWV相關(guān)性來看，本文所選站GPS/PWV和RS/PWV相關(guān)系數(shù)要高于天山山區(qū)(于曉晶等，2019)和柴達(dá)木盆地(韓輝邦等，2020)的分析結(jié)果。

圖2 2016—2018年民勤(a,b),張掖(c,d)的08時(shí)(a，c)和20時(shí)(b，d)GPS/PWV與RS/PWV散點(diǎn)Fig.2 Scatter plots of GPS/PWV and RS/PWV at Minqin (a, b) and Zhangye (c, d) stations at 08:00 BT (a, c) and 20:00 BT (b, d) from 2016 to 2018

通過民勤、張掖兩站GPS/PWV與RS/PWV的檢驗(yàn)表明，RMSE和Bias平均值分別為2.1 mm、1.07 mm，相關(guān)系數(shù)平均值為0.97，結(jié)果表明：GPS/PWV反演結(jié)果和RS/PWV計(jì)算結(jié)果非常接近，本文中所用的GPS/PWV資料具有較高的可信度。

在硅晶圓上用磁控濺射、紫外光刻、離子束刻蝕工藝制備的鎳鉻薄膜電阻線寬精度≤±5%,阻值均一穩(wěn)定,電阻精度≤±0.5%,電學(xué)性能優(yōu)異,在高精度硅基無源集成電阻器方向有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 GPS/PWV水汽時(shí)間變化

3.2.1 日變化

圖3為祁連山中東部11個(gè)站GPS/PWV的日變化特征，各站小時(shí)降水量標(biāo)準(zhǔn)差在0.2～0.5 mm。PWV與隨海拔高度的變化有一定的關(guān)系，在分析各站PWV日變化特征時(shí)，根據(jù)測站海拔高度對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行了劃分。圖3a、3b和 3c分別是海拔高度 1 600 m 及以下、1 600～2 900 m和2 900 m以上的站點(diǎn)PWV日變化曲線。圖3a中，民勤和張掖站PWV日變化幅度較其他站明顯偏大，峰、谷值出現(xiàn)時(shí)間也不同。張掖站PWV日最大值出現(xiàn)在13時(shí)，最小值在10時(shí)；民勤站PWV日最大值出現(xiàn)在09時(shí)，最小值在13時(shí)；其他3個(gè)站PWV日最大值出現(xiàn)在13—14時(shí)，最小值出現(xiàn)在01時(shí)。圖3b中3個(gè)站變化趨勢基本一致，PWV日最大值呈“雙峰型”分布特征，峰值分別出現(xiàn)在11時(shí)和14—16時(shí)，PWV日最小值出現(xiàn)在05時(shí)。與1 600 m以下的站點(diǎn)相比較，PWV日最大值出現(xiàn)時(shí)間明顯偏早，日最小值出現(xiàn)時(shí)間偏晚。圖3c中各站PWV日最大值呈“單峰型”分布特征，峰值出現(xiàn)在12時(shí)，PWV日最小值均出現(xiàn)在03—05時(shí)；PWV日最大值和最小值出現(xiàn)時(shí)間接近1 600～2 900 m的站點(diǎn)。可以看出，低海拔站點(diǎn)的PWV日變化相對(duì)平緩，大部分站點(diǎn)PWV最小值出現(xiàn)在夜間01—05時(shí)，之后持續(xù)緩慢上升，至13—16時(shí)達(dá)到最大值，隨后轉(zhuǎn)為減小趨勢。這種變化規(guī)律與日溫度變化相似，日出后氣溫逐漸上升，地表水蒸發(fā)至大氣中，空氣濕度上升，PWV隨之增加，傍晚至夜間地表蒸發(fā)減弱，伴隨大氣的水平運(yùn)動(dòng)，PWV轉(zhuǎn)為下降趨勢。

圖3 2016—2018年祁連山區(qū)不同海拔高度GPS/PWV的日變化特征(a)海拔高度<1 600 m，(b)1 600 m≤海拔高度<2 900 m，(c)海拔高度≥2 900 mFig.3 Diurnal variation of GPS/PWV at different altitudes in Qilian Mountains from 2016 to 2018 (a) altitude <1 600 m， (b) 1 600 m ≤ altitude <2 900 m， (c) altitude ≥ 2 900 m

3.2.2 月變化和季節(jié)變化

圖4a為祁連山中東部11個(gè)站PWV的月變化，各站PWV月變化趨勢特征基本一致，均為明顯的“單峰型”分布特征，7—8月PWV值較大，大部分站點(diǎn)值大于15 mm，1—2月PWV值最小。PWV從2月開始逐漸增加，大部分站點(diǎn)峰值出現(xiàn)在8月，8月后迅速減小。7月下旬至8月中旬是西太平洋副熱帶高壓脊線位置最偏北的時(shí)候，東亞季風(fēng)將南海及孟加拉灣的水汽輸送到西北內(nèi)陸地區(qū)(趙俊虎等，2014)，祁連山區(qū)空氣濕度及降水量達(dá)到年度峰值，大氣可降水量迅速上升。門源和民和兩站峰值出現(xiàn)在7月，略早于其他站，這可能與其所處的海拔高度和地理環(huán)境相關(guān)。各站PWV月平均值分布在0.9～32.4 mm，蘭州站最大，明顯高于其他站，民和、剛察站最小，其他站接近。民和、剛察等山區(qū)站點(diǎn)明顯小于祁連山北側(cè)的低海拔區(qū)，原因是低空偏南氣流受祁連山脈阻擋，沿山區(qū)東北側(cè)邊緣繞流，使低海拔地區(qū)的大氣水汽含量明顯高于高海拔地區(qū)(段瑋等，2015)。

圖4b為各站PWV季節(jié)變化，春季到冬季表現(xiàn)出了先增大，后減小的趨勢。春、夏、秋、冬四季PWV平均值分別為7.5、21.4、9.7、2.6 mm，夏季>秋季>春季>冬季；夏季各站PWV遠(yuǎn)高于其他季節(jié)，冬季各站間的差異最小。PWV的這種季節(jié)變化受地理位置和大氣環(huán)流的季節(jié)性調(diào)整影響較大，大氣環(huán)流的季節(jié)性變化決定了氣流中攜帶水汽的多寡，冬半年祁連山受高原冷高壓控制，水汽來源匱乏(申紅艷等，2012)，同時(shí)寒冷的天氣也不利于地表水的蒸發(fā)，因此空氣濕度低；夏半年隨著季風(fēng)的發(fā)展和增強(qiáng)，南亞季風(fēng)、高原季風(fēng)攜帶的水汽和東亞季風(fēng)越過秦嶺將水汽輸送至祁連山北麓，祁連山區(qū)PWV迅速攀升(張強(qiáng)等，2007)。

圖4 2016—2018年祁連山區(qū)GPS/PWV的月變化(a)和季節(jié)變化特征(b)Fig.4 Monthly variation (a) and seasonal variation (b) of GPS/PWV in Qilian Mountains from 2016 to 2018

3.3 GPS/PWV水汽時(shí)空分布

從GPS/PWV的時(shí)空分布來看(圖5)，PWV的季節(jié)空間分布與年均空間分布特征基本一致，不同季節(jié)和年均PWV沿西南、東北方向遞減的梯度特征明顯，祁連山東段PWV高于中段，祁連山北坡低海拔區(qū)域PWV明顯高于南坡高海拔區(qū)域。PWV高值區(qū)主要分布在祁連山東部海拔迅速降低區(qū)域，民和、剛察為明顯低值區(qū)。PWV沿西南、東北方向遞減的這種分布特征和該區(qū)域降水的分布特征正好相反，這與降水轉(zhuǎn)化率相關(guān)，民和、剛察降水轉(zhuǎn)化率達(dá)到了66%，大氣水汽凝結(jié)轉(zhuǎn)化為降水的效率較高，而民勤等地降水轉(zhuǎn)化率為18%，轉(zhuǎn)化率較低(鞏寧剛等，2017)。祁連山區(qū)中東部PWV年平均值為6～14 mm，分季節(jié)看，夏季PWV最高，秋季次之，冬季最低。夏季祁連山區(qū)域大氣可降水量最為充沛，春季和秋季接近。PWV的空間分布和季節(jié)差異與季風(fēng)影響相關(guān)。張強(qiáng)等(2007)研究指出，祁連山中南部受偏南季風(fēng)(南亞季風(fēng)和高原季風(fēng))的影響特征較為明顯，在祁連山的東部則是東亞季風(fēng)的影響比較明顯；因此，祁連山PWV的空間分布和季節(jié)變化特征主要受南亞季風(fēng)、高原季風(fēng)和東亞季風(fēng)的擴(kuò)展方向影響。同時(shí)，PWV的分布與地形分布也有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在地形特殊的地區(qū)往往會(huì)對(duì)應(yīng)大氣水汽含量的極值中心，如海拔高度較高的民和、剛察，對(duì)應(yīng)著不同季節(jié)的PWV低值區(qū)。PWV反映了該區(qū)域大氣中水分含量的多寡，是人工增雨作業(yè)潛力的重要指標(biāo)，從PWV的季節(jié)分布可以看出，除夏秋季外，春季也具備較好的人工增雨開發(fā)潛力，特別是在降水轉(zhuǎn)化率較低的區(qū)域。

3.4 GPS/PWV的地帶性分布和垂直分布

水汽含量和降水與海拔高度有密切關(guān)系，氣流遇迎風(fēng)坡地形產(chǎn)生明顯輻合抬升會(huì)導(dǎo)致降水增強(qiáng)(張沛等，2020)。海拔高度決定了大氣柱厚度，直接影響大氣含水量；緯度決定了大氣的溫度，對(duì)大氣的持水能力有影響。利用各觀測站點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度等地理信息，分析PWV與經(jīng)緯度和海拔高度的關(guān)系，揭示PWV的地帶性分布和垂直分布規(guī)律。圖6為各站點(diǎn)年P(guān)WV值隨海拔高度的變化，總體來看，隨海拔高度的增加PWV逐漸減小，這與PWV的計(jì)算方法對(duì)應(yīng)，PWV與海拔高度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.77，在0.01水平上顯著相關(guān)。高臺(tái)、民勤、張掖、蘭州和景泰5個(gè)站的海拔高度在1 600 m以下且相差不大，但蘭州和景泰的PWV值明顯高于其他三站，由于蘭州和景泰受東亞季風(fēng)影響大，其帶來較為充足的水汽，景泰又位于蘭州的季風(fēng)下游區(qū)，因此蘭州的PWV最高，景泰次之；其余3個(gè)站受干燥的西風(fēng)帶氣流影響，PWV較蘭州和景泰的低。皋蘭、民樂和西寧的海拔高度在2 000～2 500 m，皋蘭和西寧主要受東亞季風(fēng)控制，民樂主要受西風(fēng)帶控制，民樂的PWV最低，說明東亞季風(fēng)控制下的地區(qū)PWV要高于西風(fēng)帶控制的地區(qū)。門源、民和和剛察的海拔高度在3 000 m左右，民和的PWV值最低，說明在高海拔地區(qū)，西南氣流主導(dǎo)的地區(qū)PWV要高于東亞季風(fēng)控制的地區(qū)。

圖6 2016—2018年P(guān)WV隨海拔高度的變化特征Fig.6 Variation of PWV with different altitudes from 2016 to 2018

圖7 2016—2018年祁連山區(qū)GPS/PWV和(a)經(jīng)度，(b)緯度的變化關(guān)系Fig.7 The variaiton of GPS/PWV with different longitudes (a) and latitudes (b) in Qilian Mountains from 2016 to 2018

因此，總的來說PWV隨經(jīng)度和緯度的這種變化特征主要原因是與各測站海拔高度有關(guān)，海拔高度越高，PWV越低，次要原因是祁連山不同區(qū)域所受不同季風(fēng)及其強(qiáng)弱變化有關(guān)，祁連山中部受偏南氣流的影響特征較為明顯，在祁連山的東部則是東亞季風(fēng)的影響比較明顯，在低海拔地區(qū)東亞季風(fēng)主導(dǎo)的PWV要強(qiáng)于西南氣流主導(dǎo)的PWV，但在高海拔地區(qū)，西南氣流主導(dǎo)的地區(qū)PWV要高于東亞季風(fēng)控制的地區(qū)。

4 結(jié)論與討論

利用祁連山中東部區(qū)域11個(gè)站的GPS反演PWV數(shù)據(jù)，分析了GPS/PWV的可用性，對(duì)該區(qū)域PWV的時(shí)空分布變化特征和原因進(jìn)行了分析探討，得到如下結(jié)論：

(1)GPS反演的PWV與探空站計(jì)算值非常接近，均方根誤差和平均偏差值分別為2.1 mm、1.07 mm，與探空站計(jì)算的PWV相關(guān)系數(shù)平均值為0.97，GPS/PWV值略大于RS/PWV。

(2)祁連山中東部PWV存在著明顯的時(shí)間變化特征。PWV日最大值出現(xiàn)在11—16時(shí)，日最小值出現(xiàn)在01—05時(shí)。PWV月變化呈明顯的“單峰型”分布特征，峰值出現(xiàn)在8月， 1—2月PWV值最小。春、夏、秋、冬四季PWV的平均值依次為7.5、21.4、9.7、2.6 mm，夏季最大，春、秋季接近，冬季最小。春、夏和秋季均具備較好的人工增雨開發(fā)潛力。

(3)PWV沿西南、東北方向遞減的梯度特征明顯，祁連山中段PWV低于東段；PWV高值區(qū)主要分布在祁連山東南部，祁連山中部的剛察、民和為低值區(qū)。PWV的空間分布和季節(jié)變化特征主要受季風(fēng)變化影響。

(4)PWV與海拔高度和地形分布相關(guān)，與海拔高度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.77。PWV隨經(jīng)度自西向東逐漸升高，隨緯度從南往北存在著“高—低—高”的變化特征。低海拔地區(qū)東亞季風(fēng)主導(dǎo)的PWV要高于西南氣流主導(dǎo)的PWV，但在高海拔地區(qū)，西南氣流主導(dǎo)的地區(qū)PWV要高于東亞季風(fēng)控制的地區(qū)。

地基GPS提供的高時(shí)空分辨率的水汽數(shù)據(jù)，能夠得到更為精細(xì)的水汽變化特征，可在降水預(yù)報(bào)及人工增雨作業(yè)中應(yīng)用。從祁連山中東部PWV的季節(jié)分布可以看出，除夏秋季外，春季也具備較好的增雨開發(fā)潛力，因此，加強(qiáng)春、秋季祁連山區(qū)域的空中水資源開發(fā)有利于改善和維持該區(qū)域生態(tài)環(huán)境。