基于GPS和多尺度分析技术的水汽扰动机制与暴雨系统关系的研究

水汽场的扰动对暴雨系统的形成与发展起着非常重要的作用，因此了解水汽扰动对暴雨系统的影响以及水汽扰动的产生物理机制是一个重要的科学问题。同时因为水汽在时间和空间上的变化非常显著，而较难获得理想的探测结果，所以需要应用新的探测数据和方法对该问题开展更深入的研究。本项目拟利用北京地区地基GPS水汽观测数据(它的观测精度高，时间和空间分辨率较高，遇到强对流天气过程时仍然稳定可靠)，采用小波-交叉谱分析方法，研究北京地区暴雨过程中水汽扰动的频谱特征；研究不同时间尺度（即频谱）上的水汽扰动与自动站降水量在时间序列上的相关性；利用中尺度非静力数值模式WRF及其三维变分同化系统的模拟输出资料，研究北京地区暴雨过程中主要频谱域上水汽扰动的产生物理机制，并进一步分析水汽扰动与北京地区暴雨系统之间的关系。

利用小波分析和交叉谱方法，对地面自动站观测资料，GPS水汽反演数据和高分辨率数值模拟资料进行多时空尺度分析。研究结果表明，（1）地面降水区温度和水平风场具有显著的日变化特征，其中比湿和水平风场的高频扰动更为显著.（2）“721”大暴雨过程中GPS总水汽具有显著的多时间尺度变化特征，多时间尺度变化周期涵盖范围较大，周期范围为大于13hr，其中周期为83hr的扰动振幅最强；与地面比湿相比，GPS总水汽与降水强度有更好的相关性。（3）对模式750 hPa预报场水汽通量散度进行小波分析，发现水汽通量散度扰动的主要空间尺度是第2和3尺度，分别对应12km和24km的理论波长；应用小波逆变换重建了第2、3尺度上的水汽通量散度，结果显示，第2、3两个关键尺度上水汽比湿高值区和水汽通量散度异常值区与模式预报降水有很好的对应关系。（4）基于波作用密度与观测降水的良好相关性，建立了波作用密度暴雨预报方程,2009年台风“苏迪罗”，“天鹅”，“莫拉菲”和“巨爵”的暴雨预报个例分析和长时间序列的ETS评分计算表明，GFS波作用密度暴雨预报方程对台风暴雨表现出较好的预报能力，其降水预报性能优于GFS模式的直接预报。