中国地基GPS水汽资料复杂网络拓扑特征研究

Ground-based GPS precipitable water vapor (PWV) observations are widely used in assimilation, nowcasting, water cycle and climate change. There are difficulties of wide application of PWV especially in assimilation. Because of the GPS ground stations are uneven distribution in China. There is no PWV data under different time scales for different spatial-temporal operation and research application. Therefore, the first step of the project is to establish PWV data sets meeting application needs. Based on these data sets, the topological characteristics of PWV observations will be analyzed for the time scales from hourly to annually using complex networks. Combined with percolation theory and information theory, the regional and hub characteristics of stations will be studied for GPS PWV observations under different time scales, and the connectivity for the observation network. Then the representative of each station and the rationality of the existing observation network of PWV will be judged under different time scales over China. It will provide the scientific theory and method for the PWV data spatial-temporal representation and making up for spatial-temporal discontinuities, and then promote the development of the PWV observation operational layout and their applications in different meteorological services and research.

GPS水汽资料在资料同化、临近预报、水循环和气候变化研究等方面有着广泛应用。但是由于中国地基GPS站点空间分布不均匀，在大范围GPS水汽资料应用，尤其是将资料格点化后用于资料同化还存在一定的困难，也没有适用于不同时间尺度应用的GPS水汽资料。鉴于此，本项目首先进行一项重要的基础研究，即建立一套不同时间尺度上中国水汽资料。基于此资料，利用复杂网络的经典物理统计量与分析方法，结合逾渗理论和信息论，分析中国区域水汽资料从小时到年际时间尺度上的复杂网络拓扑特征，探讨现有GPS水汽观测站点在各个时间尺度上的枢纽性和区域性，以及观测网络整体的连通性，从而判断在不同时间尺度上各站点的代表性与现有观测网络布局的合理性。为科学评估GPS水汽站点资料的时空代表性和弥补现有资料时空不连续性提供理论和方法支撑，进而促进该资料观测业务布局的发展以及在不同气象业务与研究中的应用。

水汽是大气的一种重要成分，在大气物理和化学过程中扮演着重要的角色，控制着地球上的热量平衡。大气中水汽分布极不均匀，且变化迅速。因此若要改进天气预报、提高气候监测预报能力、研究高空湿度分布，需要质量较高且时间序列较长的水汽资料，并且对资料有较深刻的理解和认知。.项目完成了中国地基GPS、中国气象局探空和空军参谋部气象局探空水汽资料的收集、评估和构建，解决了资料问题。对三种源数据进行了格式统一、重复以及粗大错误数据剔除和拼接，得到时间序列较长的2类中国水汽资料。在此基础上对数据源从台站变化、观测时次、完整性和偏差等方面进行评估。结果表明：空军参谋部气象局的资料可以有效补充18时中国探空水汽资料的不观测，探空资料拓展了中国水汽资料的长度，地基GPS资料有效提升了中国水汽的观测密度；2类资料的水汽变化在日尺度上非常一致、线性正相关且相关性非常好；月尺度偏差能提现探空仪器的改变。.通过复杂网络方法框架，项目构建了无向和有向水汽复杂网络，运用复杂网络经典物理量对水汽网络的集体动力学行为进行了统计和分析。结果表明：对于水汽复杂网络其变量的统计和地理分布对网络有较大的影响，给出了有向水汽网络的信息源和汇，2类水汽网络的度分布类似即无向和有向水汽网络站点的中心性和相互作用模态分布一致，网络距离较短表明水汽站点的作用以短程为主，站点的邻居间相互作用比例为0.58，且有向水汽网络的信息传输效率较无向网络高。.运用逾渗模型结合复杂网络物理量，研究了水汽网络的连通性、类型和特征。2类水汽网络均是连通的，连边概率远大于逾渗相变临界点，网络的鲁棒性较强，为小世界网络。水汽站网布局相对合理，但需要在长江中游加密空间观测。.通过项目实施，构建了中国长序列的高空水汽资料，对于水汽的区域特征、相关性、信息传输、几何拓扑性质、连通性和鲁棒性等有了更深刻的理解和认识。为充分利用中国水汽资料，提供了研究新方法和新思路。