近年来，暴雨等极端天气多发，对人民群众生命财产安全和生态环境等造成极大危害。如何对暴雨自然灾害气候进行监测预警，迫在眉睫。桂林理工大学等科研团队经过多年研究，利用北斗系统来精准监测降雨形成与演变过程的重要基础数据——大气水汽含量，突破了全球及区域对流层建模等关键技术，形成了自主创新的“高精度北斗/GNSS大气水汽监测技术及其应用”体系，并获得2022年度广西科学技术进步奖一等奖。今天的节目我们一起去了解这个“知风雨保家园”的科技项目。
2021年7月20日下午4点起，源源不断的中尺度雨团加速奔向河南郑州，代表猛烈暴雨的深红色回波定格在郑州市区，雨量计的曲线骤然向上，涨破极限。此时，瓢泼大雨倾泻而下，城市街道地面短时间内就形成了肆虐的洪流和内涝，损失巨大。郑州国家气象站数据显示，当时60分钟最大雨量达到202.2毫米，为我国所有国家级气象站已监测到的数据之最，也是有气象纪录以来，全球所有城市的最大小时雨量。
2023年7月29日20时至31日13时，北京也遭遇了特大暴雨袭击，北京地区平均降雨量达到176.9毫米，最大降雨量的门头沟区极限创造了580.9毫米的历史记录。
极端天气气候是指在一定地区在一定的时间内出现的历史上罕见的气象事件，其发生概率通常小于5%或10%。比如说强台风、海啸、雾霾、冰雹、泥石流、水灾等等，这些极端天气带来的危害损失巨大。
近年来，极端天气事件在世界各地频频上演，现有研究表明，全球变暖趋势仍将持续，气候变化影响和极端天气风险的广度深度预计会进一步扩大。世界气象组织发布的报告也显示，过去50年，由于气候变化的影响，灾害数量增加了5倍，灾害损失增加7倍多。除了不断上涨的数字，气候变化也给人们带来了很多不可预见的影响，它不仅破坏我们的家园，甚至危害人类的心理健康，有专家表示，气候变化会加剧焦虑症、抑郁症和创伤后应激障碍的风险。
在城市高层建筑集中区，热岛环流有利于城市上空的热对流发展，易于引起暴雨出现。城市上空排放的大量的污染物，有利于凝结核的形成，使城市部分降水量相对于郊区有所增加。
充足的大气水汽含量是形成降雨的必要条件，如何科学监测大气水汽，对及时预警暴雨洪涝灾害至关重要。而传统的大气水汽监测手段主要包括天气雷达、无线电探空、地面气象站以及水汽辐射计等。
能够实时高精度监测大气水汽含量对研究水循环特征有着重要的意义，是解决预警暴雨洪涝灾害的“钥匙”。水汽监测在天气预报和气候研究领域占有很重要的地位，一般可以用无线电探空仪直接获得，也可由卫星水汽通道与雷达等手段反演得到。这些技术各有优缺点，但均不具有同时获取全天候、实时、高精度、高时空分辨率大气水汽含量的优势。
大气水汽含量，又称大气可降水量,是影响大气环流的重要大气成分。世界现有的综合气象观测监测系统，包括欧洲中期天气预报中心提供的全球大气再分析数据集，其优点是具有较高的时空分辨率和精度，但产品在复杂地形或者复杂山区存在较大的系统偏差，且无法实时获取；而美国宇航局卫星搭载的中分辨率成像光谱仪能够提供全球大气可降水量，其优点是空间分辨率高，但时间分辨率太低，受卫星轨道和云量影响较大，导致大气水汽含量监测时空不连续、数据精度较低，很大程度上限制了高分辨率遥感数据在监测大气水汽含量方面的应用。
随着卫星导航技术的发展与气象学的交叉融合，使得卫星导航技术成为水汽监测的一种先进手段。团队一开始的方向就是充分发挥我国北斗系统这一国之重器的重要作用，利用自主创新的北斗全球卫星导航系统建立高精度大气水汽监测技术体系。
目前，我国第三代北斗全球卫星导航系统，是真正意义上的全球导航系统。其在全球范围定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于20纳秒、服务可用性优于99%，在亚太地区性能更优。
北斗系统的作用就是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的导航系统，提供短报文通信、精密授时、精确定位等服务。怎样利用好我国的北斗系统，让它成为监测高精度大气水汽的“千里眼”，为我们提供科学、准确的实时数据，是十多年来团队一直执着于要解决的问题。
北斗/GNSS系统由于其本身具有全天候、实时、且观测站网分布密集的优势，已经成为监测高精度大气水汽含量的重要手段，为各大数值天气预报机构提供了重要数据源。其中，北斗系统具有独特的星座设计，用它来监测复杂山区的大气水汽更有优势。
广西地处丘陵地区，地理地貌复杂，自然灾害多发。如何在大气水汽监测方面有所突破，及时准确地预警即将发生的短期、中长期暴雨预测，一直是桂林理工大学科研团队研究的重点方向。桂林理工大学测绘地理信息学院院长刘立龙教授从2007年开始便承接了这一项目，他带领团队充分利用北斗系统优势，通过建立实时高精度大气水汽反演模型，以实现大气水汽含量的实时高精度监测。首先，要创建实时高精度全球及区域对流层延迟建模方法，这其中需要解决对流层模型时空分辨率低、未考虑精细时空变化等瓶颈问题。
现有对流层模型时空分辨率低、未能反映对流层精细时空变化，导致复杂山区定位“定不准、测不快”，针对该问题，团队开创性地提出提出了顾及多维时空因子的对流层精细建模新方法，构建了实时高精度高分辨率全球对流层延迟新模型，新模型相对国际权威模型精度大幅度提升，实现了全球任意位置和任何时间的对流层延迟精密获取与垂直改正，基于新模型约束北斗精密单点定位，高程方向精度改善显著，尤其在复杂山区的应用优势更为明显。
科研团队还提出了融合数值预报模式和经验模型的实时精密大气水汽监测方法，创立了高精度的全球及区域北斗/GNSS大气水汽监测技术方法，摆脱了实时高精度大气水汽监测对实测气象参数的依赖，实现了高精度、高分辨率、高稳定性二维大气水汽信息的实时获取，精度较国际权威模型提高了17%—26%。二维水汽精度优于2毫米，在不依赖实测气象数据的前提下，达到国际先进水平。
水汽在不同地形有差异，地形对水汽含量影响较大，加之广西地区地形复杂，传统的GPS大气水汽监测方法存在对山区精细三维水汽变化“理不清、测不全”的问题。
科研团队于是结合北斗卫星在广西复杂山区具有较好的覆盖、可增加观测源、改善卫星几何分布结构、缩短观测时间等优势，提出了非均匀高度网格划分的高精度北斗/GNSS三维水汽监测星地融合方法。突破了山区测定高精度三维水汽监测精细变化的关键问题，实现了山区精密三维水汽信息的准实时测定，三维水汽精度优于3毫米、时间分辨率优于10秒，经过水汽重建水平分辨率达亚公里级，复杂山区垂直分辨率为200-400米，达到国际先进水平，为有效监测山区暴雨灾害提供技术支持。
随着广西北斗高精度基准站网建设和中海达、南方测绘等企业的定位软件研发，提供了对流层延迟改正的优选方案，解决了长距离大范围北斗/GNSS精密快速定位难题，使得这一科研成果还能为广西自然资源监测和生态文明建设提供快速定位技术，提高了效率，节约了成本。成果在广西的测绘、气象、地质、环境等行业得到广泛应用，服务于西部陆海新通道、世纪工程平陆运河、港珠澳大桥等国家重大工程，同时还建立了一支以中青年为骨干的有国际影响力的创新队伍，推动了北斗大气水汽监测技术的深入和发展，产生了巨大的社会经济效益。
十年磨一剑，经过不懈钻研，该项目共获得授权发明专利5项，制定国家标准1项，出版专著3部，登记计算机软件著作权4项，发表论文100余篇。研究成果在广西气象科学研究所、国家基础地理信息中心等企事业单位得到成功应用，产生了显著的社会、经济和生态效益。
广西卫视
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