云南空中水汽資源的時(shí)空分布特征

沈　鷹，段　瑋

(云南省氣象科學(xué)研究所，云南 昆明 650034)

云南空中水汽資源的時(shí)空分布特征

沈鷹，段瑋

(云南省氣象科學(xué)研究所，云南 昆明 650034)

摘要：利用NCEP/NCAR 1981—2010年逐月的再分析資料，詳細(xì)分析了云南省上空的大氣可降水量和水汽通量的月際變化情況，得到云南各地30年平均的大氣可降水量范圍為5～45kg/m2，并在區(qū)域分布上呈“U”字型分布，季節(jié)上呈現(xiàn)出夏季多、冬季少、春秋居中的特點(diǎn)；水汽輸送有著明顯的季節(jié)變化特征，春季的水氣輸送最強(qiáng)，但輸入遠(yuǎn)小于輸出，夏季的水汽輸送較弱，但水汽輸入遠(yuǎn)大于輸出；全省垂直積分水汽通量緯向輸送比經(jīng)向輸送大得多；每年流經(jīng)云南省上空的水汽量達(dá)到1.72×1012t，且1—5月份，全省水汽為凈支出，6—12月份，全省水汽為凈收入，全年水汽凈收入約2.0×1011t。

關(guān)鍵詞：水汽資源；時(shí)空分布；特征研究；云南

云南位于青藏高原的東南側(cè)，靠近孟加拉灣和中國南海這兩個(gè)熱帶海洋，季風(fēng)氣候明顯，冬半年和夏半年分別受到干冷的冬季風(fēng)和濕熱的夏季風(fēng)的影響，有明顯的干季和雨季，干季一般為11月—次年的4月，雨季一般為5—10月。雖然全省年平均降水量達(dá)1200mm左右，省內(nèi)年雨量最大值可達(dá)2739mm，最小值也接近650mm，約為全國平均年降水量的1.9倍，在全國尚稱豐沛，但由于降水在年內(nèi)分配上很不均勻，雨季降水占全年降水的80%以上，干季降水占年降水不足20%，加上云南山地和丘陵面積占94%，壩區(qū)僅占6%，壩區(qū)地多水少，山區(qū)地少水多，大江干流水資源豐富，但河谷深切，耕地少，開發(fā)利用十分困難，因此，大量降水都無法利用。隨著全球氣候變化，全省大面積、長時(shí)間干旱情況呈加重發(fā)生趨勢(shì)，如2009—2010年發(fā)生的全省性秋冬干連著春夏旱，創(chuàng)全省有氣象記錄以來的最大旱災(zāi)，2011—2014年又連續(xù)出現(xiàn)降水偏少現(xiàn)象。目前，云南農(nóng)田有效灌溉面積只占耕地面積的36%，有近2/3的耕地是靠天吃飯、等雨栽種，平均每年有50%左右的縣(市)受到不同程度的干旱影響，平均每年受旱面積約31×104hm2，是云南最主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。

云南地處幾大江河的上游地區(qū)，境內(nèi)的金沙江為長江上游；南盤江是珠江上游，有珠江源之稱；境內(nèi)還有元江-紅河、瀾滄江-湄公河、怒江-薩爾溫江及伊洛瓦底江4條國際河流。過去50年，因人口增加和氣候環(huán)境變化，南亞人均可用水量下降了60%，東南亞下降了55%，有些地處云南省國際河流的下游國家(如越南、老撾、緬甸、泰國等)一直密切關(guān)注云南省國際河流的水資源及其水環(huán)境變化，云南省不可能無限制地利用國際河流的水資源而影響下游地區(qū)對(duì)水資源的利用，因此，如何有效地開發(fā)利用空中水資源，將成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定國家周邊環(huán)境的重要戰(zhàn)略舉措。國內(nèi)很多學(xué)者利用不同的資料，對(duì)不同地區(qū)的空中水資源狀況進(jìn)行了分析，周長艷等[1-3]和蔡英等[4]分析了青藏高原周邊地區(qū)的空中水資源特征，劉蕓蕓等[5]分析了西北干旱區(qū)的空中水資源特征，馬濤等[6]分析了云南的空中水資源特征，劉建西等[7]、王維佳[8]、王平等[9]、何軍等[10]和楊茜等[11]分析了川渝地區(qū)的空中水資源特征，張楠等[12]和劉艷華等[13]分析了華中地區(qū)的空中水汽資源特征。本文試圖對(duì)云南空中水汽資源狀況進(jìn)行深入分析，為云南空中水資源的進(jìn)一步開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1水汽資源的計(jì)算方法和使用的資料

空中水汽資源可用大氣可降水量和水汽通量來表示。

大氣可降水量PW指在某一時(shí)刻單位截面積垂直大氣柱內(nèi)所含的水汽總量，它表示單位氣柱中的所有水汽全部凝結(jié)降落后，在氣柱底面產(chǎn)生的液態(tài)水深度，可用kg/m2或mm表示，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：g為重力加速度；ps為地面氣壓；pT為大氣頂處的氣壓，考慮到水汽絕大多數(shù)集中在低層，高層水汽很少，本文取為300hpa。

水汽通量表示單位時(shí)間流經(jīng)單位面積的水汽質(zhì)量。垂直積分水汽通量Q(kg/m·s)是指單位邊長整層大氣的水汽通量，其計(jì)算公式為：

(2)

(3)

(4)

u、v分別為緯向和經(jīng)向風(fēng)速。

本文計(jì)算空中水汽資源主要使用了NCEP/NCAR1981—2010年逐月的再分析資料(水平格點(diǎn)為2.5°×2.5°)，主要包括風(fēng)場、水汽場、地面氣壓場、大氣可降水量等資料。

2大氣可降水量

由云南全省30年平均的大氣可降水量分布(圖1)可以看出，云南的大氣可降水量的區(qū)域分布總體上呈“U”字型分布，表現(xiàn)為北少南多、東西多—中部少的特點(diǎn)，滇東南和滇西南是全省大氣可降水量最大的區(qū)域，這與馬濤等[6]的分析結(jié)果一致；季節(jié)分布呈現(xiàn)出夏季多、冬季少、春秋居中的特點(diǎn)，全省各地多年平均的大氣可降水量范圍為5～45kg/m2，這與周長艷等[3]利用ERA-40資料分析得到的結(jié)果基本一致。

為了進(jìn)一步了解全省不同區(qū)域大氣可降水量的月際變化情況，我們用97.5°E代表云南的西邊界，105°E代表云南的東邊界，22.5°N代表云南的南邊界，27.5°N代表云南的北邊界，102.5°E、25°N代表云南的中部。圖2給出了云南不同地區(qū)多年平均大氣可降水量的月際變化情況。

由圖2可以進(jìn)一步看出，云南省各地的大氣可降水量在1月份最小，在15kg/m2以下，以后開始逐漸增大，6、7、8月份達(dá)到最大，可達(dá)40kg/m2以上，9月份以后開始減少，這與全省各地的降水主要集中在6～9月份的情況相一致。從全省平均來看，大氣可降水量1月份最小，約為11kg/m2，7月份最大，約為36kg/m2，每年5—10月汛期期間，全省平均大氣可降水量在25kg/m2以上，全年平均約為23.4kg/m2，與我國其它省份的情況基本一致。

從地區(qū)分布來看，東、西邊界的大氣可降水量比較接近，東邊界比西邊界的略大，上半年的差異大于下半年。南、北邊界的大氣可降水量全年始終保持著超過10kg/m2的差距，說明南邊界的水汽含量明顯大于北邊界。而滇中地區(qū)的大氣可降水量只比北邊界的略大，是全省大氣可降水量較小的地區(qū)。

3垂直積分水汽通量

云南省受亞洲季風(fēng)影響，其水汽輸送有著明顯的季節(jié)變化特征。從圖3可以看出，冬季(1月)，云南的水汽輸送主要是偏西風(fēng)輸送，全省大部地區(qū)的水汽輸送超過90kg/m·s，而滇東南、滇南一帶的水汽輸送超過120kg/m·s，明顯高于省內(nèi)其它地區(qū)。但是，在水汽輸送較強(qiáng)的同時(shí)，從西邊界輸入云南的水汽較少，只有60kg/m·s左右，而從云南東邊界輸出的水汽較多，超過90kg/m·s，東邊界大部分地段向東輸送的水汽超過120kg/m·s。由此說明，在冬季，雖然云南上空的水汽輸送量較大，但是，輸入的水汽明顯少于輸出的水汽，可以判斷，這部分水汽主要來源于地面蒸發(fā)，這樣，就造成了云南冬春季節(jié)干燥、少雨的氣候特征，這與云南地面氣象觀測(cè)得到的冬季蒸發(fā)大、相對(duì)濕度小的結(jié)果是完全一致的。

春季(4月)，云南的水汽輸送仍然是以偏西風(fēng)輸送為主，但受季風(fēng)轉(zhuǎn)換影響，水汽輸送逐漸偏向西南風(fēng)，而且水汽輸送量明顯增加，全省大部地區(qū)的水汽輸送超過120kg/m·s，滇中及以南地區(qū)的水汽輸送超過150kg/m·s，滇東南一帶的水汽輸送超過200kg/m·s。但是，從西邊界輸入云南的水汽仍然少于從東邊界輸出的水汽，而且其差值比冬季更大，這是由于云南春季氣溫高、風(fēng)速比冬季更大，使得春季地面水汽蒸發(fā)比冬季更強(qiáng)造成的。

夏季(7月)，云南周邊地區(qū)形成了強(qiáng)大的偏南風(fēng)水汽輸送帶，大量的水汽輸送到我國東部地區(qū)，但受地形等各方面條件影響，云南大部地區(qū)的水汽輸送卻明顯減少，全省大部地區(qū)的水汽輸送都<90kg/m·s。云南夏季的水汽輸送雖然較小，但從西邊界和南邊界輸入云南的水汽較多，超過120kg/m·s，而從東邊界和北邊界輸出的水汽則<90kg/m·s，這就造成了云南大部地區(qū)降水主要集中在夏季的現(xiàn)象。

秋季(10月)，受季風(fēng)轉(zhuǎn)換影響，云南的水汽輸送發(fā)生明顯變化，全省大部地區(qū)的水汽輸送超過90kg/m·s，從滇西地區(qū)輸入云南的水汽甚至達(dá)到120kg/m·s，但同時(shí)，滇東北地區(qū)向東向北輸出的水汽也達(dá)到了120kg/m·s。

為了進(jìn)一步了解全省不同區(qū)域水汽輸送的月際變化情況，圖4給出了云南不同地區(qū)多年平均水汽輸送的月際變化情況。

由圖4可以看出，全省各地的水汽通量基本是4月份最大，全省平均可超過160kg/m·s，8月份最小，不到25kg/m·s，全省年平均約為100kg/m·s。從區(qū)域分布來看，每年11月—第二年5月份以前，東邊界的水汽輸送明顯大于西邊界，相差約40kg/m·s，而6—11月份，西邊界的水汽輸送大于東邊界，相差約25kg/m·s；每年11月—第二年7月份，南邊界的水汽輸送明顯大于北邊界，相差約40kg/m·s，而8—11月，北邊界的水汽輸送大于南邊界，相差約30kg/m·s。

由于圖4只能看出水汽輸送的大小，看不出水汽輸送的方向，也看不出哪個(gè)方向的水汽輸送強(qiáng)，因此，圖5進(jìn)一步給出了全省平均的緯向和經(jīng)向的水汽輸送變化情況，表1給出了全省水汽凈收支情況。

由圖5可以看出，全省只有8、9月份的水汽以經(jīng)向輸送為主，其余月份都是以緯向輸送為主，而且緯向輸送比經(jīng)向輸送大得多，全年平均緯向水汽輸送Qλ為95.64kg/m·s，經(jīng)向水汽輸送Qφ為29.26kg/m·s，即緯向輸送約為經(jīng)向輸送的3倍多，每年流經(jīng)云南省上空的水汽量達(dá)到1.72×1012t。

由表1還可以進(jìn)一步看出，在緯向輸送遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)向輸送的同時(shí)，11月—第2年5月，從西邊界輸入的水汽小于從東邊界輸出的水汽，即意味著水汽在緯向輸送上為凈支出，而6—10月，由西邊界輸入的水汽大于從東邊界輸出的水汽，即意味著水汽在緯向輸送上為凈收入，特別是在8、9月份，在東邊界還有從東向西的水汽輸入，這主要是在夏季，云南受東南季風(fēng)影響造成的。從全年來看，全省緯向輸送的水汽收支基本持平。在經(jīng)向輸送上，除了8、9月份外，從南邊界輸入的水汽遠(yuǎn)大于從北邊界輸出的水汽，即意味著水汽在經(jīng)向輸送上為凈收入。

表1　1981—2010年平均各邊界水汽輸送量及凈收支情況(1010t)

西邊界東邊界南邊界北邊界凈收支1月11.716.56.62.5-0.72月12.919.06.83.1-2.43月17.925.36.83.7-4.34月20.125.84.43.8-5.15月19.822.58.86.5-0.46月19.916.69.77.55.57月15.47.57.56.98.58月6.0-3.73.56.56.79月6.0-1.64.68.53.710月10.67.710.58.74.711月10.312.38.23.52.712月9.612.75.81.61.1全年合計(jì)160.2160.683.262.820.0

*水汽輸送由西向東為正，由南向北為正，水汽凈收入為正。

1—5月份，云南整個(gè)區(qū)域的水汽為凈支出，且3、4月份的水汽凈支出最大，6—12月份，整個(gè)區(qū)域的水汽為凈收入，且6、7、8月份的水汽凈收入最大。就全年而言，整個(gè)區(qū)域的水汽凈收入約2.0×1011t，且主要來源于水汽的經(jīng)向輸送。

4小結(jié)

(1)云南的大氣可降水量的區(qū)域分布總體上呈“U”字型分布，表現(xiàn)為北少南多、東西多—中部少的特點(diǎn)；季節(jié)分布呈現(xiàn)出夏季多、冬季少、春秋居中的特點(diǎn)。全省各地多年平均的大氣可降水量范圍為5～45kg/m2。

(2)云南受亞洲季風(fēng)影響，其水汽輸送有著明顯的季節(jié)變化特征，春季的水氣輸送最強(qiáng)，大部地區(qū)的水汽輸送超過120kg/m·s，但水汽輸入遠(yuǎn)小于輸出；夏季的水汽輸送較弱，大部地區(qū)的水汽輸送都小于90kg/m·s，但水汽輸入遠(yuǎn)大于輸出。

(3)全省垂直積分水汽通量緯向輸送比經(jīng)向輸送大得多，全年平均緯向水汽輸送為95.64kg/m·s，經(jīng)向水汽輸送為29.26kg/m·s。

(4)每年流經(jīng)云南上空的水汽量達(dá)到1.72×1012t。

(5)1—5月份，全省水汽為凈支出，且3、4月份的水汽凈支出最大；6—12月份，全省水汽為凈收入，且6、7、8月份的水汽凈收入最大。全省年均水汽凈收入約2.0×1011t。

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Characteristics of Temporal and Spatial Distribution of Water Vapor Resource in Yunnan Area

SHEN Ying, DUAN Wei

(Yunnan Institute of Meteorology, Kunming Yunnan 650034,China)

Abstract：Based on the NCEP/NCAR monthly reanalysis data from 1981 to 2010, the variations of the precipitable water content and the water vapor flux over Yunnan province were analyzed in this paper. The results showed that the average precipitable water content range was between 5kg/m2 and 45kg/m2 in the recent 30 years, and demonstrated a “U” type on the regional distribution, and occurred the most in summer, the least in winter, the medium in spring and autumn seasonally. The water vapor transport had obvious seasonal characteristics. It was the strongest in spring, but the input was far less than the output. The water vapor transport was weaker in summer, but the input was far more than the output. The zonal transport of the vertically integrated water vapor flux was much bigger than the meridional transport. The annual water vapor that passed through Yunnan province couldreach 1.72×1012tons. The water vapor during January to May was net output, but it shifted to net input during June to December. The annual water vapor was net input in total, which was about 2.0×1011tons.

Key words：water vapor resource; spatial-temporal distribution; characteristic;Yunnan

收稿日期：2016-02-15

基金項(xiàng)目：云南省科技惠民計(jì)劃(2014RA002)。

作者簡介：沈鷹(1966-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境、人工影響天氣、大氣物理等。

中圖分類號(hào)：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-9655(2016)04-0036-06