西南地區(qū)空中云水量分布特征及變化趨勢(shì)

林 丹, 王維佳

(四川省人工影響天氣辦公室,四川成都610072)

0 引言

近幾十年來(lái),如何對(duì)空中水資源進(jìn)行有效合理的開發(fā)利用已經(jīng)受到了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的重視?？罩兴Y源的分布及其變化規(guī)律特征是指導(dǎo)人工影響天氣作業(yè)的有效指標(biāo),為人工影響天氣工作打下重要基礎(chǔ)[1]。目前,大部分有關(guān)空中水資源的試驗(yàn)研究主要是圍繞大氣可降水量的演變特征,例如蔡英等[2]、郭潔等[3]、張玉娟等[4]分別對(duì)青藏高原地區(qū)、川渝地區(qū)以及中國(guó)西北地區(qū)大氣可降水量的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析。但是,降水的形成過(guò)程是云中的小水滴增大變成為雨滴、雪花及其他降水物的過(guò)程,也就是說(shuō),大氣降水時(shí)必須有云,而以云的形式存在于云中的水,才有可能通過(guò)自然過(guò)程或人工影響產(chǎn)生降水。

以往研究表明,云水量不足大氣可降水量的1%,云水量只是大氣可降水量中的一小部分[5-6]。因此,僅僅研究大氣可降水量的演變特征,不能準(zhǔn)確反映出空中云水資源條件和人工增雨的潛力[5]。由于云水量資料獲取較為困難,導(dǎo)致對(duì)云水量的研究比較缺乏,嚴(yán)重阻礙了對(duì)空中水資源開發(fā)利用問(wèn)題的研究進(jìn)展[7]。目前,對(duì)云水量的研究方法有飛機(jī),微波探測(cè)[5-6,8-9],衛(wèi)星遙感[10-13]等。飛機(jī)是指探測(cè)飛機(jī)飛入云系后利用機(jī)載儀器直接測(cè)量云水量,這種方法取得的數(shù)據(jù)范圍小,不連續(xù),誤差大,且一次探測(cè)飛行成本較高;微波探測(cè)技術(shù)較為成熟,但仍然空間范圍有限,無(wú)法獲得大范圍的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行比較分析;隨著衛(wèi)星遙感儀器的進(jìn)步,利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)云水量的研究取得了較大進(jìn)展,但這種方法時(shí)空分辨率比較低,適合于個(gè)例或短期分析,不適合進(jìn)行大范圍長(zhǎng)時(shí)間的研究。因此,選擇使用NCEP資料對(duì)整個(gè)西南地區(qū)云水量的分布特征和變化趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究。

1 資料和方法

采用的資料為NCEP(National Centers for Environmental Prediction)CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)的云水量逐月再分析資料,分辨率為0.5°×0.5°,資料長(zhǎng)度由1980～2009年,單位kg·m-2。CFSR數(shù)據(jù)是由NOMADS(NOAA's National Operational Model Archive and Distribution System)提供,涵蓋大氣、海洋和陸地等大部分氣象研究所需資料,具備高覆蓋率和分辨率,同時(shí)具備時(shí)間序列長(zhǎng)、資料完整等優(yōu)點(diǎn)[14]。

文中提到的云水量是指云中的含水量,按常規(guī)季節(jié)分類,一年分春季(3～5月),夏季(6～8月),秋季(9～11月),冬季(12～2月)。選取范圍 96.5°E～111.5°E,20.5°N～ 35.5°N 的區(qū)域(包括云南、貴州 、四川 、重慶),共計(jì)31×31個(gè)格點(diǎn)。在分析西南地區(qū)年云水量分布時(shí),平均1980～2009年共計(jì)30年的格點(diǎn)數(shù)據(jù),在分析西南地區(qū)季節(jié)云水量分布時(shí),將每3個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行格點(diǎn)累加再平均得出各季節(jié)的平均值。通過(guò)計(jì)算年和季節(jié)云水量,并結(jié)合EOF分析,對(duì)西南地區(qū)的云水量分布特征和變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究。

2 結(jié)果分析

2.1 云水量空間分布

云水量的多少與云量密切相關(guān),研究表明,西南地區(qū)云量的分布特征為東多西少,四川東部、重慶和貴州地區(qū)總云量相對(duì)較多[15]。從圖1可知,西南地區(qū)云水量的空間分布與云量分布基本一致,總體為東南多、西北少。云水量的最大值與最小值差異不大,最小值出現(xiàn)在四川西部高原地區(qū),為30kg·m-2,最大值出現(xiàn)在四川盆地,為70 kg·m-2。

西南地區(qū)云水量的經(jīng)向分布特征明顯,在同一緯度出現(xiàn)某些地方數(shù)值偏小,而局部區(qū)域相對(duì)偏高的情況,如在四川地區(qū)云水量的梯度變化最大,從最小值 30kg·m-2到最大值70 kg·m-2。除去四川地區(qū),其余3個(gè)地區(qū)云水量分布較為均勻,區(qū)域內(nèi)部差異較小,云南和重慶地區(qū)云水量約50kg·m-2,貴州地區(qū)云水量約60kg·m-2。

圖1 1980～2009年西南地區(qū)年云水量分布(單位:kg·m-2)

圖2 1980～2009年西南地區(qū)季節(jié)云水量分布(單位:kg·m-2)

從4個(gè)季節(jié)來(lái)看,西南地區(qū)春季云水量在8～20kg·m-2,夏季在12～20kg·m-2,秋季在8～20kg·m-2,冬季在4～14kg·m-2。與圖1分布類似,4個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)出東南多、西北少的分布特征。除了冬季,春季、夏季和秋季云水量的最大值均出現(xiàn)在四川盆地,為20 kg·m-2,。在春季和冬季,云南地區(qū)云水量較少,與四川西部高原地區(qū)云水量相當(dāng)。重慶地區(qū)的云水量在春季、夏季和秋季差異不大,均約為12 kg·m-2,冬季則相對(duì)偏少,約為6～10 kg·m-2。李興宇等[7]采用ISCCP D2的數(shù)據(jù)研究了整個(gè)中國(guó)地區(qū)空中云水資源的分布特征,與之比較,西南地區(qū)云水量的分布特征大部分一致,川西高原的云水量低于盆地地區(qū),在春、冬季,云貴高原地區(qū)云水量徑向分布明顯,東西兩側(cè)差異大。

由于西南地區(qū)地域遼闊,地貌特殊,氣候復(fù)雜多變,導(dǎo)致云水量的空間分布不均和季節(jié)差異較大,再加之水資源豐富的季節(jié)又不一定缺水和適合人工增雨作業(yè),或者急需要人工增雨的地區(qū)又不一定有充足的云水量供以利用,這些問(wèn)題都加大了西南地區(qū)空中水資源的合理開發(fā)和利用難度。

2.2 云水量年內(nèi)分布

從圖3中可知,西南地區(qū)云水量年內(nèi)分布表現(xiàn)為近似的正態(tài)分布,單峰型。云水量最大值出現(xiàn)在每年6月,其次為7月和5月,12月云水量最少,6月云水量約為12月的2.4倍。

從1月到6月,云水量逐漸增多,5月增加幅度顯著,增加值約1000kg·m-2,從7月開始,云水量逐月減少,但相比上半年,下半年的減少幅度沒(méi)有增加幅度明顯,8月、9月和10月云水量差異不大,11月減少幅度顯著,減少量超過(guò)1000 kg·m-2。

從季節(jié)變化來(lái)看,季節(jié)分配鮮明,夏季云水量最豐富,占全年總含量的32.6%,春季和秋季次之,春季略大于秋季,分別占全年的25.8%和24.9%,冬季云水量最少,僅占16.7%,為夏季云水量含量的一半。

圖3 西南地區(qū)云水量年內(nèi)分布

2.3 云水量年際變化

對(duì)年和季節(jié)云水量進(jìn)行距平百分率處理,距平百分率=(當(dāng)年值-多年平均值)/多年平均值。

從圖4可見(jiàn),西南地區(qū)云水量的年際變化非常明顯,且浮動(dòng)較大。20世紀(jì)80年代,距平百分率均為正值,表明這段時(shí)間,西南地區(qū)云水量偏多,從20世紀(jì)90年代初期以后,距平百分率幾乎全部為負(fù)值,表明這段時(shí)間,西南地區(qū)云水量偏少。對(duì)距平百分率作線性趨勢(shì)分析,得到回歸系數(shù)b=-0.598%/a,回歸常數(shù)a=9.27%,建立一元方程y=-0.598t+9.27,30年來(lái)西南地區(qū)云水量含量隨時(shí)間減少,通過(guò)計(jì)算得出相關(guān)系數(shù)r=0.73,超過(guò)0.01顯著性水平。由此可見(jiàn),減少趨勢(shì)非常顯著。李慧晶等[16]研究發(fā)現(xiàn),1990年以后,整個(gè)西南地區(qū)總云量隨時(shí)間持續(xù)減少,這與云水量的減少趨勢(shì)結(jié)論一致,也是造成云水量減少的因素之一。

西南地區(qū)云水量年際變化十分懸殊,正距平百分率最大值為1989年的13%,負(fù)距平百分率最大值為2006年的-14%。在1983年、1985年、1989年、1990年,距平百分率處于高值區(qū),云水量明顯偏多;在1998年、1999年、2006年、2009年,距平百分率處于低值區(qū),云水量明顯偏少。分析發(fā)現(xiàn)在云水量偏少的年份,西南地區(qū)的干旱情況嚴(yán)重,例如:2000年西南干旱造成2000多萬(wàn)人飲水困難,2006年夏季西南地區(qū)東部發(fā)生特大干旱[17],2009年秋季到2010年春季,西南地區(qū)發(fā)生了百年一遇的特大干旱[18]。云水量的多少與干旱緊密相關(guān),如何在云水量偏少的情況下,最大限度開發(fā)利用空中水資源,緩解旱情,是值得深入研究的問(wèn)題。

圖4 1980～2009年西南地區(qū)云水量含量距平百分率

2.4 云水量季節(jié)變化

從圖5(a)可見(jiàn),西南地區(qū)春季云水量偏多年和偏少年交替出現(xiàn),12年出現(xiàn)正距平百分率,18年出現(xiàn)負(fù)距平百分率,偏少年出現(xiàn)幾率略大于偏多年。對(duì)春季云水量進(jìn)行線性趨勢(shì)分析,得出春季云水量沒(méi)有明顯增多或減少趨勢(shì)。

從圖5(b)可見(jiàn),在20世紀(jì)90年代中期以前,西南地區(qū)夏季云水量高于30年平均值,20世紀(jì)90年代中期以后,云水量顯著減少,低于30年平均值。對(duì)夏季云水量進(jìn)行線性趨勢(shì)分析,得到回歸系數(shù)b=-0.88%/a,回歸常數(shù)a=13.59%,相關(guān)系數(shù)r=0.68,通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn),可見(jiàn)夏季云水量下降趨勢(shì)明顯。

從圖5(c)可見(jiàn),秋季云水量的年際變化與夏季類似,云水量由偏多變?yōu)槠?但是偏多與偏少的分界點(diǎn)時(shí)間提前。正距平百分率僅出現(xiàn)11次,而且集中出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代,表明這段時(shí)間,西南地區(qū)秋季云水量充足;從20世紀(jì)90年代初開始,除1995年以外,距平百分率全部為負(fù)值,云水量偏少。對(duì)秋季云水量進(jìn)行線性趨勢(shì)分析,得到回歸系數(shù)b=-1%/a,回歸常數(shù)a=15.53%,相關(guān)系數(shù)r=0.74,超過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn),可見(jiàn)秋季云水量呈現(xiàn)出減少趨勢(shì),且減少趨勢(shì)較夏季更為顯著。

從圖5(d)可見(jiàn),西南地區(qū)冬季云水量年際變化與春季相似,偏多年和偏少年交替出現(xiàn),14年出現(xiàn)正距平百分率,16年出現(xiàn)負(fù)距平百分率,偏少年出現(xiàn)幾率略大于偏多年。對(duì)冬季云水量進(jìn)行線性趨勢(shì)分析,雖然冬季云水量呈現(xiàn)出減少趨勢(shì),但并沒(méi)有通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)。

盡管西南地區(qū)4個(gè)季節(jié)云水量年際變化各不相同,但與圖4比較,在年云水量偏少的年份,1998年、1999年、2003年、2006年、2009年,4個(gè)季節(jié)的云水量也均偏少;在年云水量偏多的年份,1983年、1985年、1988年、1989年,4個(gè)季節(jié)的云水量也均偏多。

圖5 1980～2009年西南地區(qū)季節(jié)云水量距平百分率

李聰?shù)萚19]對(duì)西南地區(qū)1950～2010年的降水進(jìn)行研究,結(jié)果表明,西南地區(qū)夏季和秋季降水均呈現(xiàn)出減少趨勢(shì),秋季減少尤其明顯。從1951年起秋季降水一直維持明顯減少趨勢(shì),在21世紀(jì)以后,減少趨勢(shì)更顯著。西南地區(qū)春季和冬季降水開始進(jìn)入一個(gè)減少的年代際時(shí)期。由此看出,云水量的變化趨勢(shì)和降水量變化趨勢(shì)基本一致,降水的形成過(guò)程是云中的小水滴增大變成為雨滴、雪花及其他降水物的過(guò)程,由于空中云水量減少,可能導(dǎo)致形成大雨滴的機(jī)率減少,最終降水量減少。

2.5 云水量變化的特征模態(tài)

對(duì)西南地區(qū)年云水量作EOF分析,分解得出前3個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)分別為36%、21%、9%,累積貢獻(xiàn)率超過(guò)60%,前兩個(gè)方差貢獻(xiàn)率超過(guò)50%,說(shuō)明前兩類型基本反映了西南地區(qū)云水量的變化特征。因此,文中主要針對(duì)前兩個(gè)模態(tài)進(jìn)行分析。

從第一模態(tài)向量場(chǎng)(圖6c)中可以看出西南地區(qū)的南部和北部存在方向的變化特征,南部為正值,北部為負(fù)值,四川和重慶西北部位于負(fù)值區(qū),云南、貴州和重慶東南部位于正值區(qū)。結(jié)合第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)(圖6a),20世紀(jì)90年代中期以前,時(shí)間系數(shù)大部分為正值,表明這段時(shí)間西南地區(qū)北部云水量偏少,南部云水量偏多;20世紀(jì)90年代中期以后,時(shí)間系數(shù)均為負(fù)值,表明這段時(shí)間西南地區(qū)北部云水量偏多,南部云水量偏少。

從第二模態(tài)向量場(chǎng)(圖6d)中可以看出西南地區(qū)呈現(xiàn)出整體一致的變化特征,呈同位相分布,均為正值,高值區(qū)出現(xiàn)在四川盆地和重慶地區(qū),說(shuō)明該區(qū)域云水量最容易發(fā)生異常,變率較大。結(jié)合第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)(圖6b),時(shí)間系數(shù)波動(dòng)較大,對(duì)時(shí)間系數(shù)作線性趨勢(shì)分析,發(fā)現(xiàn)除了存在年際間的波動(dòng)外,整個(gè)西南地區(qū)云水量隨時(shí)間減少。從正值對(duì)應(yīng)云水量偏多年份,負(fù)值對(duì)應(yīng)云水量偏少年份來(lái)看,在1989年和1990年,整個(gè)西南地區(qū)云水量明顯偏多,在1998年和2006年,整個(gè)西南地區(qū)云水量明顯偏少。

圖6 西南地區(qū)云水量EOF分析圖

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)年和季節(jié)云水量的空間分布均為東南多、西北少,最小值30kg·m-2出現(xiàn)在四川西部高原地區(qū),最大值70kg·m-2出現(xiàn)在四川盆地。

(2)夏季是全年云水量最多的季節(jié),春季、秋季次之,最少的為冬季。春季云水量在8～20kg·m-2,夏季在12～ 20kg·m-2,秋季在8～ 20kg·m-2,冬季在4～ 14kg·m-2。

(3)逐月云水量呈近似的正態(tài)分布,1～6月云水量逐漸增加,7～12月逐漸減少,6、7月為云水量最多的月份。

(4)30年來(lái),西南地區(qū)年云水量呈減少趨勢(shì)。春季云水量沒(méi)有明顯增多或減少趨勢(shì),而夏季、秋季、冬季云水量均呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)。

(5)云水量變化既具有南北差異性,20世紀(jì)90年代中期以前,南部云水量偏多,北部偏少;20世紀(jì)90年代中期以后,北部偏多,南部偏少;也具有整體一致性,整個(gè)西南地區(qū)云水量隨時(shí)間減少。

[1] 袁健,趙姝慧,張維全,等.云水量含量在人工影響天氣中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(1):508-602.

[2] 蔡英,錢正安,吳統(tǒng)文,等.青藏高原及周圍地區(qū)大氣可降水量的分布、變化與各地多變的降水氣候[J].高原氣象,2004,23(1):1-10.

[3] 郭潔,李國(guó)平.川渝地區(qū)大氣可降水量的氣候特征以及與地面水汽量的關(guān)系[J].自然資源學(xué)報(bào),2009,24(2):344-350.

[4] 張玉娟,謝金南,羅哲賢.我國(guó)西北地區(qū)東部可降水量變化趨勢(shì)的初步研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2005,28(2):254-259.

[5] 段英,吳志會(huì).利用地基遙感方法監(jiān)測(cè)大氣中汽態(tài)、液態(tài)水含量分布特征的分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1999,10(1):34-40.

[6] Grody N,J Zhao,R Ferraro,et al.Determination of precipitable water and cloud liquid water over oceansfrom the NOAA 15 advanced microwave sounding unit[J].J.Geophys.Res.2001,106(D3),2943-2953.

[7] 李興宇,郭學(xué)良,朱江.中國(guó)地區(qū)空中云水資源氣候分布特征及變化趨勢(shì)[J].大氣科學(xué),2008,32(5):1094-1106.

[8] 陳洪濱.星載微波輻射計(jì)遙感反演云水量的一個(gè)算式[J].遙感學(xué)報(bào),2000,4(3):165-171.

[9] Lion K N,Duff A D.Atmospheric liquid water content derived from parameterization of Nimbus-6 scanning microwave spectrometer data[J].J App Meteor,1979,18:99-103.

[10] 姚展予,彭亮.衛(wèi)星微波被動(dòng)遙感云中液態(tài)水的研究進(jìn)展[J].氣象學(xué)報(bào),2009,67(2):331-341.

[11] 李萬(wàn)彪,朱元競(jìng),趙柏林.用T RMM衛(wèi)星微波成像儀遙感云水量[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2003,3(14):20-26.

[12] O'Dell,Christopher W,Frank J Wentz,et al.Cloud Liquid Water Path from Satellite-Based Passive Microwave Observations:A New Climatology over the Global Oceans[J].J.Climate.2008,21:1721-1739.

[13] Prabhakara C,Wang I,Chang A T C,et al.A statistical examination of Nimbus-7 SMMR data and remote sensing of sea surface temperature,liquid water content in the atmosphere and surface wind speed.J Clim App Meteorol,1983,22:2023-2037.

[14] Saha,Suranjana,Coauthors.The NCEP Climate Forecast System Reanalysis[J].Bull Amer Meteor Soc,2010,91:1015-1057.

[15] 張琪,李躍清,陳權(quán)亮,等.近46年西南地區(qū)云量的時(shí)空變化特征[J].高原氣象,2011,30(2):339-348.

[16]李慧晶,劉建西,林丹,等.中國(guó)西南地區(qū)50年云量分布特征[C].中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2012年年會(huì)論文集.2012年.

[17] 李永華,徐海明,劉德.2006年夏季西南地區(qū)東部特大干旱及其大氣環(huán)流異常[J].氣象學(xué)報(bào),2009,67(1)122-132.

[18] 黃榮輝,劉永,王林,等.2009年秋至2010年春我國(guó)西南地區(qū)嚴(yán)重干旱的成因分析[J].2012,36(3):443-457.

[19] 李聰,肖子牛,張曉玲.近60年中國(guó)不同區(qū)域降水的氣候變化特征[J].氣象,2012,38(4):419-424.