葫蘆島市空中水資源及人工增雨潛力分析

江和文，曹士民，何寶財(cái)，張麗敏，張 博

（1.遼寧省葫蘆島市氣象局，遼寧 葫蘆島125000；2.遼寧省盤錦市氣象局，遼寧 盤錦124000）

葫蘆島市地處遼寧省西南部，下轄一市兩縣三區(qū)，國土面積10 302km2，是遼寧省干旱災(zāi)害發(fā)生最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，尤其是春播期，素有“十年九旱”之稱[1]。近年來，隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水及人畜消耗用水的逐漸增加，淡水資源短缺的矛盾更加突出。面對(duì)日益嚴(yán)重的“缺水”危機(jī)，葫蘆島市在積極發(fā)展節(jié)水灌溉和加強(qiáng)用水資源管理的同時(shí)，也把空中水資源開發(fā)提升到戰(zhàn)略高度。

近年來，遼寧省干旱趨勢(shì)日趨嚴(yán)重[2]，全社會(huì)對(duì)于合理開發(fā)保護(hù)水資源的意識(shí)不斷提升，關(guān)于空中水資源開發(fā)利用的研究工作也越來越多，取得了許多新進(jìn)展[3－5]，張怡等[6]利用商丘市周邊臺(tái)站的探空 資料分析了商丘市空中水資源的季節(jié)分布，并計(jì)算了其人工影響天氣效益為1∶39。楊茜等[7]利用重慶及周邊11個(gè)站探空資料分析了重慶地區(qū)上空水汽含量和水汽輸送的時(shí)空分布特征后認(rèn)為重慶人工增雨潛力較大，龔佃利等[8]、劉曉冉等[9]分別利用探空資料對(duì)山東和三峽庫區(qū)的空中水資源及水汽輸送做了類似的分析。縱觀上述研究成果，大多都基于探空資料來計(jì)算當(dāng)?shù)氐目罩兴Y源含量，而葫蘆島市本地沒有探空站，周邊探空站數(shù)量也較少，所以用探空資料來分析葫蘆島市空中水資源分布情況是難以實(shí)現(xiàn)的，另外關(guān)于葫蘆島市空中水資源開發(fā)研究工作也鮮有報(bào)道。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文的氣象資料來源于葫蘆島市氣象局，資料的時(shí)間序列為1971—2009年，共計(jì)39a，包括所轄4個(gè)地面氣象觀測(cè)站（興城、綏中、建昌、連山）的逐日地面水汽壓、降水觀測(cè)數(shù)據(jù)以及海拔高度、經(jīng)緯度。季節(jié)按習(xí)慣劃分，即春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12—翌年2月。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 整層大氣可降水量（W）和有效空中水資源量（We）大氣中的水汽是始終存在的，若假設(shè)垂直氣柱中所含有的水汽全部凝結(jié)，并積聚在氣柱底面上所具有的液態(tài)水的深度，即所謂的整層大氣可降水量，也可稱為空中水資源總量，可以表示為：

式中：ρ——液態(tài)水密度；g——重力加速度；p——?dú)鈮海籶0——地面氣壓；ε——水汽和干空氣平均摩爾質(zhì)量之比；e——水汽壓。其中在氣象上又稱為比濕。

楊景梅等[10－11]基于我國28個(gè)臺(tái)站的探空資料，利用公式（1）和飽和水汽壓及溫度之間的關(guān)系，建立了地面水汽壓關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式，該方法具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性，而且適用于我國大部分地區(qū)，解決了沒有探空站地區(qū)難以估算空中水資源量的問題，在青藏高原以外的中高緯地區(qū)（緯度≥33°）的具體表達(dá)式如下：

式中：W——整層大氣可降水量（cm）；φ——地理緯度；H——海拔高度（km）；e——地面水汽壓（hPa）。將葫蘆島地區(qū)4個(gè)地面站的海拔高度和地理緯度代入公式（2），計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 葫蘆島地區(qū)各站整層可降水量（W）計(jì)算表達(dá)式

由于晴空大氣，水汽含量有時(shí)候也很豐富，但不會(huì)產(chǎn)生降水，根據(jù)向玉春等[12]研究，有效空中水資源量（We）可以定義為有降水產(chǎn)生（≥0.1mm）的整層大氣可降水量（W），這一點(diǎn)也是比較符合當(dāng)前人工增雨（雪）業(yè)務(wù)實(shí)際的。對(duì)逐日的整層大氣可降水量（W）或者有效空中水資源量（We）按照所需的時(shí)段進(jìn)行時(shí)間積分計(jì)算，即可得到相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的值。

1.2.2 自然降水產(chǎn)出率（Er）所謂自然降水產(chǎn)出率（Er）是指相同統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，實(shí)際產(chǎn)生的自然降水量（R）與有效空中水資源量（We）的百分比，其表達(dá)式為：

1.2.3 人工增雨（雪）潛力值（Wz）一般來說，在有效空中水資源量一定的情況下，自然降水產(chǎn)出率（Er）越低，滯留在大氣中水汽含量越多，其人工增雨（雪）潛力越大，因此人工增雨（雪）潛力（Wz）可表示為：

2 結(jié)果與分析

2.1 葫蘆島空中水資源的時(shí)空分布特征

2.1.1 年變化 根據(jù)公式（2），分別計(jì)算出葫蘆島各縣區(qū)1971—2009年39a年整層大氣可降水量（W）和有降水條件下的整層大氣可降水量，即年有效空中水資源量（We），結(jié)果見圖1。

葫蘆島年平均整層大氣可降水量為5 436～6 543mm，年平均整層大氣可降水量最大值出現(xiàn)在興城，最小值出現(xiàn)在建昌，呈現(xiàn)出沿海高，內(nèi)陸低的特點(diǎn)，可見海洋作為一個(gè)巨大的水源，對(duì)沿海大氣中水汽含量的影響還是非常明顯的。有效空中水資源量為1 742～1 971mm，約為年整層大氣可降水量的1／3，總體呈現(xiàn)出南部略大，北部略小的特點(diǎn)，最大值出現(xiàn)在綏中，最小值出現(xiàn)在建昌，各縣區(qū)之間差異較小。從天氣學(xué)角度分析，究其原因主要有以下兩點(diǎn)：（1）降水出現(xiàn)時(shí)，近地面大氣中水汽一般都接近或達(dá)到飽和，海洋蒸發(fā)的水汽輸送作用要低于無雨條件下，導(dǎo)致沿海和內(nèi)陸的有效空中水資源差異較??；（2）降水的水汽來源主要依賴于大氣中水汽輸送，特別是在大的降水出現(xiàn)時(shí)，本地水汽貢獻(xiàn)量較小，而葫蘆島地區(qū)降水水汽主要來源于西南方向，這就導(dǎo)致了南部的有效空中水資源量略高于北部。

圖1 1971－2009年整層大氣年可降水量（W）和年有效空中水資源量（We）時(shí)間變化趨勢(shì)

2.1.2 多年月平均變化 1971—2009年，葫蘆島各縣區(qū)無論是多年月平均整層大氣可降水量還是多年月平均有效空中水資源量，最大值都出現(xiàn)在7月，最小值均出現(xiàn)在1月，夏季（6—8月）是整層大氣可降水量和有效空中水資源量最多的季節(jié)，約占全年的60%左右，這一點(diǎn)和當(dāng)?shù)叵募窘邓械那闆r非常吻合，冬季（12月至翌年2月）是空中水資源量最少的季節(jié)，春秋兩季的空中水資源量較為接近。具體情況如表2所示。

從表2可以看出，各月有效空中水資源量（We）占當(dāng)月整層大氣可降水量（W）比率有以下特點(diǎn)：6月最高，為34%～43%，12月最低，為7%～9%，上半年逐漸增大，下半年逐漸減小，夏季最大，冬季最小，春季略高于秋季。

表2 葫蘆島地區(qū)各月多年月平均整層大氣可降水量和有效空中水資源量 mm

2.2 自然降水產(chǎn)出率

根據(jù)公式（3），利用近39a葫蘆島各縣區(qū)各月多年平均降水量除以同期多年有空空中水資源量（We），即可計(jì)算出葫蘆島各縣區(qū)各月多年平均自然降水產(chǎn)出率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 葫蘆島多年月平均自然降水產(chǎn)出率

從圖2可以看出，1971—2009年39a間葫蘆島各地月平均自然降水產(chǎn)出率變化趨勢(shì)較為相似，上半年峰值均出現(xiàn)在4月，下半年各地變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，大值一般出現(xiàn)在10月和12月，小值一般出現(xiàn)在9月和11月，全年最小值一般出現(xiàn)在6月和9月。影響自然降水產(chǎn)出率的因素很多，如水汽輸送、地理?xiàng)l件，觀測(cè)站周邊的小氣候條件等，這些因素分別作用于降水量（R）和有效空中水資源量（We），從而導(dǎo)致自然降水產(chǎn)出率月際差異。

1971—2009年39a間葫蘆島市平均年降水量為373～791mm，年降水量最少年份為1992年，最多的年份為1977年，平均年自然降水產(chǎn)出率為24%～41%，39a均值為32%，年自然降水產(chǎn)出率最小的年份為1999年，最大的年份為1994年。為了比較上述二者之間的關(guān)系，本文統(tǒng)計(jì)了葫蘆島地區(qū)年平均降水量和年平均自然降水產(chǎn)出率，具體如圖3所示。從圖3可以看出，自然降水產(chǎn)出率與降水量之間有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，大多數(shù)降水多的年份，自然降水的產(chǎn)出率數(shù)值也較大。

2.3 人工增雨（雪）潛力值

空中水資源作為一種潛在的可再生的水資源，就目前的技術(shù)水平來看，人工增雨是開發(fā)空中水資源的最有效的手段，而空中水資源可開發(fā)潛力對(duì)于開展人工增雨工作具有十分重要的指導(dǎo)意義。根據(jù)公式（4），計(jì)算出葫蘆島各縣區(qū)空中水資源可開發(fā)潛力值，結(jié)果如表3所示。

圖3 葫蘆島地區(qū)平均年降水量與平均年自然降水產(chǎn)出率之間的關(guān)系

從表3可以看出，葫蘆島地區(qū)全年人工增雨（雪）潛力值為1 211～1 370mm，平均值1 257mm，約為該地區(qū)39a平均降水量（574mm）的2.2倍，最大值均出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)在12月或者1月，夏季（6—8月）的可開發(fā)潛力值約占全年的70%。

實(shí)際上，將大氣中的水汽全部轉(zhuǎn)化為降水是不可能實(shí)現(xiàn)的，所以上面計(jì)算出的人工增雨（雪）潛力值對(duì)于實(shí)際的人工增雨作業(yè)而言是偏大的。目前，氣象部門平均增雨（雪）效果約為16%～17%，我國北方各省人工增雨率在20%左右[13－14]，假設(shè)僅能將空中水資源可開發(fā)潛力值的10%轉(zhuǎn)化為降水，對(duì)于葫蘆島地區(qū)10 302萬km2的國土面積，增加的水資源量將是12億t，隨著人工增雨（雪）作業(yè)技術(shù)水平的提高和催化技術(shù)的發(fā)展，人工增雨（雪）作業(yè)能夠?qū)⒏嗟乃D(zhuǎn)化為降水，所以說葫蘆島市空中水資源可開發(fā)的潛力還是很大的。

表3 葫蘆島地區(qū)多年月平均人工增雨（雪）潛力值 mm

3 結(jié)論

（1）葫蘆島年平均整層大氣可降水量為5 436～6 543mm，年平均整層大氣可降水量最大值出現(xiàn)在興城，最小值出現(xiàn)在建昌，呈現(xiàn)出沿海高，內(nèi)陸低的特點(diǎn)，有效空中水資源量為1 742～1 971mm，約為整層大氣年可降水量的1／3，總體呈現(xiàn)出南部略大，北部略小的特點(diǎn)，最大值出現(xiàn)在綏中，最小值出現(xiàn)在建昌，各縣區(qū)之間差異較小。

（2）葫蘆島1971—2009年39a間自然降水產(chǎn)出率平均為32%，年自然降水產(chǎn)出率與年降水量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般降水偏多的年份自然降水產(chǎn)出率也較大，但不絕對(duì)。各月自然降水上半年最大值均出現(xiàn)在4月，下半年各地變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，大值一般出現(xiàn)在10月和12月，小值一般出現(xiàn)在9月和11月。

（3）葫蘆島地區(qū)全年人工增雨（雪）潛力值為1 211～1 370mm，約為該地區(qū)39a平均降水量（574 mm）的2.2倍，最大值均出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)12月或者1月，夏季（6—8月）的可開發(fā)潛力值約占全年的70%。

（4）本文計(jì)算出的空中水資源量及人工增雨（雪）潛力值雖然根據(jù)當(dāng)前葫蘆度市人工增雨（雪）作業(yè)實(shí)際，做了一定的修正，由于大氣中的水汽是不可能全部凝結(jié)為降水，所以計(jì)算出的結(jié)果要比實(shí)際偏大，但分析葫蘆島市空中水資源及人工增雨（雪）潛力值的時(shí)空分布特征，對(duì)于有效開發(fā)空中水資源，合理進(jìn)行人工增雨（雪）作業(yè)仍具有重要的參考價(jià)值。

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