2015年湖南上空水汽時空分布特征分析

汪 玲，唐 林，李 瓊，丁 莉

(湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，湖南長沙 410000)

我國水資源不僅缺乏，而且時間空間分布不均勻，已經(jīng)嚴重影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、日常生活用水、工業(yè)制造用水等。研究水汽資源分布及變化特征可為合理開發(fā)空中水資源提供科學(xué)依據(jù)?？罩兴Y源含量十分豐富，只有其中一小部分通過云降水過程降落到地面，空中還有大部分水資源未轉(zhuǎn)化，空中水汽資源開發(fā)潛力巨大[1-3]。空中水汽資源的評估方法多樣，其中通過大氣可降水量和比濕等特征因子研究水汽分布與水汽總量的計算為重要內(nèi)容之一，采用資料主要為氣象探空資料、地面氣象資料、NCEP再分析資料等[4-6]。探空資料地域分布稀疏，目前在湖南只有長沙、懷化、郴州3個探空站，每天只有08：00、20：00資料，空間、時間精度較低，且必須核查缺測、誤差數(shù)據(jù)，并補充其他探測資料；采用地面氣象資料，利用地面水汽壓與大氣可降水量的經(jīng)驗關(guān)系公式估算得到大氣可降水量的水平分布情況，估算依賴地區(qū)經(jīng)驗公式，資料查詢、計算工作繁瑣；NCEP資料使用廣泛，且具有時序時間長、資料全的優(yōu)勢，可以直接獲取大氣可降水量以及各氣壓層比濕特征因子對水汽水平、垂直方向的時間變化特征進行分析，資料獲取難度和資料計算量相對減少，更適用于評估地區(qū)水汽資源情況。

2015年，湖南全省平均氣溫為18.0 ℃，較常年偏高0.6 ℃，為1961年以來第四高值；平均降水量1 580.5 mm，較常年偏多12.6%；平均日照時數(shù)為1 185.1 h，較常年偏少272.0 h，創(chuàng)1961年以來新低。筆者選用NCEP再分析資料詳細探討了2015年湖南上空水汽演變特征，為湖南空中水汽資源評估提供依據(jù)。

1 資料與方法

選用的資料為美國環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)聯(lián)合對外發(fā)布的逐6 h再分析資料，該資料以netCDF(netware Common Data Form)的形式存儲，包括了7個基本氣象要素，根據(jù)變量名逐年生成獨立文件。針對氣象預(yù)報分析中常用的7層(1 000、925、850、700、500、400、300 hPa)進行分析。數(shù)據(jù)逐6 h每天4次，按照時次、變量、高度、緯度、經(jīng)度依次存放，數(shù)據(jù)分辨率為2.5°×2.5°，數(shù)據(jù)資料大。

整層大氣水汽含量(大氣可降水量)的公式[7-8]為：

式中，w、g、p0、q(p)分別為垂直大氣水汽含量、大氣重力加速度、水平地面氣壓值、不同氣壓層的比濕。所以，通過研究各個氣壓層比濕來研究水汽在垂直方向的變化。

綜上，該研究采用GrADS抽取2015年湖南地區(qū)大氣可降水量以及各氣壓層比濕特征數(shù)據(jù)[9]，再利用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行空間(水平、垂直)、時間(日、月、季節(jié))分析，較詳細地探討了2015年湖南上空水汽含量與水汽總量的時空演變特征，為湖南空中水汽資源評估提供參考。

2 水汽的垂直分布特征

2.1比濕垂直廓線由圖1可知，水汽含量隨高度遞減，1 000 hPa比濕達14.7 g/kg；850 hPa時，水汽已經(jīng)明顯不足一半，為6.9 g/kg；到700 hPa比濕下降至3.3 g/kg，當高度繼續(xù)增加至500 hPa時，比濕小于1.5 g/kg，400 hPa以上水汽更少?？梢?，在700 hPa以下的中低層水汽含量十分豐富，超過了總量的90%，但在300 hPa以上的大氣層，水汽含量非常小，計算水汽總量時可以忽略不計。

圖1 2015年湖南地區(qū)比濕的垂直廓線Fig.1 The vertical profile of the specific humidity in Hunan Province in 2015

2.2850hPa比濕時間分布特征湖南地區(qū)850 hPa比濕歷年平均為6.9 g/kg，由圖2可知，2015年全年850 hPa比濕為5.7～8.5 g/kg，其中冬春季(12月—次年5月)最小，夏秋季(6—11月)最大，到秋季(9—11月)逐月下降。

從春夏秋冬四季中，選擇1、4、7、10月4個代表月份的逐日平均比濕值進行統(tǒng)計分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖3)，4月(春季)日平均比濕數(shù)值變化最大，最小值為2.2 g/kg，最大值為8.8 g/kg，相差6.6 g/kg；7月(夏季)日平均比濕值最小，數(shù)值在5.7～9.5 g/kg，相差3.8 g/kg；秋冬季次之，最小、最大值分別相差6.0、5.0 g/kg ?？梢?，日平均比濕數(shù)值變化從大到小依次是春季、秋季、冬季、夏季。

圖2 2015年湖南地區(qū)850 hPa逐月平均比濕Fig.2 The average monthly specific humidity of 850 hPa in Hunan Province in 2015

圖3 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地區(qū)850 hPa逐日平均比濕Fig.3 The average daily specific humidity of 850 hPa in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

由此可知，2015年湖南地區(qū)不同季節(jié)850 hPa水汽含量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季節(jié)水汽日變化春秋季大于冬夏季。

2.3925hPa比濕時間分布特征湖南地區(qū)925 hPa比濕歷年平均為10.1 g/kg，由圖4可知，2015年925 hPa比濕為8.7～11.5 g/kg，其中冬春季(12月—次年5月)最小，夏秋季(6—11月)最大，到秋季(9—11月)逐月下降。

同樣選擇1、4、7、10月4個代表月份的逐日平均比濕值進行統(tǒng)計分析，由圖5可知，10月(秋季)日平均比濕數(shù)值變化最大，最小值為9.8 g/kg，最大值為15.1 g/kg，相差5.3 g/kg；7月(夏季)日平均比濕值最小，數(shù)值在9.5～11.9 g/kg，相差2.4 g/kg；冬春季次之，最小、最大值分別相差3.1、4.2 g/kg 。可見，日平均比濕數(shù)值變化從大到小依次是秋季、春季、夏季、冬季。

圖4 2015年湖南地區(qū)925 hPa逐月平均比濕Fig.4 The average monthly specific humidity of 925 hPa in Hunan Province in 2015

由此可知，2015年湖南地區(qū)不同季節(jié)925 hPa水汽含量夏秋季最大，冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季節(jié)水汽日變化春秋季大于冬夏季。

圖5 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地區(qū)925 hPa逐日平均比濕Fig.5 The average daily specific humidity of 925 hPa in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

3 水汽的水平分布特征

3.1大氣可降水量地理分布特征影響大氣可降水量的因素很多，主要有熱力條件、緯度因子、海陸分布等[10]，受熱力條件影響，溫度越高，大氣從地面獲取的水汽就越多；受緯度因子影響，緯度越低的地區(qū)，接受的太陽輻射一般較多，相對地面升溫速度更快，大氣可降水量相比也偏多一些；受海陸分布影響，越靠近海洋，大氣水汽越豐富。

受以上因子影響，由圖6可見，2015年湖南地區(qū)大氣可降水量空間分布總體趨勢是從北向南增大，湘北地區(qū)年平均大氣可降水量為31.0～32.0 kg/m2，湘中大部分地區(qū)年平均為32.0～32.5 kg/m2，湘南地區(qū)年平均為32.5～33.5 kg/m2，處于湘南的永州南部地區(qū)年平均最大，超過33.0 kg/m2。

圖6 2015年湖南地區(qū)年平均大氣可降水量空間分布(單位：kg/m2)Fig.6 The spatial distribution of average precipitable water vapor in Hunan Province in 2015

3.2大氣可降水量時間分布特征由圖7可知，2015年湖南地區(qū)大氣可降水量為25.5～39.5 kg/m2，年平均約為32.2 kg/m2，其中夏秋季最大，冬春季最??；冬季(12月—次年2月)大氣可降水量逐月下降，總量為一年最小時段，春季(3—5月)比冬季平均大氣可降水量增加一些，夏季(6—8月)達到最充沛，到秋季(9—11月)又開始逐月下降，與湖南地區(qū)逐月平均比濕變化趨勢基本一致。

圖7 2015年湖南地區(qū)大氣可降水量月變化Fig.7 The average monthly water vapor in Hunan Province in 2015

同樣選擇1、4、7、10月4個代表月份的逐日平均大氣可降水量進行統(tǒng)計分析，由圖8可知，10月(秋季)日平均大氣可降水量變化最大，最小值為26.0 kg/m2，最大值為49.5 kg/m2，相差23.5 kg/m2；1月(冬季)日平均大氣可降水量變化最小，數(shù)值為17.0～34.1 kg/m2，相差17.1 kg/m2；春夏季次之，最小、最大值分別相差22.2、11.4 kg/m2。

由此可知，2015年湖南地區(qū)不同季節(jié)水汽總量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，與上述湖南地區(qū)逐月平均比濕變化趨勢基本一致；而不同季節(jié)水汽總量日變化春秋季最大，冬夏季最小。

圖8 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地區(qū)逐日平均大氣可降水量Fig.8 The average daily precipitable water vapor in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

4 小結(jié)

利用NCEP逐6 h再分析資料獲取2015年湖南地區(qū)各氣壓層比濕和大氣可降水量，采用GRADS和MATLAB對數(shù)據(jù)進行處理分析與繪圖，對2015年水汽水平、垂直時間空間全方位分布情況進行分析，總結(jié)出以下結(jié)論：

(1)垂直分布上：湖南地區(qū)水汽主要分布在700 hPa以下的中低層，占水汽總量的90%以上，且在300 hPa以上大氣，水汽含量很小，可以忽略。

(2)不同氣壓層上：選擇2015年湖南地區(qū)850、925 hPa 2個氣壓層數(shù)據(jù)進行分析，不同季節(jié)水汽含量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季節(jié)水汽日變化春秋季最大、冬夏季最小。

(3)水平分布上：湖南地區(qū)大氣可降水量空間分布總體趨勢是從北向南增大，湘北地區(qū)年平均為31.0～32.0 kg/m2，湘中大部分地區(qū)年平均為32.0～32.5 kg/m2，湘南地區(qū)年平均為32.5～33.5 kg/m2，處于湘南的永州南部地區(qū)年平均最大，超過33.0 kg/m2。

(4)全省平均水汽總量在時間軸上：2015年湖南地區(qū)不同季節(jié)平均水汽總量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降；而不同季節(jié)水汽總量日變化春秋季最大、冬夏季最小，與湖南地區(qū)850、925 hPa氣壓層上水汽變化趨勢基本一致。

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科技論文寫作規(guī)范——工作單位

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