成都地區(qū)空中水資源潛力分析

袁寧樂，肖天貴，吳 璇

（成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225）

當(dāng)今中國正面臨著水資源過度開發(fā)、水資源短缺、水污染等嚴(yán)重的水情問題，針對這些問題政府部門已提出并實施了相應(yīng)的措施。其中，水資源短缺問題將制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展[1]。成都地區(qū)位于102°54′~104°53′E，30°05 ′~31°26′N，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛。隨著城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，成都市常住人口增至近1500萬人。據(jù)報道，隨著成都地區(qū)城市面積逐漸擴(kuò)張，在未來五年其人口規(guī)模預(yù)計將增至約1800萬人。在人口密度較高的城市，其土地性質(zhì)發(fā)生變化，會加大水資源的承受能力[2]，城市與環(huán)境之間的矛盾在城市內(nèi)澇與缺水并存的現(xiàn)象中得到顯著體現(xiàn)[3]?？罩兴Y源是全球水資源的重要組成部分，開發(fā)空中水資源是解決水資源短缺的一個重要途徑[4]。因此，研究和探討成都地區(qū)空中水資源特征，對緩解成都地區(qū)的水資源壓力具有重要意義，為合理開發(fā)該地區(qū)空中水資源提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)于空中水資源的特征，諸多學(xué)者已針對不同區(qū)域作過一些對比研究分析。范思睿等[5]利用NCEP/NCAR再分析月平均資料分析了中國西南地區(qū)水汽總量和水汽輸送的氣候特征；周長艷等[6]分析研究了金沙江流域及其鄰近地區(qū)空中水資源的氣候特征；解承瑩等[7]剖析了青藏高原夏季空中水資源時空變化特征及其機(jī)制，包括水汽收支等方面；朱丹等[8]討論了四川地區(qū)分區(qū)域后的降水時間、空間分布特征及其變化規(guī)律；也有一些專家針對較小區(qū)域進(jìn)行了水資源特征分析，如肖天貴等[9]對四川蘆山地震區(qū)進(jìn)行了小區(qū)域水資源特征分析研究。

上述工作均取得了一些有意義的結(jié)果，對本文分析成都地區(qū)空中水資源特征有著重要意義與作用。為了定量地探討成都地區(qū)空中水資源的特征，本文通過可降水量、水汽、實際降水量等方面，從“量”上對成都地區(qū)上空空中水資源進(jìn)行分析與研究，為成都地區(qū)人工影響天氣和防災(zāi)減災(zāi)等方面提供基礎(chǔ)支撐。

1 資料和方法

1.1 資料選取

采用2007—2016年歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）逐日再分析資料（格點距離為 0.5°×0.5°，包括風(fēng)場、比濕、地面氣壓和溫度資料），以及國家氣象數(shù)據(jù)中心24 h累計降水資料。

1.2 計算方法

由于實際大氣中300 hPa以上水汽含量很少[10]，故在計算中只考慮300 hPa以下的大氣層。本文在進(jìn)行垂直積分時，選擇了1000~300 hPa共8層的數(shù)據(jù)資料。

1.2.1 可降水量

PW為可降水量，表示某區(qū)域單位面積上空整層大氣的總水汽含量[11]，也代表了單位面積上空氣柱內(nèi)包含的水汽全部凝結(jié)成降水所形成的水層質(zhì)量[12]，單位為 kg/m2。其中 g為重力加速度（m/s2），ps為地面氣壓（hPa），pz為 z高度處的氣壓值（hPa），q為比濕（g/kg）。

1.2.2 水汽通量、水汽通量散度

Q表示水汽通量，是指單位時間內(nèi)流經(jīng)某一單位面積的水汽質(zhì)量[13]，單位為 kg·m-1·s-1。其中表示水平風(fēng)矢量（m/s）。

D表示水汽通量散度，表示某地的輻合或輻散情況。其中▽表示計算散度的Hamilton算子，其單位為kg·m-2·s-1。

1.2.3 水汽收支

2 結(jié)果與分析

2.1 可降水量特征

2.1.1 可降水量四季變化和年平均變化

通過對2007—2016年整層（地面~300 hPa）可降水量的積分計算，可得到10 a來成都地區(qū)四季和全年平均可降水量變化（圖1），圖中黑色方框代表成都地區(qū)（下同）。從空間分布來看，成都地區(qū)可降水量分布不均勻，由東南向西北逐漸減少。四季區(qū)域平均的可降水量分別為春季21.29 kg/m2、夏季39.89 kg/m2、秋季 25.31 kg/m2、冬季 10.69 kg/m2，存在明顯的季節(jié)變化差異，夏季整層可降水量最多，冬季最少。經(jīng)計算，成都地區(qū)10 a平均的年可降水總量邊界閾值為3900~13000 kg/m2，區(qū)域平均的年可降水總量達(dá)8893.87 kg/m2，可降水量豐富。

2.1.2 可降水量逐年平均變化

通過逐年計算2007—2016年整層大氣平均可降水量，得出了近10 a來成都地區(qū)的平均可降水量變化。從成都地區(qū)整體來看，東南部可降水量較多而西北部可降水量較少。成都地區(qū)每年的平均可降水量邊界閾值維持在10~35 kg/m2左右，相對穩(wěn)定，年際變化較小，且可降水量數(shù)值呈現(xiàn)出由西北向東南方向遞增的形勢?？傮w來講，成都地區(qū)可降水量充沛，10 a來平均可降水量的變化特點為：夏、秋季較多，由西北向東南逐漸增多且相對穩(wěn)定。

2.2 水汽通量與水汽通量散度特征

2.2.1 水汽通量四季平均變化

成都地處四川省中部，其西側(cè)為川西高原，來自該方向的水汽在500 hPa以下會受到川西高原的阻擋。通過計算2007—2016年四季整層的平均水汽通量，可以得到10 a來亞洲地區(qū)四季平均水汽通量變化（圖2）和成都地區(qū)四季平均水汽通量變化（圖3），據(jù)此分析成都地區(qū)的水汽輸送源地、方向和路徑。

成都地區(qū)的水汽輸送有著明顯的季節(jié)變化特征。從圖2a和圖3a可以看到，成都地區(qū)春季水汽輸送的方向以由西向東輸送為主，主要的水汽來自于中緯度偏西風(fēng)的輸送，該區(qū)域水汽輸送數(shù)值為40 kg·m-1·s-1左右。成都地區(qū)夏季水汽主要來源于孟加拉灣和印度西南季風(fēng)的輸送（圖2b、圖3b）。一方面，來自印度西南季風(fēng)的水汽輸送到云南時開始減小，使得到達(dá)成都地區(qū)的水汽輸送數(shù)值較小。另一方面，成都地區(qū)春、秋、冬季的水汽輸出口主要為東邊界，而從圖3b可以明顯看到成都地區(qū)夏季有兩個水汽輸出口（北邊界和南邊界），導(dǎo)致夏季整個成都地區(qū)的水汽輸送數(shù)值偏小。圖2c和圖3c顯示成都地區(qū)秋季水汽輸送方向主要以自西南向東北方向為主，西風(fēng)氣流與來自孟加拉灣的水汽匯聚，成為成都地區(qū)的主要水汽來源，該區(qū)域上空水汽輸送數(shù)值為44 kg·m-1·s-1左右。成都地區(qū)冬季水汽輸送方向主要為自西向東（圖2d、圖3d），主要的水汽來自于偏西氣流的輸送，其上空水汽輸送數(shù)值在29 kg·m-1·s-1左右。

圖1 成都地區(qū) 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）、全年（e）平均可降水量（單位：kg/m2）

圖2 亞洲地區(qū)2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均整層水汽通量（單位：kg·m-1·s-1）

圖3 成都地區(qū) 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均整層水汽通量（單位：kg·m-1·s-1）

2.2.2 水汽通量年平均變化

垂直方向上水汽輸送分布變化較大。從地面～700 hPa，成都地區(qū)主要的水汽來自于印度西南季風(fēng)的輸送（圖4a）。成都地區(qū)上空東側(cè)有較強(qiáng)的水汽輸入，該區(qū)域內(nèi)水汽輸送數(shù)值為 30 kg·m-1·s-1左右，由東向西逐漸減小。從地面～500 hPa（圖4b），由西向東輸送的水汽和來自孟加拉灣的水汽到達(dá)成都地區(qū)，該地區(qū)上空水汽輸送數(shù)值在50 kg·m-1·s-1左右。從地面～300 hPa，成都地區(qū)上空水汽輸送數(shù)值達(dá)到65 kg·m-1·s-1（圖4c）。主要的水汽輸送路徑為中緯度西風(fēng)帶由西向東輸送，來自孟加拉灣地區(qū)的貢獻(xiàn)最大。

2.2.3 水汽通量散度平均變化

圖5為2007—2016年成都地區(qū)四季和年平均水汽通量散度圖。成都地區(qū)處于輻合中心西北側(cè)，該區(qū)域內(nèi)有水汽輻合，有利于水汽的堆積。其西北側(cè)存在較強(qiáng)的輻散中心，該處的水汽輻散至成都地區(qū)加強(qiáng)水汽的輻合。平均來看，成都地區(qū)上空春、夏、秋季水汽輻合強(qiáng)度較大，易堆積水汽，而冬季最弱。

總體而言，成都地區(qū)四季水汽輸送通量較穩(wěn)定，夏季相對偏小。成都地區(qū)水汽輸送以自西向東為主，春、秋、冬季主要的水汽輸入口為西邊界，主要的水汽輸出口為東邊界。夏季由于有兩個水汽輸入口（西、東邊界）和兩個水汽輸出口（北、南邊界），導(dǎo)致夏季成都地區(qū)的水汽輸送數(shù)值偏小。成都位于水汽輻合區(qū)內(nèi)，在春、夏、秋季水汽更易堆積，有利于降雨，冬季輻合強(qiáng)度最弱。成都地區(qū)對流層水資源充沛，其中該地區(qū)的西邊界水資源尤為豐富。

圖4 亞洲地區(qū) 2007—2016 年地面~700 hPa（a）、地面~500 hPa（b）、地面~300 hPa（c）平均水汽通量（單位：kg·m-1·s-1）

2.3 區(qū)域水汽收支

2.3.1 全年區(qū)域水汽收支

表1為2007—2016年成都地區(qū)10 a平均邊界水汽收支（計算區(qū)域為 102.5°~105°E，30°~31.5°N），負(fù)值表示輸出量，正值表示輸入量。

表1 2007—2016年成都地區(qū)年平均邊界水汽收支（×107kg/s）

從整層來看，成都地區(qū)主要的水汽輸入口為西、南邊界，水汽輸出口為北、東邊界，總體呈水汽凈輸入狀態(tài)。跟對流層其他層的水汽輸送狀態(tài)不同的是，地面~700 hPa成都地區(qū)的地理環(huán)境導(dǎo)致西邊界沒有水汽輸入，反而有少量輸出，而東邊界為水汽輸入口，這與前文分析的水汽通量顯示的結(jié)果一致。東邊界作為該層唯一的水汽輸入口，水汽輸入量較大。該層水汽總輸入量占整層的79%，是整層大氣中主要的水汽輸入層，而水汽輸出量較小。在整層的南邊界中，只有700~500 hPa是唯一的水汽輸入層。該層水汽總輸入、輸出量均較大，且水汽總輸入量小于水汽總輸出量，表明該高度上水汽耗散量較大，導(dǎo)致該層為凈輸出層。500~300 hPa，成都地區(qū)水汽輸入狀態(tài)有所變化，北邊界為水汽輸入口，南邊界為水汽輸出口，水汽凈輸入量較小。西、東邊界水汽輸送強(qiáng)，而南、北邊界水汽輸送相對較弱。明顯可以看到，在整層的西邊界中，該層是主要的水汽輸入層，這與成都地區(qū)所處的地理位置有密切關(guān)聯(lián)。

圖5 成都地區(qū) 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）、全年（e）平均水汽通量散度（單位：10-5kg·m-2·s-1）

總的來說，成都地區(qū)年平均邊界水汽收支的特點為：700 hPa以下為主要的水汽輸入層，水汽耗散量較??；水汽輸出主要集中在700 hPa以上的層次，其中700~500 hPa為凈輸出層；與其他層次相比，高層水汽輸入總量和輸出總量較均衡，使得凈輸入量小。可以看到，成都地區(qū)500 hPa以下的東邊界和500 hPa以上的西邊界水汽輸送較強(qiáng)，空中水資源豐富。

2.3.2 四季區(qū)域水汽收支

表2~表5分別為2007—2016年成都地區(qū)10 a來春、夏、秋、冬四季不同層次的平均邊界水汽收支。表2為2007—2016年成都地區(qū)四季整層的平均邊界水汽收支。從整層來看，成都地區(qū)四季都是水汽匯，主要的輸入口為西邊界。表中顯示，夏季水汽凈輸入量相對偏小，這與前文分析到的水汽通量特征有密切關(guān)系。凈輸入水汽占總輸入水汽的比重分別為春季52%、夏季69%、秋季43%、冬季28%，可以看到盡管夏季水汽輸入量偏小，但由于水汽輸出量很小，使得夏季的水汽虧損率最低，而冬季最高。除夏季以外，其余幾個季節(jié)的東邊界水汽輸出量較大，四季西邊界的水汽輸入量均較大，這些季節(jié)的這些邊界上水汽輸送較強(qiáng)，空中水資源充沛。

表2 2007—2016年成都地區(qū)四季整層的平均邊界水汽收支 （×107kg/s）

表 3為 2007—2016年成都地區(qū)四季地面~700 hPa的平均邊界水汽收支。地面~700 hPa，成都地區(qū)西邊界由于川西高原地形的阻擋，導(dǎo)致冬季幾乎無水汽輸送，而其余3個季節(jié)有少量水汽輸出。成都地區(qū)東邊界為主要的水汽輸入口，且夏季水汽輸入最強(qiáng)盛。除春季的北邊界和冬季的西、北邊界外，四季的西、北、南邊界均為水汽輸出口，且南邊界水汽輸出相對較強(qiáng)。該層為水汽凈輸入層，夏季的凈輸入量最大，水汽虧損率低，而冬季虧損率高。綜合來看，成都地區(qū)四季700hPa以下的東邊界和南邊界分別為主要的水汽輸入、輸出口。夏季該層的水汽虧損率低，其東邊界水汽輸送較強(qiáng)，空中水資源充沛。

表3 2007—2016年成都地區(qū)四季地面~700 hPa的平均邊界水汽收支 （×107kg/s）

表4為2007—2016年成都地區(qū)四季700~500 hPa的平均邊界水汽收支。700~500 hPa，四季水汽的輸入和輸出較均衡，但水汽總輸出量偏大，總體呈凈輸出狀態(tài)。北、東邊界均為水汽輸出口，西、南邊界均為水汽輸入口。除夏季以外，其余3個季節(jié)成都地區(qū)的西邊界水汽輸入量較大；除冬季以外，其余3個季節(jié)南邊界的水汽輸入量較大。經(jīng)計算，成都地區(qū)該層水汽輸出占整層的比例比水汽輸入占整層的比例大。綜合來看，從700~500 hPa，成都地區(qū)四季的東邊界、秋季的四個邊界水汽輸送均較強(qiáng)；夏季除北邊界外，其余邊界的水汽輸送均比其他季節(jié)的相同邊界偏弱。

表4 2007—2016年成都地區(qū)四季700~500 hPa的平均邊界水汽收支 （×107kg/s）

表5為2007—2016年成都地區(qū)四季500~300 hPa的平均邊界水汽收支。500~300 hPa，四季水汽的輸入和輸出也較為均衡，但水汽總輸入量偏大，總體呈凈輸入狀態(tài)。四季東邊界均為主要的水汽輸出口，南邊界均有少量水汽輸出；西邊界水汽輸入量最大，北邊界均有少量水汽輸入。綜合來看，500~300 hPa成都地區(qū)的水汽輸送主要以自西向東為主，西邊界和東邊界水汽輸送強(qiáng)盛。

表5 2007—2016年成都地區(qū)四季500~300 hPa的平均邊界水汽收支 （×107kg/s）

平均來看，整層的水汽輸送均比較強(qiáng)盛。在700 hPa以上，四季水汽總輸出量占整層的比重分別為春季83%、夏季78%、秋季90%、冬季89%，表明成都地區(qū)水汽輸出主要集中在700 hPa以上。同時，500 hPa以下水汽凈輸入量占整層的比重分別為春季80%、夏季92%、秋季84%、冬季72%，表明成都地區(qū)水汽被利用的高度主要集中在500 hPa以下，且夏季水汽虧損率最低，冬季最高。

總體而言，成都地區(qū)四季空中水資源十分豐富，水汽輸送較強(qiáng)的區(qū)域為：（1）整層，除夏季以外的東邊界、四季的西邊界；（2）地面~700 hPa，夏季的東邊界；（3）700~500 hPa，四季的東邊界、秋季的四個邊界；（4）500~300 hPa，西邊界和東邊界。綜合來看，成都地區(qū)水汽輸送較強(qiáng)的區(qū)域集中在700 hPa以上秋季的西邊界和四季的東邊界、700 hPa以下夏季的東邊界以及500hPa以上四季的西邊界。

圖6 成都地區(qū)2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均實際降水量（單位：mm）

2.4 實際降水量特征

2.4.1 實際降水量四季平均變化

圖6為2007—2016年成都地區(qū)四季平均實際降水量變化圖，可以看到成都地區(qū)實際降水量季節(jié)變化明顯。平均降水量分別為春季1.92 mm、夏季5.65 mm、秋季2.17 mm、冬季0.34 mm，呈現(xiàn)出夏秋多、春冬少的特點。雨量的變化在四季都呈自西北向東南逐漸增加的形勢。

2.4.2 實際降水量年平均變化

圖7為2007—2016年成都地區(qū)年平均實際降水量?？梢钥吹浇?0 a來成都地區(qū)年平均降水量的邊界閾值大約在600~1400 mm左右，10 a平均年降水量約為921 mm，雨量由西北向東南方向逐漸增多。

2.5 可降水量、實際降水量、水汽收支關(guān)系探討

圖7 成都地區(qū)2007—2016年年平均實際降水量（單位：mm）

在可降水量的分析中，了解到成都地區(qū)上空四季日平均可降水量為春季21.29 kg/m2、夏季39.89 kg/m2、秋季 25.31 kg/m2、冬季 10.69 kg/m2。四季日平均降水量分別為春季1.92 mm、夏季5.65 mm、秋季2.17 mm、冬季0.34 mm，可以理解為成都地區(qū)四季每天每平方米面積上的實際降水量分別為春季1.92 kg、夏季 5.65 kg、秋季 2.17 kg、冬季 0.34 kg（根據(jù)液態(tài)水的密度換算成單位面積上水的深度mm[12]）。通過比較實際降水量與可降水量，可以看出成都地區(qū)可降水量轉(zhuǎn)化成實際降水的效率并不高。

通過計算可以得到成都地區(qū)日平均降雨量為2.52 mm。截至到2016年末，成都地區(qū)總面積大約為14 312 km2。通過粗略計算，可以知道成都地區(qū)每天的實際降水量大約為3.61×1010kg。由水汽收支的分析可知，通過對流層的水汽輸送，使得成都地區(qū)上空空中水資源十分豐富，年平均整層水汽總輸入量為3.69×107kg/s。假設(shè)成都地區(qū)平均每天降雨1 h，則由水汽收支計算得到成都地區(qū)的日平均水汽總輸入量約為1.33×1011kg。成都地區(qū)單位氣柱內(nèi)日平均實際降水量為2.52 mm，由水汽收支計算得到的單位氣柱內(nèi)日平均水汽總輸入量為9.28 mm。通過比較可以看出，盡管成都地區(qū)空中水資源十分豐富，但無論是可降水量還是輸送來的水汽，實際轉(zhuǎn)化為降水的量相對較少。

3 結(jié)論與討論

本文采用2007—2016年歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）逐日再分析資料（0.5°×0.5°）和國家氣象數(shù)據(jù)中心24 h累計降水資料，對成都地區(qū)上空空中水資源進(jìn)行研究與分析，為成都地區(qū)人工影響天氣和防災(zāi)減災(zāi)提供基礎(chǔ)支撐。主要得出了以下結(jié)論：

（1）成都地區(qū)上空的可降水量豐富，空間分布不均勻，由東南向西北逐漸減少。存在明顯的季節(jié)變化差異，夏季整層可降水量最多，冬季最少。2007—2016年逐年整層大氣平均可降水量相對穩(wěn)定。

（2）成都地區(qū)水汽通量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征。夏季有兩個水汽輸入口（西、東邊界）和兩個水汽輸出口（北、南邊界），導(dǎo)致夏季成都地區(qū)的水汽輸送數(shù)值偏小。其余3個季節(jié)主要的水汽輸入口為西邊界，主要的水汽輸出口為東邊界。不同季節(jié)和高度上，成都地區(qū)水汽輸送源地、方向和路徑都有差異，主要以自西向東輸送為主。水汽主要來源于孟加拉灣，由西南季風(fēng)輸送。成都地區(qū)四季都處于水汽輻合區(qū)內(nèi)，春、夏、秋季更容易堆積水汽。

（3）通過分析成都地區(qū)的水汽收支，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域內(nèi)水汽收支呈凈輸入狀態(tài)，整層的水汽輸送均比較強(qiáng)盛。由于成都地區(qū)所在的地理環(huán)境，導(dǎo)致700 hPa以下的西邊界水汽輸送較少。從地面往上，水汽輸送依次呈凈輸入—凈輸出—凈輸入狀態(tài)。平均來看，成都地區(qū)700 hPa以下為主要的水汽輸入層，700 hPa以上為主要的水汽輸出層；水汽主要在500 hPa以下被利用，且夏季水汽虧損率最低，冬季最高。成都地區(qū)水汽輸送較強(qiáng)的區(qū)域集中在700 hPa以上秋季的西邊界和四季的東邊界、700 hPa以下夏季的東邊界以及500 hPa以上四季的西邊界。

（4）成都地區(qū)空中水資源十分豐富，但無論是可降水量還是輸送來的水汽，實際轉(zhuǎn)化為降水的量相對較少。

本文得出了一些有意義的結(jié)論，但在許多方面還存在不足，有待于進(jìn)一步進(jìn)行探討與研究。為了讓水汽總輸入量與實際降雨量有可比性，有些計算只是進(jìn)行了粗略地估計，想要更精確地研究成都地區(qū)水汽總輸入量和實際降水量的關(guān)系，還需要在以后的工作中進(jìn)行更深入的研究與探討。