祁連山空中云水資源開(kāi)發(fā)潛力研究新進(jìn)展

尹憲志，王毅榮，徐文君，張豐偉，喬艷君，陳 祺，龐朝云

（1.甘肅省人工影響天氣辦公室，甘肅 蘭州730020；2.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州730020；3.蘭州市氣象局，甘肅 蘭州730020）

水是人類和一切生物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。受全球氣候變暖影響，水資源短缺問(wèn)題已成為全球性安全問(wèn)題。1979 年世界氣候研究計(jì)劃（WCP）表明，水分循環(huán)與能量是影響全球或區(qū)域尺度氣象變化的主要因素。我國(guó)人均淡水資源占有量約2 100 m3，僅占世界平均水平的28%。目前我國(guó)城市中有約2/3缺水，約1/4 嚴(yán)重缺水。氣候變暖造成的祁連山區(qū)河流來(lái)水量銳減，對(duì)河西走廊綠洲和“絲綢之路”的繁榮發(fā)展，帶來(lái)嚴(yán)重影響。

祁連山區(qū)域（以下簡(jiǎn)稱祁連山）是典型的氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，其水資源安全問(wèn)題備受關(guān)注。祁連山既是我國(guó)西部地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障，又是河西走廊荒漠綠洲得以生存繁衍和500 多萬(wàn)群眾賴以生存及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本保障。祁連山位于青藏高原、蒙古高原和黃土高原的交匯地帶（94°～104°E，36°～39°N），山勢(shì)西高東低（圖1），山脈平均海拔在4 000～5 000 m，最高峰是疏勒南山的團(tuán)結(jié)峰，海拔5 808 m[1]。由于祁連山特殊的地理位置和地形作用，山區(qū)最大降水量達(dá)800 mm，是河西走廊平原地帶降水量的4～16 倍，是名副其實(shí)的“高山水塔”。祁連山由高山積雪形成的冰川地貌發(fā)育成3 000 余條冰川，是黑河、石羊河和疏勒河三大水系56 條內(nèi)陸河的主要水源涵養(yǎng)地和集水區(qū)，素有河西走廊“生命線”之稱。同時(shí)，祁連山空中水資源還是黃河、青海湖的重要水源補(bǔ)給區(qū)。

祁連山是“一帶一路”經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域之一。氣候變暖使祁連山雪線上升，冰川和積雪等天然濕地面積萎縮，不僅直接影響群眾的生產(chǎn)及生活，而且嚴(yán)重影響和制約綠洲保護(hù)、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。受青藏高原東北部氣溫持續(xù)升高，祁連山降水量減少及環(huán)境破壞等原因，使石羊河流域出山徑流從20 世紀(jì)50 年代末的4.6×108m3減少到20 世紀(jì)90 年代的1.5×108m3，1999 年后維持在1.0×108m3左右。因此，如何改善生態(tài)環(huán)境和開(kāi)發(fā)利用祁連山空中水資源就成為社會(huì)高度關(guān)注的問(wèn)題[2-3]。

空中云水資源是指存在于大氣中的液態(tài)水和固態(tài)水總量，是通過(guò)人工干預(yù)可以直接開(kāi)發(fā)利用的水資源。加強(qiáng)祁連山空中云水資源研究，有利于“祁連山國(guó)家公園”建設(shè)及祁連山生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)、水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護(hù)等。

圖1 祁連山地形及氣象站點(diǎn)分布

鑒于祁連山地區(qū)探測(cè)條件及資料的限制，專家學(xué)者的研究普遍以個(gè)例分析為主，許多科學(xué)問(wèn)題如祁連山云水資源現(xiàn)狀、年際變化、氣候響應(yīng)特征、開(kāi)發(fā)潛力評(píng)估、人工易開(kāi)發(fā)區(qū)域和開(kāi)發(fā)途徑等等，都缺乏系統(tǒng)的分析結(jié)論。因此，系統(tǒng)總結(jié)2005 年以來(lái)祁連山云水資源研究成果，評(píng)估祁連山云水資源對(duì)氣候變暖的響應(yīng)，以及云水資源開(kāi)發(fā)潛力及人工增雨的效益評(píng)估等工作就顯得尤為重要。一方面滿足政府部門和社會(huì)高度關(guān)注的祁連山空中水資源開(kāi)發(fā)利用等急需，另一方面對(duì)氣象、水文和生態(tài)環(huán)境等研究具有重要意義。

1 祁連山云水資源氣候變化特征

祁連山遠(yuǎn)離海洋，長(zhǎng)期受西風(fēng)氣流控制，具有大陸性高寒半濕潤(rùn)山地氣候特征。其中祁連山山前低山屬荒漠氣候，中山下部屬半干旱草原氣候，中山上部為半濕潤(rùn)森林草原氣候。亞高山和高山屬寒冷濕潤(rùn)氣候，山地東部氣候較濕潤(rùn)，西部較干燥[4]。

1.1 氣溫

1960—2005 年祁連山氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的氣溫傾向率分別為0.29、0.24 和0.40 ℃/10 a，升溫幅度排序：最低氣溫＞平均氣溫＞最高氣溫。春、夏、秋和冬季平均氣溫升溫率分別為0.340、0.191、0.155 和0.457 ℃/10 a，冬季的升溫幅度最快[5-8]。

1.2 降水

祁連山不同區(qū)域降水量呈東多西少分布，其中西部為71.4 mm/a，東北部區(qū)為189.4 mm/a，東南部區(qū)為369.6 mm/a，東中部區(qū)為377.6 mm/a。祁連山降水量以中東南部貢獻(xiàn)率最大為52.9%，東中部次之（23.1%），西部最?。?.6%）。在祁連山北坡海拔1 700～3 300 m 內(nèi)，海拔每升高100 m，年均降水量增加約17.41 mm；在海拔3 300～3 800 m，海拔每升高100 m，年均降水量減少約30.21 mm[9]。

祁連山5—9 月降水量約占全年降水量的86.8%，1—4 月、10—12 月降水量?jī)H占全年降水總量的13.2%。2008—2014 年以來(lái)，祁連山白天和夜間的降水量均呈增加趨勢(shì)。祁連山不同等級(jí)降水日數(shù)的年際變化總體呈增多趨勢(shì)，大雨強(qiáng)度年際變化絕大部分區(qū)域呈增大趨勢(shì)，小雨和中雨日數(shù)增加的貢獻(xiàn)最大[10-14]。

受全球氣候變暖影響，1960—2005 年祁連山降水變化幅度較大，年均降水的氣候傾向率為5.902 mm/10 a，達(dá)到0.05 的顯著性水平。祁連山四季降水的氣候傾向率分別為0.846、3.905、1.345 和0.287 mm/10 a[15、16]。

祁連山面雨量多年平均值為724.9×108m3，其中四季面雨量分別為118.9×108、469.4×108、122.5×108和14.1×108m3，夏季面雨量最大，占全年的64.76%[17-19]。地形因子中最高海拔的影響最大，其與祁連山西、中、東段降水量的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.82、0.74 和0.80。由此可見(jiàn)，祁連山地形相對(duì)高差對(duì)降水的影響東段比中、西段大。

祁連山降水轉(zhuǎn)化率空間變化呈自東向西遞減，且區(qū)域波動(dòng)較大，多年平均為36.2%，其中青海省門源站最高（為76.2%），冷湖站最低僅3.8%。說(shuō)明正常年份祁連山空中云水資源的開(kāi)發(fā)潛力由東向西逐漸增強(qiáng)[20]。

祁連山多年降水天氣環(huán)流特征分析表明[21]，4種天氣形勢(shì)中高空冷槽型（占47%）以層云和卷云降水為主，西南氣流型（占24%）以混合云系降水為主，西北氣流型（占21%）以對(duì)流云降水為主，低渦切變型占個(gè)例最少（占8%）以混合云系降水為主（表1）。

1.3 水汽變化

大氣水汽含量也稱大氣可降水量，表示單位截面積垂直大氣柱內(nèi)所包含的水汽總量。也就是說(shuō)，假如垂直氣柱內(nèi)的水汽全部凝結(jié)降落，其在氣柱底面上所聚積的液態(tài)水深度。

祁連山地區(qū)的大氣水汽含量呈東南多、西北少的空間分布，且隨海拔的升高而逐漸減少，整層大氣水汽主要集中在5 000 m 以下。祁連山水汽以西風(fēng)氣流緯向輸送和西南氣流徑向輸送為主。祁連山迎風(fēng)坡（3 500～4 500 m）大氣水汽含量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，背風(fēng)坡大氣水汽含量總體比迎風(fēng)坡少，最多大約能少4.49 kg/m2。夏季高原東側(cè)（103 °E）600 hPa 以下的徑向水汽輸送最強(qiáng)，多年平均水汽凈收支為809×108m3/a[22-26]。

表1 祁連山500 hPa 的主要降水型勢(shì)及特征

西北地區(qū)空中水汽含量自20 世紀(jì)50 年代末至80 年代中期呈明顯下降趨勢(shì)，80 年代后期，水汽又呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。水汽增加地區(qū)主要在新疆北部沿河西走廊至甘肅中部祁連山區(qū)中段以及南疆盆地西部。近年來(lái)，祁連山地區(qū)大氣水汽含量整體呈增加趨勢(shì)，其中夏季是各層大氣水汽含量最多的季節(jié)，高達(dá)329.24 mm，占多年平均大氣水汽含量的48.1%，表明祁連山春夏季空中云水資源具有較高的開(kāi)發(fā)潛力。

1.4 地形云

云是地氣系統(tǒng)中的重要組成部分。地形云是由含一定水汽的濕空氣塊在盛行氣流作用下，經(jīng)地形作用抬升達(dá)到飽和而形成的云。地形云的形成受到氣流速度、大氣層結(jié)狀況、地形高度、水汽等多種因素的影響。地形云和降水過(guò)程在區(qū)域水循環(huán)變化、水資源開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和氣候變化中具有十分重要的作用。

祁連山西南氣流背景下受南北兩側(cè)山谷風(fēng)的共同作用，氣流晝間向山頂輻合，夜間向山谷輻散，當(dāng)水汽條件充足時(shí)，極易抬升形成可以產(chǎn)生降水的地形云。祁連山降水云系西部為層云，東部為積云。西部層云是西南氣流經(jīng)過(guò)祁連山受地形影響抬升、水汽凝結(jié)而成。高層冷云由天氣尺度系統(tǒng)影響而成，而低層暖云則由地形阻擋和加熱等作用形成。祁連山地形云及降水主要發(fā)生在高山迎風(fēng)坡3 500～6 500 m的范圍內(nèi)。

夏季，祁連山云量平均6 成以上，西南氣流天氣背景下總云量多達(dá)8 成，其中降水主要由＜1 mm 的雨滴組成。祁連山地形云中冰晶、云水、雪、霰和雨水分層明顯，其中高層為冰晶和云水，中層為雪和霰，低層為雨水[27-32]。祁連山總云量春季最多，夏季次之；低云量夏季最多，春季次之。春季積雨云出現(xiàn)頻率為20%～24%，為河西走廊和柴達(dá)木盆地的3～6 倍；秋季層狀云出現(xiàn)頻率為8%～26%，且西少東多。秋季當(dāng)平均氣溫升高1 ℃時(shí)，祁連山西段和中段層狀云出現(xiàn)頻率減少2%～4%，東段減少4%～10%[33-34]。

祁連山地形云中各水凝物的垂直結(jié)構(gòu)特征：（1）降水形成時(shí)，云水主要分布在中低層，霰分布在零度層附近，冰晶分布在中高層，雪粒子分布寬廣且含量豐富，雨水處于下部近地層內(nèi)。（2）降水增強(qiáng)時(shí)，由于垂直運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，降水云體高聳，各水凝物粒子含量也達(dá)到最大值。（3）降水減弱時(shí)，各水凝物粒子含量明顯減小，甚至消失。祁連山地形對(duì)雨帶的寬度、強(qiáng)度有明顯影響，強(qiáng)降水中心的位置最大偏差達(dá)100 km左右[35]。

1960—2004 年祁連山春季和夏季總云量在減少，相反低云量在增加，對(duì)應(yīng)降水也在增加；秋季總云量、低云量呈減少趨勢(shì)；冬季總云量雖增多，但低云量減少。2001—2011 年青藏高原東北邊坡地帶春夏季低云量平均增加了4.8%/10 a[36-43]。受祁連山地形影響，云的光學(xué)厚度、云粒子有效半徑以及云液態(tài)含水量最大值分布在海拔4 300 m 以下的山區(qū)，是云水資源豐富區(qū)和易降水區(qū)；云宏觀特征參數(shù)與地面6 h 降水量成正相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)生降水概率較大的云光學(xué)厚度在8～20，云粒子有效半徑為6～12 μm，云液態(tài)含水量在0.04 g/m3就能產(chǎn)生降水。祁連山云液態(tài)含水量可高達(dá)0.15 g/m3，表明山區(qū)云水資源具有很大的開(kāi)發(fā)潛力[44]。

一般當(dāng)新疆高空槽東移至河西走廊上空時(shí)，往往會(huì)引導(dǎo)冷空氣東南移動(dòng)與北上高原暖性切變線前暖濕氣流在祁連山區(qū)相遇，祁連山山頂以上的對(duì)流層內(nèi)受槽前西南氣流控制。冷龍嶺山脈南側(cè)西西北—東東南峽谷內(nèi)熱力作用的山谷風(fēng)非常明顯，冷龍嶺山脈北坡風(fēng)向正好相反，形成兩個(gè)反向熱力環(huán)流。祁連山地形云移動(dòng)路線在西南氣流的影響下向東北方向翻越祁連山，然后在北側(cè)受到對(duì)流層中層偏西氣流的影響后，向東南方向移動(dòng)[45]。

2 祁連山云水資源開(kāi)發(fā)潛力

空中云水資源是重要的非傳統(tǒng)水源之一，具有較高的投入產(chǎn)出比和較大的潛在開(kāi)發(fā)量，是緩解我國(guó)水資源短缺的重要途徑?？茖W(xué)開(kāi)發(fā)利用空中云水資源對(duì)增加祁連山高山積雪及地表水、補(bǔ)充地下水和維持西北地區(qū)生態(tài)平衡尤為重要。

我國(guó)平均年云水資源約為2 200×1010m3，但降水效率僅28%左右（西北地區(qū)僅15%左右），87%的云水資源飄出了我國(guó)上空。因人工增雨（雪）具有非常短的循環(huán)周期（僅8.7 d），一年之內(nèi)空中水可以循環(huán)42 次，空中水量達(dá)到11.76×1010m3，約為地表水總量的8 倍多[46]。如2011 年全國(guó)年總降水量約658×1010m3，水汽總輸入量為2 260×1010m3，全年水汽凈輸入210×1010m3（占總輸入量的9%），全年水凝物凈輸入200×1010m3。其中水汽和水凝物的更新周期分別為11 d 和15 h，總水物質(zhì)和水凝物的年降水效率分別為18%和77%。青藏高原空中的云水資源具有較大的開(kāi)發(fā)潛力，年降水效率為32.2%[47-48]。

西北地區(qū)空中云水資源有沿地形分布的特點(diǎn)，總云量、中云量、總光學(xué)厚度和總云水路徑的高值區(qū)均在天山、昆侖山、祁連山一帶，而低值中心在塔里木盆地到內(nèi)蒙古西部戈壁沙漠和黃土高原西北部一帶。祁連山空中春、夏和秋季維持一條“濕舌”。夏季低層具有豐富的云水資源（峰值達(dá)0.38 mg/m3），液態(tài)云有效粒子半徑平均值在8～16 μm。1981—2002 年祁連山空中大氣水汽年輸入總量為9 392.5×108m3，水汽年輸出總量為8 031.5×108m3，水汽凈輸入量為1 361×108m3，占輸入該區(qū)的水汽總量的14.5%，這部分水汽成云致雨或留在該區(qū)域上空。祁連山各季節(jié)水汽凈輸入對(duì)年總水汽收支量的貢獻(xiàn)差別較大，春季凈輸入量為258.8×108m3，夏季為694.5×108m3，秋季為178.7×108m3，冬季為229.0×108m3[49-51]。

高層冷云和低層暖云是祁連山區(qū)形成降水的主要云系，高層冷云由天氣尺度系統(tǒng)決定，而低層暖云則由地形阻擋和加熱等作用形成。通過(guò)對(duì)山區(qū)積云進(jìn)行了人工催化模擬試驗(yàn)表明，在積云初始階段播撒，增雨范圍較大，增雨中心區(qū)在播撒區(qū)下風(fēng)方。在積云發(fā)展階段播撒，增雨范圍較小，增雨中心區(qū)在播撒區(qū)附近。夏季祁連山山頂附近溫度在0 ℃以上，對(duì)應(yīng)明顯的濕區(qū)或飽和區(qū)，云以水云為主。由于500 hPa離0 ℃層很近，祁連山積云人工催化500 hPa 播撒最大增雨效率為10%左右，在400 hPa 播撒最大增雨效率為5%左右，人工催化劑播撒后云水消耗產(chǎn)生較多的霰粒子，霰粒子能夠較快融化，提高了降水效率，使得增雨效果明顯。

3 祁連山云水資源開(kāi)發(fā)效益評(píng)估

祁連山空中水汽資源相對(duì)豐富，獨(dú)特的地理?xiàng)l件使其成為人工增雨（雪）的極佳地區(qū)，具備全年人工增雨（雪）的良好條件。按照10%～15%的增雨率估算，祁連山開(kāi)展人工增雨（雪）作業(yè)，每年可增加降水約3.7×108～7.4×108m3。據(jù)1997—2004 年河西走廊東部5—9 月人工增雨作業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在祁連山東段實(shí)施人工增雨作業(yè)后，8 a 平均累計(jì)增加降雨量131.5 mm，平均相對(duì)增雨率為26%。另外，通過(guò)對(duì)祁連山空中云水資源開(kāi)發(fā)利用效益評(píng)價(jià)表明，祁連山空中云水資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)山前走廊的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等效益均顯著增加，祁連山通過(guò)人工增雨，降水增加10%時(shí)，河西地區(qū)綜合效益將提高5.3%，降水增加20%時(shí)，綜合效益提高12.5%，進(jìn)一步證明祁連山空中水資源具有良好的可開(kāi)發(fā)前景[52-58]。

目前，西北地區(qū)初步建成飛機(jī)、火箭及地面碘化銀燃燒爐等多種途徑的人工增雨（雪）作業(yè)系統(tǒng)。甘肅飛機(jī)人工增雨作業(yè)覆蓋面積為23×104km2，2010年以來(lái)，祁連山東段增雨作業(yè)覆蓋面積達(dá)5 000 km2，每年流域可增加降水量1.5×108m3以上，有效增加了祁連山冰雪儲(chǔ)備和暖季山區(qū)河道融水。2012 年民勤蔡旗斷面過(guò)水總量已達(dá)3.38×108m3，較2009 年同期偏多1.1 倍。隨著石羊河下泄水量增加，民勤盆地地下水位下降趨勢(shì)逐步得到有效遏制，植被逐漸恢復(fù)，沙化危害逐步減輕，干涸51 a 的青土湖形成約8.6 km2的水面，極大地保障和促進(jìn)了祁連山周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[59]。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

（1）祁連山年降水量為250～800 mm。其中5—9月降水量約占全年降水量的86.8%，其它月降水量?jī)H占全年降水總量的13.2%。祁連山降水分布隨海拔高度的升高而增加，其中祁連山西、中和東段的最大降水量分別為200、400 mm 和700 mm。

（2）空中云水資源是重要的非傳統(tǒng)水源之一，是緩解水資源短缺的重要途徑。祁連山空中在春、夏和秋三季水汽輸送維持一個(gè)“濕舌”。西南氣流型天氣低層和高層水汽比較豐富，云液態(tài)含水量可高達(dá)0.15 g/m3。夏季低層云水資源峰值達(dá)0.38 mg/m3，液態(tài)云有效粒子半徑平均值為8～16 μm。1979 年以來(lái)，祁連山大氣水汽含量整體呈增加趨勢(shì)，其中夏季大氣水汽含量高達(dá)329.24 mm，占多年平均大氣水汽含量的48.1%，祁連山獨(dú)特的地理?xiàng)l件使其成為人工增雨（雪）的極佳地區(qū)。

（3）祁連山地形云及降水主要發(fā)生在高山迎風(fēng)坡4 500 m 左右。夏季云量平均在6 成以上，西南氣流天氣背景下總云量多達(dá)8 成。冰雨層云、冰層云和深對(duì)流云含水量最豐富，云水路徑的區(qū)域平均值為400.8～437.9 g/m2。祁連山空中水汽凈輸入夏季最大，秋季最少，水汽年凈輸入量為1 361×108m3，占輸入該區(qū)的水汽總量的14.5%。

4.2 討論

雖然對(duì)祁連山云水資源開(kāi)發(fā)利用潛力研究取得了許多成果，但是受祁連山高大山脈及觀測(cè)技術(shù)條件制約，氣象觀測(cè)站網(wǎng)及儀器多布設(shè)在淺山區(qū)，祁連山腹地觀測(cè)資料較少，今后有待結(jié)合相關(guān)綜合實(shí)驗(yàn)研究，加強(qiáng)祁連山南（北）坡天氣氣候及中小尺度云水資源研究，為深入研究地形云的宏微觀物理演變機(jī)制和預(yù)報(bào)方法等提供支撐。另外，自然降水變率很大，人工增雨催化作業(yè)的效果評(píng)估一直是科學(xué)難題。因此，加強(qiáng)祁連山人工增雨效果檢驗(yàn)評(píng)估方法和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型研究，有利于提高云水資源開(kāi)發(fā)利用水平，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境等協(xié)調(diào)發(fā)展。