祁連山地區(qū)夏季南坡與北坡空中云水資源差異性分析

把 黎， 尹憲志， 龐朝云， 程 鵬， 劉維成， 王研峰

（1.甘肅省人工影響天氣辦公室，甘肅 蘭州 730020；2.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.甘肅省氣象服務(wù)中心，甘肅 蘭州 730020；4.蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅 蘭州 730020）

祁連山地處西北干旱半干旱區(qū)腹地，在我國“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略中發(fā)揮“青藏高原生態(tài)屏障”和“北方防沙帶”的作用，也是我國重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)中的“水源涵養(yǎng)重要區(qū)”［1-2］。近年來，隨著全球氣候變暖、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境變化，祁連山地區(qū)局部水資源短缺問題日益突出，解決水資源問題對于緩解干旱、乃至區(qū)域經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用［3-6］。云水資源作為水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)及水資源存儲(chǔ)形式之一，儲(chǔ)量大、利用率低，也是人工干預(yù)可以直接開發(fā)利用的水資源，通過人工增雨技術(shù)開發(fā)云水資源，增加地表水是解決區(qū)域水資源短缺科學(xué)而有效的途徑［7-10］。然而，判斷最佳增雨潛力區(qū)是一個(gè)非常復(fù)雜的科學(xué)問題，水汽、云水分布及含量、上升氣流、降水效率等均是需要考慮的因素，了解影響增雨潛力的要素，對于準(zhǔn)確識(shí)別作業(yè)條件和科學(xué)實(shí)施催化作業(yè)從而提高云水資源開發(fā)利用效率具有重要意義［11-13］。

以往研究表明，祁連山上空云水資源豐富，地形云的存在使其較周圍平原地區(qū)存在更高的增雨潛力，尤其夏季降水效率及人工增雨潛力最大［14-17］。而山區(qū)云水資源受地形、大氣環(huán)流、水汽分布與傳輸?shù)纫蛩氐挠绊懣臻g格局特征鮮明［18-21］，對祁連山而言，其地處西風(fēng)帶、偏南季風(fēng)和東亞季風(fēng)影響的交匯地帶［22-23］，上空云系分布復(fù)雜、云水分布不均勻、變率大，為增雨作業(yè)帶來了不確定性［24-27］。一些學(xué)者已經(jīng)注意到其上空水汽及云的宏微觀物理特性存在南北坡差異，鄭國光等［28］在祁連山區(qū)夏季開展地形云綜合探測實(shí)驗(yàn)得到山區(qū)及南坡的降水及水汽密度大于北坡；張杰等［29］對祁連山上空18次大范圍云覆蓋過程衛(wèi)星反演得到，南坡海拔4300 mm左右云液水含量、光學(xué)厚度等參數(shù)達(dá)到最高，而北坡隨高度升高云參數(shù)均呈下降趨勢；程鵬等［30］利用祁連山一次地形云降水過程的飛機(jī)觀測數(shù)據(jù)，得到云系翻越祁連山過程中南北坡云微物理特征有明顯變化，北坡（背風(fēng)坡）粒子濃度、直徑和液態(tài)水含量明顯大于南坡（迎風(fēng)坡）。上述研究豐富了我們在祁連山云物理及人工增雨方面的認(rèn)識(shí)，但對于云水在南北坡差異性的平均分布狀況及成因、云水的垂直分布特征、不同環(huán)流形勢下的云水差異性等相關(guān)研究還缺乏詳細(xì)分析，而了解祁連山上空南北坡的云水差異及多變性，可以為在增雨過程中更有針對性的選擇作業(yè)區(qū)域及作業(yè)手段提供參考依據(jù)。另外，祁連山南北坡氣候差異較大［31-32］，近年來，在氣候暖濕化增強(qiáng)東擴(kuò)的背景下［33-34］，其兩側(cè)的云水資源變化也更為復(fù)雜，因此，了解新氣候形勢下祁連山地區(qū)的云水差異及其變化趨勢具有重要意義。

以往對祁連山上空云水的探測手段主要基于衛(wèi)星和飛機(jī)探測開展，飛機(jī)穿云作為最直接有效的觀測手段，其獲取的樣本數(shù)量有限；而傳統(tǒng)的基于被動(dòng)式傳感器的衛(wèi)星資料由于觀測手段的限制也只能粗略估計(jì)云的位置和垂直范圍［35］。與之相比，本研究用到的ERA5 再分析資料具有資料均一化、時(shí)空分辨率更高、時(shí)間尺度更長的優(yōu)點(diǎn)，通過多模式資料對比及與衛(wèi)星資料檢驗(yàn)表明，再分析資料與觀測的云水分布具有較高的一致性，并且ERA5 在東亞地區(qū)對深對流結(jié)構(gòu)的描述更接近，對多云大氣的再分析能力最強(qiáng)［36-38］。隨著模式方案的改進(jìn)，再分析資料近年來也被逐步應(yīng)用在對高海拔山地空中水資源的研究中［39-41］，彌補(bǔ)了西北復(fù)雜地形條件下觀測資料的不足?；谏鲜鍪侄潍@得的云水量是在特定時(shí)間內(nèi)觀測到的狀態(tài)量，從人工增雨的角度講，在考慮區(qū)域水成物收支的基礎(chǔ)上，重新定義云水資源以及由此得到的降水效率，對人工影響天氣具有重要意義［42］。為此，本研究以高分辨率的再分析資料為研究基礎(chǔ)，對祁連山地區(qū)夏季南北坡空中云水資源的差異特征進(jìn)行分析，并試圖探索這種南北差異形成的原因，最后對祁連山區(qū)的水汽凝結(jié)效率和水凝物降水效率進(jìn)行評估，為后期更有針對性的開展人工增雨作業(yè)及云和降水物理過程參數(shù)化方案等相關(guān)研究和應(yīng)用提供可參考性依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及資料

1.1 祁連山地區(qū)概況

祁連山地處青藏高原東北邊緣，其北部為河西走廊，四周戈壁沙漠環(huán)抱，地理位置為94°～104°E，36°～40°N，由數(shù)條西西北-東東南走向的平行山峰和寬谷組成，平均海拔1700～5800 m。廣義上的南坡指祁連山在青海一側(cè)，北坡指甘肅一側(cè)。本文取祁連山中段冷龍嶺的南北坡作為主要研究區(qū)域（99.5°～101°E，37.5°～39°N，圖1），冷龍嶺主峰海拔5000 m，北坡地勢陡峭，到河西走廊地勢高度迅速下降到1500 m，南坡相對平緩，地勢高差較小。

圖1 祁連山地區(qū)地貌及周邊探空站示意圖Fig.1 Schematic diagram of landform and surrounding sounding stations in Qilian Mountain area

1.2 資料及其適用性

所用資料包括：（1）1979—2019年6—8月ERA5再分析資料（空間分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率1 h，垂直方向從1000～100 hPa，共27層），該資料生成使用了ECMWF 集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Integrated Forecast System,IFS）CY41R2 全球譜模式，改進(jìn)了四維變分（4D-Var）方案，并在同化系統(tǒng)中增加了更多歷史觀測數(shù)據(jù)，特別是在同化系統(tǒng)和模式系統(tǒng)中加入了衛(wèi)星數(shù)據(jù)，改進(jìn)了地表參數(shù)化和云降水模式［43-44］；（2）祁連山區(qū)周邊5 個(gè)探空站資料。研究所用公式如下：

整層大氣可降水量（PW）計(jì)算公式：

整層大氣水汽通量（Q）計(jì)算公式：

整層緯向水汽通量（Qλ）計(jì)算公式：

整層經(jīng)向水汽通量（Qφ）計(jì)算公式：

單層大氣水汽通量散度（A）計(jì)算公式：

式中：q為單位氣柱的比濕；V為風(fēng)向；u和v分別為緯向和經(jīng)向風(fēng)分量；P為氣壓；Ps為隨λ和φ變化的地表氣壓；g為重力加速度；?為散度算子。由于100 hPa 以上高度的水汽輸送很小，這里積分高度選取100 hPa［45］。

格點(diǎn)平均云液水（云冰水）含量（l）公式為［43］：

式中：ρw是云液水（冰水）密度；ρ是濕空氣密度；V是格點(diǎn)區(qū)域的體積。云水路徑是整層云液（冰）水含量總和。

對祁連山區(qū)水汽凝結(jié)效率和水凝物降水效率的估算采用中國氣象科學(xué)研究院人工影響天氣中心建立的CWR-MEM 方案（Cloud Water Resource-Monitoring and Evaluation Method）［46-47］。

區(qū)域內(nèi)水汽和水凝物的平衡方程為：

水汽凝結(jié)效率（P）的公式為：

水凝物降水效率（Eh）的公式為：

式中：Qv為水汽總量；Qv0為水汽初值；Qvip為水汽輸入；Qev為地面蒸發(fā)；Qe為蒸發(fā)；Qh為水凝物總量；Qh0為水凝物初值；Qhip為水凝物輸入；Qc為凝結(jié)；Qtc為總凝結(jié)量；R為降水總量。

用ERA5 格點(diǎn)資料與祁連山周邊5 個(gè)探空站比濕資料進(jìn)行對比分析，結(jié)果均通過99%置信水平（表1），說明ERA5再分析資料可用于對祁連山地區(qū)水汽特征的分析。

表1 ERA5格點(diǎn)數(shù)據(jù)與探空站比濕相關(guān)性檢驗(yàn)Tab.1 Correlation test of specific humidity between ERA5 grid data and sounding station

2 祁連山夏季云水資源分布及南北坡差異

2.1 夏季水汽分布

祁連山地區(qū)夏季水汽分布表現(xiàn)為東南多于西北，平原、谷地多于山坡（圖2a）。99°E 以東大部水汽含量在7～10 mm，山區(qū)西部有水汽含量不足5 mm的低值中心。南坡青海湖至湟水河谷地一帶、北坡地勢高度迅速下降處至河西走廊呈現(xiàn)2 個(gè)西西北-東東南向的水汽含量大值中心，尤其北坡一帶水汽濕舌可伸至40°N；北坡水汽含量整體較南坡高。整個(gè)區(qū)域水汽均呈增加趨勢（圖2b），增速在0.1～0.4 mm·（10a）-1。水汽增速在山區(qū)西部大于東部，南坡大于北坡。

圖2 1979—2019年祁連山地區(qū)夏季（6—8月）大氣可降水量分布和變化趨勢Fig.2 Distribution and variation trend of precipitable water vapor over the Qilian Mountains in summer during(June-August)1979-2019

2.2 夏季云水分布

祁連山地區(qū)夏季云水路徑分布整體態(tài)勢與水汽相似（圖3a），東南多西北少，山區(qū)顯著大于周邊，尤其最東一排高山是云水路徑的高值區(qū)，最高值可達(dá)120 g·m-2。整體上，云水路徑在南坡略高于北坡，北坡隨地勢高度下降，云水路徑迅速降低。山區(qū)大部地區(qū)云水路徑均呈增多趨勢（圖3b），增速普遍在2～4 g·m-2·（10a）-1，只在100°E以東的中東段呈弱減少趨勢。整體上，南坡云水路徑上升，而北坡云水路徑呈弱下降趨勢。

圖3 1979—2019年祁連山地區(qū)夏季（6—8月）云水路徑、云液水含量、云冰水含量分布和變化趨勢Fig.3 Distribution and variation trend of cloud water path,cloud liquid water content,cloud ice water content over the Qilian Mountains in summer(June-August)from 1979 to 2019

云液水含量和云冰水含量分布態(tài)勢與云水路徑分布較為一致（圖3c、圖3e），云液水含量在南坡的分布較北坡略大。兩者變化趨勢相反（圖3d、圖3f），云液水含量在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均呈增加趨勢，尤其在西部增速為4 g·m-2·（10a）-1，南坡增速普遍大于北坡；而云冰水含量呈下降趨勢，尤其在東段北坡下降趨勢較為顯著。由此可見，祁連山南坡云水路徑上升主要由云液水含量增多引起，北坡及山區(qū)東南部云水路徑下降主要由云冰水含量減少引起。

進(jìn)一步分析，祁連山地區(qū)夏季云液水含量和云冰水含量沿38.3°N的緯向剖面和沿100°E的經(jīng)向剖面（圖4）。由圖可見，云液水含量在垂直方向的最大高度在300 hPa 附近（圖4a、圖4c），高值區(qū)（大于0.025 g·kg-1）主要集中在山脈和南坡低層500 hPa以下，云液水含量最大值在冷龍嶺南坡600 hPa 以下的谷地可達(dá)0.055 g·kg-1。云冰水含量主要集中在500～200 hPa 之間（圖4b、圖4d），高值區(qū)（大于0.02 g·kg-1）在300 hPa 上下，云冰水含量覆蓋范圍較廣，在南北坡分布無明顯差異。

圖4 1979—2019年祁連山地區(qū)夏季（6—8月）云液水含量和云冰水含量沿38.3°N和100°E的垂直剖面分布Fig.4 Vertical profile distribution of cloud liquid water content and cloud ice water content along 38.3°N and 100°E in summer(June-August)over the Qilian Mountains from 1979 to 2019

東亞地區(qū)云液水含量存在2 個(gè)高度上的峰值區(qū)，0.5～1.0 km 和3.5～4.5 km，發(fā)展上限在9 km 高度附近；云冰水含量的垂直高度中心在8 km 左右，發(fā)展上限在19 km 附近，其中青藏高原地區(qū)由于地勢高，夏季熱力作用明顯，對流發(fā)展旺盛，云液水及云冰水含量中心高度高于平均值，上限發(fā)展高度高于平原地區(qū)［48-52］。祁連山區(qū)云水含量垂直分布特征與前人研究結(jié)果一致。

3 祁連山夏季南北坡云水資源差異性原因

綜上所述，祁連山地區(qū)夏季水汽含量及云水路徑在南坡和北坡的分布存在差異，南坡水汽含量略小于北坡，但云水路徑大于北坡；兩者在南坡與北坡也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，水汽含量在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均呈上升趨勢，且南坡增速大于北坡，而云水路徑在南坡呈上升趨勢，北坡及山區(qū)中東段呈弱下降趨勢，且南坡的云水路徑上升主要由云液水含量在南坡的上升主導(dǎo)，北坡及山區(qū)中東段云水路徑的下降主要由云冰水含量在上述地區(qū)的下降主導(dǎo)。為分析這種南北差異形成的原因，對祁連山地區(qū)夏季水汽輸送及水汽通量散度和平均氣流場進(jìn)行診斷。

3.1 夏季水汽輸送

由圖5a可知，整個(gè)山區(qū)均為由西向東的水汽通量，值在40～50 kg·m-1·s-1。經(jīng)向整層水汽通量的方向?yàn)橛赡舷虮保▓D5b），最大水汽通量中心在山區(qū)東南部，值為5 kg·m-1·s-1，其北部河西走廊靠近祁連山北坡一帶為弱的向南輸送的水汽通量，尤其在中東段北坡水汽通量值可達(dá)-5 kg·m-1·s-1。綜合來看，緯向水汽通量遠(yuǎn)大于經(jīng)向水汽通量，量級(jí)相差約9倍左右。

從水汽通量的變化趨勢看（圖5c、圖5d），緯向水汽通量在區(qū)域內(nèi)均呈減少趨勢，下降速度約在-4～-2 kg·m-1·s-1·（10a）-1，也就是說西風(fēng)水汽輸送的影響呈減弱趨勢，尤其在中東段南坡減弱趨勢更為明顯；而經(jīng)向水汽通量呈增多趨勢，尤其在河西走廊至北坡一帶增強(qiáng)趨勢較為明顯，值約為3 kg·m-1·s-1·（10a）-1，中東段水汽通量的變化趨勢不顯著。

圖5 1979—2019年祁連山地區(qū)夏季（6—8月）整層緯向和經(jīng)向水汽通量分布和變化趨勢Fig.5 Distribution and variation trend of latitudinal and meridional water vapor transport flux over the Qilian Mountains in summer(June-August)from 1979 to 2019

由此可見，祁連山地區(qū)夏季的水汽來源主要依靠中緯度西風(fēng)帶對水汽的輸送，但是近年來西風(fēng)環(huán)流對水汽的輸送呈減弱趨勢，而夏季風(fēng)受地形阻擋，只能輸送少量的水汽到達(dá)祁連山中東段南坡，雖然這部分從海洋吹來的水汽通量值很小，但是依然對祁連山地區(qū)水汽的分布起到重要作用。還可以看到，祁連山中東段河西走廊靠近北坡一帶存在向南輸送的弱水汽通量，且該向南的水汽通量呈增大的趨勢，并與南坡向北輸送的水汽通量在山脈處匯合，對中東段云水資源的分布起到了重要作用。

從650 hPa 平均水汽通量及風(fēng)場的分布情況和變化趨勢看（圖6），中東部水汽輸送可達(dá)100°E，37.5°N左右，筆者認(rèn)為是夏季風(fēng)能到達(dá)的平均位置，以往研究也認(rèn)為，東亞季風(fēng)的影響區(qū)域最西可達(dá)100°E，北緣在33°～44°N擺動(dòng)［53-54］。而近年來，該東南方向水汽輸送呈增大趨勢，最大增速可達(dá)20 g·hPa-1·cm-1·s-1·（10a）-1。區(qū)域內(nèi)550 hPa及以上轉(zhuǎn)為西風(fēng)緯向輸送。由此可見，夏季風(fēng)對水汽的輸送主要集中在中低層，并使祁連山地區(qū)夏季的水汽分布呈現(xiàn)東高西低的態(tài)勢。

圖6 1979—2019年祁連山地區(qū)夏季（6—8月）650 hPa平均水汽通量和平均風(fēng)場分布以及平均水汽通量變化趨勢Fig.6 Distribution of water vapor fluxes and mean wind field,Variation trend of water vapor fluxes at 650 hPa in summer(June-August)over the Qilian Mountains from 1979 to 2019

3.2 夏季水汽通量散度及平均氣流

由圖7a 可見，白天沿38.3°N 的緯向剖面上，祁連山東坡為水汽通量輻散區(qū)，西坡在96°～100°E 范圍內(nèi)550 hPa 以下均為水汽通量輻合區(qū)，最強(qiáng)輻合中心達(dá)-1.2×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。從103°E 處開始，沿東坡出現(xiàn)了偏東風(fēng)上升氣流，該上升氣流一直伸入西坡，高度可達(dá)400 hPa 以上。而夜間（圖7b），東坡低層為水汽通量輻合區(qū)，西坡低層為水汽通量輻散區(qū)，夜間東坡主要以弱下沉氣流為主。

從沿100°E 的經(jīng)向剖面上看（圖7c、圖7d），北坡為水汽通量輻散區(qū)，南坡在37.5°～38.5°N 的范圍內(nèi)550 hPa 以下為水汽通量輻合區(qū)，輻合中心強(qiáng)度為-2.4×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。沿北坡存在偏北風(fēng)上升氣流，該上升氣流一直伸入南坡，高度可達(dá)400 hPa以上，在山峰處，有中心強(qiáng)度為0.3 Pa·s-1的垂直上升速度。夜間南北坡水汽通量散度的分布情況與緯向剖面相似。

圖7 1979—2019年祁連山地區(qū)夏季（6—8月）物理量場在白天和夜間沿38.3°N和100°E的垂直剖面分布Fig.7 Physical quantity along 38.3°N and 100°E in day and night over the Qilian Mountains in summer(June-August)from 1979 to 2019

也就是說，祁連山地區(qū)夏季白天北坡存在定常性上升氣流，這支來自北坡的偏東北氣流攜帶該地區(qū)相對較為豐富的水汽爬坡、向南坡輸送，且該上升氣流可持續(xù)到對流層中層，而南坡低層550 hPa以下為水汽通量輻合區(qū)，輻合區(qū)域主要位于96°～100°E，37.5°～38.5°N范圍內(nèi)。結(jié)合圖4分析可知，祁連山地區(qū)夏季云液水含量的大值區(qū)對應(yīng)低層水汽通量輻合區(qū)，而山峰至南坡一帶一直持續(xù)到對流層中上層的上升運(yùn)動(dòng)，對應(yīng)山峰至南坡整層較高的云水含量。因此，可以看到祁連山地形引起的輻合對水汽在該地區(qū)起到再分配的作用，配合定常性上升氣流決定了云水含量的南北坡差異。

綜上所述，在大氣環(huán)流和地形的共同作用下，夏季祁連山地區(qū)的云水分布呈現(xiàn)東南多西北少的格局和南多北少的南北坡差異特征。

4 夏季典型降水環(huán)流形勢下南北坡云水資源差異性

從前文分析得到，祁連山地區(qū)的云水分布格局及南北坡差異性特征由大氣環(huán)流和地形因素共同主導(dǎo)。通過對祁連山上空夏季降水過程的環(huán)流形勢進(jìn)行普查得到，降水主要在以冷空氣主導(dǎo)的偏西風(fēng)氣流和以偏南暖濕氣流主導(dǎo)的環(huán)流形勢下產(chǎn)生，基于此，對區(qū)域內(nèi)有降水時(shí)的高空環(huán)流形勢進(jìn)行分型，取30°～45°N 范圍內(nèi)500 hPa 110°E 格點(diǎn)平均位勢高度（H1）減90°E 平均位勢高度（H2）的值作為分型標(biāo)準(zhǔn)，分為2 大類型，H1-H2＞20 gpm 為西南氣流型，H1-H2＜20 gpm為西北或偏西氣流型［55］。

從夏季不同降水環(huán)流形勢下的祁連山地區(qū)云水資源分布形態(tài)上看（圖8），在偏西或西北氣流形勢下，祁連山地區(qū)以分布在低層的云液水含量為主，且北坡的云液水含量顯著大于南坡，云冰水含量主要分布在400 hPa 左右，量級(jí)在0.03 g·kg-1；而在偏南氣流形勢下，祁連山南北坡低層的云水含量均較大，且云液水厚度向上伸展到400 hPa，高層云冰水含量也較大，中心在300 hPa 左右，量級(jí)大于0.05 g·kg-1。

由此可見，在不同降水環(huán)流形勢下，祁連山南北坡云水資源分布存在差異。在偏西或西北氣流形勢下，祁連山北坡的云水分布較南坡更為充沛，且多以含水性低云為主；而在西南氣流形勢下，祁連山南北坡的云水差異不大，但云水厚度更深且云冰水含量更大。

5 祁連山地區(qū)人工增雨潛力

在判斷人工增雨潛力時(shí)，大氣水汽凝結(jié)效率和水凝物降水效率是2個(gè)重要指標(biāo)，一般來說，水汽凝結(jié)效率較高，水凝物降水效率低的云其增雨潛力大［56］。

由圖9 可見，山區(qū)的水汽凝結(jié)效率及水凝物降水效率顯著大于周邊地區(qū)，南坡水汽凝結(jié)效率在0.8%以上，而北坡水汽凝結(jié)效率在0.3%左右。南坡水凝物降水效率在20%～30%，北坡水凝物降水效率在10%左右。

不同地區(qū)的地理環(huán)境、氣候條件和降水機(jī)制不盡相同，因此不便將前人研究結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直接比較，但作為參考仍具有一定意義。前人對水汽凝結(jié)效率及水凝物降水效率的研究文章較少，與本文定義比較接近的研究結(jié)論如下：張正國［57］、陶玥［58］和張玉欣［59］等計(jì)算不同地區(qū)的水汽凝結(jié)效率，分別為5.3%（廣西）、4.77%（北京）和0.3%（青海）；張沛［60］、周非非［61］、陶玥［58］、洪延超［56］、張正國［57］、張玉欣［59］等計(jì)算不同地區(qū)的水凝物降水效率，分別為44%（六盤山）、69.7%（河南）、44.9%（北京）、40%（鄭州）、72.2%（廣西）和14%（青海）。就結(jié)果來看，祁連山區(qū)尤其是南坡，空中云水資源相對豐富，且較大部分的水凝物未能成為降水，空中水資源具有一定開發(fā)空間。

6 討論

研究表明，山區(qū)云水分布不均勻、變率大。對夏季祁連山地區(qū)而言，云水資源分布東南多西北少的格局主要由大氣環(huán)流對水汽的輸送作用主導(dǎo)；而其在山區(qū)大于周邊、以及水汽和云水在南北坡的差異特征，則反映了地形因素對于水汽的再分配及對氣流的抬升等作用，這一點(diǎn)在干旱半干旱區(qū)的山區(qū)體現(xiàn)的尤為明顯［45,60,62］。而對于不同降水環(huán)流形勢下，祁連山上空云水資源差異性的研究，也體現(xiàn)了地形對云微物理結(jié)構(gòu)的影響是復(fù)雜的、多變的，這與劉衛(wèi)國等［24］對祁連山夏季地形對云微物理模擬的研究結(jié)果一致。

在氣候變暖的背景下，全球云水資源顯著增加，且在中高緯地區(qū)尤為顯著［63］。中國范圍內(nèi)云水資源總體上與全球變化一致，以增加為主，但存在一定的區(qū)域變化差異，以105°E為界，以西呈增加趨勢（西藏東部、新疆山區(qū)除外），以東呈減少趨勢［39,64］，祁連山所在的高原氣候區(qū)增長趨勢比較明顯［65-67］。本文延長研究時(shí)段發(fā)現(xiàn)，祁連山地區(qū)云水變化趨勢延續(xù)之前的發(fā)展態(tài)勢以增加為主，但存在一定的區(qū)域異質(zhì)性，區(qū)域內(nèi)云液水含量上升而云冰水含量下降，最終體現(xiàn)為南坡云水路徑上升而北坡云水路徑下降，這與劉菊菊等［68］對高原地區(qū)云液水和云冰水分別與氣溫呈顯著正相關(guān)及負(fù)相關(guān)的研究結(jié)果一致。簡要分析區(qū)域內(nèi)水汽輸送的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，近年來西風(fēng)環(huán)流對水汽的輸送呈減弱趨勢，使得季風(fēng)攜帶的水汽更容易向西向北輸送，劉玉芝等［69］在大氣環(huán)流對西北干旱半干旱區(qū)氣候的影響研究中也得到了相似的結(jié)論。由此可見，氣候變暖通過影響大氣環(huán)流變化，從而影響云水生成所需的水汽輸送進(jìn)而影響云水含量，也因此導(dǎo)致了云水的變化在區(qū)域內(nèi)的差異。

當(dāng)然，云水作為地氣系統(tǒng)輻射收支及水循環(huán)的重要組成部分，其生成乃至分布受熱動(dòng)力學(xué)過程的共同影響是十分復(fù)雜的科學(xué)過程［70］，不僅僅受大氣環(huán)流及地形等因素的影響，地表溫度、下墊面（如冰川、湖泊、植被等）等因子通過影響區(qū)域內(nèi)的水汽輸送及蒸散進(jìn)而也能影響其上空水汽收支、輻射收支平衡及云的宏微觀屬性［21,68,71-72］，此外，沙塵氣溶膠［73-75］在云水的生成過程中也發(fā)揮著重要作用，而近年來全球變暖加速水循環(huán)使云水的分布及變化趨勢更為復(fù)雜［63,76］。本文只對大氣環(huán)流及地形因素進(jìn)行了討論，在后期工作中，全面了解影響祁連山上空云水分布的各項(xiàng)因子，對于深入理解各項(xiàng)因子對云水影響的機(jī)理從而更為有效地開展增雨作業(yè)具有重要意義。另外，隨著搭載主動(dòng)式傳感器，能獲得完整云垂直信息衛(wèi)星的升空及數(shù)據(jù)積累時(shí)間的延長［35,77］，今后有必要利用長時(shí)間序列衛(wèi)星數(shù)據(jù)集對本文結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

7 結(jié)論

本文基于ERA5再分析資料對夏季祁連山地區(qū)云水含量南北坡差異及變化趨勢進(jìn)行了分析，并探究了差異形成的原因，基于CWR-MEM 方案對水汽凝結(jié)效率及水凝物降水效率進(jìn)行了估算。文中對祁連山上空云水資源分布不均勻性及多變性的研究，可為在開發(fā)過程中更有針對性的選擇作業(yè)區(qū)域及作業(yè)手段提供參考依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）祁連山地區(qū)夏季水汽含量與云水路徑總體分布均呈現(xiàn)東南多西北少的態(tài)勢，但是在南坡和北坡的分布存在差異，水汽含量南坡略小于北坡，云水路徑南坡大于北坡，南坡500 hPa 以下是云液態(tài)水含量富集區(qū)；近年來，水汽含量和云水路徑在南坡與北坡也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，水汽含量在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均呈上升趨勢，且在南坡增速大于北坡；而云水路徑在南坡呈上升趨勢，北坡及山區(qū)中東段呈弱下降趨勢，且南坡的云水路徑上升主要由云液水含量在南坡的上升主導(dǎo)，北坡及山區(qū)中東段云水路徑的下降主要由云冰水含量在上述地區(qū)的下降主導(dǎo)。

（2）祁連山地區(qū)夏季整層緯向的水汽通量遠(yuǎn)大于經(jīng)向的水汽通量，量級(jí)相差約7倍左右，水汽輸送主要集中在中低層，西部地區(qū)水汽主要來源于西風(fēng)帶的輸送，中東部水汽主要來源于東南風(fēng)的輸送，受夏季風(fēng)對水汽輸送的影響，祁連山地區(qū)夏季的水汽呈現(xiàn)東高西低的態(tài)勢；夏季白天南坡低層為水汽通量的輻合，而北坡存在定常性上升氣流并一直持續(xù)到南坡高層。由此可見，地形引起的低層水汽場的輻合和上升氣流對祁連山地區(qū)水資源的分布起到關(guān)鍵作用。

（3）在不同降水環(huán)流形勢下，祁連山南北坡云水資源分布存在差異，偏西或西北氣流形勢時(shí)，北坡云水分布較南坡更為充沛，且多以含水性低云為主；西南氣流形勢時(shí)，云水厚度更深，南北坡云水差異不大。

（4）祁連山區(qū)水汽凝結(jié)效率在0.3%～0.8%左右，水凝物降水效率在10%～30%左右，對于南坡來說，空中水資源相對豐富且還有相當(dāng)大部分水凝物未轉(zhuǎn)化為降水，因此空中水資源具有一定開發(fā)空間。而其云水資源分布的不均勻性及多變性則需要在開發(fā)過程中更有針對性的選擇作業(yè)區(qū)域及作業(yè)手段。