基于ERA-Interim資料的青海省空中云水資源評(píng)估

張海宏，石明明，吳 昊，祁棟林，權(quán) 晨

(1.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810001；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001；3.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 610225)

引 言

云水含量為云中液態(tài)水和固態(tài)水含量的統(tǒng)稱，是空中水資源的重要組成部分，是研究云對(duì)氣候影響的重要參數(shù)[1-2]，對(duì)云滴的碰并增長(zhǎng)以及降水強(qiáng)度都有重要影響，是全球氣候數(shù)值模擬的預(yù)報(bào)參量[3-4]。云水含量對(duì)云的輻射特性會(huì)產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響地氣系統(tǒng)的能量平衡[5]。對(duì)云水含量時(shí)空分布特征的研究可以為人工增雨提供一定的參考依據(jù)[6-8]。在全球變暖背景下，中國(guó)地區(qū)空中云水資源表現(xiàn)出增多趨勢(shì)，符合氣溫升高水循環(huán)增強(qiáng)的觀點(diǎn)[9]。受東亞夏季風(fēng)因素的影響，中國(guó)地區(qū)云和降水的發(fā)生發(fā)展呈現(xiàn)出異常復(fù)雜的特征，青藏高原地形以及東亞夏季風(fēng)對(duì)月平均云水含量分布具有明顯影響[10]。

目前對(duì)于空中云水資源的研究多基于衛(wèi)星、遙感數(shù)據(jù)和再分析資料[11-13]。衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣，分辨率高的優(yōu)勢(shì)，但由于反演算法的差異會(huì)導(dǎo)致云水含量反演結(jié)果存在一定的不確定性。再分析資料利用云水混合比的參數(shù)化方程計(jì)算云水含量，通過數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)與觀測(cè)數(shù)據(jù)相融合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的優(yōu)化集成。耿容[14]對(duì)比了國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃(International Satellite Cloud Climatology Project, ISCCP)、MODIS、ERA-Interim的中國(guó)地區(qū)整層云水含量，發(fā)現(xiàn)ERA-Interim與衛(wèi)星資料空間分布基本一致，ERA-Interim在反映云液水含量和云冰水含量變化方面與MODIS一致性很高。蔡淼[15]利用Cloudsat云觀測(cè)和再分析資料，對(duì)中國(guó)大氣水分收支和云水資源、降水效率等進(jìn)行了計(jì)算評(píng)估，認(rèn)為根據(jù)再分析資料的相對(duì)濕度物理量診斷的云場(chǎng)分布比較符合實(shí)際的云降水觀測(cè)。近些年來，利用再分析資料對(duì)我國(guó)不同區(qū)域空中云水資源的評(píng)估[16-18]，對(duì)于進(jìn)一步理解區(qū)域氣候變化提供了重要參考。

青海省位于青藏高原東北部，處于東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)影響的邊緣地帶，省內(nèi)大部地區(qū)年降水量較少。研究表明，青藏高原大氣可降水量的空間分布總體表現(xiàn)為東南部偏多、西北部和中部偏少的特征[19]，在氣候變暖背景下，高原地區(qū)的云水含量呈增加趨勢(shì)，云液水含量與氣溫呈顯著正相關(guān)[20]。為了解青海省空中云水資源的分布狀況，本文利用ERA-Interim再分析資料對(duì)青海省空中云水資源進(jìn)行評(píng)估，此類研究對(duì)于合理開發(fā)利用空中水資源、緩解地表淡水資源短缺、改善生態(tài)環(huán)境、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[21]。

1 資料與方法

所用資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)布的ERA-Interim逐月再分析數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間段為2009年1月至2018年12月。ERA-Interim再分析資料數(shù)據(jù)種類豐富，其大氣模式改進(jìn)了冰粒子的沉降、云頂夾卷、云底計(jì)算、陸面夜間對(duì)流的觸發(fā)等物理過程，在大氣質(zhì)量守恒、水分收支和能量循環(huán)等方面較ERA-40有顯著提升[22-23]，近年來該產(chǎn)品的性能已經(jīng)得到普遍認(rèn)可[24-25]。本文分析選取的氣象要素有云液水含量和云冰水含量，云水含量為云液水含量、云冰水含量的總和。四季劃分：2—4月為春季，5—7月為夏季，8—10月為秋季，11月至次年1月為冬季。將青海省劃分為4個(gè)主要生態(tài)功能區(qū)，分別為柴達(dá)木盆地(35.9°N—38.9°N、90.5°E—97.4°E)、祁連山區(qū)(37.3°N—39.1°N、98.0°E—102.3°E)、東部農(nóng)業(yè)區(qū)(35.6°N—37.2°N、100.1°E—102.9°E)和青南高原(32.1°N—35.6°N、90.5°E—101.8°E)。

文中附圖所涉及地圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2019)1719的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

2 結(jié)果與分析

2.1 云水資源空間分布特征

圖1為青海省2009—2018年整層云液水含量、云冰水含量和云水含量年平均值空間分布?？梢钥闯?，青海省云液水含量、云冰水含量、云水含量均呈現(xiàn)自西北向東南逐漸增多的空間分布特征。云液水含量空間分布差異較大，而云冰水含量空間分布差異較小，云冰水含量多于云液水含量。柴達(dá)木盆地云液水含量、云冰水含量和云水含量很少；而玉樹南部、果洛東南部及北部的祁連山區(qū)三者含量較高，云液水含量、云冰水含量和云水含量多年平均值分別為20～30，30～50和70～80 g·m-2，這與強(qiáng)安豐等[26]在三江源區(qū)的研究結(jié)論類似。青海省地處青藏高原東北部，境內(nèi)海拔高度多在3000 m以上，受東亞季風(fēng)影響較弱，云液水含量和云冰水含量均低于中國(guó)東部地區(qū)[22]。青藏高原東側(cè)是南北氣流交匯區(qū)，容易形成低渦系統(tǒng)，導(dǎo)致對(duì)流層中低層出現(xiàn)較多的層狀云，這可能是青海東南部地區(qū)云水含量較高的原因。

圖1 青海省2009—2018年整層云液水含量(a)、云冰水含量(b)和云水含量(c)的年平均值空間分布(單位：g·m-2)

圖2為青海省 2009—2018年四季整層云液水含量和云冰水含量的空間分布。可以看出，春季和冬季，青海省云液水含量均很小，低于10 g·m-2；夏季和秋季青海西北部地區(qū)云液水含量很小，低于10 g·m-2，東南部地區(qū)云液水含量較高，達(dá)70 g·m-2，其中夏季云液水含量峰值(80 g·m-2)出現(xiàn)在久治縣和班瑪縣，秋季云液水含量峰值(90 g·m-2)出現(xiàn)在河南縣，值得注意的是，祁連山區(qū)也屬于夏秋季節(jié)云液水含量較高的地區(qū)。春季云冰水含量青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)較大，可達(dá)90 g·m-2，中部和西部地區(qū)較小，只有10～30 g·m-2；夏季全省云冰水含量較大，高值區(qū)主要位于祁連山區(qū)、玉樹中南部、果洛東南部，可達(dá)60～70 g·m-2，峰值(70 g·m-2)出現(xiàn)在囊謙縣和久治縣；秋季云冰水含量空間分布與夏季類似，但數(shù)值略有降低，峰值(70 g·m-2)出現(xiàn)在玉樹東部至果洛一帶；冬季全省大部分地區(qū)云冰水含量低于10 g·m-2，只有玉樹東南部、果洛和黃南為10～20 g·m-2。劉菊菊等[25]研究發(fā)現(xiàn)高原夏季云水含量占全年48%，由東南向西北逐漸減少，本文的研究結(jié)論與其較為類似。從各季云液水含量和云冰水含量的對(duì)比來看，春季和夏季青海省大部分地區(qū)云冰水含量多于云液水含量；秋季除柴達(dá)木盆地西北部云冰水含量多于云液水含量外，其余地區(qū)云液水含量多于云冰水含量；冬季除東南部地區(qū)云冰水含量多于云液水含量外，其余大部地區(qū)云液水含量和云冰水含量相當(dāng)。從全省范圍來看，云液水含量秋季最為豐富，云冰水含量夏季最為豐富，這可能與東亞夏季風(fēng)和南亞夏季風(fēng)的影響差異有關(guān)。

圖2 2009—2018年青海省春季(a、b)、夏季(c、d)、秋季(e、f)和冬季(g、h)整層云液水含量(a、c、e、g)和云冰水含量(b、d、f、h)空間分布(單位：g·m-2)

圖3為2009—2018年青海省4個(gè)主要生態(tài)功能區(qū)四季云液水含量和云冰水含量的垂直分布。春季，柴達(dá)木盆地、祁連山區(qū)和東部農(nóng)業(yè)區(qū)的云液水含量在4.3 km高度最高，分別為0.000 1、0.000 3和0.001 1 g·kg-1，而青南高原在5.6 km高度最高，為0.000 3 g·kg-1；4個(gè)地區(qū)云冰水含量均在7.2 km高度最高，祁連山區(qū)、柴達(dá)木盆地、東部農(nóng)業(yè)區(qū)和青南高原分別為0.005 3、0.005 7、0.006 3和0.008 4 g·kg-1。夏季，柴達(dá)木盆地和青南高原的云液水含量在5.6 km高度最多，分別為0.003 6 和0.027 g·kg-1，祁連山區(qū)和東部農(nóng)業(yè)區(qū)云液水含量在4.3 km高度最多，分別為0.012 3和0.019 7 g·kg-1；4個(gè)地區(qū)云冰水含量最大值均出現(xiàn)在7.2 km高度，柴達(dá)木盆地、祁連山區(qū)、東部農(nóng)業(yè)區(qū)和青南高原分別為0.013 5、0.015 4、0.018 5和0.026 1 g·kg-1。秋季，柴達(dá)木盆地和青南高原云液水含量在5.6 km高度最高，分別為0.005 9和0.039 6 g·kg-1，祁連山區(qū)和東部農(nóng)業(yè)區(qū)的云液水含量在4.3 km高度最高，分別為0.021 7和0.028 8 g·kg-1；4個(gè)地區(qū)云冰水含量最大值均出現(xiàn)在7.2 km高度，祁連山區(qū)、柴達(dá)木盆地、東部農(nóng)業(yè)區(qū)和青南高原分別為0.012 3、0.013 0、0.015 6和0.021 0 g·kg-1。冬季，柴達(dá)木盆地和青南高原的云液水含量在4.3 km高度達(dá)最大，分別為0.000 06和0.000 15 g·kg-1，祁連山區(qū)和東部農(nóng)業(yè)區(qū)的云液水含量在3.0 km高度最大，分別為0.000 2和0.000 6 g·kg-1，且隨高度增加而逐漸遞減；4個(gè)地區(qū)云冰水含量最大值均出現(xiàn)在7.2 km高度，祁連山區(qū)、柴達(dá)木盆地、東部農(nóng)業(yè)區(qū)和青南高原分別為0.002 8、0.003 6、0.004 1和0.004 9 g·kg-1。

圖3 2009—2018年青海省春季(a、b)、夏季(c、d)、秋季(e、f)和冬季(g、h)云液水含量(a、c、e、g)和云冰水含量(b、d、f、h)垂直分布

冬季祁連山區(qū)和東部農(nóng)業(yè)區(qū)云液水含量隨高度升高而遞減，其余季節(jié)各地區(qū)云液水含量、云冰水含量均隨高度升高先增多后減少，且云冰水含量峰值所在高度高于云液水含量峰值所在高度，這與天山地區(qū)云水資源的分布特點(diǎn)[17]較為類似。

2.2 云水資源年際變化趨勢(shì)

圖4為2009—2018年青海省4個(gè)生態(tài)功能區(qū)四季云液水含量年際變化及其線性趨勢(shì)?？梢钥闯?，除夏季青南高原云液水含量呈下降趨勢(shì)外，其余均呈增加趨勢(shì)，且均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其中秋季東部農(nóng)業(yè)區(qū)和青南高原云液水含量增加趨勢(shì)最為顯著，氣候傾向率分別為0.002 5和0.001 7 g·kg-1·a-1。

圖4 2009—2018年青海省4個(gè)生態(tài)功能區(qū)春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)云液水含量年際變化及其線性趨勢(shì)

圖5為2009—2018年青海省4個(gè)生態(tài)功能區(qū)四季云冰水含量年際變化及其線性趨勢(shì)。可以看出，除夏季柴達(dá)木盆地和青南高原云冰水含量呈下降趨勢(shì)外，其余均呈增加趨勢(shì)，且均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其中秋季東部農(nóng)業(yè)區(qū)云冰水含量增加趨勢(shì)最為顯著，氣候傾向率為0.000 7 g·kg-1·a-1。

圖5 2009—2018年青海省4個(gè)生態(tài)功能區(qū)春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)云冰水含量年際變化及其線性趨勢(shì)

西北地區(qū)年大氣可降水量與年平均氣溫和相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)[27]。中國(guó)西部地區(qū)云水含量在全球變暖的背景下呈增加趨勢(shì)，青藏高原大氣可降水量呈上升趨勢(shì)[28-29]。從本文的研究結(jié)論來看，2009—2018年青海省大部地區(qū)空中云水資源呈逐漸增多趨勢(shì)。氣溫與云水含量的關(guān)系在中國(guó)不同地區(qū)表現(xiàn)不同，這其中的影響機(jī)制較為復(fù)雜，值得進(jìn)一步深入研究。

2.3 云水資源月際變化

圖6為2009—2018年4個(gè)生態(tài)功能區(qū)云液水含量和云冰水含量的月際變化。可以看出，各生態(tài)功能區(qū)云液水含量和云冰水含量均為9月最高，柴達(dá)木盆地、祁連山區(qū)、東部農(nóng)業(yè)區(qū)、青南高原云液水含量分別為7、26、36和30 g·m-2，云冰水含量分別為24、32、37和39 g·m-2；云液水含量和云冰水含量1月最低，柴達(dá)木盆地、祁連山區(qū)、東部農(nóng)業(yè)區(qū)、青南高原云液水含量分別為0.04、0.06、0.29和0.08 g·m-2，云冰水含量分別為8.6、7.6、11.7和10.4 g·m-2。5—8月云液水含量增加趨勢(shì)較為顯著，3—6月云冰水含量增加趨勢(shì)較為顯著，這可能是由東亞夏季風(fēng)和南亞夏季風(fēng)在春夏季節(jié)的增強(qiáng)造成。從各地區(qū)月際變化差異來看，柴達(dá)木盆地云液水含量和云冰水含量的月際差異最小，東部農(nóng)業(yè)區(qū)云液水含量月際差異最大，青南高原云冰水含量月際差異最大。這可能是由于柴達(dá)木位于青藏高原北緣，受東亞夏季風(fēng)和南亞夏季風(fēng)影響較弱，而東部農(nóng)業(yè)區(qū)位于青藏高原東緣，受東亞夏季風(fēng)影響較顯著。

圖6 2009—2018年青海省4個(gè)生態(tài)功能區(qū)云液水含量(a)、云冰水含量(b)月際變化

3 結(jié) 論

(1)青海省云液水含量、云冰水含量和云水含量自西北向東南逐漸增多，玉樹南部、果洛東南部和祁連山區(qū)為云水資源較為豐富的地區(qū)，夏秋季節(jié)云水總量資源最為豐富，可達(dá)60～70 g·m-2。

(2)從云水資源的垂直分布來看，云液水含量和云冰水含量隨海拔高度增高呈先增多后減少的變化趨勢(shì)，云液水含量在4～6 km高度較多，云冰水含量在7～8 km高度較多，云冰水含量峰值所在高度大于云液水含量峰值所在高度。在云水資源最為豐富的夏秋季節(jié)，青南高原云液水含量和云冰水含量垂直變化幅度大，柴達(dá)木盆地云液水含量和云冰水含量垂直變化幅度小。

(3)從年際變化趨勢(shì)來看，除夏季柴達(dá)木盆地和青南高原云冰水含量呈下降趨勢(shì)外，其余均呈增加趨勢(shì)，其中秋季東部農(nóng)業(yè)區(qū)云冰水含量增加趨勢(shì)最為顯著。

(4)從月際變化來看，云液水含量和云冰水含量9月最高，1月最低。柴達(dá)木盆地云液水含量和云冰水含量的月際差異最小，東部農(nóng)業(yè)區(qū)云液水含量月際差異最大，青南高原云冰水含量月際差異最大。