葫蘆島市空中水資源及人工增雨潛力分析

江和文，曹士民，何寶財，張麗敏，張 博

（1.遼寧省葫蘆島市氣象局，遼寧 葫蘆島125000；2.遼寧省盤錦市氣象局，遼寧 盤錦124000）

葫蘆島市地處遼寧省西南部，下轄一市兩縣三區，國土面積10 302km2，是遼寧省干旱災害發生最為嚴重的區域之一，尤其是春播期，素有“十年九旱”之稱[1]。近年來，隨著當地經濟社會的快速發展，工農業生產用水及人畜消耗用水的逐漸增加，淡水資源短缺的矛盾更加突出。面對日益嚴重的“缺水”危機，葫蘆島市在積極發展節水灌溉和加強用水資源管理的同時，也把空中水資源開發提升到戰略高度。

近年來，遼寧省干旱趨勢日趨嚴重[2]，全社會對于合理開發保護水資源的意識不斷提升，關于空中水資源開發利用的研究工作也越來越多，取得了許多新進展[3－5]，張怡等[6]利用商丘市周邊臺站的探空 資料分析了商丘市空中水資源的季節分布，并計算了其人工影響天氣效益為1∶39。楊茜等[7]利用重慶及周邊11個站探空資料分析了重慶地區上空水汽含量和水汽輸送的時空分布特征后認為重慶人工增雨潛力較大，龔佃利等[8]、劉曉冉等[9]分別利用探空資料對山東和三峽庫區的空中水資源及水汽輸送做了類似的分析。縱觀上述研究成果，大多都基于探空資料來計算當地的空中水資源含量，而葫蘆島市本地沒有探空站，周邊探空站數量也較少，所以用探空資料來分析葫蘆島市空中水資源分布情況是難以實現的，另外關于葫蘆島市空中水資源開發研究工作也鮮有報道。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文的氣象資料來源于葫蘆島市氣象局，資料的時間序列為1971—2009年，共計39a，包括所轄4個地面氣象觀測站（興城、綏中、建昌、連山）的逐日地面水汽壓、降水觀測數據以及海拔高度、經緯度。季節按習慣劃分，即春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12—翌年2月。

1.2 計算方法

1.2.1 整層大氣可降水量（W）和有效空中水資源量（We）大氣中的水汽是始終存在的，若假設垂直氣柱中所含有的水汽全部凝結，并積聚在氣柱底面上所具有的液態水的深度，即所謂的整層大氣可降水量，也可稱為空中水資源總量，可以表示為：

式中：ρ——液態水密度；g——重力加速度；p——氣壓；p0——地面氣壓；ε——水汽和干空氣平均摩爾質量之比；e——水汽壓。其中在氣象上又稱為比濕。

楊景梅等[10－11]基于我國28個臺站的探空資料，利用公式（1）和飽和水汽壓及溫度之間的關系，建立了地面水汽壓關系經驗公式，該方法具有良好的時間穩定性，而且適用于我國大部分地區，解決了沒有探空站地區難以估算空中水資源量的問題，在青藏高原以外的中高緯地區（緯度≥33°）的具體表達式如下：

式中：W——整層大氣可降水量（cm）；φ——地理緯度；H——海拔高度（km）；e——地面水汽壓（hPa）。將葫蘆島地區4個地面站的海拔高度和地理緯度代入公式（2），計算結果見表1。

表1 葫蘆島地區各站整層可降水量（W）計算表達式

由于晴空大氣，水汽含量有時候也很豐富，但不會產生降水，根據向玉春等[12]研究，有效空中水資源量（We）可以定義為有降水產生（≥0.1mm）的整層大氣可降水量（W），這一點也是比較符合當前人工增雨（雪）業務實際的。對逐日的整層大氣可降水量（W）或者有效空中水資源量（We）按照所需的時段進行時間積分計算，即可得到相應時段內的值。

1.2.2 自然降水產出率（Er）所謂自然降水產出率（Er）是指相同統計時段內，實際產生的自然降水量（R）與有效空中水資源量（We）的百分比，其表達式為：

1.2.3 人工增雨（雪）潛力值（Wz）一般來說，在有效空中水資源量一定的情況下，自然降水產出率（Er）越低，滯留在大氣中水汽含量越多，其人工增雨（雪）潛力越大，因此人工增雨（雪）潛力（Wz）可表示為：

2 結果與分析

2.1 葫蘆島空中水資源的時空分布特征

2.1.1 年變化 根據公式（2），分別計算出葫蘆島各縣區1971—2009年39a年整層大氣可降水量（W）和有降水條件下的整層大氣可降水量，即年有效空中水資源量（We），結果見圖1。

葫蘆島年平均整層大氣可降水量為5 436～6 543mm，年平均整層大氣可降水量最大值出現在興城，最小值出現在建昌，呈現出沿海高，內陸低的特點，可見海洋作為一個巨大的水源，對沿海大氣中水汽含量的影響還是非常明顯的。有效空中水資源量為1 742～1 971mm，約為年整層大氣可降水量的1／3，總體呈現出南部略大，北部略小的特點，最大值出現在綏中，最小值出現在建昌，各縣區之間差異較小。從天氣學角度分析，究其原因主要有以下兩點：（1）降水出現時，近地面大氣中水汽一般都接近或達到飽和，海洋蒸發的水汽輸送作用要低于無雨條件下，導致沿海和內陸的有效空中水資源差異較?。唬?）降水的水汽來源主要依賴于大氣中水汽輸送，特別是在大的降水出現時，本地水汽貢獻量較小，而葫蘆島地區降水水汽主要來源于西南方向，這就導致了南部的有效空中水資源量略高于北部。

圖1 1971－2009年整層大氣年可降水量（W）和年有效空中水資源量（We）時間變化趨勢

2.1.2 多年月平均變化 1971—2009年，葫蘆島各縣區無論是多年月平均整層大氣可降水量還是多年月平均有效空中水資源量，最大值都出現在7月，最小值均出現在1月，夏季（6—8月）是整層大氣可降水量和有效空中水資源量最多的季節，約占全年的60%左右，這一點和當地夏季降水集中的情況非常吻合，冬季（12月至翌年2月）是空中水資源量最少的季節，春秋兩季的空中水資源量較為接近。具體情況如表2所示。

從表2可以看出，各月有效空中水資源量（We）占當月整層大氣可降水量（W）比率有以下特點：6月最高，為34%～43%，12月最低，為7%～9%，上半年逐漸增大，下半年逐漸減小，夏季最大，冬季最小，春季略高于秋季。

表2 葫蘆島地區各月多年月平均整層大氣可降水量和有效空中水資源量 mm

2.2 自然降水產出率

根據公式（3），利用近39a葫蘆島各縣區各月多年平均降水量除以同期多年有空空中水資源量（We），即可計算出葫蘆島各縣區各月多年平均自然降水產出率，結果如圖2所示。

圖2 葫蘆島多年月平均自然降水產出率

從圖2可以看出，1971—2009年39a間葫蘆島各地月平均自然降水產出率變化趨勢較為相似，上半年峰值均出現在4月，下半年各地變化趨勢較為復雜，大值一般出現在10月和12月，小值一般出現在9月和11月，全年最小值一般出現在6月和9月。影響自然降水產出率的因素很多，如水汽輸送、地理條件，觀測站周邊的小氣候條件等，這些因素分別作用于降水量（R）和有效空中水資源量（We），從而導致自然降水產出率月際差異。

1971—2009年39a間葫蘆島市平均年降水量為373～791mm，年降水量最少年份為1992年，最多的年份為1977年，平均年自然降水產出率為24%～41%，39a均值為32%，年自然降水產出率最小的年份為1999年，最大的年份為1994年。為了比較上述二者之間的關系，本文統計了葫蘆島地區年平均降水量和年平均自然降水產出率，具體如圖3所示。從圖3可以看出，自然降水產出率與降水量之間有比較好的對應關系，大多數降水多的年份，自然降水的產出率數值也較大。

2.3 人工增雨（雪）潛力值

空中水資源作為一種潛在的可再生的水資源，就目前的技術水平來看，人工增雨是開發空中水資源的最有效的手段，而空中水資源可開發潛力對于開展人工增雨工作具有十分重要的指導意義。根據公式（4），計算出葫蘆島各縣區空中水資源可開發潛力值，結果如表3所示。

圖3 葫蘆島地區平均年降水量與平均年自然降水產出率之間的關系

從表3可以看出，葫蘆島地區全年人工增雨（雪）潛力值為1 211～1 370mm，平均值1 257mm，約為該地區39a平均降水量（574mm）的2.2倍，最大值均出現在7月，最小值出現在12月或者1月，夏季（6—8月）的可開發潛力值約占全年的70%。

實際上，將大氣中的水汽全部轉化為降水是不可能實現的，所以上面計算出的人工增雨（雪）潛力值對于實際的人工增雨作業而言是偏大的。目前，氣象部門平均增雨（雪）效果約為16%～17%，我國北方各省人工增雨率在20%左右[13－14]，假設僅能將空中水資源可開發潛力值的10%轉化為降水，對于葫蘆島地區10 302萬km2的國土面積，增加的水資源量將是12億t，隨著人工增雨（雪）作業技術水平的提高和催化技術的發展，人工增雨（雪）作業能夠將更多的水汽轉化為降水，所以說葫蘆島市空中水資源可開發的潛力還是很大的。

表3 葫蘆島地區多年月平均人工增雨（雪）潛力值 mm

3 結論

（1）葫蘆島年平均整層大氣可降水量為5 436～6 543mm，年平均整層大氣可降水量最大值出現在興城，最小值出現在建昌，呈現出沿海高，內陸低的特點，有效空中水資源量為1 742～1 971mm，約為整層大氣年可降水量的1／3，總體呈現出南部略大，北部略小的特點，最大值出現在綏中，最小值出現在建昌，各縣區之間差異較小。

（2）葫蘆島1971—2009年39a間自然降水產出率平均為32%，年自然降水產出率與年降水量有較好的對應關系，一般降水偏多的年份自然降水產出率也較大，但不絕對。各月自然降水上半年最大值均出現在4月，下半年各地變化趨勢較為復雜，大值一般出現在10月和12月，小值一般出現在9月和11月。

（3）葫蘆島地區全年人工增雨（雪）潛力值為1 211～1 370mm，約為該地區39a平均降水量（574 mm）的2.2倍，最大值均出現在7月，最小值出現12月或者1月，夏季（6—8月）的可開發潛力值約占全年的70%。

（4）本文計算出的空中水資源量及人工增雨（雪）潛力值雖然根據當前葫蘆度市人工增雨（雪）作業實際，做了一定的修正，由于大氣中的水汽是不可能全部凝結為降水，所以計算出的結果要比實際偏大，但分析葫蘆島市空中水資源及人工增雨（雪）潛力值的時空分布特征，對于有效開發空中水資源，合理進行人工增雨（雪）作業仍具有重要的參考價值。

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