基于ERA-Interim資料的青海省空中云水資源評估

張海宏，石明明，吳 昊，祁棟林，權 晨

(1.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001；3.中國氣象局大氣探測重點實驗室，成都信息工程大學電子工程學院，四川 成都 610225)

引 言

云水含量為云中液態水和固態水含量的統稱，是空中水資源的重要組成部分，是研究云對氣候影響的重要參數[1-2]，對云滴的碰并增長以及降水強度都有重要影響，是全球氣候數值模擬的預報參量[3-4]。云水含量對云的輻射特性會產生重要影響，進而影響地氣系統的能量平衡[5]。對云水含量時空分布特征的研究可以為人工增雨提供一定的參考依據[6-8]。在全球變暖背景下，中國地區空中云水資源表現出增多趨勢，符合氣溫升高水循環增強的觀點[9]。受東亞夏季風因素的影響，中國地區云和降水的發生發展呈現出異常復雜的特征，青藏高原地形以及東亞夏季風對月平均云水含量分布具有明顯影響[10]。

目前對于空中云水資源的研究多基于衛星、遙感數據和再分析資料[11-13]。衛星數據具有覆蓋范圍廣，分辨率高的優勢，但由于反演算法的差異會導致云水含量反演結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化方程計算云水含量，通過數據同化系統與觀測數據相融合實現網格數據的優化集成。耿容[14]對比了國際衛星云氣候計劃(International Satellite Cloud Climatology Project, ISCCP)、MODIS、ERA-Interim的中國地區整層云水含量，發現ERA-Interim與衛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云觀測和再分析資料，對中國大氣水分收支和云水資源、降水效率等進行了計算評估，認為根據再分析資料的相對濕度物理量診斷的云場分布比較符合實際的云降水觀測。近些年來，利用再分析資料對我國不同區域空中云水資源的評估[16-18]，對于進一步理解區域氣候變化提供了重要參考。

青海省位于青藏高原東北部，處于東亞季風和南亞季風影響的邊緣地帶，省內大部地區年降水量較少。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，高原地區的云水含量呈增加趨勢，云液水含量與氣溫呈顯著正相關[20]。為了解青海省空中云水資源的分布狀況，本文利用ERA-Interim再分析資料對青海省空中云水資源進行評估，此類研究對于合理開發利用空中水資源、緩解地表淡水資源短缺、改善生態環境、保障經濟社會可持續發展具有重要意義[21]。

1 資料與方法

所用資料為歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)發布的ERA-Interim逐月再分析數據，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間段為2009年1月至2018年12月。ERA-Interim再分析資料數據種類豐富，其大氣模式改進了冰粒子的沉降、云頂夾卷、云底計算、陸面夜間對流的觸發等物理過程，在大氣質量守恒、水分收支和能量循環等方面較ERA-40有顯著提升[22-23]，近年來該產品的性能已經得到普遍認可[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個主要生態功能區，分別為柴達木盆地(35.9°N—38.9°N、90.5°E—97.4°E)、祁連山區(37.3°N—39.1°N、98.0°E—102.3°E)、東部農業區(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家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)1719的標準地圖制作，底圖無修改。

2 結果與分析

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。可以看出，青海省云液水含量、云冰水含量、云水含量均呈現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，這與強安豐等[26]在三江源區的研究結論類似。青海省地處青藏高原東北部，境內海拔高度多在3000 m以上，受東亞季風影響較弱，云液水含量和云冰水含量均低于中國東部地區[22]。青藏高原東側是南北氣流交匯區，容易形成低渦系統，導致對流層中低層出現較多的層狀云，這可能是青海東南部地區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云液水含量很小，低于10 g·m-2，東南部地區云液水含量較高，達70 g·m-2，其中夏季云液水含量峰值(80 g·m-2)出現在久治縣和班瑪縣，秋季云液水含量峰值(90 g·m-2)出現在河南縣，值得注意的是，祁連山區也屬于夏秋季節云液水含量較高的地區。春季云冰水含量青海東部農業區較大，可達90 g·m-2，中部和西部地區較小，只有10～30 g·m-2；夏季全省云冰水含量較大，高值區主要位于祁連山區、玉樹中南部、果洛東南部，可達60～70 g·m-2，峰值(70 g·m-2)出現在囊謙縣和久治縣；秋季云冰水含量空間分布與夏季類似，但數值略有降低，峰值(70 g·m-2)出現在玉樹東部至果洛一帶；冬季全省大部分地區云冰水含量低于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]研究發現高原夏季云水含量占全年48%，由東南向西北逐漸減少，本文的研究結論與其較為類似。從各季云液水含量和云冰水含量的對比來看，春季和夏季青海省大部分地區云冰水含量多于云液水含量；秋季除柴達木盆地西北部云冰水含量多于云液水含量外，其余地區云液水含量多于云冰水含量；冬季除東南部地區云冰水含量多于云液水含量外，其余大部地區云液水含量和云冰水含量相當。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和南亞夏季風的影響差異有關。

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個主要生態功能區四季云液水含量和云冰水含量的垂直分布。春季，柴達木盆地、祁連山區和東部農業區的云液水含量在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個地區云冰水含量均在7.2 km高度最高，祁連山區、柴達木盆地、東部農業區和青南高原分別為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，祁連山區和東部農業區云液水含量在4.3 km高度最多，分別為0.012 3和0.019 7 g·kg-1；4個地區云冰水含量最大值均出現在7.2 km高度，柴達木盆地、祁連山區、東部農業區和青南高原分別為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，祁連山區和東部農業區的云液水含量在4.3 km高度最高，分別為0.021 7和0.028 8 g·kg-1；4個地區云冰水含量最大值均出現在7.2 km高度，祁連山區、柴達木盆地、東部農業區和青南高原分別為0.012 3、0.013 0、0.015 6和0.021 0 g·kg-1。冬季，柴達木盆地和青南高原的云液水含量在4.3 km高度達最大，分別為0.000 06和0.000 15 g·kg-1，祁連山區和東部農業區的云液水含量在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個地區云冰水含量最大值均出現在7.2 km高度，祁連山區、柴達木盆地、東部農業區和青南高原分別為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

冬季祁連山區和東部農業區云液水含量隨高度升高而遞減，其余季節各地區云液水含量、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，這與天山地區云水資源的分布特點[17]較為類似。

2.2 云水資源年際變化趨勢

圖4為2009—2018年青海省4個生態功能區四季云液水含量年際變化及其線性趨勢。可以看出，除夏季青南高原云液水含量呈下降趨勢外，其余均呈增加趨勢，且均通過α=0.01的顯著性檢驗，其中秋季東部農業區和青南高原云液水含量增加趨勢最為顯著，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個生態功能區春季(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

圖5為2009—2018年青海省4個生態功能區四季云冰水含量年際變化及其線性趨勢。可以看出，除夏季柴達木盆地和青南高原云冰水含量呈下降趨勢外，其余均呈增加趨勢，且均通過α=0.01的顯著性檢驗，其中秋季東部農業區云冰水含量增加趨勢最為顯著，氣候傾向率為0.000 7 g·kg-1·a-1。

圖5 2009—2018年青海省4個生態功能區春季(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

西北地區年大氣可降水量與年平均氣溫和相對濕度呈顯著正相關[27]。中國西部地區云水含量在全球變暖的背景下呈增加趨勢，青藏高原大氣可降水量呈上升趨勢[28-29]。從本文的研究結論來看，2009—2018年青海省大部地區空中云水資源呈逐漸增多趨勢。氣溫與云水含量的關系在中國不同地區表現不同，這其中的影響機制較為復雜，值得進一步深入研究。

2.3 云水資源月際變化

圖6為2009—2018年4個生態功能區云液水含量和云冰水含量的月際變化。可以看出，各生態功能區云液水含量和云冰水含量均為9月最高，柴達木盆地、祁連山區、東部農業區、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，柴達木盆地、祁連山區、東部農業區、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較為顯著，3—6月云冰水含量增加趨勢較為顯著，這可能是由東亞夏季風和南亞夏季風在春夏季節的增強造成。從各地區月際變化差異來看，柴達木盆地云液水含量和云冰水含量的月際差異最小，東部農業區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。這可能是由于柴達木位于青藏高原北緣，受東亞夏季風和南亞夏季風影響較弱，而東部農業區位于青藏高原東緣，受東亞夏季風影響較顯著。

圖6 2009—2018年青海省4個生態功能區云液水含量(a)、云冰水含量(b)月際變化

3 結 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為云水資源較為豐富的地區，夏秋季節云水總量資源最為豐富，可達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，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，青南高原云液水含量和云冰水含量垂直變化幅度大，柴達木盆地云液水含量和云冰水含量垂直變化幅度小。

(3)從年際變化趨勢來看，除夏季柴達木盆地和青南高原云冰水含量呈下降趨勢外，其余均呈增加趨勢，其中秋季東部農業區云冰水含量增加趨勢最為顯著。

(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。柴達木盆地云液水含量和云冰水含量的月際差異最小，東部農業區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。