梵净山区域空中水汽垂直分布与输送特征浅析

田 海，张 祝，晏 青

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；2.贵州省万山区气象局，贵州 万山 554200)



梵净山区域空中水汽垂直分布与输送特征浅析

田 海1，张 祝1，晏 青2

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；2.贵州省万山区气象局，贵州 万山 554200)

通过有限元三角形插值法，将重庆、怀化、贵阳雷达站2010—2014年的逐日L波段雷达探测资料，插值到铜仁市梵净山原始生态自然保护区七要素自动监测站，然后分析地面—100 hPa高空各层的水汽含量及输送变化。结果表明：梵净山区域空中水汽含量的季节变化明显，整层水汽含量夏季最高，秋季和春季较高，冬季较低；中低层水汽含量随高度增加而增加，高空随高度增加而迅速减少，绝大部分的水汽含量集中在500 hPa以下，800～600 hPa以下尤甚；水汽输送强度，夏季最高，春季和秋季次之，冬季最低；水汽最大输送层，夏季最低，春秋季比夏季高，冬季最高。

梵净山；空中水汽；垂直分布；输送

1 引 言

大气中的水汽含量和输送不仅通过大气运动，对区域水分平衡起着重要作用，而且与灾害性天气发生密切相关。大气水汽含量的多少直接关系到人工影响天气的作业效果。因此，在天气预报、人工影响天气等业务和科研工作中，水汽分布和输送条件被气象科技人员广泛关注，且也对其进行了许多深入研究[1-5]。

梵净山位于贵州铜仁市中部，是迄今为止地球同纬度保留最为完好的原始生态区，也是国务院确定的国家级自然保护区，联合国教科文组织 “人与生物圈”保护区网的成员单位。区内保留有7 000万至200万年前的古老珍稀物种2 600多种，为世界罕见的生物资源基因库。同时，梵净山的地形以及茂密的森林对整个铜仁市的气候调节起着至关重要的作用。但是，由于气候变化，导致该区域自然降水和地下水资源逐年减少，生态开始受到影响。因此通过人工影响天气等科学的手段，大力开发利用空中水资源，遏制该区域的生态恶化，是目前保护这片“原始绿洲”和“气候调节屏障”最为有效的手段之一。然而，实施人工影响天气，开发空中水资源，必须充分了解该区域的云水分布特征。所以本文使用重庆、怀化、贵阳探空站2010—2014年逐日L波段雷达探空资料，通过有限元三角形插值法，计算铜仁市梵净山上空各层次的水汽含量，然后对该地大气中单位面积空气柱内的水汽含量及输送特征进行详细分析，为科学地开发利用云水资源、更有效地实施人工增雨作业等研究提供参考依据。

2 资料来源及计算方法

2.1 资料来源

本文从《中国气象科学数据共享服务网》下载国内探空站逐日历史探空资料，资料年限为2010—2014年，资料范围为重庆探空站(经纬度：106.47°E，29.58°N)、怀化探空站(110.01°E，27.57°N)、贵阳探空站(106.71°，26.58°N)。计算3个站从地面—100 hPa各标E准等压高度的水汽含量，然后通过有限元三角形插值法，计算和分析铜仁市梵净山上空各层次的水汽含量。

2.2 计算方法

2.2.1 空中水汽含量的计算方法 空中水资源量是指任一单位截面积大气柱中所含的水汽质量。其计算公式为[6]：

(1)

式中：q为比湿，其计算公式为：

(2)

(3)

其中A=6.11，a=7.5，b=237.3。

在实际计算中，常采用式(1)式的差分形式对水汽含量进行分层计算。即：

(4)

水汽通量表示单位时间流经某一单位截面积的水汽质量。计算公式为：

(5)

(6)

F=Fu+Fv

(7)

2.2.2 有限元三角形插值法 当知道一定区域内某格点(顶点)的要素值，要求取该区域内任意一点的要素，气象上目前广泛使用的是有限差分法和有限元法。有限差分法，必须要求设置网格点规范，且已知格点为4个或4个以上标准等距格点，但对于本文来讲，已知的格点不仅达不到4个，而且一要素的格点间距离并不等同(不标准)，很显然采用有限差分法无法求解，但我们已经知道了距离较近的重庆、怀化、贵阳3个点，完全可以采用有限元三角形插值法求取三角形区域内的任意一点的要素值。

具体的方法是：同一平面取3个测点(A、B、C)，建立一个三角形，在知道3个测点的气象要素值后，求三角形内任意一点(D)的要素值(图1)，可采用有限元三角形插值法[7]，即：

(8)

PD为求值点(插值点)的要素值，(Mi,Ni)为3个已知要素测站的经纬度，(MD,ND)为求值点的经纬度，d1、d2分别为单位经纬度的直线距离，pi为已知3个测站的气象要素。

图1 有限元三角形插值示意

3 结果与分析

3.1 梵净山上空水汽含量垂直分布的短期特征

利用重庆、怀化、贵阳3个探空站的探空资料，按照上述计算方法分别计算各站逐月、逐层水汽含量，然后通过插值处理，计算得到梵净山从地面—100 hPa逐层逐月平均水汽含量如表1，图2为每个季度水汽含量垂直分布图。从表1和图2可以看出梵净山逐月水汽含量绝大部分的水汽含量集中在500 hPa以下，占整层水汽含量的90%以上，而且以850～700 hPa之间的水汽含量为最多，占整层水汽含量的75%，所以该区间为降水天气水汽的主要供给层，也是天气预报分析水汽分布的主要层次。在低层(地面—850 hPa)水汽含量较少，只占整层水汽含量的10%～14%，这一点充分说明了一个地区降水所需的水汽来源，主要通过中间层和高空层输送，这一层也是人工增雨作业要掌握的最佳目标层。

表1 梵净山近5 a地面—100 hPa逐月分层水汽含量平均值 (单位：mm)

图2 梵净山上空水汽含量的累积垂直分布

3.2 梵净山上空水汽含量的月季变化的短期特征

为了分析整层水汽含量的时间变化特征，本文按照本地气候季度冬季(12—次年2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)分别统计逐年整层水汽含量(见表2)。

表2 2010—2014年梵净山各季节整层水汽含量 (单位：mm)

由表1、表2和图3的变化可知，梵净山上空水汽含量的年变化呈单峰型，从冬季到夏季(1—7月)水汽含量逐渐增加，特别是3月以后，随着印度洋夏季风爆发，季风槽变得活跃，副高开始增强西伸，槽前和副高西侧大量偏南水汽向北输送到该区域，到7月份水汽输送最强，所以该区域水汽含量最大，达到55.3 kg/m2。7月以后水汽含量开始减少，最少是冬季1月，仅为17.6 kg/m2。由此可见，梵净山上空的整层水汽含量，夏季最高，其次是秋季和春季较高，而冬季最少，因此人工增雨作业季节应尽量在夏季或春秋季进行，以夏季作业条件最好。

图3 2010—2014年梵净山上空各季平均的整层水汽含量

3.3 空中水汽输送特征

图4给出了梵净山不同高度上的水分输送强度。由图4可见，夏季的输送强度最强，其次是春季和秋季，最低是冬季。同时还可以看到，梵净山上空有一个最大的水汽输送层，其总体位于距地面2～3.2km之间，且各个季节也有差别。夏季水汽输送强度最强，其最大输送层在2～3 km之间。春秋季节的水汽输送强度次之，其最大输送层位于2.5～3.5 km之间。冬季1月的水汽输送强度最弱，其最大输送层位于3.5～4 km之间，且最大输送带较窄。这种最大水汽输送层所处的位置提示我们，在天气预报或人工增雨作业等工作中，春、夏季要多注重2.5～3.5 km之间的水汽资料，而冬季则是主要注重3～4 km的水汽资料。

图4 梵净山上空水汽输送强度的垂直分布

4 小结

通过分析梵净山上空水汽含量和水汽输送特征，主要有以下几点结论：

① 梵净山上空水汽含量在中低层随高度的增加而增加，中层以上随高度增加而迅速减少，绝大部分的水汽含量集中在500 hPa以下，850～600 hPa尤甚。地面—500 hPa的水汽含量占整层水汽含量的90%以上，其中，地面—850 hPa只占10%～14%，850～700 hPa的水汽含量占75%，其为空中水资源开发利用的最佳条件层。

② 梵净山上空整层水汽含量从1—7月逐渐上升，特别是4月左右，随着夏季风爆发，水汽含量增加迅速，到夏季尤其是7月，水汽含量达到一年中的最高值，7月以后开始逐渐减少，到了冬季尤其是1月水汽含量达到最低值。夏季7月份的水汽含量达到最高值时为55.3 kg/m2，冬季1月份水汽含量达到最低值时仅有17.6 kg/m2。因此夏季是实施空中水资源开发利用的最佳时节。

③ 梵净山上空的水汽输送强度，夏季最高，春季和秋季次之，冬季最低。梵净山上空的水汽最大输送层，夏季最低，春季、秋季略有抬高，冬季最高。在天气预报、人工影响天气业务和科研中，夏季应主要关注2～3.2 km高度的水汽，而其它季节则应注重3～4 km之间的水汽资源。

[1] 李玉林，杨梅，曾光平.江苏省7至9月水汽资源特征[J].气象科技，2003，31(3)：167-173.

[2] 刘世祥，杨建才，陈学君，等.甘肃省空中水汽含量、水汽输送的时空分布特征[J].气象，2005，31(1)：51-54.

[3] 李玉林，杨梅，冯宏芳，等.江西省空中水汽量与降水效率特征分析[J].江西气象科技，2003，26(1)：25-29.

[4] 刘建西，龙美希，杜远林，等.川渝地区空中水资源分布及水汽输送特征[J].高原山地气象研究，2010，30(2)： 31-35.

[5] 杨茜，李轲，高阳华.重庆地区空中水资源的时空分布特征[J].气象，2010，36(8)：100-105.

[6] 广东省气候业务技术手册编写委员会.广东省气候业务技术手册[M].北京：气象出版社，2008.

[7] 施能.气象要素场统计处理[M].北京：气象出版社，2009，245-250.

[8] 许弋，田英，汪丽，等.贵州省空中水汽含量的时空分布特征[A].第十四届全国云水降水物理和人工影响天气学科会议(上册)[C].548-553.

1003-6598(2015)06-0039-04

2015-07-02

田海(1975—)，男，助工，主要从事人工影响天气工作。

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