馬 濤, 張萬(wàn)誠(chéng), 付 睿

(1.云南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院大氣科學(xué)系,云南昆明650091;2.云南省氣象科學(xué)研究所,云南昆明650034)

水汽是產(chǎn)生降水的源泉,大氣中的水分含量和水汽輸送與大氣環(huán)流有著密切的內(nèi)在聯(lián)系,而且是全球能量和水分循環(huán)過(guò)程的重要一環(huán)。謝安等[1]研究了孟加拉灣水汽和南海水汽對(duì)長(zhǎng)江中下游旱澇年的不同貢獻(xiàn);徐祥德等[2]指出1998及1991年長(zhǎng)江流域異常洪澇大部分特大暴雨過(guò)程對(duì)流云系可追溯到青藏高原及周邊地區(qū);蔡英等[3]分析了高原及周?chē)貐^(qū)氣柱可降水量的多年平均特征及季節(jié)變化。這說(shuō)明水汽輸送是一個(gè)地區(qū)旱澇變化的主要影響因子之一。

目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于空中水汽資源的研究主要集中在長(zhǎng)江中下游、華北、西北等地區(qū)[4-10]。周長(zhǎng)艷等[11]分析了高原東部及鄰近地區(qū)的四川、重慶1958-2002年大氣可降水量、水汽輸送情況,郭潔等[12]分析了川渝地區(qū)可降水量的氣候特征及與地面降水的關(guān)系,毛文書(shū)等[13]分析了川渝地區(qū)夏季降水的水汽輸送差異。何華等[14]研究了1980-1991年云南出現(xiàn)的46次強(qiáng)降水過(guò)程,發(fā)現(xiàn)大雨前孟加拉灣至云南一帶的對(duì)流層中低層維持強(qiáng)水汽輸送對(duì)暴雨的產(chǎn)生起重要作用。以上研究得出了許多有意義的結(jié)果,但關(guān)于云南空中水汽資源的研究不多,由于云南受印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)的共同影響,干濕季分明,開(kāi)展云南空中水資源的變化分析對(duì)研究干旱具有現(xiàn)實(shí)意義。文章分析了云南四季可降水量、水汽輸送及收支的變化特征。

1 資料和方法

1.1 資料選取

NOAA中心提供的1961-2008年月平均比濕、u、v風(fēng)、地面氣壓場(chǎng)再分析資料,格距為 2.0°×2.0°,以及云南省5個(gè)探空站提供的1980-2006年的探空資料。

1.2 主要方法

大氣含水量也稱(chēng)為可降水量,表示某地單位面積上空整層大氣的總水汽含量,其計(jì)算式為：

由此可分別得到緯向、經(jīng)向水汽輸送通量矢量 Qλ,Qφ的計(jì)算公式：

式中q為比濕,g為重力加速度,PS為地面氣壓,均為常用變量,Pt為大氣頂處的氣壓,并規(guī)定由西向東、由南向北輸送為正,反之為負(fù)?？紤]到高層水汽少,取300hPa。

某一邊界的水汽凈輸入計(jì)算公式為：

式中 k=1,2,3,4分別代表西、東、南、北邊界,mk表示第k邊界劃分成的段數(shù),Qi、li分別為第i段邊界的水汽通量輸送和長(zhǎng)度。云南低緯高原地區(qū)邊界采用正多邊形方案包括的區(qū)域如圖1所示。

圖1 正多邊形水汽輸送示意圖(西邊界：AJ,IH;東邊界：BC,DE,FG;南邊界：EF,GH,IJ;北邊界：AB,CD)

1.3 云南四季可降水量分布特征

圖2 1961-2008年四季可降水量分布

從圖2可看出,云南四季的可降水量整體上呈“U”字型分布,表現(xiàn)為北少南多,從西北向南逐漸遞增的特點(diǎn),滇東南和滇南為可降水量最大的區(qū)域,與降水量的分布一致[15]。云南可降水量最多的季節(jié)為夏季,在1800-4500mm間,秋季次之,可降水量分布在1300-3200mm間,春季可降水量在1100-3000mm,最少的為冬季,可降水量在300-1800mm。由于春季是云南干濕季的轉(zhuǎn)換季節(jié),秋季是云南從雨季到干季的過(guò)渡,從圖2知,從春季到夏季,可降水量等值線(xiàn)逐漸變密,而秋季到冬季,可降水量的等值線(xiàn)逐漸由密變疏。

圖3 1980-2006年可降水量分布及5個(gè)探空站可降水量(實(shí)心點(diǎn)為探空站位置及多年平均可降水量)

為了便于與表1對(duì)比,圖3給出了1980-2006年用再分析資料計(jì)算的可降水量和采用探空資料計(jì)算的夏、秋季可降水量,圖中實(shí)心點(diǎn)代表探空站地理位置,數(shù)字表示探空站多年平均的可降水量,圖3結(jié)合表1可以看出,探空站資料計(jì)算的可降水量和再分析資料計(jì)算的可降水量趨勢(shì)一致,表現(xiàn)為北少南多,從西北向南逐漸遞增的特點(diǎn),滇東南的蒙自和滇南思茅可降水量最大,用探空資料計(jì)算的可降水量要比再分析資料計(jì)算的大氣可降水量(秋季思茅站除外)略小。探空資料計(jì)算的可降水量略小的原因可能與1天取2個(gè)時(shí)次(08時(shí)和20時(shí))資料計(jì)算可降水量,再求平均有關(guān),更進(jìn)一步的分析對(duì)比將在今后的工作中做細(xì)致的研究。

表1 1980-2006年四季云南探空站可降水量(單位：mm)

2 四季水汽輸送的特征

2.1 四季水汽的輸入、輸出和收支的氣候特征

表2 1961-2008年四季各邊界平均水汽輸送量和凈收支情況(單位：×1010t/a)

表2為云南上空對(duì)流層各層1961-2008年各季節(jié)各邊界平均水汽輸入、輸出和凈收支。由表2可以看出,春季地面到700hPa有37.1×1010t水汽從西邊界流入云南境內(nèi),東邊界有24.6×1010t水汽流出,南邊界有27.7×1010t水汽流入,北邊界有5.5×1010t水汽流出,地面至對(duì)流層低層,水汽的流入量大于水汽的流出量,凈的水汽量為34.7×1010t;對(duì)流層中高層(700hPa-300hPa),西邊界有65.1×1010t的水汽流入,有79.5×1010t的水汽從東邊界流出,4.3×1010t的水汽從南邊界流入,15.4×1010t的水汽從北邊界流出,水汽流出量為-25.5×1010t,表明云南為水汽凈流出;地面到300hPa,有102.3×1010t水汽從西邊界流入,104.1×1010t水汽從東邊界流出,32.0×1010t水汽從南邊界流入,20.9×1010t水汽從北邊界流出,緯向水汽輸送的流入量和流出量幾乎相等,而經(jīng)向水汽輸送流入量大于流出量,每年水汽凈流出為9.3×1010t。從表2中還可看出,對(duì)流層低層的水汽凈流入量最大。這可能與云南的特殊地理位置有關(guān),云南地形是西北高而東南低,同時(shí)云南在春季容易受到南支槽和偏西水汽輸送的影響,因而出現(xiàn)水汽凈流入量,但春季是云南四季中的干季,溫度高、風(fēng)大、蒸發(fā)量很大,使得凈的水汽收支要小于秋季。

夏季地面至700hPa每年平均有38.4×1010t的水汽從西邊界流入,1.6×1010t的水汽從東邊界流出,有31.7×1010t的水汽從南邊界流入,9.3×1010t的水汽從北邊界流出,地面到對(duì)流層低層的水汽凈流入量為59.2×1010t,對(duì)云南上空水汽凈收入貢獻(xiàn)最大;對(duì)流層中高層(700hPa-300hPa),每年有12.0×1010t的水汽從西邊界流入云南,有7.1×1010t的水汽從東邊界流出云南,有5.4×1010t的水汽從南邊界流入,有16.9×1010t的水汽從北邊界流出,對(duì)流層中高層的水汽為凈得流出量,每年有6.6×1010t的水汽從對(duì)流層中高層流出云南,該層為水汽流出貢獻(xiàn)最大層;地面到300hPa,有50.5×1010t的水汽從西邊界流入云南,有8.7×1010t的水汽從東邊界流出云南,總的水汽凈收入為52.7×1010t。夏季凈水汽收支是一年中最大值(約占全年凈水汽的69%),同時(shí)受到季風(fēng)和中高緯各種系統(tǒng)的相互作用,使得夏季云南降水成為一年中降水最多的季節(jié)。

秋季地面到700hPa,每年有6.1×1010t的水汽從西邊界流入,有9.8×1010t的水汽從東邊界流入,有別于其它季節(jié),說(shuō)明有來(lái)自南海的水汽經(jīng)中南半島流入云南,有21.0×1010t的水汽從南邊界流入云南,有9.6×1010t的水汽從北邊界流出云南,凈水汽量為27.3×1010t,是對(duì)流層中貢獻(xiàn)最大的;對(duì)流層中高層,每年有35.0×1010t的水汽流入云南,有38.3×1010t的水汽從東邊界流出,有7.6×1010t的水汽從南邊界進(jìn)入,同時(shí)有19.1×1010t的水汽從北邊界流出,每年有14.8×1010t的水汽從該層流出云南,為水汽凈流出;地面到300hPa上,西邊界每年流入云南的總的水汽量41.1×1010t,南邊界流出云南的總水汽量為28.4×1010t,南邊界流入云南的總水汽量為28.6×1010t,而北邊界流出云南的總水汽量為28.7×1010t,這表明,秋季云南有12.6×1010t的水汽盈余,為四季中水汽凈收入第二多的季節(jié)。總的來(lái)看低層為水汽的盈余部分,中高層為水汽的支出部分。

冬季地面至700hPa,有19.0×1010t的水汽從西邊界流入云南,有19.3×1010t的水汽從東邊界流出云南,有24.7×1010t的水汽從南邊界流入,4.3×1010t的水汽從北邊界流出,凈水汽收支為20.1×1010t;對(duì)流層中高層每年有44.3×1010t水汽從西邊界流入,有59.4×1010t水汽從東邊界流出,有5.4×1010t的水汽從南邊界流入,有8.0×1010t的水汽從北邊界流出,凈水汽收支為-17.7×1010t;地面到300hPa上,每年有63.2×1010t的水汽從西邊界流入,有78.6×1010t的水汽從東邊界流出,有30.1×1010t的水汽從南邊界流入,12.3×1010t的水汽從北邊界流出,凈得水汽量為2.4×1010t,為四季中最少的季節(jié)。

從總體上看,在對(duì)流層云南春、夏、秋、冬均為水汽凈收入,其中以夏季最多,秋、春季次之,冬季最少,每個(gè)季節(jié)凈水汽量分別占總水汽量的12%、69%、16%,3%,其中冬春兩季占總的15%,夏秋兩季占總的85%,這可能與在各個(gè)季節(jié)中影響云南的水汽路徑有關(guān)。

2.2 四季水汽輸入、輸出和收支的變化趨勢(shì)

春季：從圖4可以看出,西邊界水汽流入量有增加的趨勢(shì),平均每年增加0.0663×1010t,其最小值出現(xiàn)在1964年,為70.65×1010t;東邊界水汽的流出量有增加趨勢(shì),其增加的速率為0.0444×1010t/a,水汽流出量也在1964年出現(xiàn)最小值,為66.75×1010t;南邊界的水汽流入量也呈弱的增加趨勢(shì),其速率為0.0121×1010t/a,水汽輸送最強(qiáng)年為1964年,為46.97×1010t;北邊界的水汽流出量也呈減少趨勢(shì),其減少的速率為-0.0922×1010t/a,輸出最多年是1964年,為49.31×1010t;總的凈水汽呈增加趨勢(shì),每年以0.1262×1010t的趨勢(shì)增加。以上變化趨勢(shì)只有凈水汽通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。計(jì)算表明東西向的水汽輸送差和南北向的水汽輸送差的相關(guān)系數(shù)為-0.5151,并通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明在緯向水汽輸送多(少)時(shí),經(jīng)向水汽輸送少(多)。

圖4 春季西、東、南、北邊界水汽流入流出量和凈水汽的年際變化

圖5 夏季西、東、南、北邊界水汽流入流出量和凈水汽的年際變化

圖6 秋季西、東、南、北邊界水汽流入流出量和凈水汽的年際變化

圖7 冬季西、東、南、北邊界水汽流入流出量和凈水汽的年際變化

夏季：從圖5可看出,西邊界水汽的年變化呈增加趨勢(shì),每年有0.2936×1010t水汽增加;東邊界水汽流出量也呈增加趨勢(shì),每年從東邊界輸出水汽0.014×1010t;南邊界水汽量呈減小趨勢(shì),每年減少0.1693×1010t;北邊界水汽流出量呈現(xiàn)減少趨勢(shì),每年減少0.0743×1010t/a;凈水汽呈增加趨勢(shì),每年水汽增加0.1845×1010t。經(jīng)向和緯向的凈水汽相關(guān)系數(shù)為-0.5211,通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn),這表明緯向水汽輸送多時(shí),經(jīng)向水汽輸送就少,反之亦然。

秋季：西邊界水汽流入量呈弱增加趨勢(shì)(圖6),增加速率為0.0404×1010t/a;東邊界水汽流出量也呈增加趨勢(shì),增加速率為0.0901×1010t/a;南邊界也呈增加趨勢(shì),增加趨勢(shì)為0.0891×1010t/a;凈水汽也呈弱增加趨勢(shì),其速率為0.0468×1010t/a。緯向水汽和經(jīng)向水汽差的相關(guān)系數(shù)為-0.6491,通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn),表明經(jīng)緯向水汽輸送呈反相關(guān)。

冬季(圖7),西邊界水汽流入量呈現(xiàn)減少趨勢(shì),其速率為-0.1323×1010t/a;東邊界也為弱增加趨勢(shì),其速率為0.0207×1010t;南邊界水汽增加最為,其速率為1.1978×1010t/a;北邊界為弱的增加趨勢(shì),速率為0.0488×1010t/a;凈水汽有弱增加趨勢(shì)。除南邊界通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn),北邊界通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)外,其余均沒(méi)有通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)。緯向水汽和經(jīng)向水汽的相關(guān)系數(shù)為-0.7390,通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn)。

春季是云南從冬季風(fēng)向夏季風(fēng)轉(zhuǎn)變的季節(jié),多受南支槽的影響,使得南風(fēng)水汽輸送要僅次于夏季,而云南夏季因受西南季風(fēng)和南海季風(fēng)的共同影響,其可降水量是一年中最多的,而秋季云南多受西太平洋副熱帶高壓邊緣的偏東南水汽輸送影響,其可降水量為一年中第二大值,冬季云南主要受冬季風(fēng)的影響,冬季風(fēng)干冷,故其可降水量為四季中最小值。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析,得出：

(1)云南四季的可降水量呈“U”字型分布,滇東南和滇南為可降水量最大的區(qū)域;夏季最多、秋季次之,冬季最少。用探空資料計(jì)算的可降水量比再分析資料算的略小。

(2)對(duì)流層低層為云南水汽凈收入,對(duì)流層中高層為云南水汽凈輸出,夏季水汽凈收入最多,秋季次之,冬季最少。

(3)西邊界和南邊界為云南水汽主要流入,東邊界和北邊界為流出。

(4)云南四季的凈水汽輸送都呈增加趨勢(shì),其中夏季增加最多,春季次之。

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