田 海，張 祝，晏 青

(1.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；2.貴州省萬山區(qū)氣象局，貴州 萬山 554200)

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梵凈山區(qū)域空中水汽垂直分布與輸送特征淺析

田 海1，張 祝1，晏 青2

(1.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；2.貴州省萬山區(qū)氣象局，貴州 萬山 554200)

通過有限元三角形插值法，將重慶、懷化、貴陽雷達站2010—2014年的逐日L波段雷達探測資料，插值到銅仁市梵凈山原始生態(tài)自然保護區(qū)七要素自動監(jiān)測站，然后分析地面—100 hPa高空各層的水汽含量及輸送變化。結果表明：梵凈山區(qū)域空中水汽含量的季節(jié)變化明顯，整層水汽含量夏季最高，秋季和春季較高，冬季較低；中低層水汽含量隨高度增加而增加，高空隨高度增加而迅速減少，絕大部分的水汽含量集中在500 hPa以下，800～600 hPa以下尤甚；水汽輸送強度，夏季最高，春季和秋季次之，冬季最低；水汽最大輸送層，夏季最低，春秋季比夏季高，冬季最高。

梵凈山；空中水汽；垂直分布；輸送

1 引 言

大氣中的水汽含量和輸送不僅通過大氣運動，對區(qū)域水分平衡起著重要作用，而且與災害性天氣發(fā)生密切相關。大氣水汽含量的多少直接關系到人工影響天氣的作業(yè)效果。因此，在天氣預報、人工影響天氣等業(yè)務和科研工作中，水汽分布和輸送條件被氣象科技人員廣泛關注，且也對其進行了許多深入研究[1-5]。

梵凈山位于貴州銅仁市中部，是迄今為止地球同緯度保留最為完好的原始生態(tài)區(qū)，也是國務院確定的國家級自然保護區(qū)，聯(lián)合國教科文組織 “人與生物圈”保護區(qū)網的成員單位。區(qū)內保留有7 000萬至200萬年前的古老珍稀物種2 600多種，為世界罕見的生物資源基因庫。同時，梵凈山的地形以及茂密的森林對整個銅仁市的氣候調節(jié)起著至關重要的作用。但是，由于氣候變化，導致該區(qū)域自然降水和地下水資源逐年減少，生態(tài)開始受到影響。因此通過人工影響天氣等科學的手段，大力開發(fā)利用空中水資源，遏制該區(qū)域的生態(tài)惡化，是目前保護這片“原始綠洲”和“氣候調節(jié)屏障”最為有效的手段之一。然而，實施人工影響天氣，開發(fā)空中水資源，必須充分了解該區(qū)域的云水分布特征。所以本文使用重慶、懷化、貴陽探空站2010—2014年逐日L波段雷達探空資料，通過有限元三角形插值法，計算銅仁市梵凈山上空各層次的水汽含量，然后對該地大氣中單位面積空氣柱內的水汽含量及輸送特征進行詳細分析，為科學地開發(fā)利用云水資源、更有效地實施人工增雨作業(yè)等研究提供參考依據。

2 資料來源及計算方法

2.1 資料來源

本文從《中國氣象科學數(shù)據共享服務網》下載國內探空站逐日歷史探空資料，資料年限為2010—2014年，資料范圍為重慶探空站(經緯度：106.47°E，29.58°N)、懷化探空站(110.01°E，27.57°N)、貴陽探空站(106.71°，26.58°N)。計算3個站從地面—100 hPa各標E準等壓高度的水汽含量，然后通過有限元三角形插值法，計算和分析銅仁市梵凈山上空各層次的水汽含量。

2.2 計算方法

2.2.1 空中水汽含量的計算方法 空中水資源量是指任一單位截面積大氣柱中所含的水汽質量。其計算公式為[6]：

(1)

式中：q為比濕，其計算公式為：

(2)

(3)

其中A=6.11，a=7.5，b=237.3。

在實際計算中，常采用式(1)式的差分形式對水汽含量進行分層計算。即：

(4)

水汽通量表示單位時間流經某一單位截面積的水汽質量。計算公式為：

(5)

(6)

F=Fu+Fv

(7)

2.2.2 有限元三角形插值法 當知道一定區(qū)域內某格點(頂點)的要素值，要求取該區(qū)域內任意一點的要素，氣象上目前廣泛使用的是有限差分法和有限元法。有限差分法，必須要求設置網格點規(guī)范，且已知格點為4個或4個以上標準等距格點，但對于本文來講，已知的格點不僅達不到4個，而且一要素的格點間距離并不等同(不標準)，很顯然采用有限差分法無法求解，但我們已經知道了距離較近的重慶、懷化、貴陽3個點，完全可以采用有限元三角形插值法求取三角形區(qū)域內的任意一點的要素值。

具體的方法是：同一平面取3個測點(A、B、C)，建立一個三角形，在知道3個測點的氣象要素值后，求三角形內任意一點(D)的要素值(圖1)，可采用有限元三角形插值法[7]，即：

(8)

PD為求值點(插值點)的要素值，(Mi,Ni)為3個已知要素測站的經緯度，(MD,ND)為求值點的經緯度，d1、d2分別為單位經緯度的直線距離，pi為已知3個測站的氣象要素。

圖1 有限元三角形插值示意

3 結果與分析

3.1 梵凈山上空水汽含量垂直分布的短期特征

利用重慶、懷化、貴陽3個探空站的探空資料，按照上述計算方法分別計算各站逐月、逐層水汽含量，然后通過插值處理，計算得到梵凈山從地面—100 hPa逐層逐月平均水汽含量如表1，圖2為每個季度水汽含量垂直分布圖。從表1和圖2可以看出梵凈山逐月水汽含量絕大部分的水汽含量集中在500 hPa以下，占整層水汽含量的90%以上，而且以850～700 hPa之間的水汽含量為最多，占整層水汽含量的75%，所以該區(qū)間為降水天氣水汽的主要供給層，也是天氣預報分析水汽分布的主要層次。在低層(地面—850 hPa)水汽含量較少，只占整層水汽含量的10%～14%，這一點充分說明了一個地區(qū)降水所需的水汽來源，主要通過中間層和高空層輸送，這一層也是人工增雨作業(yè)要掌握的最佳目標層。

表1 梵凈山近5 a地面—100 hPa逐月分層水汽含量平均值 (單位：mm)

圖2 梵凈山上空水汽含量的累積垂直分布

3.2 梵凈山上空水汽含量的月季變化的短期特征

為了分析整層水汽含量的時間變化特征，本文按照本地氣候季度冬季(12—次年2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)分別統(tǒng)計逐年整層水汽含量(見表2)。

表2 2010—2014年梵凈山各季節(jié)整層水汽含量 (單位：mm)

由表1、表2和圖3的變化可知，梵凈山上空水汽含量的年變化呈單峰型，從冬季到夏季(1—7月)水汽含量逐漸增加，特別是3月以后，隨著印度洋夏季風爆發(fā)，季風槽變得活躍，副高開始增強西伸，槽前和副高西側大量偏南水汽向北輸送到該區(qū)域，到7月份水汽輸送最強，所以該區(qū)域水汽含量最大，達到55.3 kg/m2。7月以后水汽含量開始減少，最少是冬季1月，僅為17.6 kg/m2。由此可見，梵凈山上空的整層水汽含量，夏季最高，其次是秋季和春季較高，而冬季最少，因此人工增雨作業(yè)季節(jié)應盡量在夏季或春秋季進行，以夏季作業(yè)條件最好。

圖3 2010—2014年梵凈山上空各季平均的整層水汽含量

3.3 空中水汽輸送特征

圖4給出了梵凈山不同高度上的水分輸送強度。由圖4可見，夏季的輸送強度最強，其次是春季和秋季，最低是冬季。同時還可以看到，梵凈山上空有一個最大的水汽輸送層，其總體位于距地面2～3.2km之間，且各個季節(jié)也有差別。夏季水汽輸送強度最強，其最大輸送層在2～3 km之間。春秋季節(jié)的水汽輸送強度次之，其最大輸送層位于2.5～3.5 km之間。冬季1月的水汽輸送強度最弱，其最大輸送層位于3.5～4 km之間，且最大輸送帶較窄。這種最大水汽輸送層所處的位置提示我們，在天氣預報或人工增雨作業(yè)等工作中，春、夏季要多注重2.5～3.5 km之間的水汽資料，而冬季則是主要注重3～4 km的水汽資料。

圖4 梵凈山上空水汽輸送強度的垂直分布

4 小結

通過分析梵凈山上空水汽含量和水汽輸送特征，主要有以下幾點結論：

① 梵凈山上空水汽含量在中低層隨高度的增加而增加，中層以上隨高度增加而迅速減少，絕大部分的水汽含量集中在500 hPa以下，850～600 hPa尤甚。地面—500 hPa的水汽含量占整層水汽含量的90%以上，其中，地面—850 hPa只占10%～14%，850～700 hPa的水汽含量占75%，其為空中水資源開發(fā)利用的最佳條件層。

② 梵凈山上空整層水汽含量從1—7月逐漸上升，特別是4月左右，隨著夏季風爆發(fā)，水汽含量增加迅速，到夏季尤其是7月，水汽含量達到一年中的最高值，7月以后開始逐漸減少，到了冬季尤其是1月水汽含量達到最低值。夏季7月份的水汽含量達到最高值時為55.3 kg/m2，冬季1月份水汽含量達到最低值時僅有17.6 kg/m2。因此夏季是實施空中水資源開發(fā)利用的最佳時節(jié)。

③ 梵凈山上空的水汽輸送強度，夏季最高，春季和秋季次之，冬季最低。梵凈山上空的水汽最大輸送層，夏季最低，春季、秋季略有抬高，冬季最高。在天氣預報、人工影響天氣業(yè)務和科研中，夏季應主要關注2～3.2 km高度的水汽，而其它季節(jié)則應注重3～4 km之間的水汽資源。

[1] 李玉林，楊梅，曾光平.江蘇省7至9月水汽資源特征[J].氣象科技，2003，31(3)：167-173.

[2] 劉世祥，楊建才，陳學君，等.甘肅省空中水汽含量、水汽輸送的時空分布特征[J].氣象，2005，31(1)：51-54.

[3] 李玉林，楊梅，馮宏芳，等.江西省空中水汽量與降水效率特征分析[J].江西氣象科技，2003，26(1)：25-29.

[4] 劉建西，龍美希，杜遠林，等.川渝地區(qū)空中水資源分布及水汽輸送特征[J].高原山地氣象研究，2010，30(2)： 31-35.

[5] 楊茜，李軻，高陽華.重慶地區(qū)空中水資源的時空分布特征[J].氣象，2010，36(8)：100-105.

[6] 廣東省氣候業(yè)務技術手冊編寫委員會.廣東省氣候業(yè)務技術手冊[M].北京：氣象出版社，2008.

[7] 施能.氣象要素場統(tǒng)計處理[M].北京：氣象出版社，2009，245-250.

[8] 許弋，田英，汪麗，等.貴州省空中水汽含量的時空分布特征[A].第十四屆全國云水降水物理和人工影響天氣學科會議(上冊)[C].548-553.

1003-6598(2015)06-0039-04

2015-07-02

田海(1975—)，男，助工，主要從事人工影響天氣工作。

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