李鐵鍵 史凱方 蘇洋 趙杰 王光謙

摘 要：為了深化對黃河流域水循環(huán)、水資源特性的認識并為黃河流域水資源保護和配置提供科學(xué)依據(jù)，采用WAM-2Layer水汽通量統(tǒng)計模型，基于1980—2018年ERA-5再分析數(shù)據(jù)集，對黃河中上游地區(qū)降水水汽來源和蒸散發(fā)水汽去向進行了分析，結(jié)果表明：黃河中上游地區(qū)降水內(nèi)循環(huán)率和蒸散發(fā)內(nèi)循環(huán)率的多年均值分別為10.3%和11.8%，水汽再循環(huán)對維持流域水資源安全、生態(tài)安全具有重要作用;黃河源區(qū)水汽內(nèi)循環(huán)率遠高于流域內(nèi)其他地區(qū)，證實了黃河源區(qū)的雙重“水塔”效應(yīng)，即黃河源區(qū)既是穩(wěn)定產(chǎn)流區(qū)也是流域降水的重要水汽來源區(qū);黃河流域灌區(qū)用水量大，灌區(qū)蒸散發(fā)水汽再降水對流域水循環(huán)過程與空間格局有一定影響，河套灌區(qū)和青銅峽灌區(qū)蒸散發(fā)水汽在黃河中上游地區(qū)形成的再降水量占其蒸散發(fā)量的比例分別為3.0%和8.7%，落在我國陸地的比例分別為28.1%和34.7%，兩灌區(qū)蒸散發(fā)水汽去向、內(nèi)循環(huán)率因地形和氣候因素的不同而具有明顯差異，因此未來開展南水北調(diào)新增水資源優(yōu)化配置、新擴建灌區(qū)等工作時應(yīng)考慮新增蒸散發(fā)水汽的再降水因素。

關(guān)鍵詞：水汽再循環(huán);降水水汽來源;蒸散發(fā)水汽去向;河套灌區(qū);青銅峽灌區(qū);黃河中上游地區(qū)

中圖分類號：TV213;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.005

引用格式：李鐵鍵，史凱方，蘇洋，等.黃河中上游地區(qū)的水汽再循環(huán)特征[J].人民黃河，2022，44（2）：21-26.

Abstract： Precipitation recycling， or water vapor recycling， is an important form of the renewal of water resources. In order to better understand the hydrological and water resources characteristics of the Yellow River Basin， as well as to provide scientific support to water resources protection and management decisions， this paper utilized the two-layer water accounting model （WAM-2Layer） with the ERA-5 reanalysis data from year 1980 to 2018 to analyze the water vapor sources of precipitation and the re-precipitation of evapotranspiration in the upper and middle Yellow River Basin. Some conclusions have been obtained as follows. First， the water vapor recycling ratio within the basin is 10.3% for inner source of precipitation and 11.8% for re-precipitation of evapotranspiration， which reveals the importance of water vapor recycling in maintaining water resources and ecological safety. Second， the recycling ratio in the headwaters is much higher than that in any other regions within the basin， which proves the existence of the “water tower” effect， for both surface water resources and precipitation sources. Third， by comparing the re-precipitation of evapotranspiration from irrigation areas in the Yellow River Basin， i.e.， Hetao irrigation area and Qingtongxia irrigation area， it has been found that the re-precipitation of the two areas is 3.0% and 8.7% in the studied basin， and 28.1% and 34.7% in mainland China， respectively， mainly caused by their difference in geographical and climatological conditions. The results suggest that water vapor recycling should be considered in decision-making when water resources allocation and new irrigation areas are being planned.

Key words： precipitation recycling;water vapor source of precipitation;re-precipitation of evapotranspiration;Hetao irrigation area;Qingtongxia irrigation area;Upper and Middle Yellow River

1 引 言

流域陸表蒸散到大氣中的水汽，一部分會在流域內(nèi)形成降水，這部分水循環(huán)稱為流域水汽再循環(huán)，也稱為降水再循環(huán)[1]。本文研究對象除自然降水產(chǎn)生的蒸散發(fā)外，還有水資源利用產(chǎn)生的灌區(qū)蒸散發(fā)，因此本研究涉及的黃河中上游地空水循環(huán)為水汽再循環(huán)（不能稱為降水再循環(huán)）。

大尺度的水汽再循環(huán)在水文過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是流域或區(qū)域地表蒸散發(fā)水汽轉(zhuǎn)化為降水、實現(xiàn)水資源再生更新的主要形式，其相關(guān)研究有助于深化對流域水循環(huán)、水資源特性的認識。同時，水資源利用和跨流域調(diào)水顯著改變流域內(nèi)的蒸散發(fā)量及其時空分布，進而影響流域水汽再循環(huán)特征，產(chǎn)生不同的次生水資源效應(yīng)，其相關(guān)研究有助于水資源利用的宏觀規(guī)劃布局。

再循環(huán)率是表征區(qū)域水汽再循環(huán)的宏觀指標，包括區(qū)域蒸散發(fā)水汽中在本區(qū)域內(nèi)形成降水的比例和區(qū)域降水中來自本區(qū)域蒸散發(fā)的比例2個指標，綜合反映一定尺度區(qū)域的陸氣相互作用強度和水循環(huán)特征[2]。區(qū)域降水再循環(huán)率的計算方法可追溯到1974年Budyko提出的一維模型[3]，其被Brubaker等[1]

于1993年擴展為二維模型。目前，水汽再循環(huán)分析方法可以分為3類：第一類為延續(xù)Budyko、Brubaker思路的箱體法，將研究區(qū)域看作一個箱體，以箱體整體為研究對象，根據(jù)箱內(nèi)水量平衡按一定假設(shè)進行再循環(huán)率計算[4-5];第二類為基于水汽運動場的歐拉模型，在水汽運動場中增加區(qū)域標記，解算降水來源或蒸散發(fā)水汽去向的空間分布，并計算區(qū)域再循環(huán)率，其代表性模型為水汽通量統(tǒng)計模型（Water Accounting Model，WAM）[6];第三類為基于水汽運動軌跡的拉格朗日跡線法，采用跡線追蹤區(qū)域降水水汽來源或蒸散發(fā)水汽去向[7-8]，得出降水水汽來源或蒸散發(fā)水汽去向的空間分布，進而計算區(qū)域水汽再循環(huán)率[9-10]。

康紅文等[11-12]采用箱體法，對我國中南部降水再循環(huán)率進行了評估，發(fā)現(xiàn)長江上游降水中有20%為來自我國中南部地區(qū)的蒸散發(fā)水汽;對我國北方地區(qū)進行評估表明，黃河流域源自北方地區(qū)的水汽再循環(huán)率為19%。He等[13]采用箱體法計算表明，新疆塔里木河流域的降水再循環(huán)率約為14%。Zhang等[14-15]對WAM進行修正并應(yīng)用于青藏高原，結(jié)果表明青藏高原降水再循環(huán)率為18%，青藏高原北部的降水再循環(huán)率高于南部的。

黃河中上游地區(qū)處于中緯度，受大氣環(huán)流和季風(fēng)影響情況復(fù)雜，分布有高原高寒氣候區(qū)、溫帶大陸氣候區(qū)、溫帶季風(fēng)氣候區(qū)等，水資源嚴重短缺、供需矛盾突出。黃河流域水資源開發(fā)利用率已高達80%[16]，在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展已上升為重大國家戰(zhàn)略的背景下，黃河流域水資源安全和優(yōu)化配置與我國北方生態(tài)保護和經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展密切相關(guān)[17];在氣候變化背景下，流域水資源的形成與轉(zhuǎn)化關(guān)系有可能發(fā)生變化，水資源利用和調(diào)水工程也會顯著改變蒸散發(fā)量及其時空分布。因此，筆者采用改進的WAM，探究黃河中上游地區(qū)的水汽再循環(huán)特征，并對比分析了典型灌區(qū)的水汽去向，以期為黃河流域水資源保護和配置提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究方法、研究區(qū)域及數(shù)據(jù)源

2.1 研究方法

采用WAM在給定的水汽運動場中標記目標區(qū)域，進而開展蒸散發(fā)水汽去向追蹤或降水來源回溯計算[6，18]。大氣氣柱中的水量守恒方程為

式中：t為時間;u、v分別為x方向、y方向的風(fēng)速;Sa為空氣中的水汽含量;E為蒸散發(fā)量;P為降水量。

在進行蒸散發(fā)水汽去向追蹤時，用Sa_Ω表示氣柱中來源于區(qū)域Ω的蒸散發(fā)水汽含量;在進行降水來源回溯時，則用Sa_Ω表示氣柱中造成區(qū)域Ω內(nèi)降水的水汽含量。Sa_Ω滿足如下守恒方程[6]：

式中：EΩ為區(qū)域Ω內(nèi)的蒸散發(fā)量（用于蒸散發(fā)水汽去向追蹤）或造成區(qū)域Ω內(nèi)降水的蒸散發(fā)量（用于降水來源回溯）;PΩ為區(qū)域Ω內(nèi)蒸散發(fā)水汽所產(chǎn)生的不限于區(qū)域Ω的降水量（用于蒸散發(fā)水汽去向追蹤）或區(qū)域Ω內(nèi)的降水量（用于降水來源回溯）。

假設(shè)所追蹤區(qū)域Ω的蒸散發(fā)水汽或回溯區(qū)域Ω降水的相關(guān)水汽在擴散、水平輸送、降水過程中與其他水汽充分混合，則存在以下等式[6]：

為了減少垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的誤差，WAM原作者對其進行改進，建立了WAM-2layer模型[19]，以切變層為界，將大氣分為上下兩層，地面蒸散發(fā)水汽僅直接影響下層，兩層間的交換采用垂向風(fēng)計算。本研究采用WAM-2layer模型進行計算。

若已知水汽運動、蒸散發(fā)和降水的數(shù)值離散場，則可對研究區(qū)域Ω進行標記，并采用上述公式進行逐柵格（把柵格坐標記為（i，j））逐時刻的蒸散發(fā)水汽去向追蹤或降水來源回溯，并可計算長時段均值，進而觀察其空間分布規(guī)律。

進行蒸散發(fā)水汽去向追蹤時，可計算由區(qū)域Ω蒸散發(fā)水汽在各柵格產(chǎn)生的降水量PΩ（i，j）并繪制其分布圖，展示區(qū)域Ω蒸散發(fā)水汽在各處產(chǎn)生的降水量，進而計算PΩ（i，j）占當?shù)乜偨邓縋（i，j）的比例，即區(qū)域Ω對柵格（i，j）降水的貢獻率，記為φΩ（i，j），φΩ（i，j）越大表示柵格（i，j）降水依賴區(qū)域Ω蒸散發(fā)的程度越高。

進行降水來源回溯時，可計算各處為區(qū)域Ω降水貢獻的蒸散發(fā)量EΩ（i，j）并繪制其分布圖，求解EΩ（i，j）占當?shù)乜傉羯l(fā)量E（i，j）的比例，即各處蒸散發(fā)對區(qū)域Ω降水的貢獻率，記為σΩ（i，j），σΩ（i，j）越大表示柵格（i，j）蒸散發(fā)水汽變?yōu)閰^(qū)域Ω降水的比例越高。

對于區(qū)域Ω整體來講，可根據(jù)蒸散發(fā)水汽去向追蹤計算其蒸散發(fā)內(nèi)循環(huán)率ε，或根據(jù)降水來源回溯計算其降水內(nèi)循環(huán)率ρ：

式中：∑i，jPΩ（i，j）為區(qū)域Ω蒸散發(fā)水汽在區(qū)域Ω內(nèi)部產(chǎn)生的降水量;∑i，jEΩ（i，j）為區(qū)域Ω降水量中由區(qū)域Ω內(nèi)部蒸散發(fā)貢獻的水量。

2.2 研究區(qū)域界定

把花園口以上黃河中上游產(chǎn)流區(qū)作為本研究的目標區(qū)域Ω。為便于數(shù)值計算，采用0.75°×0.75°的分辨率進行柵格設(shè)置，目標區(qū)域Ω由132個柵格覆蓋，如圖1所示。為不影響水汽循環(huán)統(tǒng)計，目標區(qū)域包括了鄂爾多斯內(nèi)流區(qū)，但不包括呈凸出狀的大通河流域。本研究還重點關(guān)注內(nèi)蒙古河套灌區(qū)和寧夏青銅峽灌區(qū)的水汽循環(huán)，分別采用14個和5個柵格對河套灌區(qū)和青銅峽灌區(qū)進行覆蓋，為保證計算結(jié)果的可靠性，柵格覆蓋范圍比實際灌區(qū)范圍有所外擴。

2.3 數(shù)據(jù)源

為保證數(shù)據(jù)自洽，大氣中水汽含量、降水量、蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用歐洲中期天氣預(yù)報中心（https：//www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5）發(fā)布的ERA-5再分析數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的空間范圍為全球，被廣泛應(yīng)用于氣候變化規(guī)律研究，其中氣溫、降水、水汽及云特性等數(shù)據(jù)的精度已得到眾多研究者的檢驗[20-21]。

ERA-5數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.75°×0.75°。比濕、風(fēng)和水汽通量為三維場，采用了其中17個計算層[22]，原始層號分別為35、66、80、87、94、99、105、111、113、119、126、128、130、132、134、136、137。上述三維場和地表氣壓、氣柱總水汽含量的時間分辨率為6 h，降水和蒸散發(fā)的時間分辨率為1 h。

本文研究時段為1980—2018年。WAM-2Layer模型采用的時間步長為0.25 h，輸入數(shù)據(jù)時進行插值處理。WAM-2Layer模型的切變層高度從原始設(shè)定的800 hPa氣壓高度改為ERA-5數(shù)據(jù)集的113號計算層，該層在海平面上空的氣壓約為835 hPa。ERA-5的計算層按地形起伏自動彎折并調(diào)整層厚，可適應(yīng)黃河源等高海拔地區(qū)。

3 結(jié)果分析

3.1 黃河中上游地區(qū)水汽再循環(huán)特征

（1）黃河中上游地區(qū)降水水汽來源回溯結(jié)果。黃河中上游地區(qū)多年（1980—2018年）平均降水水汽來源和蒸散發(fā)貢獻率見圖2。

由圖2（a）可以看出，給黃河中上游地區(qū)降水提供水汽較多的區(qū)域主要集中在：黃河源區(qū)，流域南邊界以南的青藏高原、秦嶺和四川盆地，流域西邊界以西的青藏高原腹地、喜馬拉雅山南麓特別是雅魯藏布江大拐彎處。其中黃河源區(qū)蒸散發(fā)水汽貢獻最大，年貢獻量在100 mm以上，是黃河中上游地區(qū)降水水汽的重要來源區(qū)。

圖2（b）顯示了各處對黃河中上游地區(qū)降水的蒸散發(fā)貢獻率，可以看出，黃河源區(qū)及周邊地區(qū)有超過20%的蒸散發(fā)量轉(zhuǎn)化為黃河中上游地區(qū)的降水。黃河源區(qū)既是黃河流域地表徑流的穩(wěn)定來源區(qū)，也是黃河中上游地區(qū)降水的主要蒸散發(fā)水汽來源區(qū)，其“水塔”作用具有地面和空中雙重效應(yīng)[23]。

（2）黃河中上游地區(qū)蒸散發(fā)水汽去向追蹤結(jié)果。黃河中上游地區(qū)多年平均蒸散發(fā)水汽再降水和降水貢獻率分布情況見圖3。

受季風(fēng)影響，黃河中上游地區(qū)蒸散發(fā)水汽形成的降水集中分布在流域內(nèi)和流域外東北方向（可遠達燕山、長白山等地），見圖3（a）。黃河源區(qū)、河曲及其東部地區(qū)的再降水量在120 mm/a以上，結(jié)合降水水汽來源可知，其內(nèi)循環(huán)效應(yīng)顯著;黃河中游黃土高原地區(qū)再降水量分布較為均勻，約為60 mm/a;流域東邊界附近太行山的再降水量在60 mm/a以上。

從圖3（b）所示黃河中上游地區(qū)蒸散發(fā)水汽對各地降水的貢獻率來看，其對黃河源區(qū)的貢獻率可達20%，對鄂爾多斯高原、黃土高原、太行山一帶的貢獻率約為15%，對流域外的東北部大片區(qū)域也有不低于5%的貢獻率。因此，黃河中上游地區(qū)蒸散發(fā)水汽在流域內(nèi)及周邊區(qū)域形成的再降水是不可忽視的，具有可觀的水資源效應(yīng)，在干旱半干旱地區(qū)具有較高的生態(tài)價值。

（3）黃河中上游地區(qū)水汽內(nèi)循環(huán)率。基于降水來源回溯和蒸散發(fā)水汽去向追蹤結(jié)果，計算的黃河中上游地區(qū)降水內(nèi)循環(huán)率和蒸散發(fā)內(nèi)循環(huán)率的多年均值分別為10.3%和11.8%。降水內(nèi)循環(huán)率和蒸散發(fā)內(nèi)循環(huán)率逐年變化情況見圖4，可以看出：兩種算法得出的水汽內(nèi)循環(huán)率存在系統(tǒng)偏差（原因可能是計算過程不同），但逐年變化趨勢保持一致;黃河中上游地區(qū)水汽內(nèi)循環(huán)率除1991年明顯較高外，大致維持在9%～13%范圍內(nèi)，在時間維度上未呈現(xiàn)出線性趨勢或階段變點。

3.2 典型灌區(qū)蒸散發(fā)水汽去向分析

圖5為內(nèi)蒙古河套灌區(qū)多年平均蒸散發(fā)水汽再降水空間分布及其對各處降水的貢獻率。需要說明的是：由于灌區(qū)面積遠小于蒸散發(fā)水汽再降水的分布面積，圖5中顯示的再降水量和降水貢獻率均很小，且計算的灌區(qū)蒸散發(fā)量與灌區(qū)實際蒸散發(fā)量有較大差異，因此再降水量和降水貢獻率數(shù)值及數(shù)量級僅供參考（本研究重點關(guān)注的是蒸散發(fā)水汽再降水的空間分布格局）。由于夏季季風(fēng)很少到達河套灌區(qū)，因此在中高緯度盛行西風(fēng)的驅(qū)動下，河套灌區(qū)蒸散發(fā)水汽主要向東北方向擴散并產(chǎn)生再降水，擴散區(qū)域包括我國東北地區(qū)及蒙古國東部，受陰山山脈影響在該灌區(qū)中東部—燕山山脈形成東西向再降水高值帶。從降水貢獻率看，河套灌區(qū)蒸散發(fā)水汽再降水貢獻率較高的區(qū)域主要集中在灌區(qū)內(nèi)部及其東側(cè)區(qū)域，對內(nèi)蒙古東部及蒙古國部分地區(qū)有一定影響。

圖6為寧夏青銅峽灌區(qū)多年平均蒸散發(fā)水汽再降水空間分布及其對各處降水的貢獻率?？梢钥闯?，青銅峽灌區(qū)蒸散發(fā)水汽首先在灌區(qū)內(nèi)部及其東側(cè)形成再降水高值區(qū)，擴散方向與河套灌區(qū)相似，即向東偏北方向擴散并產(chǎn)生再降水，但與河套灌區(qū)不同的是其下風(fēng)向地區(qū)地形不同，蒸散發(fā)水汽經(jīng)過鄂爾多斯高原、黃土高原后在呂梁山、太行山及燕山一帶形成遠端的再降水高值區(qū)，表明下風(fēng)向山脈對灌區(qū)蒸散發(fā)水汽再降水具有較大影響。從圖6（b）所示青銅峽灌區(qū)蒸散發(fā)對各地的降水貢獻率來看，由于東部地區(qū)降水總量較西部大，因此青銅峽灌區(qū)蒸散發(fā)對降水的貢獻率在呂梁山、太行山、燕山一帶不再顯著，其高值區(qū)僅集中在灌區(qū)及其周邊區(qū)域。

由于灌區(qū)面積相對較小，因此其蒸散發(fā)水汽再降水量和貢獻率普遍較小。對比內(nèi)蒙古河套灌區(qū)和寧夏青銅峽灌區(qū)蒸散發(fā)水汽再降水量和貢獻率可知，這兩個灌區(qū)蒸散發(fā)水汽去向的空間分布明顯不同，原因是兩者所處地理位置不同。河套灌區(qū)地處黃河中上游地區(qū)最北端，蒸散發(fā)水汽主要向黃河中上游地區(qū)外的我國東北地區(qū)擴散并產(chǎn)生再降水;青銅峽灌區(qū)相對偏南，地處黃河中上游地區(qū)東西方向的中軸線附近，灌區(qū)上風(fēng)向受賀蘭山影響、下風(fēng)向受到流域內(nèi)呂梁山和流域邊界太行山影響，因而蒸散發(fā)水汽較多地在黃河中上游地區(qū)產(chǎn)生再降水。

統(tǒng)計表明，河套灌區(qū)和青銅峽灌區(qū)蒸散發(fā)水汽在黃河中上游地區(qū)形成的再降水量占其蒸散發(fā)量的比例分別為3.0%和8.7%，落在我國陸地的比例分別為28.1%和34.7%?？梢姡徽搹狞S河中上游地區(qū)還是從全國尺度看，青銅峽灌區(qū)蒸散發(fā)的內(nèi)循環(huán)效應(yīng)均明顯高于河套灌區(qū)的。從兩個典型灌區(qū)對比看，不同區(qū)域蒸散發(fā)水汽去向受地形和氣候因素的綜合影響，其水資源再生價值具有明顯差異，即水資源配置的空間布局對水汽再循環(huán)及其間接水資源效應(yīng)具有重要影響。另外，青銅峽灌區(qū)的緯度低于河套灌區(qū)的，光熱條件更優(yōu)，周邊未開發(fā)沙地較多，因此綜合考慮其水資源高效利用和再循環(huán)狀況，有助于新建、擴建灌區(qū)的方案比選優(yōu)化。

4 結(jié) 論

采用WAM-2Layer水汽通量統(tǒng)計模型，基于1980—2018年ERA-5再分析數(shù)據(jù)集，對黃河中上游地區(qū)降水水汽來源和蒸散發(fā)水汽去向進行了分析，結(jié)果表明：黃河中上游地區(qū)降水內(nèi)循環(huán)率和蒸散發(fā)內(nèi)循環(huán)率的多年均值分別為10.3%和11.8%，水汽再循環(huán)對維持流域水資源安全、生態(tài)安全具有重要作用;黃河源區(qū)及周邊地區(qū)有超過20%的蒸散發(fā)量轉(zhuǎn)化為黃河中上游地區(qū)的降水，水汽內(nèi)循環(huán)率遠高于流域內(nèi)其他地區(qū)，

證實了黃河源區(qū)的雙重“水塔”效應(yīng)，即黃河源區(qū)既是穩(wěn)定的地表產(chǎn)流區(qū)也是流域降水的重要水汽來源區(qū);黃河流域灌區(qū)用水量大，灌區(qū)蒸散發(fā)水汽再降水對流域水循環(huán)過程與空間格局有一定影響，河套灌區(qū)和青銅峽灌區(qū)蒸散發(fā)水汽在黃河中上游地區(qū)形成的再降水量占其蒸散發(fā)量的比例分別為3.0%和8.7%，落在我國陸地的比例分別為28.1%和34.7%，兩灌區(qū)蒸散發(fā)水汽去向、內(nèi)循環(huán)率因地形和氣候影響因素的不同而具有明顯差異。因此，未來開展南水北調(diào)西線等新增水資源優(yōu)化配置、新擴建灌區(qū)等工作時應(yīng)考慮新增蒸散發(fā)水汽的再降水因素。

需要指出的是，本文所用數(shù)據(jù)的分辨率和精度有限，所用WAM-2Layer模型將大氣分為上下兩層的假設(shè)比較粗糙，在進一步研究中應(yīng)采用更可靠的數(shù)據(jù)和更精確的模型。

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【責任編輯 張智民】