云南空中水資源的季節變化研究

馬 濤, 張萬誠, 付 睿

(1.云南大學資源環境學院大氣科學系,云南昆明650091;2.云南省氣象科學研究所,云南昆明650034)

水汽是產生降水的源泉,大氣中的水分含量和水汽輸送與大氣環流有著密切的內在聯系,而且是全球能量和水分循環過程的重要一環。謝安等[1]研究了孟加拉灣水汽和南海水汽對長江中下游旱澇年的不同貢獻;徐祥德等[2]指出1998及1991年長江流域異常洪澇大部分特大暴雨過程對流云系可追溯到青藏高原及周邊地區;蔡英等[3]分析了高原及周圍地區氣柱可降水量的多年平均特征及季節變化。這說明水汽輸送是一個地區旱澇變化的主要影響因子之一。

目前,國內關于空中水汽資源的研究主要集中在長江中下游、華北、西北等地區[4-10]。周長艷等[11]分析了高原東部及鄰近地區的四川、重慶1958-2002年大氣可降水量、水汽輸送情況,郭潔等[12]分析了川渝地區可降水量的氣候特征及與地面降水的關系,毛文書等[13]分析了川渝地區夏季降水的水汽輸送差異。何華等[14]研究了1980-1991年云南出現的46次強降水過程,發現大雨前孟加拉灣至云南一帶的對流層中低層維持強水汽輸送對暴雨的產生起重要作用。以上研究得出了許多有意義的結果,但關于云南空中水汽資源的研究不多,由于云南受印度季風和東亞季風的共同影響,干濕季分明,開展云南空中水資源的變化分析對研究干旱具有現實意義。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、地面氣壓場再分析資料,格距為 2.0°×2.0°,以及云南省5個探空站提供的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,其計算式為：

由此可分別得到緯向、經向水汽輸送通量矢量 Qλ,Qφ的計算公式：

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,并規定由西向東、由南向北輸送為正,反之為負。考慮到高層水汽少,取300hPa。

某一邊界的水汽凈輸入計算公式為：

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,Qi、li分別為第i段邊界的水汽通量輸送和長度。云南低緯高原地區邊界采用正多邊形方案包括的區域如圖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,表現為北少南多,從西北向南逐漸遞增的特點,滇東南和滇南為可降水量最大的區域,與降水量的分布一致[15]。云南可降水量最多的季節為夏季,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換季節,秋季是云南從雨季到干季的過渡,從圖2知,從春季到夏季,可降水量等值線逐漸變密,而秋季到冬季,可降水量的等值線逐漸由密變疏。

圖3 1980-2006年可降水量分布及5個探空站可降水量(實心點為探空站位置及多年平均可降水量)

為了便于與表1對比,圖3給出了1980-2006年用再分析資料計算的可降水量和采用探空資料計算的夏、秋季可降水量,圖中實心點代表探空站地理位置,數字表示探空站多年平均的可降水量,圖3結合表1可以看出,探空站資料計算的可降水量和再分析資料計算的可降水量趨勢一致,表現為北少南多,從西北向南逐漸遞增的特點,滇東南的蒙自和滇南思茅可降水量最大,用探空資料計算的可降水量要比再分析資料計算的大氣可降水量(秋季思茅站除外)略小。探空資料計算的可降水量略小的原因可能與1天取2個時次(08時和20時)資料計算可降水量,再求平均有關,更進一步的分析對比將在今后的工作中做細致的研究。

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為云南上空對流層各層1961-2008年各季節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,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,云南地形是西北高而東南低,同時云南在春季容易受到南支槽和偏西水汽輸送的影響,因而出現水汽凈流入量,但春季是云南四季中的干季,溫度高、風大、蒸發量很大,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,地面到對流層低層的水汽凈流入量為59.2×1010t,對云南上空水汽凈收入貢獻最大;對流層中高層(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的水汽從對流層中高層流出云南,該層為水汽流出貢獻最大層;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%),同時受到季風和中高緯各種系統的相互作用,使得夏季云南降水成為一年中降水最多的季節。

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,說明有來自南海的水汽經中南半島流入云南,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,是對流層中貢獻最大的;對流層中高層,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的水汽從南邊界進入,同時有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。總的來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。

從總體上看,在對流層云南春、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,每個季節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%,這可能與在各個季節中影響云南的水汽路徑有關。

2.2 四季水汽輸入、輸出和收支的變化趨勢

春季：從圖4可以看出,西邊界水汽流入量有增加的趨勢,平均每年增加0.0663×1010t,其最小值出現在1964年,為70.65×1010t;東邊界水汽的流出量有增加趨勢,其增加的速率為0.0444×1010t/a,水汽流出量也在1964年出現最小值,為66.75×1010t;南邊界的水汽流入量也呈弱的增加趨勢,其速率為0.0121×1010t/a,水汽輸送最強年為1964年,為46.97×1010t;北邊界的水汽流出量也呈減少趨勢,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,每年以0.1262×1010t的趨勢增加。以上變化趨勢只有凈水汽通過0.05顯著性檢驗。計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系數為-0.5151,并通過了0.001的顯著性檢驗,說明在緯向水汽輸送多(少)時,經向水汽輸送少(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,每年有0.2936×1010t水汽增加;東邊界水汽流出量也呈增加趨勢,每年從東邊界輸出水汽0.014×1010t;南邊界水汽量呈減小趨勢,每年減少0.1693×1010t;北邊界水汽流出量呈現減少趨勢,每年減少0.0743×1010t/a;凈水汽呈增加趨勢,每年水汽增加0.1845×1010t。經向和緯向的凈水汽相關系數為-0.5211,通過了0.001的顯著性檢驗,這表明緯向水汽輸送多時,經向水汽輸送就少,反之亦然。

秋季：西邊界水汽流入量呈弱增加趨勢(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,增加速率為0.0901×1010t/a;南邊界也呈增加趨勢,增加趨勢為0.0891×1010t/a;凈水汽也呈弱增加趨勢,其速率為0.0468×1010t/a。緯向水汽和經向水汽差的相關系數為-0.6491,通過了0.001的顯著性檢驗,表明經緯向水汽輸送呈反相關。

冬季(圖7),西邊界水汽流入量呈現減少趨勢,其速率為-0.1323×1010t/a;東邊界也為弱增加趨勢,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,速率為0.0488×1010t/a;凈水汽有弱增加趨勢。除南邊界通過0.01顯著性檢驗,北邊界通過0.05顯著性檢驗外,其余均沒有通過0.1顯著性檢驗。緯向水汽和經向水汽的相關系數為-0.7390,通過了0.001的顯著性檢驗。

春季是云南從冬季風向夏季風轉變的季節,多受南支槽的影響,使得南風水汽輸送要僅次于夏季,而云南夏季因受西南季風和南海季風的共同影響,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的影響,冬季風干冷,故其可降水量為四季中最小值。

3 結束語

通過分析,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域;夏季最多、秋季次之,冬季最少。用探空資料計算的可降水量比再分析資料算的略小。

(2)對流層低層為云南水汽凈收入,對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,其中夏季增加最多,春季次之。

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