梵凈山區(qū)域空中水汽垂直分布與輸送特征淺析

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(dá)站2010—2014年的逐日L波段雷達(dá)探測(cè)資料，插值到銅仁市梵凈山原始生態(tài)自然保護(hù)區(qū)七要素自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，然后分析地面—100 hPa高空各層的水汽含量及輸送變化。結(jié)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)，對(duì)區(qū)域水分平衡起著重要作用，而且與災(zāi)害性天氣發(fā)生密切相關(guān)。大氣水汽含量的多少直接關(guān)系到人工影響天氣的作業(yè)效果。因此，在天氣預(yù)報(bào)、人工影響天氣等業(yè)務(wù)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(guān)注，且也對(duì)其進(jìn)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(guó)務(wù)院確定的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，聯(lián)合國(guó)教科文組織 “人與生物圈”保護(hù)區(qū)網(wǎng)的成員單位。區(qū)內(nèi)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(kù)。同時(shí)，梵凈山的地形以及茂密的森林對(duì)整個(gè)銅仁市的氣候調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。但是，由于氣候變化，導(dǎo)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(xué)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(hù)這片“原始綠洲”和“氣候調(diào)節(jié)屏障”最為有效的手段之一。然而，實(shí)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(dá)探空資料，通過有限元三角形插值法，計(jì)算銅仁市梵凈山上空各層次的水汽含量，然后對(duì)該地大氣中單位面積空氣柱內(nèi)的水汽含量及輸送特征進(jìn)行詳細(xì)分析，為科學(xué)地開發(fā)利用云水資源、更有效地實(shí)施人工增雨作業(yè)等研究提供參考依據(jù)。

2 資料來源及計(jì)算方法

2.1 資料來源

本文從《中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)》下載國(guó)內(nèi)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(jīng)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(jì)算3個(gè)站從地面—100 hPa各標(biāo)E準(zhǔn)等壓高度的水汽含量，然后通過有限元三角形插值法，計(jì)算和分析銅仁市梵凈山上空各層次的水汽含量。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 空中水汽含量的計(jì)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(zhì)量。其計(jì)算公式為[6]：

(1)

式中：q為比濕，其計(jì)算公式為：

(2)

(3)

其中A=6.11，a=7.5，b=237.3。

在實(shí)際計(jì)算中，常采用式(1)式的差分形式對(duì)水汽含量進(jìn)行分層計(jì)算。即：

(4)

水汽通量表示單位時(shí)間流經(jīng)某一單位截面積的水汽質(zhì)量。計(jì)算公式為：

(5)

(6)

F=Fu+Fv

(7)

2.2.2 有限元三角形插值法 當(dāng)知道一定區(qū)域內(nèi)某格點(diǎn)(頂點(diǎn))的要素值，要求取該區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)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(shè)置網(wǎng)格點(diǎn)規(guī)范，且已知格點(diǎn)為4個(gè)或4個(gè)以上標(biāo)準(zhǔn)等距格點(diǎn)，但對(duì)于本文來講，已知的格點(diǎn)不僅達(dá)不到4個(gè)，而且一要素的格點(diǎn)間距離并不等同(不標(biāo)準(zhǔn))，很顯然采用有限差分法無法求解，但我們已經(jīng)知道了距離較近的重慶、懷化、貴陽3個(gè)點(diǎn)，完全可以采用有限元三角形插值法求取三角形區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)的要素值。

具體的方法是：同一平面取3個(gè)測(cè)點(diǎn)(A、B、C)，建立一個(gè)三角形，在知道3個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣象要素值后，求三角形內(nèi)任意一點(diǎn)(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(diǎn)(插值點(diǎn))的要素值，(Mi,Ni)為3個(gè)已知要素測(cè)站的經(jīng)緯度，(MD,ND)為求值點(diǎn)的經(jīng)緯度，d1、d2分別為單位經(jīng)緯度的直線距離，pi為已知3個(gè)測(cè)站的氣象要素。

圖1 有限元三角形插值示意

3 結(jié)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(gè)探空站的探空資料，按照上述計(jì)算方法分別計(jì)算各站逐月、逐層水汽含量，然后通過插值處理，計(jì)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(gè)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(yù)報(bào)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(diǎn)充分說明了一個(gè)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(biāo)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(shí)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(jì)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(fēng)爆發(fā)，季風(fēng)槽變得活躍，副高開始增強(qiáng)西伸，槽前和副高西側(cè)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(qiáng)，所以該區(qū)域水汽含量最大，達(dá)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(yīng)盡量在夏季或春秋季進(jìn)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(qiáng)度。由圖4可見，夏季的輸送強(qiáng)度最強(qiáng)，其次是春季和秋季，最低是冬季。同時(shí)還可以看到，梵凈山上空有一個(gè)最大的水汽輸送層，其總體位于距地面2～3.2km之間，且各個(gè)季節(jié)也有差別。夏季水汽輸送強(qiáng)度最強(qiáng)，其最大輸送層在2～3 km之間。春秋季節(jié)的水汽輸送強(qiáng)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(qiáng)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(yù)報(bào)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(qiáng)度的垂直分布

4 小結(jié)

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(diǎn)結(jié)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(fēng)爆發(fā)，水汽含量增加迅速，到夏季尤其是7月，水汽含量達(dá)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(dá)到最低值。夏季7月份的水汽含量達(dá)到最高值時(shí)為55.3 kg/m2，冬季1月份水汽含量達(dá)到最低值時(shí)僅有17.6 kg/m2。因此夏季是實(shí)施空中水資源開發(fā)利用的最佳時(shí)節(jié)。

③ 梵凈山上空的水汽輸送強(qiáng)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(yù)報(bào)、人工影響天氣業(yè)務(wù)和科研中，夏季應(yīng)主要關(guān)注2～3.2 km高度的水汽，而其它季節(jié)則應(yīng)注重3～4 km之間的水汽資源。

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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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