基于ERA-Interim資料的中國天山山區云水含量空間分布特征

石曉蘭，楊　青，姚俊強，韓雪云，李建剛

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆　烏魯木齊830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆　烏魯木齊830002；3.新疆氣候中心，新疆　烏魯木齊830002；4.新疆氣象臺，新疆　烏魯木齊830002）

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基于ERA-Interim資料的中國天山山區云水含量空間分布特征

石曉蘭1，2，楊青2*，姚俊強2，韓雪云3，李建剛4

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；3.新疆氣候中心，新疆烏魯木齊830002；4.新疆氣象臺，新疆烏魯木齊830002）

摘要：利用歐洲數值預報中心（ECMW F）發布的第一代全球分辨率ERA-Interim再分析數據，分析了1979—2014年天山山區水汽含量和云水含量的空間分布特征。結果顯示：（1）水汽含量的高值中心出現博羅科努山迎風坡，中心值域在10～11mm之間，低值區位于天山中部的巴音布魯克附近，中心值域在5～6mm之間；夏季水汽含量最豐富，在8～11mm之間。（2）云液水含量的高值區出現在博格達山北坡，而云冰水含量的高值區在西天山海拔較高的托木爾峰地區，低值區均在伊犁河谷等海拔低的地區；夏季云液水含量、云冰水含量均呈減少趨勢，云冰水含量較云液水減少得更為明顯，下降速率為0.28×10-3g·kg-1/10a；（3）垂直分布上，云液水含量在600hPa左右的高空出現高值區，中心最大值為10×10-3g·kg-1；云冰水含量的高值區則出現在500hPa左右的高空，為11×10-3g·kg-1；在對流層大氣中云冰水含量值遠大于云液水，且云冰水發展的高度較云液水更高。

關鍵詞：天山山區；云液水含量；云冰水含量；空間分布

石曉蘭，楊青，姚俊強，等.基于ERA-Interim資料的中國天山山區云水含量空間分布特征[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：50-56.

天山是亞洲中部最大的山系，在我國境內橫貫新疆全境，山區由山地、山間盆地和谷地及山前平原組成，東西綿延1700 km，占總長度的2/3以上，面積約為5.7×105km2，占全疆總面積的34.5%[1]。天山山區受西風氣流控制，山體平均海拔4000 m，攔截了西風帶來的大量水汽，是新疆降水最多的地區，約占全疆降水量的40%，是干旱區中的濕島。天山山區是新疆地表水和地下水的重要補給源，空中水汽是降水的物質基礎。因此，研究天山山區空中云水資源分布規律和開發潛力，對科學評估、合理地開發利用空中云水資源，緩解水資源緊缺，保障社會經濟的可持續發展具有重要意義。

云中含水量的多少不僅對云滴增長及降水的形成和強度有非常重要的影響，而且也是全球氣候數值模擬的預報參量，是研究云對氣候影響的重要參數[2]。許多學者利用不同的數據資料和方法對水汽、云水資源的分布特征進行了計算和分析[3-14]。西北地區水汽主要來源于以西風為主的緯向輸送和西南氣流的經向輸送[15]；西北地區的降水與水汽和水汽輸送關系密切，東亞季風和西風環流是水汽輸送最重要的方式，西南氣流輸送能力大小直接影響著西北地區東部的降水多少[16-18]。任麗等[19]研究結果顯示，強對流活動使對流層上層局地水汽平均增加10倍以上，對流活動對于水汽的垂直輸送以及對高層水汽含量的改變具有非常顯著的作用。楊大生等[20]利用Cloudsat資料分析中國地區夏季云水含量的垂直分布特征，認為青藏高原地形以及東亞夏季風對月平均云含水量分布具有明顯影響，平均冰水含量緯向垂直分布的高值區主要在對流層中上部。衡志煒[21]等基于NCEP和CFSR再分析資料，對全球云水云冰含量氣候分布進行分析，認為云水含量和云冰含量分布受到大氣環流的地形的影響，有很強的地域性。劉朝順等[22]分析了大氣水汽總量和云液態水總量的季節變化特征，并檢驗了可降水量（水汽總量）、云液態水總量與降水發生之間的相關關系。

上述學者們對水汽、水汽通量和水汽的降水轉化率的研究，為進一步深入開展天山山區空中云水資源研究打下了堅實基礎。本文利用ERA-Interim再分析資料分析天山山區云水資源的空間分布特征，為開發利用天山山區空中云水資源提供參考。

1　資料和方法

利用歐洲數值預報中心（ECMW F）發布的新一代全球分辨率逐月ERA-Interim再分析數據資料，該資料垂直方向從1000 hPa到1 hPa共37層，水平空間分辨率為0.125°×0.125°，時間段為1979年1月—2014年12月。由于ERA-Interim發布時間較短，其適應性研究還相對較少，但ERA-Interim數值預報產品的性能已經得到普遍認可[23]。相比其他再分析資料，ERA-Interim再分析數據資料的可信度更高[24]，有較高的分辨率，即水平空間分辨率可達到0.125°×0.125°。

分析要素包括大氣水汽含量（TCW V）、云液水含量（CLW C）、云冰水含量（CIW C）。其中云水含量為云液水、云冰水含量的總和。四季劃分按：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季。

物理量計算時，大氣水汽含量（TCW V）、整層云液水含量（VCLW C）、云冰水含量（VCIW C）為各氣壓層水汽、云液水、云冰水含量的垂直積分：

式中：q為各層的比濕；p為氣壓層；n為模式層；g為重力常數。

2　結果與分析

2.1大氣水汽含量空間分布特征

2.1.1年平均分布

大氣水汽含量表示整個空氣柱中的水汽全部凝結時所得到的液態水量，其與氣柱的長度、海拔高度的大小有密切關系。從天山山區年均水汽含量的空間分布特征（圖1）可以看出，天山山區的水汽含量集中在6～11 mm之間，高值區主要分布在伊犁河谷東北部的博羅科努山迎風坡，水汽含量豐富，可達到11 mm，伊犁河谷地區由于地形封閉，地勢較低，氣柱的長度較大，成為水汽含量的次高值區，水汽含量在9～10 mm之間。水汽含量的低值區位于天山中部的巴音布魯克盆地，中心值域為5～6 mm。該地海拔高度相對較高，氣柱相對較短，大氣厚度薄，密度低，所以氣柱的總水汽含量相對較少?？傮w上看，空間分布形勢與利用探空資料得出的天山山區大氣水汽含量得出的時空分布結果[8]比較一致，說明ERAInterim再分析數據資料在天山山區具有一定程度的實用性。

圖1　天山山區年平均水汽含量分布（mm）

2.1.2季節分布

從天山山區季節水汽含量的空間分布特征（圖2）可以看出，各季的分布形勢與年均水汽含量基本一致。夏季水汽含量最高，秋季次之，春、冬季最少。春季水汽含量空間分布有兩個高值區，分別在天山西部的伊犁河谷、博羅科努山及天山西南部的阿圖什地區，中心水汽含量為6 mm；而巴音布魯克盆地、巴倫臺和大西溝一帶是水汽含量的低值區，中心水汽含量在2.5 mm左右。夏季，輸入新疆的水汽通量明顯增加，流入的總水汽含量為2951.5×108m3，是水汽含量最豐富的季節[25]，在伊犁河谷的東北部地區出現高值區，中心值在18 mm左右，為春季的三倍多。秋季水汽含量分布特征與春節分布相似，高值中心出現在伊犁河谷北部地區，中心值在13 mm左右，但秋季的水汽含量大于春季，這可能是大氣環流影響的結果。冬季是水汽含量最低的季節，高值區也分布在地勢較低的伊犁河谷地區，為7 mm。從總體分布來看，水汽含量高值區主要分布在低海拔的盆地、山前平原和河谷地區，低值區則分布在海拔較高的巴音布魯克盆地附近。

2.2云水含量時空分布特征

2.2.1空間分布特征

云液水含量和云冰水含量是衡量云中液態水和固態水多少的常用指標，為了了解云液水含量和云冰水含量的分布情況，分別計算了1979—2014年云水含量多年平均垂直積分的空間分布和夏季垂直積分的空間分布（圖3），可以看出，其分布形勢與水汽含量的分布形勢明顯不同。云液水含量（圖3a）在博格達山北坡附近為高值區，最大值在17 g·m-2以上；其次，在西天山托木爾峰地帶也存在一個高值區，云液水含量在13 g·m-2左右，說明該地區的云量分布較多，由于高海拔地區，地形對水汽的抬升，水汽凝結容易形成地形云，從而表現出高海拔地區云液水含量較多。低值區出現在天山山區海拔較低的伊犁河谷和阿合奇南部地區，云液水含量僅為1 g·m-2，可能是在伊犁河谷和低海拔地區，云量分布較少，致使云液水含量也較少?？傮w看來，云液水含量由高海拔地區向低海拔地區逐漸減少。

云冰水含量（圖3b）空間分布特征顯示，高值區出現在西天山海拔較高的托木爾峰地區，中心區值域分別在110 g·m-2左右，低值則集中在低海拔的伊犁河谷等地，云冰水含量在5 g·m-2左右。從總體分布來看，天山山區云液水和云冰水含量在空間區域分布上表現為高海拔地區多于低海拔地區；從含水量的多少來看，云冰水含量遠高于云液水，而且發展的高度更高。

2.2.2時間變化特征

圖2　春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）四季水汽含量空間分布（mm）

圖3　云液水（a）、云冰水（b）含量垂直積分的空間分布（單位：g·m-2）

夏季是天山山區云水含量最豐富的季節，在這里只分析夏季云水含量的變化特征。取高度在500、600 hPa高度上的云水含量做平均，然后計算云水含量隨時間的變化趨勢（圖4）。總體來看，云液水、云冰水含量均呈減少的趨勢，云液水含量減少趨勢不明顯，但變化浮動較大，1987年云液水、云冰水含量陡增，出現峰值，分別為11.97×10-3g·kg-1、11.03× 10-3g·kg-1，2009年云液水含量出現最低值，為4.83×10-3g·kg-1，云冰含量在1990年出現最低值，為3.95×10-3g·kg-1，云冰水含量較云液水減少趨勢明顯，下降速率為0.28×10-3g·kg-1/10 a，沒有通過顯著性檢驗，2008年以后云水含量均呈增加趨勢。

圖4　夏季云水含量變化趨勢（×10-3g·kg-1）

3　云水含量的經、緯向變化特征

3.1緯向變化

從天山山區沿82°E年平均和夏季云水含量的緯度—高度剖面（圖5）可以看出，年平均云液水含量（圖5a）主要集中分布在700～550 hPa的高度上，云液水含量在1×10-3～10×10-3g·kg-1之間變化，在42.5°N附近600 hPa左右的高空出現最高值，中心最大值為10×10-3g·kg-1，由中心向周邊逐漸減少，北邊云液水含量的發展高度略低于南邊地區，在45°N附近650 hPa的高空位次高值區，中心值為8× 10-3g·kg-1，550 hPa以上的高空云水含量已相當微弱，說明該區域的中云分布較多，經向分布主要集中在42°～46°N之間，反映出天山山區高含水量低云主要分布在這一緯度區。夏季云液水含量（圖5b）高值區也出現在42.5°N附近600 hPa的高空，中心最大值為30×10-3g·kg-1，云液水含量向周邊逐漸減小，在44°N的上空出現低值區，繼續向北發展，在45°N的高空出現次高值區，北邊對流發展高度同樣比南邊略低，中心值為24×10-3g·kg-1。云冰水含量（圖5c）的高值中心出現在500 hPa左右的高空，中心最高值在11×10-3g·kg-1左右，，相對來說，低緯云冰水含量所能延展的高度更高一些。夏季云冰水含量（圖5d）400 hPa左右的高空出現高值區，中心值在16× 10-3g·kg-1左右，主要集中在600～200 hPa的對流層大氣中，600 hPa以下云冰水含量不顯著，600 hPa向上逐漸增加，350 hPa達到最大，之后又逐漸減少，到200 hPa的高度幾乎為零。

圖5　沿82°E的緯度—高度剖面圖（單位：×10-3g·kg-1）

3.2經向變化

從天山山區沿43°N年平均和夏季云水含量緯向——高度剖面（圖6）可以看出，云液水含量（圖6a）在垂直方向上的最大高度在700 hPa附近，由中心向東逐漸減少，在84°E左右的高空出現低值，在接近86°E附近的區域高度略有下降，說明高值區出現在對流層中層，中心最大值為13×10-3g·kg-1，云液水含量主要集中在500 hPa以下，500 hPa以上的高空很少，可以忽略不計。夏季云液水（圖6b）的高值區出現在600 hPa左右的高空，中心最大值可達到34×10-3g·kg-1，同一高度上從西向東逐漸降低。云冰水含量（圖6c）比發展的高度要高，主要集中在200～800 hPa的對流層大氣中，云冰水含量，500 hPa的高空出現高值區，中心最大值可達到12×10-3g· kg-1，云冰水沿著500 hPa向兩側都呈遞減趨勢，且在600 hPa附近的高空變化梯度較大。夏季云冰水含量（圖6d）主要集中在600～200 hPa的大氣層中，高值區在500 hPa左右，以高值區為中心向兩邊逐漸減少，200 hPa以上的高空云冰含量很微弱，可忽略不計。

4　結論

（1）1979—2014年天山山區年均水汽含量的空間分布特征顯示，水汽含量的高值區主要集中在盆地、河谷和山麓地帶，伊犁河谷地區出現高值區，值域在10～11 mm之間，在（43°N，85°E）附近的巴音布魯克盆地出現低值區，值域在5～6 mm之間。

（2）年平均云水含量垂直積分的空間區域分布特征顯示，云液水含量的高值區出現在東天山的博格達山北坡，最大值在17 g·m-2以上，而低值區則出現在海拔較低的山區，尤其在伊犁河谷地區，云液水含量僅為1 g·m-2；云冰水的高值區在西天山的高海拔地區，中心最大值在100 g·m-2左右。從總體空間區域分布來看，云水含量表現為高山多于平原和盆地，并且云冰水含量值遠高于云液水，反映出云量的分布也是高海拔地區多于低海拔地區。

（3）云水含量的垂直分布特征，云液水主要集中在500 hPa以下的對流層，且經向分布主要集中在42°～46°N之間，反映出天山山區高含水量低云主要分布在這一緯度區。并且在42.5°N附近的600 hPa高空出現高值區，中心最大值為10×10-3g·kg-1，北邊的對流發展高度要比南邊地區略低，夏季云液水含量是全年最大的季節，可到達34×10-3g·kg-1；云冰水含量主要集中分布在200 hPa以下的對流層，高值中心出現在43°N附近的500 hPa高空，中心最高為11×10-3g·kg-1，在垂直高度上，云冰水相比云液水發展的高度要更高。

圖6　沿43°N的緯向—高度剖面圖（單位：×10-3g·kg-1）

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The SpatialDistribution ofW aterVaporand Cloud W aterContentover Tianshan Mountains,China Based on ERA-Interim Dataset

SHIXiaolan1，2，YANG Qing2，YAO Junqiang2，HAN Xueyun3，LIJiangang4
（1.CollegeofGeographicand Tourism Sciences，Xinjiang NormalUniversity，Urumqi830054，China；2.InstituteofDesertMeteorology Administration，Urumqi830002，China；3.Xinjiang Climate Center，Urumqi830002，China；4.Xinjiang MeteorologicalObservatory，Urumqi830002，China）

AbstractSpatialdistribution characteristics ofwater vapor and cloud water resources over the Tianshan Mountains from 1979 to 2014 were analyzed by using ERA-Interim datasetreleased by European Centerfor Medium Range W eather Forecasts（ECMW F）.Resultsshowed（1）The high valuecenterofTCW V appearsin thewindward sideofBoluokenu Mountain,and itscentralrangeis between 10 mm and 11mm.The low value zone appearsin Bayanbuluk basin and itscentralrange isbetween 5 mm and 6 mm;TCW V isthe mostabundantin summerand itisbetween 8 mm and 11 mm.（2）The high value area ofCLW C appearsin the north slope ofBogda Mountain and the high value area ofCIW C appears in Tuomuer ofW estTianshan Mountains,while the low value areasofthem aremainlyconcentrated overYiLiValley and otherlowerelevation areas.CLW C and CIW C show a decreasing trend,and the CIW C decreasesmore obvious,and the decreased rate is 0.28×10-3g·kg-1/10 a.（3）In verticaldistribution,the CLW C appearshigh value at600 hPa,and high value area ofthe CIW C occursataround 500 hPa,and theirmaximum are 10×10-3g·kg-1and 11×10-3g·kg-1respectively.In the troposphere,the CIW C is more than CLW C,and the former heightishigherthan thelatter.

Key wordsTianshan Mountains; cloud liquid water content; cloud ice water content;spatial distribution

中圖分類號：P426.52

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0799（2016）02-0050-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.008

收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-02-06

基金項目：國家自然科學基金（41375101）；國家科技支撐計劃項目（2012BAC23B01）。

作者簡介：石曉蘭（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向干旱區環境演變與災害防治。E-mail：sxl1607771881@163.com

通訊作者：楊青（1956-），男，研究員，主要研究方向氣候變化和水資源。E-mail：yangq@idm.cn