天山地區水汽再循環量化研究

姚俊強，楊青，伍立坤，許興斌

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊 830002；3.孝感市氣象局，湖北孝感432100；4.新疆師范大學，新疆烏魯木齊 830054；5.蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州 743000）

天山地區水汽再循環量化研究

姚俊強1，2，楊青1，2，伍立坤3，許興斌4，5

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊 830002；3.孝感市氣象局，湖北孝感432100；4.新疆師范大學，新疆烏魯木齊 830054；5.蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州 743000）

利用傳統氣候學的Brubaker二元模型和降水同位素平衡模型定量研究了新疆天山地區水汽再循環特征。結果表明：（1）氣候學角度，天山地區水汽再循環率為9.32%。當地蒸發的水汽形成的降水量為41.8 mm，外來水汽輸送到山區形成的降水量為407.2 mm；（2）同位素水汽氘盈余為精細化的分析水汽再循環提供了新的思路，進一步證實天山地區水汽主要來自于西風帶的水汽輸送，而烏魯木齊站平均再循環水汽僅占到8%。隨著海拔的增加，水汽再循環率逐漸下降，在海拔2000 m以上的水汽再循環可以忽略不計。在西風帶關鍵水汽輸送路徑建立降水同位素觀測斷面，使兩種方法相結合，共同研究水汽的來源和路徑問題，是下一步需要關注的問題。

水汽再循環；降水同位素；水循環；天山

大氣降水是水循環和水量平衡的重要組成部分，是地表水資源的根本來源。大氣降水量從根本上決定著一個地區水資源的豐富與否，尤其是在干旱區。一般認為，某一地區的總降水量等于外來水汽輸送形成的降水量和當地陸面蒸發的水汽形成的降水量之和，即外來水汽和水汽再循環[1-3]。對任一區域，本地蒸發的水汽再形成降水降回本地的過程稱為水汽再循環[1]。研究水汽再循環過程，對于理解區域水循環、水汽來源和對陸—氣相互作用研究具有重要的意義。

天山山系是中亞干旱區最大的山系，山脈橫貫東西，是中亞地區降水最多的地區，山區的大氣降水是地表水和地下水體的主要補給源，被稱為中亞的“濕島”和“水塔”[4-5]。通過前人大量的研究，水汽輸送對天山降水的影響已有了清晰的認識[6-13]，外來水汽源分別為：（1）源自大西洋的海洋氣團；（2）源自里海、黑海等的中亞氣團；（3）源自印度洋的海洋氣團；（4）源自北冰洋的極地氣團，其中受來自大西洋的西風帶水汽輸送影響最大。但是，這些研究忽略了水汽再循環過程對降水的影響，相關研究較少。水汽再循環研究方面，相關學者從傳統氣候學和水量循環角度建立了模型，常用的有Budyko一元模型[14]、Brubaker模型[15]、Eltahir模型[16]等，我國學者引入國內，并做了改進[3]。劉國緯對我國的水汽循環做了全面的分析，得出西北地區水汽再循環較弱，當地蒸發的水汽形成的降水量僅占5.95%，而全國在10%左右[3]。張良等發現祁連山區水汽再循環率占到20.76%[17]。Guo和Wang利用Brubaker模型發現青藏高原水汽再循環率區域差異較大，最大達到40%以上[18]。龐忠和、孔彥龍等通過降水同位素技術，研究了烏魯木齊河流域的降水同位素變化，較為系統的研究了降水同位素的高程、溫度、緯度等效應，為進一步研究奠定了基礎[1，2，19]。

鑒于以上研究成果，為了更加明確天山地區的水汽再循環研究，本文應用Trenberth二元模型和降水同位素平衡模型，定量研究天山山區水汽再循環率，為區域水資源利用和可持續發展提供科學依據。需要說明的是，由于資料的限制，本文所指的僅是中國境內的天山部分。

1 資料與方法

1.1 資料

研究天山地區的當地蒸發對降水量的定量貢獻，需要用到天山地區常規氣象臺站的地面觀測資料和高空資料。地面資料包括海拔≥1500m的10個測站（外加烏魯木齊站）的逐月氣溫、降水量、相對濕度、風速、日照時數等氣象要素，起止時間為最新統編資料的年限即1981—2010年。天山山區無高空探測站點，因此選用常用的再分析資料。NCEP/ NCAR再分析資料是目前世界各國氣象學家研究天氣和氣候時的常用資料，劉蕊和楊青[20]發現在新疆NCEP/NCAR1°×1°資料比2.5°×2.5°資料更接近探空資料，且能較好地反映新疆降水過程的水汽輸送、輻合和演變特征[11]。因此，本文選擇NCEP/NCAR逐日4次再分析1°×1°再分析資料，包括1000～100 hPa共21層的地面氣壓、比濕、風場資料，時間起止為2000—2010年。水汽輸送量的具體計算見文獻[3]，其中月和年水汽通量是利用日水汽通量時間積分得到，整層水汽收支選取地面至100 hPa進行積分得到。

國際原子能機構（IAEA）和國際氣象組織（WMO）共同建立了全球大氣降水同位素監測網絡（GNIP），提供了自20世紀50年代后期以來全球不同地區的降水同位素數據，烏魯木齊站是唯一的天山地區降水同位素監測站點，觀測時間為1986—2003年（表1）。選取月均的降水同位素2H與18O數據及對應的平均氣溫、降水量。為使降水觀測具備代表性，不同海拔的觀測是必要的。中科院地質與地球物理研究所在烏魯木齊河流域進行了降水同位素觀測，實驗時間為2003年4月—2004年7月，降水同位素觀測點選在高山站和后峽站[1-2]。本研究采用該實測數據做相關研究，數據來自水同位素與水巖反應實驗室，同位素2H與18O的測試精度分別為±0.1‰和±0.02‰。

1.2 方法

1.2.1 地氣系統水量平衡

地氣系統水量平衡方程是對陸地—大氣系統水循環過程中各水文要素之間數量關系的定量描述。陸地—大氣系統的水循環過程十分復雜，因此，很難對一個區域的地氣系統水文循環過程做出清晰、完整的描述。本文利用較為清晰的概念模型來討論水文循環的大氣過程[21]。根據水量平衡原理：

表1 烏魯木齊河流域降水同位素觀測站點信息

式中，F為當地上空水汽的凈水汽量；Fin為境外水汽輸入量；Fout為輸出的水汽總量；P為總降水量；Pm為蒸發水汽在當地形成的降水量；Pa為區域外輸入水汽直接形成的降水量。

我們定義當地蒸發的水汽對降水的貢獻為β，稱為水汽再循環率，即水汽再循環產生的降水量在總降水量中所占的比重[1]。則有

圖1表示了水循環的概念模型，為研究區域水汽的再循環提供了物理圖像。從區域外輸入的水汽和當地蒸發的水汽，在區域陸地—大氣系統的水文循環過程中，經歷了許多次具有不同時間尺度和不同空間尺度的水文再循環過程[17]。下面分別闡述計算水汽再循環率的氣候學和水文學方法。

圖1 地氣系統水循環框架圖[18]

1.2.2水汽再循環的氣候學量化方法

根據公式（2），認為區域內的總降水量等于外來水汽形成的降水量和當地蒸發的水汽形成的降水量之和。國內外氣候水文學者從氣候學角度提出了定量化當地蒸發水汽對形成降水貢獻的方法[3，14-17]。本文利用Brubaker二元模型[15]，基于2個基本假設：（1）降水、蒸發、大氣水汽含量和水汽輸送通量在所研究區域內的分布呈線性變化；（2）境外輸入水汽和境內蒸發的水汽在本地區上空得以充分混合，具有形成降水的同等機會。根據假設（1），區域上空水汽含量中由境外輸入的部分Qa為

式中，A是區域面積，單位為km2。同樣，由境內蒸發的部分水汽量Qm為

由假設（2）得，Qa和Qm充分混合。因此，Pa和Pm的比值等同于Qa和Qm的比值，即

綜合公式（2）—（6），可以得出水汽再循環率為

式中，E為實際蒸發量，單位為mm。在生態水文學中，基于水熱耦合平衡的Budyko模型成為估算實際蒸發量的方法之一[14]。我國氣候學家傅抱璞[22]推導出具有堅實的數理基礎的Budyko假設解析表達式，稱為傅抱璞公式，具體為

式中，E是實際蒸發量；ET0是潛在蒸發量；P是降水量；是參數，取決于流域下墊面條件，如植被覆蓋、土壤屬性和地貌特性等。姚俊強等[23]建立了新疆干旱區各區域參數值，其中天山山區值為1.66。因此，可以利用公式（8）來估算天山地區實際蒸發量，其中潛在蒸發量采用FAO推薦的Penman-Monteith方法[24]。

1.2.3水汽再循環的同位素水文學量化法

水汽再循環的同位素量化方法，主要是基于質量守恒和同位素平衡模型，本文所用的為基于氘盈余的水汽同位素平衡模型。國際上通用δ值來表示元素的同位素含量。δ值是指水樣品中某元素的同位素比值（R）相對于標準水樣同位素比值（RVSMOW）的千分偏差，即[25]

用δ值表示水的同位素比值可以很明確地看出同位素比值變化的方向和程度。如δ值為正表示水樣較標準富含重同位素，δ值為負表示水樣較標準富含輕同位素。

Dansgaard[26]提出了氘盈余的概念,并將其定義為:

干旱區陸表蒸發的水汽氘盈余顯著高于降水和外來水汽的氘盈余值[19]，因此，氘盈余作為示蹤劑，能夠更加準確地指示水汽來源，量化水汽來源。孔彥龍和龐忠和等提供了一種利用同位素與氘盈余來獨立計算水汽再循環率的方法[1-2]。在干旱區，蒸發量較大，云下蒸發是不可忽略的過程。因此，水汽再循環包括兩部分，一是云下蒸發部分，當溫度低于0℃時，云下蒸發過程不明顯，可用Froehlich模型[27]；二是陸表（水面）蒸發部分。以氘盈余作為示蹤劑，Peng等建立了基于氘盈余的水汽同位素平衡模型（Peng模型）[28]：

式中，fc為降水蒸發剩余比，dc為云層底部降水的氘盈余，dadv為外來水汽的氘盈余，devap為再循環水汽的氘盈余。具體計算過程見文獻[1]。

2 結果與分析

2.1 基于氣候學方法的天山地區水汽再循環率計算

天山地區地形復雜，站點稀缺，對其降水量的合理計算是一個難點。史玉光等[29]結合新疆天山的地理、氣候和站點分布特征，提出了新疆天山地區降水量的插值計算方法，即以自然正交分解（EOF）和DEM相結合的梯度距離平方反比法（GIDS）。楊蓮梅等[13]對該方法在計算天山地區降水量進行了擬合誤差分析，發現相關誤差為6.8%，證實該方法在天山地區科學可行。經計算，天山地區2000—2010年平均降水量為449.0 mm，夏季降水量最大，為232.4 mm，春秋季節分別為108.2 mm和81.0 mm，冬季僅為27.4mm。

利用NCEP/NCAR逐日4次再分析1°×1°再分析資料估算了天山地區2000—2010年整層水汽平均輸入量。需要將境外流入山區的水汽輸送量轉化為區域面平均值，本研究的山區格網計算面積為3.203×105km2。經計算，2000—2010年流入山區的境外水汽輸送量為4 258.8 mm，其中夏季輸送量最大，為1 756.9 mm，春秋季分別為1 046.2 mm和949.4mm，冬季為505.2mm。經Penman-Monteith模型和傅抱璞公式（8）估算的山區多年平均實際蒸發量為273.2 mm，其中夏季為140.1 mm，春秋季分別為59.9mm和59.1mm，冬季僅為11.1mm。

綜合以上計算結果，利用公式（7），計算得出天山地區年水汽再循環率為9.32%（表2）。水汽再循環率在夏季最高，為11.32%，春秋季相當，分別為8.41%和8.64%，冬季為3.40%。在天山地區，當地蒸發的水汽形成的降水量為41.8mm，外來水汽輸送到山區形成的降水量為407.2 mm。因此，天山地區主要依靠外來輸送水汽到山區上空，在地形和大氣環流的綜合作用下形成降水。

表2 天山地區四季水循環要素

2.2 基于同位素平衡模型的天山地區水汽再循環率計算

某一地區δD～δ18O線性關系被稱為區域大氣降水線（LMWL），區域大氣降水線往往偏離全球大氣降水線，為研究一個局部地區的降水同位素提供參照，反映了各自降水的變化規律。因此，同位素的方法通常是繪制區域降水δ2H-δ18O圖，然后依照圖2分析各種影響同位素變化的過程[1]。

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Craig等利用GNIP觀測網絡全球的200多個站點的大氣降水同位素數據，得出全球尺度下的大氣降水線，被稱為全球降水線（GMWL）[25]：

利用GNIP網站提供的烏魯木齊站1986—2003年各月的降水同位素數據，得出大氣降水δ2H-δ18O關系，即當地的大氣降水線（LMWL_Urumqi），即

烏魯木齊大氣降水中的δ2H在-204.5‰～ -8.9‰之間，平均值為-86.25‰，變差系數為5.3%；δ18O在-27.97‰～1.8‰，平均值為-12.42‰，變差系數為5.1%。全年降水同位素變化明顯，從12月至次年7月，降水同位素值呈逐漸增加趨勢；8—11月同位素值迅速減小。

烏魯木齊地區大氣降水線的斜率（6.977）小于全球降水線（8），接近于西風帶的斜率（7.24[1]）。一方面說明了該地區降水的水汽主要來自于西風帶的水汽輸送；另一方面，降水至地面過程中發生了云下蒸發[27]。在新疆，蒸發量大，綠洲和水體等陸面蒸發的水汽和外來水汽一起形成降水。此外，由于溫度較高，雨滴從云底至地面的過程中會有蒸發，即云下蒸發。陸面蒸發和降水云下蒸發合稱為水汽再循環過程。根據圖2所示，水汽再循環過程中，氘盈余d值會偏高，同位素貧化。進一步說明在干旱區可以用氘盈余來研究水汽再循環過程。

圖2 烏魯木齊水分內循環與云下蒸發控制的降水同位素演化示意圖

在干旱環境中，蒸發量的大小主要取決于降水量，而溫度也是影響因子之一。而在干旱區，降水同位素有明顯的溫度效應。因此，溫度影響著不同的降水過程，溫度與氘盈余d和δ18O的關系可以定性的判定水汽再循環的存在。孔彥龍等[1-2]發現了烏魯木齊河流域降水同位素因溫度區間而異，包括絕熱膨脹、水汽再循環與云下蒸發等降水過程（圖3）。在天山山區，溫度主要受海拔高度的影響，說明地形是影響水汽再循環的主要因素之一。

根據公式（11），可以定量的計算烏魯木齊河流域不同海拔高度的水汽再循環的差異。從烏魯木齊站到高山站，隨著海拔的增加，水汽再循環率逐漸下降。在山區，僅在溫度高于0℃的季節有水汽再循環發生，降雪過程中當地蒸發貢獻幾乎為0。在綠洲，除了平均溫度低于0℃的1月，其余季節均有水汽再循環發生。烏魯木齊站平均再循環水汽占到8%，在3—6月低于均值，而8—11月明顯抬高[1-2]。

2.3 天山地區水汽再循環率

基于上述氣候學和同位素水文學的分析，天山地區水汽再循環率分別為9.32%和8%，兩者在四季的結果相似（圖4）。值得說明的是，氣候學方法是把天山山區做為一個整體來研究的，而同位素結果僅來自烏魯木齊河流域。烏魯木齊河的實驗表明，海拔2000 m以上的水汽再循環率已經很小，僅為0.33%；而臨近一號冰川的高山站僅在6月有1%的再循環率。因此，在海拔2000m以上的水汽再循環可以忽略不計。選取新源（929.1 m）、昭蘇（1 854.6 m）、巴音布魯克（2 458.9m）和巴里坤（1 650.9 m）為天山地區代表站點，分別計算Pm。在氣候學角度，各站的Pm分別為49.8、50、27.8和21.4mm。

圖3 烏魯木齊河流域降水同位素18O、氘盈余與氣溫的關系（數據來自文獻[1]）

圖4 基于兩種方法的天山地區降水量分解

3 結論與討論

一個基本認識是，某一區域內的總降水量等于外來水汽形成的降水量和當地蒸發的水汽形成的降水量之和。本研究從氣候學和降水同位素水文學的角度，利用改進的方法，對天山地區水汽再循環進行了定量研究，得出了以下結論：

（1）氣候學角度，天山地區水汽再循環率為9.32%。當地蒸發的水汽形成的降水量為41.8mm，外來水汽輸送到山區形成的降水量為407.2mm。

（2）在同位素水文學角度，天山地區水汽主要來自于西風帶的水汽輸送，而烏魯木齊站平均再循環水汽僅占到8%。隨著海拔的增加，水汽再循環率逐漸下降，在海拔2000 m以上的水汽再循環可以忽略不計。

3.2 討論

氣候學上，開展水汽再循環的研究較早。1974年著名水文氣候學家Budyko提出了估算水汽再循環的一元模型[14]，該模型被我國水文學家劉國緯先生改進后介紹到國內，一直沿用至今[3，17]。Brubaker把該模型擴展到區域尺度，后經Trenberth擴展到月時間尺度[30]，即成為本研究2.2.2部分介紹的Brubaker二元模型[15]。還有Eltahir和Bras建立的二元水汽平衡模型[16]。Guo和Wang把Brubaker模型應用到青藏高原地區，證實該模型在高海拔山區具有適用性[18]。但是，Brubaker模型用水量平衡原理，把整個區域看做一個格點組成的整體，且認為降水、蒸發和水汽輸送在區域內呈線性變化分布，雖然精簡了繁瑣的計算，但忽略了水循環要素的非線性變化對水汽再循環的影響，尤其是山區特殊的地形結構和下墊面特征。此外，該方法需要水循環過程的大量參數，在資料稀缺地區缺少應用。

隨著同位素技術的發展，水同位素可以較好地示蹤水汽來源，而氘盈余示蹤水汽來源更加準確簡單[31]。本研究所用的方法，是經Kong等在經典的Peng模型和Froehlich模型基礎上改進后，經Monte-Carlo算法檢驗，適合于干旱區。Froehlich等研究發現阿爾卑斯山區的再循環比約為2.5%～ 3%[27]；Tsujimura等發現青藏高原那曲地區陸表蒸發形成的水汽在降水中大約為27%[32]；而臺灣山區陸地蒸發的水汽在山區年降水中比例可達37%[27]。因此，利用同位素方法，獲取區域不同海拔上的水汽再循環，可以獲得更高精度的結果，為更加精細化地分析水汽再循環提供了新的思路。

本研究僅利用傳統氣候學和新的同位素水文學方法分別計算了水汽再循環。但如何使兩種方法相結合，揚長避短，相互佐證，共同研究水汽的來源和路徑問題，是下一步需要研究的問題。此外，同位素水文實驗在天山地區開展較少，而其獨特的水汽源地示蹤優勢，需要氣候研究者更多的關注，在西風帶關鍵水汽輸送路徑建立定點長期觀測，是未來需要進一步探討的問題。

水汽再循環的研究對水資源管理和實施調水工程具有重要的意義，本文證實了被譽為中亞“水塔”的天山地區水汽再循環率僅為8%～9.32%，說明當地蒸發的水汽對降水的貢獻較小，而廣大的沙漠戈壁地區無水可蒸發，水汽再循環能力更弱。

致謝：中科院地質與地球物理研究所水同位素與水巖反應實驗室提供烏魯木齊河流域降水同位素觀測數據；中科院的孔彥龍博士和蘭州大學的李若麟提供相關參考資料，在此感謝！

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Quantifying Recycled Moisture Fraction in Precipitation of Tianshan Mountains

YAO Junqiang1，2，YANG Qing1，2，WU Likun3，XU Xinbing4，5
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi830002，China；2.Center of Central Asia Atmospheric Science Research，Urumqi 830002，China；3.Xiaogan Meteorological Bureau，Xiaogan 432100，China；4.Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China；5.College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 734000，China）

This paper investigated the quantifying recycled moisture fraction in precipitation of Tianshan Mountain,China.The precipitation isotopic data were collected from Urumqi stations and analyzed by the Brubakermodel and isotopic equilibrium model.Terrestrialmoisture recycling by evapotranspiration has recently been recognised as an important source of precipitation that can be characterised by its isotopic composition and watermass balance equation.The results showed that the precipitation recycling ratio is 9.32%by the Brubaker model in Tianshan Mountain,and the annual average is 8%in Urumqi region using the isotopic equilibrium model.The precipitation recycling ratio is declined with elevation,and approximates to zero above 2000 m.In arid and semi-arid regions,the contribution of transpiration by plants to local moisture recycling can be small,so that evaporation by bare soil and surface water bodies dominates.The article includes a discussion of these findings in the context ofwater cycling in the studied region.

precipitation recycling ratio；precipitation isotopic；water cycle；Tianshan Mountains

P434.5

B

1002-0799（2016）05-0037-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.006

2015-11-13；

2016-01-05

中國沙漠氣象科學研究基金項目（Sqj2015012）；中國博士后科學基金（2016M592874）；國家自然科學基金項目（41605067；41375101;41505025）共同資助。

姚俊強（1987-），男，助理研究員，主要從事干旱區氣候變化與水循環機理研究。E-mail：yaojq@idm.cn

姚俊強，楊青，伍立坤，等.天山地區水汽再循環量化研究[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（5）：37-43.