2015年湖南上空水汽時空分布特征分析

汪 玲，唐 林，李 瓊，丁 莉

(湖南省人工影響天氣領導小組辦公室，湖南長沙 410000)

我國水資源不僅缺乏，而且時間空間分布不均勻，已經嚴重影響到農業生產用水、日常生活用水、工業制造用水等。研究水汽資源分布及變化特征可為合理開發空中水資源提供科學依據。空中水汽資源含量十分豐富，只有其中一小部分通過云降水過程降落到地面，空中還有大部分水資源未轉化，空中水汽資源開發潛力巨大[1-3]。空中水汽資源的評估方法多樣，其中通過大氣可降水量和比濕等特征因子研究水汽分布與水汽總量的計算為重要內容之一，采用資料主要為氣象探空資料、地面氣象資料、NCEP再分析資料等[4-6]。探空資料地域分布稀疏，目前在湖南只有長沙、懷化、郴州3個探空站，每天只有08：00、20：00資料，空間、時間精度較低，且必須核查缺測、誤差數據，并補充其他探測資料；采用地面氣象資料，利用地面水汽壓與大氣可降水量的經驗關系公式估算得到大氣可降水量的水平分布情況，估算依賴地區經驗公式，資料查詢、計算工作繁瑣；NCEP資料使用廣泛，且具有時序時間長、資料全的優勢，可以直接獲取大氣可降水量以及各氣壓層比濕特征因子對水汽水平、垂直方向的時間變化特征進行分析，資料獲取難度和資料計算量相對減少，更適用于評估地區水汽資源情況。

2015年，湖南全省平均氣溫為18.0 ℃，較常年偏高0.6 ℃，為1961年以來第四高值；平均降水量1 580.5 mm，較常年偏多12.6%；平均日照時數為1 185.1 h，較常年偏少272.0 h，創1961年以來新低。筆者選用NCEP再分析資料詳細探討了2015年湖南上空水汽演變特征，為湖南空中水汽資源評估提供依據。

1 資料與方法

選用的資料為美國環境預報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)聯合對外發布的逐6 h再分析資料，該資料以netCDF(netware Common Data Form)的形式存儲，包括了7個基本氣象要素，根據變量名逐年生成獨立文件。針對氣象預報分析中常用的7層(1 000、925、850、700、500、400、300 hPa)進行分析。數據逐6 h每天4次，按照時次、變量、高度、緯度、經度依次存放，數據分辨率為2.5°×2.5°，數據資料大。

整層大氣水汽含量(大氣可降水量)的公式[7-8]為：

式中，w、g、p0、q(p)分別為垂直大氣水汽含量、大氣重力加速度、水平地面氣壓值、不同氣壓層的比濕。所以，通過研究各個氣壓層比濕來研究水汽在垂直方向的變化。

綜上，該研究采用GrADS抽取2015年湖南地區大氣可降水量以及各氣壓層比濕特征數據[9]，再利用MATLAB軟件對數據進行空間(水平、垂直)、時間(日、月、季節)分析，較詳細地探討了2015年湖南上空水汽含量與水汽總量的時空演變特征，為湖南空中水汽資源評估提供參考。

2 水汽的垂直分布特征

2.1比濕垂直廓線由圖1可知，水汽含量隨高度遞減，1 000 hPa比濕達14.7 g/kg；850 hPa時，水汽已經明顯不足一半，為6.9 g/kg；到700 hPa比濕下降至3.3 g/kg，當高度繼續增加至500 hPa時，比濕小于1.5 g/kg，400 hPa以上水汽更少。可見，在700 hPa以下的中低層水汽含量十分豐富，超過了總量的90%，但在300 hPa以上的大氣層，水汽含量非常小，計算水汽總量時可以忽略不計。

圖1 2015年湖南地區比濕的垂直廓線Fig.1 The vertical profile of the specific humidity in Hunan Province in 2015

2.2850hPa比濕時間分布特征湖南地區850 hPa比濕歷年平均為6.9 g/kg，由圖2可知，2015年全年850 hPa比濕為5.7～8.5 g/kg，其中冬春季(12月—次年5月)最小，夏秋季(6—11月)最大，到秋季(9—11月)逐月下降。

從春夏秋冬四季中，選擇1、4、7、10月4個代表月份的逐日平均比濕值進行統計分析。結果發現(圖3)，4月(春季)日平均比濕數值變化最大，最小值為2.2 g/kg，最大值為8.8 g/kg，相差6.6 g/kg；7月(夏季)日平均比濕值最小，數值在5.7～9.5 g/kg，相差3.8 g/kg；秋冬季次之，最小、最大值分別相差6.0、5.0 g/kg 。可見，日平均比濕數值變化從大到小依次是春季、秋季、冬季、夏季。

圖2 2015年湖南地區850 hPa逐月平均比濕Fig.2 The average monthly specific humidity of 850 hPa in Hunan Province in 2015

圖3 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地區850 hPa逐日平均比濕Fig.3 The average daily specific humidity of 850 hPa in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

由此可知，2015年湖南地區不同季節850 hPa水汽含量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季節水汽日變化春秋季大于冬夏季。

2.3925hPa比濕時間分布特征湖南地區925 hPa比濕歷年平均為10.1 g/kg，由圖4可知，2015年925 hPa比濕為8.7～11.5 g/kg，其中冬春季(12月—次年5月)最小，夏秋季(6—11月)最大，到秋季(9—11月)逐月下降。

同樣選擇1、4、7、10月4個代表月份的逐日平均比濕值進行統計分析，由圖5可知，10月(秋季)日平均比濕數值變化最大，最小值為9.8 g/kg，最大值為15.1 g/kg，相差5.3 g/kg；7月(夏季)日平均比濕值最小，數值在9.5～11.9 g/kg，相差2.4 g/kg；冬春季次之，最小、最大值分別相差3.1、4.2 g/kg 。可見，日平均比濕數值變化從大到小依次是秋季、春季、夏季、冬季。

圖4 2015年湖南地區925 hPa逐月平均比濕Fig.4 The average monthly specific humidity of 925 hPa in Hunan Province in 2015

由此可知，2015年湖南地區不同季節925 hPa水汽含量夏秋季最大，冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季節水汽日變化春秋季大于冬夏季。

圖5 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地區925 hPa逐日平均比濕Fig.5 The average daily specific humidity of 925 hPa in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

3 水汽的水平分布特征

3.1大氣可降水量地理分布特征影響大氣可降水量的因素很多，主要有熱力條件、緯度因子、海陸分布等[10]，受熱力條件影響，溫度越高，大氣從地面獲取的水汽就越多；受緯度因子影響，緯度越低的地區，接受的太陽輻射一般較多，相對地面升溫速度更快，大氣可降水量相比也偏多一些；受海陸分布影響，越靠近海洋，大氣水汽越豐富。

受以上因子影響，由圖6可見，2015年湖南地區大氣可降水量空間分布總體趨勢是從北向南增大，湘北地區年平均大氣可降水量為31.0～32.0 kg/m2，湘中大部分地區年平均為32.0～32.5 kg/m2，湘南地區年平均為32.5～33.5 kg/m2，處于湘南的永州南部地區年平均最大，超過33.0 kg/m2。

圖6 2015年湖南地區年平均大氣可降水量空間分布(單位：kg/m2)Fig.6 The spatial distribution of average precipitable water vapor in Hunan Province in 2015

3.2大氣可降水量時間分布特征由圖7可知，2015年湖南地區大氣可降水量為25.5～39.5 kg/m2，年平均約為32.2 kg/m2，其中夏秋季最大，冬春季最小；冬季(12月—次年2月)大氣可降水量逐月下降，總量為一年最小時段，春季(3—5月)比冬季平均大氣可降水量增加一些，夏季(6—8月)達到最充沛，到秋季(9—11月)又開始逐月下降，與湖南地區逐月平均比濕變化趨勢基本一致。

圖7 2015年湖南地區大氣可降水量月變化Fig.7 The average monthly water vapor in Hunan Province in 2015

同樣選擇1、4、7、10月4個代表月份的逐日平均大氣可降水量進行統計分析，由圖8可知，10月(秋季)日平均大氣可降水量變化最大，最小值為26.0 kg/m2，最大值為49.5 kg/m2，相差23.5 kg/m2；1月(冬季)日平均大氣可降水量變化最小，數值為17.0～34.1 kg/m2，相差17.1 kg/m2；春夏季次之，最小、最大值分別相差22.2、11.4 kg/m2。

由此可知，2015年湖南地區不同季節水汽總量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，與上述湖南地區逐月平均比濕變化趨勢基本一致；而不同季節水汽總量日變化春秋季最大，冬夏季最小。

圖8 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地區逐日平均大氣可降水量Fig.8 The average daily precipitable water vapor in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

4 小結

利用NCEP逐6 h再分析資料獲取2015年湖南地區各氣壓層比濕和大氣可降水量，采用GRADS和MATLAB對數據進行處理分析與繪圖，對2015年水汽水平、垂直時間空間全方位分布情況進行分析，總結出以下結論：

(1)垂直分布上：湖南地區水汽主要分布在700 hPa以下的中低層，占水汽總量的90%以上，且在300 hPa以上大氣，水汽含量很小，可以忽略。

(2)不同氣壓層上：選擇2015年湖南地區850、925 hPa 2個氣壓層數據進行分析，不同季節水汽含量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季節水汽日變化春秋季最大、冬夏季最小。

(3)水平分布上：湖南地區大氣可降水量空間分布總體趨勢是從北向南增大，湘北地區年平均為31.0～32.0 kg/m2，湘中大部分地區年平均為32.0～32.5 kg/m2，湘南地區年平均為32.5～33.5 kg/m2，處于湘南的永州南部地區年平均最大，超過33.0 kg/m2。

(4)全省平均水汽總量在時間軸上：2015年湖南地區不同季節平均水汽總量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降；而不同季節水汽總量日變化春秋季最大、冬夏季最小，與湖南地區850、925 hPa氣壓層上水汽變化趨勢基本一致。

[1] 李興宇，郭學良，朱江.中國地區空中云水資源氣候分布特征及變化趨勢[J].大氣科學，2008，32(5)：1094-1106.

[2] 王維佳.四川地區云和空中水資源分布與演變[J].氣象科技，2010，38(1)：58-65.

[3] 張良，王式功，尚可政，等.祁連山區空中水資源研究[J].干旱氣象，2007，25(1)：14-20.

[4] 向玉春，陳正洪，徐桂榮，等.三種大氣可降水量推算方法結果的比較分析[J].氣象，2009，35(11)：48-54.

[5] 李武階，李俊，公穎，等.2004年梅雨期武漢上空水汽的演變及其與暴雨的關系[J].氣象，2007，33(2)：3-9.

[6] 杜春麗.河南省近11年大氣可降水量變化特征[J].氣象與環境科學，2012，35(3)：45-48.

[7] 唐林，王治平，丁岳強，等.湖南省柘溪水庫流域空中水汽資源特征及人工增雨潛力[J].氣象，2006，32(5)：29-34.

[8] 劉曉陽，毛節泰，李成才，等.大氣水汽總量的垂直分解[J].高原氣象，2007，26(3)：453-459.

[9] 方慶文，潘永地，鄭鋒，等.利用GrADS讀取NCEP再分析資料格點數據[J].貴州氣象，2004，28(5)：34-36.

[10] 劉丹，邱新法，史嵐，等.基于NCEP資料的我國大氣可降水量的計算及其時空分布[J].南京信息工程大學學報，2013，5(2)：113-119.

科技論文寫作規范——工作單位

在圓括號內書寫作者的工作單位(用全稱)、城市名及郵政編碼。若為外國的工作單位，則加國名。多個作者不同工作單位時，在名字的右上角分別加注 “1” “2”，和地址前注“1.” “2.”。