成都地區空中水資源潛力分析

袁寧樂，肖天貴，吳 璇

（成都信息工程大學，四川 成都 610225）

當今中國正面臨著水資源過度開發、水資源短缺、水污染等嚴重的水情問題，針對這些問題政府部門已提出并實施了相應的措施。其中，水資源短缺問題將制約地區經濟、社會的發展[1]。成都地區位于102°54′~104°53′E，30°05 ′~31°26′N，屬于亞熱帶季風氣候，雨量充沛。隨著城市經濟的高速發展，成都市常住人口增至近1500萬人。據報道，隨著成都地區城市面積逐漸擴張，在未來五年其人口規模預計將增至約1800萬人。在人口密度較高的城市，其土地性質發生變化，會加大水資源的承受能力[2]，城市與環境之間的矛盾在城市內澇與缺水并存的現象中得到顯著體現[3]。空中水資源是全球水資源的重要組成部分，開發空中水資源是解決水資源短缺的一個重要途徑[4]。因此，研究和探討成都地區空中水資源特征，對緩解成都地區的水資源壓力具有重要意義，為合理開發該地區空中水資源提供了理論基礎。

關于空中水資源的特征，諸多學者已針對不同區域作過一些對比研究分析。范思睿等[5]利用NCEP/NCAR再分析月平均資料分析了中國西南地區水汽總量和水汽輸送的氣候特征；周長艷等[6]分析研究了金沙江流域及其鄰近地區空中水資源的氣候特征；解承瑩等[7]剖析了青藏高原夏季空中水資源時空變化特征及其機制，包括水汽收支等方面；朱丹等[8]討論了四川地區分區域后的降水時間、空間分布特征及其變化規律；也有一些專家針對較小區域進行了水資源特征分析，如肖天貴等[9]對四川蘆山地震區進行了小區域水資源特征分析研究。

上述工作均取得了一些有意義的結果，對本文分析成都地區空中水資源特征有著重要意義與作用。為了定量地探討成都地區空中水資源的特征，本文通過可降水量、水汽、實際降水量等方面，從“量”上對成都地區上空空中水資源進行分析與研究，為成都地區人工影響天氣和防災減災等方面提供基礎支撐。

1 資料和方法

1.1 資料選取

采用2007—2016年歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）逐日再分析資料（格點距離為 0.5°×0.5°，包括風場、比濕、地面氣壓和溫度資料），以及國家氣象數據中心24 h累計降水資料。

1.2 計算方法

由于實際大氣中300 hPa以上水汽含量很少[10]，故在計算中只考慮300 hPa以下的大氣層。本文在進行垂直積分時，選擇了1000~300 hPa共8層的數據資料。

1.2.1 可降水量

PW為可降水量，表示某區域單位面積上空整層大氣的總水汽含量[11]，也代表了單位面積上空氣柱內包含的水汽全部凝結成降水所形成的水層質量[12]，單位為 kg/m2。其中 g為重力加速度（m/s2），ps為地面氣壓（hPa），pz為 z高度處的氣壓值（hPa），q為比濕（g/kg）。

1.2.2 水汽通量、水汽通量散度

Q表示水汽通量，是指單位時間內流經某一單位面積的水汽質量[13]，單位為 kg·m-1·s-1。其中表示水平風矢量（m/s）。

D表示水汽通量散度，表示某地的輻合或輻散情況。其中▽表示計算散度的Hamilton算子，其單位為kg·m-2·s-1。

1.2.3 水汽收支

2 結果與分析

2.1 可降水量特征

2.1.1 可降水量四季變化和年平均變化

通過對2007—2016年整層（地面~300 hPa）可降水量的積分計算，可得到10 a來成都地區四季和全年平均可降水量變化（圖1），圖中黑色方框代表成都地區（下同）。從空間分布來看，成都地區可降水量分布不均勻，由東南向西北逐漸減少。四季區域平均的可降水量分別為春季21.29 kg/m2、夏季39.89 kg/m2、秋季 25.31 kg/m2、冬季 10.69 kg/m2，存在明顯的季節變化差異，夏季整層可降水量最多，冬季最少。經計算，成都地區10 a平均的年可降水總量邊界閾值為3900~13000 kg/m2，區域平均的年可降水總量達8893.87 kg/m2，可降水量豐富。

2.1.2 可降水量逐年平均變化

通過逐年計算2007—2016年整層大氣平均可降水量，得出了近10 a來成都地區的平均可降水量變化。從成都地區整體來看，東南部可降水量較多而西北部可降水量較少。成都地區每年的平均可降水量邊界閾值維持在10~35 kg/m2左右，相對穩定，年際變化較小，且可降水量數值呈現出由西北向東南方向遞增的形勢。總體來講，成都地區可降水量充沛，10 a來平均可降水量的變化特點為：夏、秋季較多，由西北向東南逐漸增多且相對穩定。

2.2 水汽通量與水汽通量散度特征

2.2.1 水汽通量四季平均變化

成都地處四川省中部，其西側為川西高原，來自該方向的水汽在500 hPa以下會受到川西高原的阻擋。通過計算2007—2016年四季整層的平均水汽通量，可以得到10 a來亞洲地區四季平均水汽通量變化（圖2）和成都地區四季平均水汽通量變化（圖3），據此分析成都地區的水汽輸送源地、方向和路徑。

成都地區的水汽輸送有著明顯的季節變化特征。從圖2a和圖3a可以看到，成都地區春季水汽輸送的方向以由西向東輸送為主，主要的水汽來自于中緯度偏西風的輸送，該區域水汽輸送數值為40 kg·m-1·s-1左右。成都地區夏季水汽主要來源于孟加拉灣和印度西南季風的輸送（圖2b、圖3b）。一方面，來自印度西南季風的水汽輸送到云南時開始減小，使得到達成都地區的水汽輸送數值較小。另一方面，成都地區春、秋、冬季的水汽輸出口主要為東邊界，而從圖3b可以明顯看到成都地區夏季有兩個水汽輸出口（北邊界和南邊界），導致夏季整個成都地區的水汽輸送數值偏小。圖2c和圖3c顯示成都地區秋季水汽輸送方向主要以自西南向東北方向為主，西風氣流與來自孟加拉灣的水汽匯聚，成為成都地區的主要水汽來源，該區域上空水汽輸送數值為44 kg·m-1·s-1左右。成都地區冬季水汽輸送方向主要為自西向東（圖2d、圖3d），主要的水汽來自于偏西氣流的輸送，其上空水汽輸送數值在29 kg·m-1·s-1左右。

圖1 成都地區 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）、全年（e）平均可降水量（單位：kg/m2）

圖2 亞洲地區2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均整層水汽通量（單位：kg·m-1·s-1）

圖3 成都地區 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均整層水汽通量（單位：kg·m-1·s-1）

2.2.2 水汽通量年平均變化

垂直方向上水汽輸送分布變化較大。從地面～700 hPa，成都地區主要的水汽來自于印度西南季風的輸送（圖4a）。成都地區上空東側有較強的水汽輸入，該區域內水汽輸送數值為 30 kg·m-1·s-1左右，由東向西逐漸減小。從地面～500 hPa（圖4b），由西向東輸送的水汽和來自孟加拉灣的水汽到達成都地區，該地區上空水汽輸送數值在50 kg·m-1·s-1左右。從地面～300 hPa，成都地區上空水汽輸送數值達到65 kg·m-1·s-1（圖4c）。主要的水汽輸送路徑為中緯度西風帶由西向東輸送，來自孟加拉灣地區的貢獻最大。

2.2.3 水汽通量散度平均變化

圖5為2007—2016年成都地區四季和年平均水汽通量散度圖。成都地區處于輻合中心西北側，該區域內有水汽輻合，有利于水汽的堆積。其西北側存在較強的輻散中心，該處的水汽輻散至成都地區加強水汽的輻合。平均來看，成都地區上空春、夏、秋季水汽輻合強度較大，易堆積水汽，而冬季最弱。

總體而言，成都地區四季水汽輸送通量較穩定，夏季相對偏小。成都地區水汽輸送以自西向東為主，春、秋、冬季主要的水汽輸入口為西邊界，主要的水汽輸出口為東邊界。夏季由于有兩個水汽輸入口（西、東邊界）和兩個水汽輸出口（北、南邊界），導致夏季成都地區的水汽輸送數值偏小。成都位于水汽輻合區內，在春、夏、秋季水汽更易堆積，有利于降雨，冬季輻合強度最弱。成都地區對流層水資源充沛，其中該地區的西邊界水資源尤為豐富。

圖4 亞洲地區 2007—2016 年地面~700 hPa（a）、地面~500 hPa（b）、地面~300 hPa（c）平均水汽通量（單位：kg·m-1·s-1）

2.3 區域水汽收支

2.3.1 全年區域水汽收支

表1為2007—2016年成都地區10 a平均邊界水汽收支（計算區域為 102.5°~105°E，30°~31.5°N），負值表示輸出量，正值表示輸入量。

表1 2007—2016年成都地區年平均邊界水汽收支（×107kg/s）

從整層來看，成都地區主要的水汽輸入口為西、南邊界，水汽輸出口為北、東邊界，總體呈水汽凈輸入狀態。跟對流層其他層的水汽輸送狀態不同的是，地面~700 hPa成都地區的地理環境導致西邊界沒有水汽輸入，反而有少量輸出，而東邊界為水汽輸入口，這與前文分析的水汽通量顯示的結果一致。東邊界作為該層唯一的水汽輸入口，水汽輸入量較大。該層水汽總輸入量占整層的79%，是整層大氣中主要的水汽輸入層，而水汽輸出量較小。在整層的南邊界中，只有700~500 hPa是唯一的水汽輸入層。該層水汽總輸入、輸出量均較大，且水汽總輸入量小于水汽總輸出量，表明該高度上水汽耗散量較大，導致該層為凈輸出層。500~300 hPa，成都地區水汽輸入狀態有所變化，北邊界為水汽輸入口，南邊界為水汽輸出口，水汽凈輸入量較小。西、東邊界水汽輸送強，而南、北邊界水汽輸送相對較弱。明顯可以看到，在整層的西邊界中，該層是主要的水汽輸入層，這與成都地區所處的地理位置有密切關聯。

圖5 成都地區 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）、全年（e）平均水汽通量散度（單位：10-5kg·m-2·s-1）

總的來說，成都地區年平均邊界水汽收支的特點為：700 hPa以下為主要的水汽輸入層，水汽耗散量較小；水汽輸出主要集中在700 hPa以上的層次，其中700~500 hPa為凈輸出層；與其他層次相比，高層水汽輸入總量和輸出總量較均衡，使得凈輸入量小。可以看到，成都地區500 hPa以下的東邊界和500 hPa以上的西邊界水汽輸送較強，空中水資源豐富。

2.3.2 四季區域水汽收支

表2~表5分別為2007—2016年成都地區10 a來春、夏、秋、冬四季不同層次的平均邊界水汽收支。表2為2007—2016年成都地區四季整層的平均邊界水汽收支。從整層來看，成都地區四季都是水汽匯，主要的輸入口為西邊界。表中顯示，夏季水汽凈輸入量相對偏小，這與前文分析到的水汽通量特征有密切關系。凈輸入水汽占總輸入水汽的比重分別為春季52%、夏季69%、秋季43%、冬季28%，可以看到盡管夏季水汽輸入量偏小，但由于水汽輸出量很小，使得夏季的水汽虧損率最低，而冬季最高。除夏季以外，其余幾個季節的東邊界水汽輸出量較大，四季西邊界的水汽輸入量均較大，這些季節的這些邊界上水汽輸送較強，空中水資源充沛。

表2 2007—2016年成都地區四季整層的平均邊界水汽收支 （×107kg/s）

表 3為 2007—2016年成都地區四季地面~700 hPa的平均邊界水汽收支。地面~700 hPa，成都地區西邊界由于川西高原地形的阻擋，導致冬季幾乎無水汽輸送，而其余3個季節有少量水汽輸出。成都地區東邊界為主要的水汽輸入口，且夏季水汽輸入最強盛。除春季的北邊界和冬季的西、北邊界外，四季的西、北、南邊界均為水汽輸出口，且南邊界水汽輸出相對較強。該層為水汽凈輸入層，夏季的凈輸入量最大，水汽虧損率低，而冬季虧損率高。綜合來看，成都地區四季700hPa以下的東邊界和南邊界分別為主要的水汽輸入、輸出口。夏季該層的水汽虧損率低，其東邊界水汽輸送較強，空中水資源充沛。

表3 2007—2016年成都地區四季地面~700 hPa的平均邊界水汽收支 （×107kg/s）

表4為2007—2016年成都地區四季700~500 hPa的平均邊界水汽收支。700~500 hPa，四季水汽的輸入和輸出較均衡，但水汽總輸出量偏大，總體呈凈輸出狀態。北、東邊界均為水汽輸出口，西、南邊界均為水汽輸入口。除夏季以外，其余3個季節成都地區的西邊界水汽輸入量較大；除冬季以外，其余3個季節南邊界的水汽輸入量較大。經計算，成都地區該層水汽輸出占整層的比例比水汽輸入占整層的比例大。綜合來看，從700~500 hPa，成都地區四季的東邊界、秋季的四個邊界水汽輸送均較強；夏季除北邊界外，其余邊界的水汽輸送均比其他季節的相同邊界偏弱。

表4 2007—2016年成都地區四季700~500 hPa的平均邊界水汽收支 （×107kg/s）

表5為2007—2016年成都地區四季500~300 hPa的平均邊界水汽收支。500~300 hPa，四季水汽的輸入和輸出也較為均衡，但水汽總輸入量偏大，總體呈凈輸入狀態。四季東邊界均為主要的水汽輸出口，南邊界均有少量水汽輸出；西邊界水汽輸入量最大，北邊界均有少量水汽輸入。綜合來看，500~300 hPa成都地區的水汽輸送主要以自西向東為主，西邊界和東邊界水汽輸送強盛。

表5 2007—2016年成都地區四季500~300 hPa的平均邊界水汽收支 （×107kg/s）

平均來看，整層的水汽輸送均比較強盛。在700 hPa以上，四季水汽總輸出量占整層的比重分別為春季83%、夏季78%、秋季90%、冬季89%，表明成都地區水汽輸出主要集中在700 hPa以上。同時，500 hPa以下水汽凈輸入量占整層的比重分別為春季80%、夏季92%、秋季84%、冬季72%，表明成都地區水汽被利用的高度主要集中在500 hPa以下，且夏季水汽虧損率最低，冬季最高。

總體而言，成都地區四季空中水資源十分豐富，水汽輸送較強的區域為：（1）整層，除夏季以外的東邊界、四季的西邊界；（2）地面~700 hPa，夏季的東邊界；（3）700~500 hPa，四季的東邊界、秋季的四個邊界；（4）500~300 hPa，西邊界和東邊界。綜合來看，成都地區水汽輸送較強的區域集中在700 hPa以上秋季的西邊界和四季的東邊界、700 hPa以下夏季的東邊界以及500hPa以上四季的西邊界。

圖6 成都地區2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均實際降水量（單位：mm）

2.4 實際降水量特征

2.4.1 實際降水量四季平均變化

圖6為2007—2016年成都地區四季平均實際降水量變化圖，可以看到成都地區實際降水量季節變化明顯。平均降水量分別為春季1.92 mm、夏季5.65 mm、秋季2.17 mm、冬季0.34 mm，呈現出夏秋多、春冬少的特點。雨量的變化在四季都呈自西北向東南逐漸增加的形勢。

2.4.2 實際降水量年平均變化

圖7為2007—2016年成都地區年平均實際降水量。可以看到近10 a來成都地區年平均降水量的邊界閾值大約在600~1400 mm左右，10 a平均年降水量約為921 mm，雨量由西北向東南方向逐漸增多。

2.5 可降水量、實際降水量、水汽收支關系探討

圖7 成都地區2007—2016年年平均實際降水量（單位：mm）

在可降水量的分析中，了解到成都地區上空四季日平均可降水量為春季21.29 kg/m2、夏季39.89 kg/m2、秋季 25.31 kg/m2、冬季 10.69 kg/m2。四季日平均降水量分別為春季1.92 mm、夏季5.65 mm、秋季2.17 mm、冬季0.34 mm，可以理解為成都地區四季每天每平方米面積上的實際降水量分別為春季1.92 kg、夏季 5.65 kg、秋季 2.17 kg、冬季 0.34 kg（根據液態水的密度換算成單位面積上水的深度mm[12]）。通過比較實際降水量與可降水量，可以看出成都地區可降水量轉化成實際降水的效率并不高。

通過計算可以得到成都地區日平均降雨量為2.52 mm。截至到2016年末，成都地區總面積大約為14 312 km2。通過粗略計算，可以知道成都地區每天的實際降水量大約為3.61×1010kg。由水汽收支的分析可知，通過對流層的水汽輸送，使得成都地區上空空中水資源十分豐富，年平均整層水汽總輸入量為3.69×107kg/s。假設成都地區平均每天降雨1 h，則由水汽收支計算得到成都地區的日平均水汽總輸入量約為1.33×1011kg。成都地區單位氣柱內日平均實際降水量為2.52 mm，由水汽收支計算得到的單位氣柱內日平均水汽總輸入量為9.28 mm。通過比較可以看出，盡管成都地區空中水資源十分豐富，但無論是可降水量還是輸送來的水汽，實際轉化為降水的量相對較少。

3 結論與討論

本文采用2007—2016年歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）逐日再分析資料（0.5°×0.5°）和國家氣象數據中心24 h累計降水資料，對成都地區上空空中水資源進行研究與分析，為成都地區人工影響天氣和防災減災提供基礎支撐。主要得出了以下結論：

（1）成都地區上空的可降水量豐富，空間分布不均勻，由東南向西北逐漸減少。存在明顯的季節變化差異，夏季整層可降水量最多，冬季最少。2007—2016年逐年整層大氣平均可降水量相對穩定。

（2）成都地區水汽通量呈現明顯的季節變化特征。夏季有兩個水汽輸入口（西、東邊界）和兩個水汽輸出口（北、南邊界），導致夏季成都地區的水汽輸送數值偏小。其余3個季節主要的水汽輸入口為西邊界，主要的水汽輸出口為東邊界。不同季節和高度上，成都地區水汽輸送源地、方向和路徑都有差異，主要以自西向東輸送為主。水汽主要來源于孟加拉灣，由西南季風輸送。成都地區四季都處于水汽輻合區內，春、夏、秋季更容易堆積水汽。

（3）通過分析成都地區的水汽收支，發現此區域內水汽收支呈凈輸入狀態，整層的水汽輸送均比較強盛。由于成都地區所在的地理環境，導致700 hPa以下的西邊界水汽輸送較少。從地面往上，水汽輸送依次呈凈輸入—凈輸出—凈輸入狀態。平均來看，成都地區700 hPa以下為主要的水汽輸入層，700 hPa以上為主要的水汽輸出層；水汽主要在500 hPa以下被利用，且夏季水汽虧損率最低，冬季最高。成都地區水汽輸送較強的區域集中在700 hPa以上秋季的西邊界和四季的東邊界、700 hPa以下夏季的東邊界以及500 hPa以上四季的西邊界。

（4）成都地區空中水資源十分豐富，但無論是可降水量還是輸送來的水汽，實際轉化為降水的量相對較少。

本文得出了一些有意義的結論，但在許多方面還存在不足，有待于進一步進行探討與研究。為了讓水汽總輸入量與實際降雨量有可比性，有些計算只是進行了粗略地估計，想要更精確地研究成都地區水汽總輸入量和實際降水量的關系，還需要在以后的工作中進行更深入的研究與探討。