黃河中上游地區的水汽再循環特征

李鐵鍵 史凱方 蘇洋 趙杰 王光謙

摘 要：為了深化對黃河流域水循環、水資源特性的認識并為黃河流域水資源保護和配置提供科學依據，采用WAM-2Layer水汽通量統計模型，基于1980—2018年ERA-5再分析數據集，對黃河中上游地區降水水汽來源和蒸散發水汽去向進行了分析，結果表明：黃河中上游地區降水內循環率和蒸散發內循環率的多年均值分別為10.3%和11.8%，水汽再循環對維持流域水資源安全、生態安全具有重要作用;黃河源區水汽內循環率遠高于流域內其他地區，證實了黃河源區的雙重“水塔”效應，即黃河源區既是穩定產流區也是流域降水的重要水汽來源區;黃河流域灌區用水量大，灌區蒸散發水汽再降水對流域水循環過程與空間格局有一定影響，河套灌區和青銅峽灌區蒸散發水汽在黃河中上游地區形成的再降水量占其蒸散發量的比例分別為3.0%和8.7%，落在我國陸地的比例分別為28.1%和34.7%，兩灌區蒸散發水汽去向、內循環率因地形和氣候因素的不同而具有明顯差異，因此未來開展南水北調新增水資源優化配置、新擴建灌區等工作時應考慮新增蒸散發水汽的再降水因素。

關鍵詞：水汽再循環;降水水汽來源;蒸散發水汽去向;河套灌區;青銅峽灌區;黃河中上游地區

中圖分類號：TV213;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.005

引用格式：李鐵鍵，史凱方，蘇洋，等.黃河中上游地區的水汽再循環特征[J].人民黃河，2022，44（2）：21-26.

Abstract： Precipitation recycling， or water vapor recycling， is an important form of the renewal of water resources. In order to better understand the hydrological and water resources characteristics of the Yellow River Basin， as well as to provide scientific support to water resources protection and management decisions， this paper utilized the two-layer water accounting model （WAM-2Layer） with the ERA-5 reanalysis data from year 1980 to 2018 to analyze the water vapor sources of precipitation and the re-precipitation of evapotranspiration in the upper and middle Yellow River Basin. Some conclusions have been obtained as follows. First， the water vapor recycling ratio within the basin is 10.3% for inner source of precipitation and 11.8% for re-precipitation of evapotranspiration， which reveals the importance of water vapor recycling in maintaining water resources and ecological safety. Second， the recycling ratio in the headwaters is much higher than that in any other regions within the basin， which proves the existence of the “water tower” effect， for both surface water resources and precipitation sources. Third， by comparing the re-precipitation of evapotranspiration from irrigation areas in the Yellow River Basin， i.e.， Hetao irrigation area and Qingtongxia irrigation area， it has been found that the re-precipitation of the two areas is 3.0% and 8.7% in the studied basin， and 28.1% and 34.7% in mainland China， respectively， mainly caused by their difference in geographical and climatological conditions. The results suggest that water vapor recycling should be considered in decision-making when water resources allocation and new irrigation areas are being planned.

Key words： precipitation recycling;water vapor source of precipitation;re-precipitation of evapotranspiration;Hetao irrigation area;Qingtongxia irrigation area;Upper and Middle Yellow River

1 引 言

流域陸表蒸散到大氣中的水汽，一部分會在流域內形成降水，這部分水循環稱為流域水汽再循環，也稱為降水再循環[1]。本文研究對象除自然降水產生的蒸散發外，還有水資源利用產生的灌區蒸散發，因此本研究涉及的黃河中上游地空水循環為水汽再循環（不能稱為降水再循環）。

大尺度的水汽再循環在水文過程中發揮關鍵作用，是流域或區域地表蒸散發水汽轉化為降水、實現水資源再生更新的主要形式，其相關研究有助于深化對流域水循環、水資源特性的認識。同時，水資源利用和跨流域調水顯著改變流域內的蒸散發量及其時空分布，進而影響流域水汽再循環特征，產生不同的次生水資源效應，其相關研究有助于水資源利用的宏觀規劃布局。

再循環率是表征區域水汽再循環的宏觀指標，包括區域蒸散發水汽中在本區域內形成降水的比例和區域降水中來自本區域蒸散發的比例2個指標，綜合反映一定尺度區域的陸氣相互作用強度和水循環特征[2]。區域降水再循環率的計算方法可追溯到1974年Budyko提出的一維模型[3]，其被Brubaker等[1]

于1993年擴展為二維模型。目前，水汽再循環分析方法可以分為3類：第一類為延續Budyko、Brubaker思路的箱體法，將研究區域看作一個箱體，以箱體整體為研究對象，根據箱內水量平衡按一定假設進行再循環率計算[4-5];第二類為基于水汽運動場的歐拉模型，在水汽運動場中增加區域標記，解算降水來源或蒸散發水汽去向的空間分布，并計算區域再循環率，其代表性模型為水汽通量統計模型（Water Accounting Model，WAM）[6];第三類為基于水汽運動軌跡的拉格朗日跡線法，采用跡線追蹤區域降水水汽來源或蒸散發水汽去向[7-8]，得出降水水汽來源或蒸散發水汽去向的空間分布，進而計算區域水汽再循環率[9-10]。

康紅文等[11-12]采用箱體法，對我國中南部降水再循環率進行了評估，發現長江上游降水中有20%為來自我國中南部地區的蒸散發水汽;對我國北方地區進行評估表明，黃河流域源自北方地區的水汽再循環率為19%。He等[13]采用箱體法計算表明，新疆塔里木河流域的降水再循環率約為14%。Zhang等[14-15]對WAM進行修正并應用于青藏高原，結果表明青藏高原降水再循環率為18%，青藏高原北部的降水再循環率高于南部的。

黃河中上游地區處于中緯度，受大氣環流和季風影響情況復雜，分布有高原高寒氣候區、溫帶大陸氣候區、溫帶季風氣候區等，水資源嚴重短缺、供需矛盾突出。黃河流域水資源開發利用率已高達80%[16]，在黃河流域生態保護和高質量發展已上升為重大國家戰略的背景下，黃河流域水資源安全和優化配置與我國北方生態保護和經濟社會高質量發展密切相關[17];在氣候變化背景下，流域水資源的形成與轉化關系有可能發生變化，水資源利用和調水工程也會顯著改變蒸散發量及其時空分布。因此，筆者采用改進的WAM，探究黃河中上游地區的水汽再循環特征，并對比分析了典型灌區的水汽去向，以期為黃河流域水資源保護和配置提供科學依據。

2 研究方法、研究區域及數據源

2.1 研究方法

采用WAM在給定的水汽運動場中標記目標區域，進而開展蒸散發水汽去向追蹤或降水來源回溯計算[6，18]。大氣氣柱中的水量守恒方程為

式中：t為時間;u、v分別為x方向、y方向的風速;Sa為空氣中的水汽含量;E為蒸散發量;P為降水量。

在進行蒸散發水汽去向追蹤時，用Sa_Ω表示氣柱中來源于區域Ω的蒸散發水汽含量;在進行降水來源回溯時，則用Sa_Ω表示氣柱中造成區域Ω內降水的水汽含量。Sa_Ω滿足如下守恒方程[6]：

式中：EΩ為區域Ω內的蒸散發量（用于蒸散發水汽去向追蹤）或造成區域Ω內降水的蒸散發量（用于降水來源回溯）;PΩ為區域Ω內蒸散發水汽所產生的不限于區域Ω的降水量（用于蒸散發水汽去向追蹤）或區域Ω內的降水量（用于降水來源回溯）。

假設所追蹤區域Ω的蒸散發水汽或回溯區域Ω降水的相關水汽在擴散、水平輸送、降水過程中與其他水汽充分混合，則存在以下等式[6]：

為了減少垂直風切變產生的誤差，WAM原作者對其進行改進，建立了WAM-2layer模型[19]，以切變層為界，將大氣分為上下兩層，地面蒸散發水汽僅直接影響下層，兩層間的交換采用垂向風計算。本研究采用WAM-2layer模型進行計算。

若已知水汽運動、蒸散發和降水的數值離散場，則可對研究區域Ω進行標記，并采用上述公式進行逐柵格（把柵格坐標記為（i，j））逐時刻的蒸散發水汽去向追蹤或降水來源回溯，并可計算長時段均值，進而觀察其空間分布規律。

進行蒸散發水汽去向追蹤時，可計算由區域Ω蒸散發水汽在各柵格產生的降水量PΩ（i，j）并繪制其分布圖，展示區域Ω蒸散發水汽在各處產生的降水量，進而計算PΩ（i，j）占當地總降水量P（i，j）的比例，即區域Ω對柵格（i，j）降水的貢獻率，記為φΩ（i，j），φΩ（i，j）越大表示柵格（i，j）降水依賴區域Ω蒸散發的程度越高。

進行降水來源回溯時，可計算各處為區域Ω降水貢獻的蒸散發量EΩ（i，j）并繪制其分布圖，求解EΩ（i，j）占當地總蒸散發量E（i，j）的比例，即各處蒸散發對區域Ω降水的貢獻率，記為σΩ（i，j），σΩ（i，j）越大表示柵格（i，j）蒸散發水汽變為區域Ω降水的比例越高。

對于區域Ω整體來講，可根據蒸散發水汽去向追蹤計算其蒸散發內循環率ε，或根據降水來源回溯計算其降水內循環率ρ：

式中：∑i，jPΩ（i，j）為區域Ω蒸散發水汽在區域Ω內部產生的降水量;∑i，jEΩ（i，j）為區域Ω降水量中由區域Ω內部蒸散發貢獻的水量。

2.2 研究區域界定

把花園口以上黃河中上游產流區作為本研究的目標區域Ω。為便于數值計算，采用0.75°×0.75°的分辨率進行柵格設置，目標區域Ω由132個柵格覆蓋，如圖1所示。為不影響水汽循環統計，目標區域包括了鄂爾多斯內流區，但不包括呈凸出狀的大通河流域。本研究還重點關注內蒙古河套灌區和寧夏青銅峽灌區的水汽循環，分別采用14個和5個柵格對河套灌區和青銅峽灌區進行覆蓋，為保證計算結果的可靠性，柵格覆蓋范圍比實際灌區范圍有所外擴。

2.3 數據源

為保證數據自洽，大氣中水汽含量、降水量、蒸散發量數據統一采用歐洲中期天氣預報中心（https：//www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5）發布的ERA-5再分析數據集，該數據集的空間范圍為全球，被廣泛應用于氣候變化規律研究，其中氣溫、降水、水汽及云特性等數據的精度已得到眾多研究者的檢驗[20-21]。

ERA-5數據的空間分辨率為0.75°×0.75°。比濕、風和水汽通量為三維場，采用了其中17個計算層[22]，原始層號分別為35、66、80、87、94、99、105、111、113、119、126、128、130、132、134、136、137。上述三維場和地表氣壓、氣柱總水汽含量的時間分辨率為6 h，降水和蒸散發的時間分辨率為1 h。

本文研究時段為1980—2018年。WAM-2Layer模型采用的時間步長為0.25 h，輸入數據時進行插值處理。WAM-2Layer模型的切變層高度從原始設定的800 hPa氣壓高度改為ERA-5數據集的113號計算層，該層在海平面上空的氣壓約為835 hPa。ERA-5的計算層按地形起伏自動彎折并調整層厚，可適應黃河源等高海拔地區。

3 結果分析

3.1 黃河中上游地區水汽再循環特征

（1）黃河中上游地區降水水汽來源回溯結果。黃河中上游地區多年（1980—2018年）平均降水水汽來源和蒸散發貢獻率見圖2。

由圖2（a）可以看出，給黃河中上游地區降水提供水汽較多的區域主要集中在：黃河源區，流域南邊界以南的青藏高原、秦嶺和四川盆地，流域西邊界以西的青藏高原腹地、喜馬拉雅山南麓特別是雅魯藏布江大拐彎處。其中黃河源區蒸散發水汽貢獻最大，年貢獻量在100 mm以上，是黃河中上游地區降水水汽的重要來源區。

圖2（b）顯示了各處對黃河中上游地區降水的蒸散發貢獻率，可以看出，黃河源區及周邊地區有超過20%的蒸散發量轉化為黃河中上游地區的降水。黃河源區既是黃河流域地表徑流的穩定來源區，也是黃河中上游地區降水的主要蒸散發水汽來源區，其“水塔”作用具有地面和空中雙重效應[23]。

（2）黃河中上游地區蒸散發水汽去向追蹤結果。黃河中上游地區多年平均蒸散發水汽再降水和降水貢獻率分布情況見圖3。

受季風影響，黃河中上游地區蒸散發水汽形成的降水集中分布在流域內和流域外東北方向（可遠達燕山、長白山等地），見圖3（a）。黃河源區、河曲及其東部地區的再降水量在120 mm/a以上，結合降水水汽來源可知，其內循環效應顯著;黃河中游黃土高原地區再降水量分布較為均勻，約為60 mm/a;流域東邊界附近太行山的再降水量在60 mm/a以上。

從圖3（b）所示黃河中上游地區蒸散發水汽對各地降水的貢獻率來看，其對黃河源區的貢獻率可達20%，對鄂爾多斯高原、黃土高原、太行山一帶的貢獻率約為15%，對流域外的東北部大片區域也有不低于5%的貢獻率。因此，黃河中上游地區蒸散發水汽在流域內及周邊區域形成的再降水是不可忽視的，具有可觀的水資源效應，在干旱半干旱地區具有較高的生態價值。

（3）黃河中上游地區水汽內循環率。基于降水來源回溯和蒸散發水汽去向追蹤結果，計算的黃河中上游地區降水內循環率和蒸散發內循環率的多年均值分別為10.3%和11.8%。降水內循環率和蒸散發內循環率逐年變化情況見圖4，可以看出：兩種算法得出的水汽內循環率存在系統偏差（原因可能是計算過程不同），但逐年變化趨勢保持一致;黃河中上游地區水汽內循環率除1991年明顯較高外，大致維持在9%～13%范圍內，在時間維度上未呈現出線性趨勢或階段變點。

3.2 典型灌區蒸散發水汽去向分析

圖5為內蒙古河套灌區多年平均蒸散發水汽再降水空間分布及其對各處降水的貢獻率。需要說明的是：由于灌區面積遠小于蒸散發水汽再降水的分布面積，圖5中顯示的再降水量和降水貢獻率均很小，且計算的灌區蒸散發量與灌區實際蒸散發量有較大差異，因此再降水量和降水貢獻率數值及數量級僅供參考（本研究重點關注的是蒸散發水汽再降水的空間分布格局）。由于夏季季風很少到達河套灌區，因此在中高緯度盛行西風的驅動下，河套灌區蒸散發水汽主要向東北方向擴散并產生再降水，擴散區域包括我國東北地區及蒙古國東部，受陰山山脈影響在該灌區中東部—燕山山脈形成東西向再降水高值帶。從降水貢獻率看，河套灌區蒸散發水汽再降水貢獻率較高的區域主要集中在灌區內部及其東側區域，對內蒙古東部及蒙古國部分地區有一定影響。

圖6為寧夏青銅峽灌區多年平均蒸散發水汽再降水空間分布及其對各處降水的貢獻率。可以看出，青銅峽灌區蒸散發水汽首先在灌區內部及其東側形成再降水高值區，擴散方向與河套灌區相似，即向東偏北方向擴散并產生再降水，但與河套灌區不同的是其下風向地區地形不同，蒸散發水汽經過鄂爾多斯高原、黃土高原后在呂梁山、太行山及燕山一帶形成遠端的再降水高值區，表明下風向山脈對灌區蒸散發水汽再降水具有較大影響。從圖6（b）所示青銅峽灌區蒸散發對各地的降水貢獻率來看，由于東部地區降水總量較西部大，因此青銅峽灌區蒸散發對降水的貢獻率在呂梁山、太行山、燕山一帶不再顯著，其高值區僅集中在灌區及其周邊區域。

由于灌區面積相對較小，因此其蒸散發水汽再降水量和貢獻率普遍較小。對比內蒙古河套灌區和寧夏青銅峽灌區蒸散發水汽再降水量和貢獻率可知，這兩個灌區蒸散發水汽去向的空間分布明顯不同，原因是兩者所處地理位置不同。河套灌區地處黃河中上游地區最北端，蒸散發水汽主要向黃河中上游地區外的我國東北地區擴散并產生再降水;青銅峽灌區相對偏南，地處黃河中上游地區東西方向的中軸線附近，灌區上風向受賀蘭山影響、下風向受到流域內呂梁山和流域邊界太行山影響，因而蒸散發水汽較多地在黃河中上游地區產生再降水。

統計表明，河套灌區和青銅峽灌區蒸散發水汽在黃河中上游地區形成的再降水量占其蒸散發量的比例分別為3.0%和8.7%，落在我國陸地的比例分別為28.1%和34.7%。可見，不論從黃河中上游地區還是從全國尺度看，青銅峽灌區蒸散發的內循環效應均明顯高于河套灌區的。從兩個典型灌區對比看，不同區域蒸散發水汽去向受地形和氣候因素的綜合影響，其水資源再生價值具有明顯差異，即水資源配置的空間布局對水汽再循環及其間接水資源效應具有重要影響。另外，青銅峽灌區的緯度低于河套灌區的，光熱條件更優，周邊未開發沙地較多，因此綜合考慮其水資源高效利用和再循環狀況，有助于新建、擴建灌區的方案比選優化。

4 結 論

采用WAM-2Layer水汽通量統計模型，基于1980—2018年ERA-5再分析數據集，對黃河中上游地區降水水汽來源和蒸散發水汽去向進行了分析，結果表明：黃河中上游地區降水內循環率和蒸散發內循環率的多年均值分別為10.3%和11.8%，水汽再循環對維持流域水資源安全、生態安全具有重要作用;黃河源區及周邊地區有超過20%的蒸散發量轉化為黃河中上游地區的降水，水汽內循環率遠高于流域內其他地區，

證實了黃河源區的雙重“水塔”效應，即黃河源區既是穩定的地表產流區也是流域降水的重要水汽來源區;黃河流域灌區用水量大，灌區蒸散發水汽再降水對流域水循環過程與空間格局有一定影響，河套灌區和青銅峽灌區蒸散發水汽在黃河中上游地區形成的再降水量占其蒸散發量的比例分別為3.0%和8.7%，落在我國陸地的比例分別為28.1%和34.7%，兩灌區蒸散發水汽去向、內循環率因地形和氣候影響因素的不同而具有明顯差異。因此，未來開展南水北調西線等新增水資源優化配置、新擴建灌區等工作時應考慮新增蒸散發水汽的再降水因素。

需要指出的是，本文所用數據的分辨率和精度有限，所用WAM-2Layer模型將大氣分為上下兩層的假設比較粗糙，在進一步研究中應采用更可靠的數據和更精確的模型。

參考文獻：

[1] BRUBAKER K L，ENTEKHABI D，EALESON P S.Estimation of Continental Precipitation Recycling[J].Journal of Climate，1993，6（6）：1077-1089.

[2] ELTAHIR E A B，RAFAEL L B.Precipitation Recycling[J].Reviews of Geophysics，1996，34（3）：367-378.

[3] BUDYKO M I.Climate and Life[M].New York：Academic Press，1974：508.

[4] ELTAHIR E A B，BRAS R L.Precipitation Recycling in the Amazon Basin[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1994，120（518）：861-880.

[5] BURDE G I，ZANGVIL A，LAMB P J.Estimating the Role of Local Evaporation in Precipitation for a Two-Dimensional Region[J].Journal of Climate，1996，9（6）：1328-1338.

[6] VANDER E R J，SAVENIJE H H G，SCHAEFLI B，et al.Origin and Fate of Atmospheric Moisture over Continents[J].Water Resources Research，2010，46（9）：W09525.

[7] BARBARA J B S.An Assessment of the Quality of Forecast Trajectories[J].Journal of Applied Meteorology and Climatology，1996，35（8）：1319-1331.

[8] STOHL A，HITTENBERGER M，WOTAWA G.Validation of the Lagrangian Particle Dispersion Model Flexpart Against Large-Scale Tracer Experiment Data[J].Atmospheric Environment，1998，32（24）：4245-4264.

[9] SUN B，WANG H.Moisture Sources of Semiarid Grass and in China Using the Lagrangian Particle Model Flexpart[J].Journal of Climate，2014，27（6）：2457-2474.

[10] 傅汪.基于圖論的大氣河流研究[D].北京：清華大學，2019：11-41.

[11] 康紅文，谷湘潛，祝從文，等.我國中部和南部地區降水再循環率評估[J].大氣科學，2004，28（6）：892-900.

[12] 康紅文，谷湘潛，付翔，等.我國北方地區降水再循環率的初步評估[J].應用氣象學報，2005，16（2）：139-147.

[13] HE H，LU G H.Precipitation Recycling in Tarim River Basin[J].Journal of Hydrologic Engineering，2013，18（11）：1549-1556.

[14] ZHANG Chi，TANG Qiuhong，CHEN Deliang.Recent Changes in the Moisture Source of Precipitation over the Tibetan Plateau[J].Journal of Climate，2017，5（30）：1807-1819.

[15] ZHANG Chi，TANG Qiuhong，CHEN Deliang，et al.Moisture Source Changes Contributed to Different Precipitation Changes over the Northern and Southern Tibetan Plateau[J].Journal of Hydrometeorology，2019，2（20）：217-229.

[16] 牛玉國，張金鵬.對黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略的幾點思考[J].人民黃河，2020，42（11）：1-4，10.

[17] 張金良.黃河流域生態保護和高質量發展水戰略思考[J].人民黃河，2020，42（4）：1-6.

[18] VANDER E R J，SAVENIJE H H G.Oceanic Sources of Continental Precipitation and the Correlation with Sea Surface Temperature[J].Water Resources Research，2013，49（7）：3993-4004.

[19] VANDER E R J，TUINENBURG O A，KNOCHE H R，et al. Should We Use a Simple or Complex Model for Moisture Recycling and Atmospheric Moisture Tracking？[J].Hydrology and Earth System Sciences，2013，17（12）：4869-4884.

[20] 孟憲貴，郭俊建，韓永清.ERA-5再分析數據適用性初步評估[J].海洋氣象學報，2018，38（1）：91-99.

[21] ZHAO J，LI T J，SHI K F，et al.Evaluation of ERA-5 Precipitable Water Vapor Data in Plateau Areas：a Case Study of the Northern Qinghai-Tibet Plateau[J].Atmosphere，2021，12（10）：1367-1383.

[22] ERA5：Compute Pressure and Geopotential on Model Levels，Geopotential Height and Geometric Height[EB/OL].（2021-06-28）[2021-11-01].https：//confluence.ecmwf.int/display/CKB/ERA5%3A+compute+pressure+and+geopotential+on+model+levels%2C+geopotential+height+and+geometric+height.

[23] 王光謙，李鐵鍵，李家葉，等.黃河流域源區與上中游空中水資源特征分析[J].人民黃河，2016，38（10）：79-82.

【責任編輯 張智民】