一次臺風外圍云系降水過程的云水資源評估及特征分析

羅 雄，王 謹，張小娟，崔 蕾，李枚曼

（1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；3.貴州省氣象災害防御技術中心，貴州 貴陽 550081）

貴州省地處我國西南部，屬于典型的巖溶地區，其境內地勢西高東低，屬亞熱帶濕潤季風氣候，雖然大部分地區雨量充沛，但時空分布不均且大部分降水都轉化為地下水，水資源利用難度較大，同時貴州省具有復雜的喀斯特地貌，這使得貴州省成為我國的干旱高發區[1]。由于貴州省以層積混合云降水居多，因此，通過開展云水資源特征研究，了解降水云系有多少水量及其時空變化特征，進而科學利用人工增雨技術提高空中云水資源的轉化效率、補充生態用水，是遏制土地石漠化、河流干枯、濕地破壞、生態退化，保障生態環境建設、生態安全的迫切需求。

空中云水資源是指存在于云中，通過一定技術能被人類利用的水物質[2]，貴州地處烏江源地及珠江上游，在孟加拉灣和南海的水汽輸送帶上，空中水資源充沛[3]。過去對大氣水循環和空中水資源的研究，都集中在對水汽的輸送和收支與降水的關系，對空中水凝物資源狀況研究較少。需要指出的是，水汽資源不能直接被開發利用，其抬升凝結的產物——云水才是可利用的資源，云水作為大氣水循環的重要環節、云-輻射相變和水相變的主角，云水凝結以后到形成降水這一階段是最有可能被利用來改變自然降水分布的[2]。近年來，甘肅、青海、廣西、黑龍江和江蘇等省份先后開展了空中云水資源評估及增雨潛力的研究，并取得了一定成果[4-14]；對于貴州省空中云水資源的研究，彭宇翔等[15]利用各地區云水資源人工增雨開發潛力評估方案中的CWR-PEP 評估方法計算得出2013 年3-9 月貴州省人工增雨量累計增加32 億m3。

由于資料時空分辨率的局限性，對于省區云水資源評估，已有的研究大多是針對長時間序列的樣本進行計算，對于降水個例的評估并不多見。因此，本文根據中國氣象局人工影響天氣中心下發的《云水資源評估技術指南（2016 版）》，利用ERA5 高分辨率再分析資料和衛星觀測資料，對貴州省夏季1 次臺風外圍云系降水過程的降水場和三維云水場進行監測及云水資源計算，分析降水云系的云水資源特征及降水效率，以期為合理開發利用貴州省的空中云水資源，科學開展人工增雨作業提供依據。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所選用的資料包括（時間均采用北京時）：（1）ERA5（Fifth generation ECMWF Re-Analysis data）高分辨率再分析資料（https：//cds.climate.copernicus.eu/），其時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向上共37 層（1 000～1 hPa）；（2）由國家衛星氣象中心提供的水平分辨率為0.1°×0.1°的FY-2F 氣象衛星反演得到的1 小時間隔的黑體亮溫（Temperature of Brightness Blackbody，TBB），簡稱TBB 資料（http：//data.cma.cn）；（3）中國自動氣象站與CMORPH（Climate Prediction Center Morphing Technique）融合的水平分辨率為0.1°×0.1°逐時降水資料（http：//data.cma.cn）。

1.2 方法

1.2.1 云水資源評估理論方法

本文采用中國氣象局人工影響天氣中心所建立的云水資源監測評估方法（Cloud water resource-monitoring and evaluation method，簡稱CWR-MEM）。該方法以大氣水物質變化方程為基礎，對于一定時段，一定區域，綜合考慮大氣水物質的變化，包括水汽和水凝物的瞬時變化和平流輸送，水汽垂直方向的抬升、凝結成云，降水粒子落出及地面蒸發等過程，提出包括大氣水物質收支平衡方程，及云水資源總量及其各種特征量的物理概念和計算方法，本文評估區域為24.5°-29.5°N，103.5°-109.5°E，包含貴州省全境。圖1 為水物質變化過程，對于任意時段和區域，水物質的變化包括水汽和水凝物的瞬時變化和平流輸送、水汽垂直方向的抬升凝結/凝華成云、云內粒子蒸發/升華為水汽、降水粒子的下落和地表蒸發等物理過程[16]。

圖1 一定時段和區域的云水資源評估示意圖（來源于《云水資源評估技術指南（2016 版）》）

1.2.2 相關概念

水汽（Atmospheric Water Vapor，簡稱Qv）：指氣態的水物質。

水凝物（Atmospheric Hydrometeors，簡稱Qh）：指大氣中液態和固態水物質。按粒子大小可分為云粒子（Qc）和存在于空中的液態和固態的降水粒子（Qp）。

降水（Precipitation，簡稱R）：指降落到地面的液態和固態水物質。降水是人類可用水資源的主要來源，它形成江河徑流，補充湖泊、冰川、雪蓋和地下水、土壤水等。

空中水物質（Atmospheric Material，簡稱Qm）：指存在于空中的水汽和水凝物。

云水資源（Cloud Water Resource，簡稱CWR）：指存在于空中，通過一定技術手段可以開發利用的水凝物。

2 個例概況與ERA5 資料適用性檢驗

2.1 個例概況

本文選取的臺風外圍云系降水個例為2019 年8月26 日07 時-27 日12 時的一次降水過程（降水時段共30 h）。此次過程主要受2019 年第11 號臺風“白鹿”登陸后減弱的熱帶低壓影響，在中低層貴州省主要受熱帶低壓西側的東北氣流控制。受熱低壓外圍云系影響，雨帶主要分布在貴州省東南部，最大累計雨量在25 mm 以上，如圖2 所示。

圖2 2019 年8 月26 日07 時-27 日12 時COMRPH 融合降水量（單位：mm）

2.2 ERA5 資料適用性檢驗

資料的適用性往往影響評估結果，所以本節對計算云水資源主要用到的ERA5 再分析資料中的降水量（tp）與云水場（云水（clwc）+云冰（ciwc）+云里的雨滴（crwc）+云里的雪（cswc））分別與COMRPH 融合降水資料和風云2F 衛星TBB 資料進行對比分析，檢驗ERA5 再分析資料降水量和水凝物參量的適用性。

利用ERA5 再分析資料和CMORPH 融合降水資料計算評估區域內此次降水過程的逐小時的區域平均降水量，繪制時間變化曲線，如圖3 所示；需要說明的是，圖中橫軸的時刻“1-30”對應著降水個例的起止時刻。從降水量的大小來看，ERA5 資料要大于CMORPH融合資料，降水量最大差值為0.39 mm，平均差值為0.19 mm，數值上差異不大；從變化趨勢來看，CMORPH 融合降水量隨時間呈多波動變化，整體呈增長的趨勢，ERA5 資料降水量的變化趨勢與其基本一致。雖然相對于CMORPH 融合降水資料，ERA5 資料的降水量在數值上偏大，但是降水演變趨勢基本一致，說明ERA5 資料能夠反映整個過程的降水特征，因此將ERA5 資料的降水量用于計算云水資源是可行的。

圖3 ERA5 再分析資料與CMORPH 融合資料逐小時區域平均降水量變化曲線

將任意時次評估區域內所有格點的水凝物（Qh）進行垂直積分，得到該時刻的云水場空間分布，其在一定程度上能夠反映降水云系的演變特征，可與衛星TBB 觀測結果進行對比。需要說明的是，在做對比分析時為了能夠涵蓋降水過程的整個過程，分別選取了降水過程不同階段的云水場和TBB 的空間分布，如圖4所示。由圖4a 可知，在2014 年8 月26 日10 時，降水云系主要在貴州東部，TBB 值為-20℃左右，西部為晴空區，結合云水場（圖4d）可知貴州省東部為水凝物的聚集區，分布形態與TBB 基本一致，呈帶狀分布；8 月26 日20 時（圖4b），位于貴州省東南部的云系發展增強，TBB 值降低，雖然對應的水凝物場（圖4e）空間分布范圍小于TBB 的分布，卻較好地反映出了位于研究區域東南角的大值中心；在8 月27 日11 時，結合圖4c 和圖4f 可知，水凝物場的形態分布與云場基本吻合，云系主要分布在貴州省西南部。綜上所述，ERA5資料的降水量和云水場能夠反映整個過程的降水和云場演變特征，可將其用于云水資源的計算。

圖4 降水過程典型時刻ERA5 再分析資料云水場（下）與風云2F 衛星資料云場（上）空間分布（其中云水場參量Qh 單位為10-3 g/kg，云場參量TBB 單位為℃）

3 云水資源評估分析

3.1 水汽、水凝物和降水的時空演變特征

根據水汽和水凝物瞬時值計算方法，本次過程的水汽和水凝物的瞬時存量及相對應的一小時降水量如圖5 所示。由水汽的演變可見，此次降水過程貴州省境內柱水汽含量都在40 kg/m2以上（轉換為最大可降水量，約80 mm），水汽主要呈帶狀分布，并且自東向西移動，水汽大值帶在移動過程中逐漸擴展，在貴州省的中東部水汽較為充沛，柱水汽總量最大可達70 kg/m2。水凝物大值區與水汽充沛區的總體分布及演變趨勢較為一致，但是水凝物的大值區范圍較小，與水汽的大值區存在一定差異；隨著系統的移動，云水場也逐漸西移加強，在27 日07 時最大柱水凝物含量可達4 kg/m2。對比地面降水場的演變可知，降水帶自東向西南方向擴展，主要分布在貴州省東部和南部云水充沛的區域，各時次降水量級基本一致，為典型的臺風外圍云系的層狀云降水特征；地面降水場的分布與水凝物場對應更好。

圖5 水汽（左）、水凝物（中）和降水（右）的空間分布

為了進一步研究水汽、水凝物和地面降水的聯系及變化特征，先將研究區域內所有格點的水汽和水凝物進行垂直積分，然后再計算逐小時的區域平均值，繪制水汽、水凝物和地面降水量時間變化曲線，如圖6 所示。由圖可知，本次降水過程水汽含量基本上隨時間呈緩慢增長的趨勢，說明有來自邊界外的水汽不斷進行補充；水凝物隨時間呈多波動變化，整體為增加趨勢，峰值出現在27 日05 時，水凝物含量為1.5 g/kg，水汽的值比水凝物大2～3 個量級；結合降水量可知，降水量與水凝物的變化趨勢基本一致，說明降水與水凝物的對應關系比水汽更好，水凝物的變化對于降水具有指示意義。

圖6 2019 年8 月26 日07 時-27 日12 時，水汽、水凝物和降水量區域平均值逐小時變化

結合三維水汽場診斷方法和水物質守恒方程與平衡方程，可計算此次降水過程中研究區域內各水物質瞬時值和平流輸送量隨時間的演變，結果如圖7 所示。由圖7a 可見，在此次降水過程中瞬時水汽存量變化較大，整體呈現增加的趨勢，特別是在26 日07 時-27 日04 時這一階段，水汽瞬時存量迅速增加至2.38×1013kg；水汽的輸入和輸出變化趨勢比較平穩，說明水汽的輸入和輸出比較均勻，但水汽的輸入量大于輸出量，即水汽的凈輸入增加，水汽總量增加。水凝物的變化（圖7 b）與水汽的變化略有差異，水凝物的瞬時存量呈多波動變化趨勢，整體先增加后減小然后再增加，峰值出現在27 日05 時，最大存量約為2.1×1011kg，比水汽的存量小2 個量級，在27 日05-07 時水凝物存量開始減小；此外，整個降水過程水凝物的輸入量總是大于輸出量，并且輸入量比較平穩，云水總體表現為平流輸入。

圖7 2019 年8 月26 日07 時-27 日12 時，水汽和水凝物的瞬時值和平流輸送變化

3.2 云水資源評估結果

表1 給出了此次降水過程的各水物質量。由表可知，此次過程地面降水51.55 億噸，水汽和水凝物的輸入大于輸出，總體表現為凈輸入，并且水汽的瞬時值和平流輸送總是大于水凝物2 個量級。

表1 2019 年8 月26 日07 時-27 日12 時各水物質量（單位：1011 kg=億噸）

表2 給出了此次降水過程的云水資源特征參量評估結果。由表可知，此次降水過程水凝物總量（云水資源總量）為108.84 億噸，水汽總量為4 720.06 億噸，云水資源總量遠小于水汽總量，但水凝物的時空變化快，更新周期短（為0.7 小時），而水汽時空變化相對較慢，更新周期相對較長（為5.29 天），總水物質降水效率為1.07%，水汽降水效率為1.09%，水凝物降水效率為47.37%，可以看出水凝物的降水效率明顯高于水汽降水效率，此次降水過程空中留存的云水總量為57.29億噸，說明空中水凝物未完全轉化為降水，具備一定的增雨開發潛力。

表2 層積混合云降水過程空中云水資源計算評估結果

4 結論

本文根據中國氣象局人工影響天氣中心下發的《云水資源評估技術指南（2016 版）》，利用ERA5 高分辨率再分析資料和衛星觀測資料，對貴州省夏季1 次臺風外圍云系降水過程的云水資源進行計算，并分析了其云水特征及降水效率。得到以下結論：

（1）通過地面降水場與水汽場和水凝物場的時空演變特征分析可知，水汽含量一般比水凝物大1～2 個量級，但是地面降水場水凝物場對應關系比水汽場更好，水凝物的變化對于降水具有指示意義。

（2）此次過程地面降水51.55 億噸，凈凝結量為47.91 億噸，水汽和水凝物的輸入大于輸出，總水物質為凈輸入。

（3）云水資源總量遠小于水汽總量，但相較于水汽，水凝物的更新周期短，時空變化快；水凝物降水效為47.37%，明顯高于水汽降水效率，空中留存的云水總量為57.29 億噸，具備一定的增雨開發潛力。