云南空中水资源的季节变化研究

马 涛, 张万诚, 付 睿

(1.云南大学资源环境学院大气科学系,云南昆明650091;2.云南省气象科学研究所,云南昆明650034)

水汽是产生降水的源泉,大气中的水分含量和水汽输送与大气环流有着密切的内在联系,而且是全球能量和水分循环过程的重要一环。谢安等[1]研究了孟加拉湾水汽和南海水汽对长江中下游旱涝年的不同贡献;徐祥德等[2]指出1998及1991年长江流域异常洪涝大部分特大暴雨过程对流云系可追溯到青藏高原及周边地区;蔡英等[3]分析了高原及周围地区气柱可降水量的多年平均特征及季节变化。这说明水汽输送是一个地区旱涝变化的主要影响因子之一。

目前,国内关于空中水汽资源的研究主要集中在长江中下游、华北、西北等地区[4-10]。周长艳等[11]分析了高原东部及邻近地区的四川、重庆1958-2002年大气可降水量、水汽输送情况,郭洁等[12]分析了川渝地区可降水量的气候特征及与地面降水的关系,毛文书等[13]分析了川渝地区夏季降水的水汽输送差异。何华等[14]研究了1980-1991年云南出现的46次强降水过程,发现大雨前孟加拉湾至云南一带的对流层中低层维持强水汽输送对暴雨的产生起重要作用。以上研究得出了许多有意义的结果,但关于云南空中水汽资源的研究不多,由于云南受印度季风和东亚季风的共同影响,干湿季分明,开展云南空中水资源的变化分析对研究干旱具有现实意义。文章分析了云南四季可降水量、水汽输送及收支的变化特征。

1 资料和方法

1.1 资料选取

NOAA中心提供的1961-2008年月平均比湿、u、v风、地面气压场再分析资料,格距为 2.0°×2.0°,以及云南省5个探空站提供的1980-2006年的探空资料。

1.2 主要方法

大气含水量也称为可降水量,表示某地单位面积上空整层大气的总水汽含量,其计算式为：

由此可分别得到纬向、经向水汽输送通量矢量 Qλ,Qφ的计算公式：

式中q为比湿,g为重力加速度,PS为地面气压,均为常用变量,Pt为大气顶处的气压,并规定由西向东、由南向北输送为正,反之为负。考虑到高层水汽少,取300hPa。

某一边界的水汽净输入计算公式为：

式中 k=1,2,3,4分别代表西、东、南、北边界,mk表示第k边界划分成的段数,Qi、li分别为第i段边界的水汽通量输送和长度。云南低纬高原地区边界采用正多边形方案包括的区域如图1所示。

图1 正多边形水汽输送示意图(西边界：AJ,IH;东边界：BC,DE,FG;南边界：EF,GH,IJ;北边界：AB,CD)

1.3 云南四季可降水量分布特征

图2 1961-2008年四季可降水量分布

从图2可看出,云南四季的可降水量整体上呈“U”字型分布,表现为北少南多,从西北向南逐渐递增的特点,滇东南和滇南为可降水量最大的区域,与降水量的分布一致[15]。云南可降水量最多的季节为夏季,在1800-4500mm间,秋季次之,可降水量分布在1300-3200mm间,春季可降水量在1100-3000mm,最少的为冬季,可降水量在300-1800mm。由于春季是云南干湿季的转换季节,秋季是云南从雨季到干季的过渡,从图2知,从春季到夏季,可降水量等值线逐渐变密,而秋季到冬季,可降水量的等值线逐渐由密变疏。

图3 1980-2006年可降水量分布及5个探空站可降水量(实心点为探空站位置及多年平均可降水量)

为了便于与表1对比,图3给出了1980-2006年用再分析资料计算的可降水量和采用探空资料计算的夏、秋季可降水量,图中实心点代表探空站地理位置,数字表示探空站多年平均的可降水量,图3结合表1可以看出,探空站资料计算的可降水量和再分析资料计算的可降水量趋势一致,表现为北少南多,从西北向南逐渐递增的特点,滇东南的蒙自和滇南思茅可降水量最大,用探空资料计算的可降水量要比再分析资料计算的大气可降水量(秋季思茅站除外)略小。探空资料计算的可降水量略小的原因可能与1天取2个时次(08时和20时)资料计算可降水量,再求平均有关,更进一步的分析对比将在今后的工作中做细致的研究。

表1 1980-2006年四季云南探空站可降水量(单位：mm)

2 四季水汽输送的特征

2.1 四季水汽的输入、输出和收支的气候特征

表2 1961-2008年四季各边界平均水汽输送量和净收支情况(单位：×1010t/a)

表2为云南上空对流层各层1961-2008年各季节各边界平均水汽输入、输出和净收支。由表2可以看出,春季地面到700hPa有37.1×1010t水汽从西边界流入云南境内,东边界有24.6×1010t水汽流出,南边界有27.7×1010t水汽流入,北边界有5.5×1010t水汽流出,地面至对流层低层,水汽的流入量大于水汽的流出量,净的水汽量为34.7×1010t;对流层中高层(700hPa-300hPa),西边界有65.1×1010t的水汽流入,有79.5×1010t的水汽从东边界流出,4.3×1010t的水汽从南边界流入,15.4×1010t的水汽从北边界流出,水汽流出量为-25.5×1010t,表明云南为水汽净流出;地面到300hPa,有102.3×1010t水汽从西边界流入,104.1×1010t水汽从东边界流出,32.0×1010t水汽从南边界流入,20.9×1010t水汽从北边界流出,纬向水汽输送的流入量和流出量几乎相等,而经向水汽输送流入量大于流出量,每年水汽净流出为9.3×1010t。从表2中还可看出,对流层低层的水汽净流入量最大。这可能与云南的特殊地理位置有关,云南地形是西北高而东南低,同时云南在春季容易受到南支槽和偏西水汽输送的影响,因而出现水汽净流入量,但春季是云南四季中的干季,温度高、风大、蒸发量很大,使得净的水汽收支要小于秋季。

夏季地面至700hPa每年平均有38.4×1010t的水汽从西边界流入,1.6×1010t的水汽从东边界流出,有31.7×1010t的水汽从南边界流入,9.3×1010t的水汽从北边界流出,地面到对流层低层的水汽净流入量为59.2×1010t,对云南上空水汽净收入贡献最大;对流层中高层(700hPa-300hPa),每年有12.0×1010t的水汽从西边界流入云南,有7.1×1010t的水汽从东边界流出云南,有5.4×1010t的水汽从南边界流入,有16.9×1010t的水汽从北边界流出,对流层中高层的水汽为净得流出量,每年有6.6×1010t的水汽从对流层中高层流出云南,该层为水汽流出贡献最大层;地面到300hPa,有50.5×1010t的水汽从西边界流入云南,有8.7×1010t的水汽从东边界流出云南,总的水汽净收入为52.7×1010t。夏季净水汽收支是一年中最大值(约占全年净水汽的69%),同时受到季风和中高纬各种系统的相互作用,使得夏季云南降水成为一年中降水最多的季节。

秋季地面到700hPa,每年有6.1×1010t的水汽从西边界流入,有9.8×1010t的水汽从东边界流入,有别于其它季节,说明有来自南海的水汽经中南半岛流入云南,有21.0×1010t的水汽从南边界流入云南,有9.6×1010t的水汽从北边界流出云南,净水汽量为27.3×1010t,是对流层中贡献最大的;对流层中高层,每年有35.0×1010t的水汽流入云南,有38.3×1010t的水汽从东边界流出,有7.6×1010t的水汽从南边界进入,同时有19.1×1010t的水汽从北边界流出,每年有14.8×1010t的水汽从该层流出云南,为水汽净流出;地面到300hPa上,西边界每年流入云南的总的水汽量41.1×1010t,南边界流出云南的总水汽量为28.4×1010t,南边界流入云南的总水汽量为28.6×1010t,而北边界流出云南的总水汽量为28.7×1010t,这表明,秋季云南有12.6×1010t的水汽盈余,为四季中水汽净收入第二多的季节。总的来看低层为水汽的盈余部分,中高层为水汽的支出部分。

冬季地面至700hPa,有19.0×1010t的水汽从西边界流入云南,有19.3×1010t的水汽从东边界流出云南,有24.7×1010t的水汽从南边界流入,4.3×1010t的水汽从北边界流出,净水汽收支为20.1×1010t;对流层中高层每年有44.3×1010t水汽从西边界流入,有59.4×1010t水汽从东边界流出,有5.4×1010t的水汽从南边界流入,有8.0×1010t的水汽从北边界流出,净水汽收支为-17.7×1010t;地面到300hPa上,每年有63.2×1010t的水汽从西边界流入,有78.6×1010t的水汽从东边界流出,有30.1×1010t的水汽从南边界流入,12.3×1010t的水汽从北边界流出,净得水汽量为2.4×1010t,为四季中最少的季节。

从总体上看,在对流层云南春、夏、秋、冬均为水汽净收入,其中以夏季最多,秋、春季次之,冬季最少,每个季节净水汽量分别占总水汽量的12%、69%、16%,3%,其中冬春两季占总的15%,夏秋两季占总的85%,这可能与在各个季节中影响云南的水汽路径有关。

2.2 四季水汽输入、输出和收支的变化趋势

春季：从图4可以看出,西边界水汽流入量有增加的趋势,平均每年增加0.0663×1010t,其最小值出现在1964年,为70.65×1010t;东边界水汽的流出量有增加趋势,其增加的速率为0.0444×1010t/a,水汽流出量也在1964年出现最小值,为66.75×1010t;南边界的水汽流入量也呈弱的增加趋势,其速率为0.0121×1010t/a,水汽输送最强年为1964年,为46.97×1010t;北边界的水汽流出量也呈减少趋势,其减少的速率为-0.0922×1010t/a,输出最多年是1964年,为49.31×1010t;总的净水汽呈增加趋势,每年以0.1262×1010t的趋势增加。以上变化趋势只有净水汽通过0.05显著性检验。计算表明东西向的水汽输送差和南北向的水汽输送差的相关系数为-0.5151,并通过了0.001的显著性检验,说明在纬向水汽输送多(少)时,经向水汽输送少(多)。

图4 春季西、东、南、北边界水汽流入流出量和净水汽的年际变化

图5 夏季西、东、南、北边界水汽流入流出量和净水汽的年际变化

图6 秋季西、东、南、北边界水汽流入流出量和净水汽的年际变化

图7 冬季西、东、南、北边界水汽流入流出量和净水汽的年际变化

夏季：从图5可看出,西边界水汽的年变化呈增加趋势,每年有0.2936×1010t水汽增加;东边界水汽流出量也呈增加趋势,每年从东边界输出水汽0.014×1010t;南边界水汽量呈减小趋势,每年减少0.1693×1010t;北边界水汽流出量呈现减少趋势,每年减少0.0743×1010t/a;净水汽呈增加趋势,每年水汽增加0.1845×1010t。经向和纬向的净水汽相关系数为-0.5211,通过了0.001的显著性检验,这表明纬向水汽输送多时,经向水汽输送就少,反之亦然。

秋季：西边界水汽流入量呈弱增加趋势(图6),增加速率为0.0404×1010t/a;东边界水汽流出量也呈增加趋势,增加速率为0.0901×1010t/a;南边界也呈增加趋势,增加趋势为0.0891×1010t/a;净水汽也呈弱增加趋势,其速率为0.0468×1010t/a。纬向水汽和经向水汽差的相关系数为-0.6491,通过了0.001的显著性检验,表明经纬向水汽输送呈反相关。

冬季(图7),西边界水汽流入量呈现减少趋势,其速率为-0.1323×1010t/a;东边界也为弱增加趋势,其速率为0.0207×1010t;南边界水汽增加最为,其速率为1.1978×1010t/a;北边界为弱的增加趋势,速率为0.0488×1010t/a;净水汽有弱增加趋势。除南边界通过0.01显著性检验,北边界通过0.05显著性检验外,其余均没有通过0.1显著性检验。纬向水汽和经向水汽的相关系数为-0.7390,通过了0.001的显著性检验。

春季是云南从冬季风向夏季风转变的季节,多受南支槽的影响,使得南风水汽输送要仅次于夏季,而云南夏季因受西南季风和南海季风的共同影响,其可降水量是一年中最多的,而秋季云南多受西太平洋副热带高压边缘的偏东南水汽输送影响,其可降水量为一年中第二大值,冬季云南主要受冬季风的影响,冬季风干冷,故其可降水量为四季中最小值。

3 结束语

通过分析,得出：

(1)云南四季的可降水量呈“U”字型分布,滇东南和滇南为可降水量最大的区域;夏季最多、秋季次之,冬季最少。用探空资料计算的可降水量比再分析资料算的略小。

(2)对流层低层为云南水汽净收入,对流层中高层为云南水汽净输出,夏季水汽净收入最多,秋季次之,冬季最少。

(3)西边界和南边界为云南水汽主要流入,东边界和北边界为流出。

(4)云南四季的净水汽输送都呈增加趋势,其中夏季增加最多,春季次之。

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