甘肃省空中云水资源分布及人工增雨潜力评估

陈祺等

摘要 介绍了甘肃省水资源基本现状，总结了云水资源与水汽的空间分布，并对人工增雨潜力进行评估，以期为缓解甘肃省水资源短缺及保障农业生产提供参考。

关键词 云水资源；水汽；分布；人工增雨；潜力评估；甘肃省

中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）01-0243-02

Abstract In this paper，the basic situation of water resources in Gansu Province was introduced，the spatial distributions of cloud water resources and water vapor were summarized，and the potential of artificial precipitation enhancement was evaluated，in order to provide reference for alleviating the water shortage and protecting agricultural production in Gansu Province.

Key words cloud water resource；water vapor；distribution；artificial precipitation；potential evaluation；Gansu Province

空中云水资源是指存在于大气中的液态水和固态水总量，是通过人工干预可以直接开发利用的水资源。自然情况下，层状云平均降水效率为29%[1]。人工增雨（雪）的目的是提高自然云的降水效率，增加地面降水量，因此可开发利用的云中水资源潜力是巨大的，但究竟能开发利用多少，取决于科学技术水平和能力。甘肃省降水稀少，近年来受全球气温变化和人类活动的影响，草场退化、土地沙漠化问题十分严重。通过开发空中云水资源，可以有效增加地面降水量，科学评估以及开发利用空中云水资源对缓解水资源短缺、保障农业生产和生态保护具有重要意义。

1 甘肃省水资源基本现状

甘肃省的水资源主要是地表水。地表水具有时空分布不均、河川径流补给来源多样和与地下水转换频繁等特点。在受全球气温变化、人类经济活动的双重压力下，草场退化、沙化、盐碱化问题十分严重[2]。甘肃省降水稀少，全年降水量分布从东南向西北依次递减，全省平均降水量仅300 mm。甘肃省水资源主要分属黄河、长江、内陆河3个流域，9个水系，全省水资源总量多年平均值为289.441亿m3。

2 甘肃省云水资源与水汽分布

2.1 甘肃省云水资源的时间分布

云水资源是存在于空中可供开发利用的液态和固态水凝物。西北地区每年过境的空中水汽资源总量十分可观[3]（图1），一年四季来自我国东海、南海、印度洋的水汽源随着季节性的大气环流，源源不断地输送到这片干涸土地的上空。空中水资源的更替周期为8 d左右，远远低于河流16 d、浅层地下水1年的周期。甘肃省内也遵循以上规律。

2.2 甘肃省水汽变化

在近40年中，甘肃省水汽变化存在全区一致性，但同时存在着以黄河为界的东西反向变化；西部增多东部减少，在1978年突变以后趋势变得更加明显。全球大气环流在1977年左右发生了年代际突变，甘肃省西部水汽趋高，东部下降可能与环流调整有关。空中水汽含量和水汽输送夏季较多、冬季较少，南部较多、北部较少；2—7月是水汽含量的增长期，8月至次年1月是递减期；水汽输送源地主要有孟加拉湾及周边海域、南海和东海海域、青藏高原、四川盆地及周边地区；水汽输送路径主要有中层西南路径、中低层偏南路径以及东南路径[3]。

3 人工增雨潜力评估

空中云水资源的状况可通过监测分析等方法进行评估[4-5]。实施人工催化，提高成云致雨水平，是有效开发空中云水资源的唯一手段[6]。人工增雨是开发空中云水资源的主要手段，现采用CWR-PEP法对甘肃省80个县区进行人工增雨开发潜力的评估。

3.1 评估方案

云水资源人工增雨开发潜力评估方案方程如下：

PEP=Hh×Ew×Pe

=∑（Hht×Hhs）×Ew×Pc×Pn×（1-Pk）×Pa（1）

式（1）中：PEP为增雨潜力，Hh为降水总量，Ew为增雨效率，Pe为增雨几率。式（1）中，降水总量Hh为S区域T时段的降水总量（kt），Hht为各站点观测的T时段内降水总深度（mm），Hhs为该站点所代表的面积（km2），Hht和Hhs乘积为该站点观测的降水体积（质量），∑指S区域内各站点降水体积质量相加。增雨效率Ew为人工增雨量占自然降水量的比例。利用区域模拟控制法对甘肃春、夏、秋季飞机人工增雨作业的效果检验结果显示，增雨效率约为12%。根据各地市提供的地面火箭增雨作业点技术水平及多年作业经验进行调整，增雨效率为15%～26%。增雨几率Pe为适合并实施人工增雨作业所占降水区域时段的比例。计算公式如下：

Pe=Pc×Pn×（1-Pk）×Pa（2）

式（2）中，Pc为合适条件出现的几率。该几率可根据人工增雨云条件要求，统计符合人工增雨的云条件出现的几率；也可假定降雨量≥1 mm的降水天气过程均适合作业，通过评估期间降雨量≥1 mm的累积天数与评估期间累积降水日数之比来近似获得。由于甘肃省地域跨度大、作业手段多（高炮、飞机播散、火箭弹、地面燃烧器等），各种作业方式要求的云条件存在较大差异，通过雷达资料和卫星资料统计方法评估存在一定困难，因此使用降水量分级指标方法，统计出适宜作业的天数与总降水日数的比值，选取了2013年10月1日至2014年9月30日全省80个地面气象站逐日降雨量资料。Pn为需求几率。甘肃省小麦的主产区主要在陇东地区，麦收期间约为7 d，且出现连阴雨时才会对小麦收割产生影响；省内其他农作物收获均受天气影响较小。Pn的取值计算利用了降雨量历史资料，统计出各县出现25 mm以上大雨量级的降水概率及夏收、秋收期间的降水概率，用1减去此概率即为Pn。Pk为避免局地灾害未作业几率。按照暴雨日数和地质情况，大体可以分为5个区域，即陇南山地、黄土高原、河西山地、兰州周边和其他地区，由于在计算Pn时已考虑暴雨致灾因素，在Pk的计算过程中，主要考虑不能实现作业次数占满足作业条件次数的比例，各县情况差异较大，暂全部取值为5%。Pa为现有条件可实现作业的几率。通常认为，一门高炮的影响面积约为50 km2，一部火箭的影响面积约为100 km2，飞机在自行往返最大区域内可实现数小时作业，从实际情况看，除张掖市以西地区，省内其他地区均可覆盖。本次评估中，在现有作业条件下，综合考虑飞机是否可覆盖、地面火箭架数、保障面积占比和空域申请成功比例等的因素，计算出各县作业保障能力。

3.2 评估分析

使用2013年10月至2014年9月甘肃省80个国家基本站年均降水资料，采用克里金插值后分别代表该区域（县）的降水量，有3个大值区，即陇南、甘南临夏、庆阳平凉；张掖以西靠近祁连山的降水量大于河西走廊。利用3.1的评估方案对甘肃省空中云水资源人工增雨开发潜力进行初步估算，以评估2014年人工增雨潜力（图2）。

3.3 评估结果

从以上估计得出，甘肃省2014年人工增雨的潜力为215亿～217亿t，从西北向东南增雨潜力逐渐增大，靠近祁连山区的比增雨潜力河西走廊大。

4 参考文献

[1] 洪延超.层状云结构和降水机制研究及人工增雨问题讨论[J].气候与环境研究，2012，17（6）：937-950.

[2] 张良，王式功，尚可政，等.中国人工增雨研究进展[J].干旱气象，2006，24（4）：73-81.

[3] 陈勇航，黄建平，陈长和，等.西北地区空中云水资源的时空分布特征[J].高原气象，2005，24（6）：905-912.

[4] 李兴宇，郭学良，朱江.中国地区空中云水资源气候分布特征及变化趋势[J].大气科学，2008（5）：1094-1106.

[5] 王静，尉元明，郭铌，等.祁连山空中云水资源开发利用效益预测与评估[J].自然资源学报，2007（3）：463-470.

[6] 代娟，黄建华，王华荣，等.襄樊市空中云水资源分布及人工增雨潜力研究[J].暴雨灾害，2009（1）：79-83.