基于ERA-Interim资料的中国天山山区云水含量空间分布特征

石晓兰，杨　青，姚俊强，韩雪云，李建刚

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆　乌鲁木齐830054；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆　乌鲁木齐830002；3.新疆气候中心，新疆　乌鲁木齐830002；4.新疆气象台，新疆　乌鲁木齐830002）



基于ERA-Interim资料的中国天山山区云水含量空间分布特征

石晓兰1，2，杨青2*，姚俊强2，韩雪云3，李建刚4

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐830054；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；3.新疆气候中心，新疆乌鲁木齐830002；4.新疆气象台，新疆乌鲁木齐830002）

摘要：利用欧洲数值预报中心（ECMW F）发布的第一代全球分辨率ERA-Interim再分析数据，分析了1979—2014年天山山区水汽含量和云水含量的空间分布特征。结果显示：（1）水汽含量的高值中心出现博罗科努山迎风坡，中心值域在10～11mm之间，低值区位于天山中部的巴音布鲁克附近，中心值域在5～6mm之间；夏季水汽含量最丰富，在8～11mm之间。（2）云液水含量的高值区出现在博格达山北坡，而云冰水含量的高值区在西天山海拔较高的托木尔峰地区，低值区均在伊犁河谷等海拔低的地区；夏季云液水含量、云冰水含量均呈减少趋势，云冰水含量较云液水减少得更为明显，下降速率为0.28×10-3g·kg-1/10a；（3）垂直分布上，云液水含量在600hPa左右的高空出现高值区，中心最大值为10×10-3g·kg-1；云冰水含量的高值区则出现在500hPa左右的高空，为11×10-3g·kg-1；在对流层大气中云冰水含量值远大于云液水，且云冰水发展的高度较云液水更高。

关键词：天山山区；云液水含量；云冰水含量；空间分布

石晓兰，杨青，姚俊强，等.基于ERA-Interim资料的中国天山山区云水含量空间分布特征[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：50-56.

天山是亚洲中部最大的山系，在我国境内横贯新疆全境，山区由山地、山间盆地和谷地及山前平原组成，东西绵延1700 km，占总长度的2/3以上，面积约为5.7×105km2，占全疆总面积的34.5%[1]。天山山区受西风气流控制，山体平均海拔4000 m，拦截了西风带来的大量水汽，是新疆降水最多的地区，约占全疆降水量的40%，是干旱区中的湿岛。天山山区是新疆地表水和地下水的重要补给源，空中水汽是降水的物质基础。因此，研究天山山区空中云水资源分布规律和开发潜力，对科学评估、合理地开发利用空中云水资源，缓解水资源紧缺，保障社会经济的可持续发展具有重要意义。

云中含水量的多少不仅对云滴增长及降水的形成和强度有非常重要的影响，而且也是全球气候数值模拟的预报参量，是研究云对气候影响的重要参数[2]。许多学者利用不同的数据资料和方法对水汽、云水资源的分布特征进行了计算和分析[3-14]。西北地区水汽主要来源于以西风为主的纬向输送和西南气流的经向输送[15]；西北地区的降水与水汽和水汽输送关系密切，东亚季风和西风环流是水汽输送最重要的方式，西南气流输送能力大小直接影响着西北地区东部的降水多少[16-18]。任丽等[19]研究结果显示，强对流活动使对流层上层局地水汽平均增加10倍以上，对流活动对于水汽的垂直输送以及对高层水汽含量的改变具有非常显著的作用。杨大生等[20]利用Cloudsat资料分析中国地区夏季云水含量的垂直分布特征，认为青藏高原地形以及东亚夏季风对月平均云含水量分布具有明显影响，平均冰水含量纬向垂直分布的高值区主要在对流层中上部。衡志炜[21]等基于NCEP和CFSR再分析资料，对全球云水云冰含量气候分布进行分析，认为云水含量和云冰含量分布受到大气环流的地形的影响，有很强的地域性。刘朝顺等[22]分析了大气水汽总量和云液态水总量的季节变化特征，并检验了可降水量（水汽总量）、云液态水总量与降水发生之间的相关关系。

上述学者们对水汽、水汽通量和水汽的降水转化率的研究，为进一步深入开展天山山区空中云水资源研究打下了坚实基础。本文利用ERA-Interim再分析资料分析天山山区云水资源的空间分布特征，为开发利用天山山区空中云水资源提供参考。

1　资料和方法

利用欧洲数值预报中心（ECMW F）发布的新一代全球分辨率逐月ERA-Interim再分析数据资料，该资料垂直方向从1000 hPa到1 hPa共37层，水平空间分辨率为0.125°×0.125°，时间段为1979年1月—2014年12月。由于ERA-Interim发布时间较短，其适应性研究还相对较少，但ERA-Interim数值预报产品的性能已经得到普遍认可[23]。相比其他再分析资料，ERA-Interim再分析数据资料的可信度更高[24]，有较高的分辨率，即水平空间分辨率可达到0.125°×0.125°。

分析要素包括大气水汽含量（TCW V）、云液水含量（CLW C）、云冰水含量（CIW C）。其中云水含量为云液水、云冰水含量的总和。四季划分按：3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—翌年2月为冬季。

物理量计算时，大气水汽含量（TCW V）、整层云液水含量（VCLW C）、云冰水含量（VCIW C）为各气压层水汽、云液水、云冰水含量的垂直积分：

式中：q为各层的比湿；p为气压层；n为模式层；g为重力常数。

2　结果与分析

2.1大气水汽含量空间分布特征

2.1.1年平均分布

大气水汽含量表示整个空气柱中的水汽全部凝结时所得到的液态水量，其与气柱的长度、海拔高度的大小有密切关系。从天山山区年均水汽含量的空间分布特征（图1）可以看出，天山山区的水汽含量集中在6～11 mm之间，高值区主要分布在伊犁河谷东北部的博罗科努山迎风坡，水汽含量丰富，可达到11 mm，伊犁河谷地区由于地形封闭，地势较低，气柱的长度较大，成为水汽含量的次高值区，水汽含量在9～10 mm之间。水汽含量的低值区位于天山中部的巴音布鲁克盆地，中心值域为5～6 mm。该地海拔高度相对较高，气柱相对较短，大气厚度薄，密度低，所以气柱的总水汽含量相对较少。总体上看，空间分布形势与利用探空资料得出的天山山区大气水汽含量得出的时空分布结果[8]比较一致，说明ERAInterim再分析数据资料在天山山区具有一定程度的实用性。

图1　天山山区年平均水汽含量分布（mm）

2.1.2季节分布

从天山山区季节水汽含量的空间分布特征（图2）可以看出，各季的分布形势与年均水汽含量基本一致。夏季水汽含量最高，秋季次之，春、冬季最少。春季水汽含量空间分布有两个高值区，分别在天山西部的伊犁河谷、博罗科努山及天山西南部的阿图什地区，中心水汽含量为6 mm；而巴音布鲁克盆地、巴伦台和大西沟一带是水汽含量的低值区，中心水汽含量在2.5 mm左右。夏季，输入新疆的水汽通量明显增加，流入的总水汽含量为2951.5×108m3，是水汽含量最丰富的季节[25]，在伊犁河谷的东北部地区出现高值区，中心值在18 mm左右，为春季的三倍多。秋季水汽含量分布特征与春节分布相似，高值中心出现在伊犁河谷北部地区，中心值在13 mm左右，但秋季的水汽含量大于春季，这可能是大气环流影响的结果。冬季是水汽含量最低的季节，高值区也分布在地势较低的伊犁河谷地区，为7 mm。从总体分布来看，水汽含量高值区主要分布在低海拔的盆地、山前平原和河谷地区，低值区则分布在海拔较高的巴音布鲁克盆地附近。

2.2云水含量时空分布特征

2.2.1空间分布特征

云液水含量和云冰水含量是衡量云中液态水和固态水多少的常用指标，为了了解云液水含量和云冰水含量的分布情况，分别计算了1979—2014年云水含量多年平均垂直积分的空间分布和夏季垂直积分的空间分布（图3），可以看出，其分布形势与水汽含量的分布形势明显不同。云液水含量（图3a）在博格达山北坡附近为高值区，最大值在17 g·m-2以上；其次，在西天山托木尔峰地带也存在一个高值区，云液水含量在13 g·m-2左右，说明该地区的云量分布较多，由于高海拔地区，地形对水汽的抬升，水汽凝结容易形成地形云，从而表现出高海拔地区云液水含量较多。低值区出现在天山山区海拔较低的伊犁河谷和阿合奇南部地区，云液水含量仅为1 g·m-2，可能是在伊犁河谷和低海拔地区，云量分布较少，致使云液水含量也较少。总体看来，云液水含量由高海拔地区向低海拔地区逐渐减少。

云冰水含量（图3b）空间分布特征显示，高值区出现在西天山海拔较高的托木尔峰地区，中心区值域分别在110 g·m-2左右，低值则集中在低海拔的伊犁河谷等地，云冰水含量在5 g·m-2左右。从总体分布来看，天山山区云液水和云冰水含量在空间区域分布上表现为高海拔地区多于低海拔地区；从含水量的多少来看，云冰水含量远高于云液水，而且发展的高度更高。

2.2.2时间变化特征

图2　春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）四季水汽含量空间分布（mm）

图3　云液水（a）、云冰水（b）含量垂直积分的空间分布（单位：g·m-2）

夏季是天山山区云水含量最丰富的季节，在这里只分析夏季云水含量的变化特征。取高度在500、600 hPa高度上的云水含量做平均，然后计算云水含量随时间的变化趋势（图4）。总体来看，云液水、云冰水含量均呈减少的趋势，云液水含量减少趋势不明显，但变化浮动较大，1987年云液水、云冰水含量陡增，出现峰值，分别为11.97×10-3g·kg-1、11.03× 10-3g·kg-1，2009年云液水含量出现最低值，为4.83×10-3g·kg-1，云冰含量在1990年出现最低值，为3.95×10-3g·kg-1，云冰水含量较云液水减少趋势明显，下降速率为0.28×10-3g·kg-1/10 a，没有通过显著性检验，2008年以后云水含量均呈增加趋势。

图4　夏季云水含量变化趋势（×10-3g·kg-1）

3　云水含量的经、纬向变化特征

3.1纬向变化

从天山山区沿82°E年平均和夏季云水含量的纬度—高度剖面（图5）可以看出，年平均云液水含量（图5a）主要集中分布在700～550 hPa的高度上，云液水含量在1×10-3～10×10-3g·kg-1之间变化，在42.5°N附近600 hPa左右的高空出现最高值，中心最大值为10×10-3g·kg-1，由中心向周边逐渐减少，北边云液水含量的发展高度略低于南边地区，在45°N附近650 hPa的高空位次高值区，中心值为8× 10-3g·kg-1，550 hPa以上的高空云水含量已相当微弱，说明该区域的中云分布较多，经向分布主要集中在42°～46°N之间，反映出天山山区高含水量低云主要分布在这一纬度区。夏季云液水含量（图5b）高值区也出现在42.5°N附近600 hPa的高空，中心最大值为30×10-3g·kg-1，云液水含量向周边逐渐减小，在44°N的上空出现低值区，继续向北发展，在45°N的高空出现次高值区，北边对流发展高度同样比南边略低，中心值为24×10-3g·kg-1。云冰水含量（图5c）的高值中心出现在500 hPa左右的高空，中心最高值在11×10-3g·kg-1左右，，相对来说，低纬云冰水含量所能延展的高度更高一些。夏季云冰水含量（图5d）400 hPa左右的高空出现高值区，中心值在16× 10-3g·kg-1左右，主要集中在600～200 hPa的对流层大气中，600 hPa以下云冰水含量不显著，600 hPa向上逐渐增加，350 hPa达到最大，之后又逐渐减少，到200 hPa的高度几乎为零。

图5　沿82°E的纬度—高度剖面图（单位：×10-3g·kg-1）

3.2经向变化

从天山山区沿43°N年平均和夏季云水含量纬向——高度剖面（图6）可以看出，云液水含量（图6a）在垂直方向上的最大高度在700 hPa附近，由中心向东逐渐减少，在84°E左右的高空出现低值，在接近86°E附近的区域高度略有下降，说明高值区出现在对流层中层，中心最大值为13×10-3g·kg-1，云液水含量主要集中在500 hPa以下，500 hPa以上的高空很少，可以忽略不计。夏季云液水（图6b）的高值区出现在600 hPa左右的高空，中心最大值可达到34×10-3g·kg-1，同一高度上从西向东逐渐降低。云冰水含量（图6c）比发展的高度要高，主要集中在200～800 hPa的对流层大气中，云冰水含量，500 hPa的高空出现高值区，中心最大值可达到12×10-3g· kg-1，云冰水沿着500 hPa向两侧都呈递减趋势，且在600 hPa附近的高空变化梯度较大。夏季云冰水含量（图6d）主要集中在600～200 hPa的大气层中，高值区在500 hPa左右，以高值区为中心向两边逐渐减少，200 hPa以上的高空云冰含量很微弱，可忽略不计。

4　结论

（1）1979—2014年天山山区年均水汽含量的空间分布特征显示，水汽含量的高值区主要集中在盆地、河谷和山麓地带，伊犁河谷地区出现高值区，值域在10～11 mm之间，在（43°N，85°E）附近的巴音布鲁克盆地出现低值区，值域在5～6 mm之间。

（2）年平均云水含量垂直积分的空间区域分布特征显示，云液水含量的高值区出现在东天山的博格达山北坡，最大值在17 g·m-2以上，而低值区则出现在海拔较低的山区，尤其在伊犁河谷地区，云液水含量仅为1 g·m-2；云冰水的高值区在西天山的高海拔地区，中心最大值在100 g·m-2左右。从总体空间区域分布来看，云水含量表现为高山多于平原和盆地，并且云冰水含量值远高于云液水，反映出云量的分布也是高海拔地区多于低海拔地区。

（3）云水含量的垂直分布特征，云液水主要集中在500 hPa以下的对流层，且经向分布主要集中在42°～46°N之间，反映出天山山区高含水量低云主要分布在这一纬度区。并且在42.5°N附近的600 hPa高空出现高值区，中心最大值为10×10-3g·kg-1，北边的对流发展高度要比南边地区略低，夏季云液水含量是全年最大的季节，可到达34×10-3g·kg-1；云冰水含量主要集中分布在200 hPa以下的对流层，高值中心出现在43°N附近的500 hPa高空，中心最高为11×10-3g·kg-1，在垂直高度上，云冰水相比云液水发展的高度要更高。

图6　沿43°N的纬向—高度剖面图（单位：×10-3g·kg-1）

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The SpatialDistribution ofW aterVaporand Cloud W aterContentover Tianshan Mountains,China Based on ERA-Interim Dataset

SHIXiaolan1，2，YANG Qing2，YAO Junqiang2，HAN Xueyun3，LIJiangang4
（1.CollegeofGeographicand Tourism Sciences，Xinjiang NormalUniversity，Urumqi830054，China；2.InstituteofDesertMeteorology Administration，Urumqi830002，China；3.Xinjiang Climate Center，Urumqi830002，China；4.Xinjiang MeteorologicalObservatory，Urumqi830002，China）

AbstractSpatialdistribution characteristics ofwater vapor and cloud water resources over the Tianshan Mountains from 1979 to 2014 were analyzed by using ERA-Interim datasetreleased by European Centerfor Medium Range W eather Forecasts（ECMW F）.Resultsshowed（1）The high valuecenterofTCW V appearsin thewindward sideofBoluokenu Mountain,and itscentralrangeis between 10 mm and 11mm.The low value zone appearsin Bayanbuluk basin and itscentralrange isbetween 5 mm and 6 mm;TCW V isthe mostabundantin summerand itisbetween 8 mm and 11 mm.（2）The high value area ofCLW C appearsin the north slope ofBogda Mountain and the high value area ofCIW C appears in Tuomuer ofW estTianshan Mountains,while the low value areasofthem aremainlyconcentrated overYiLiValley and otherlowerelevation areas.CLW C and CIW C show a decreasing trend,and the CIW C decreasesmore obvious,and the decreased rate is 0.28×10-3g·kg-1/10 a.（3）In verticaldistribution,the CLW C appearshigh value at600 hPa,and high value area ofthe CIW C occursataround 500 hPa,and theirmaximum are 10×10-3g·kg-1and 11×10-3g·kg-1respectively.In the troposphere,the CIW C is more than CLW C,and the former heightishigherthan thelatter.

Key wordsTianshan Mountains; cloud liquid water content; cloud ice water content;spatial distribution

中图分类号：P426.52

文献标识码：A

文章编号：1002-0799（2016）02-0050-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.008

收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-02-06

基金项目：国家自然科学基金（41375101）；国家科技支撑计划项目（2012BAC23B01）。

作者简介：石晓兰（1989-），女，硕士研究生，主要研究方向干旱区环境演变与灾害防治。E-mail：sxl1607771881@163.com

通讯作者：杨青（1956-），男，研究员，主要研究方向气候变化和水资源。E-mail：yangq@idm.cn