天山地区水汽再循环量化研究

姚俊强，杨青，伍立坤，许兴斌

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐 830002；3.孝感市气象局，湖北孝感432100；4.新疆师范大学，新疆乌鲁木齐 830054；5.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 743000）

天山地区水汽再循环量化研究

姚俊强1，2，杨青1，2，伍立坤3，许兴斌4，5

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐 830002；3.孝感市气象局，湖北孝感432100；4.新疆师范大学，新疆乌鲁木齐 830054；5.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 743000）

利用传统气候学的Brubaker二元模型和降水同位素平衡模型定量研究了新疆天山地区水汽再循环特征。结果表明：（1）气候学角度，天山地区水汽再循环率为9.32%。当地蒸发的水汽形成的降水量为41.8 mm，外来水汽输送到山区形成的降水量为407.2 mm；（2）同位素水汽氘盈余为精细化的分析水汽再循环提供了新的思路，进一步证实天山地区水汽主要来自于西风带的水汽输送，而乌鲁木齐站平均再循环水汽仅占到8%。随着海拔的增加，水汽再循环率逐渐下降，在海拔2000 m以上的水汽再循环可以忽略不计。在西风带关键水汽输送路径建立降水同位素观测断面，使两种方法相结合，共同研究水汽的来源和路径问题，是下一步需要关注的问题。

水汽再循环；降水同位素；水循环；天山

大气降水是水循环和水量平衡的重要组成部分，是地表水资源的根本来源。大气降水量从根本上决定着一个地区水资源的丰富与否，尤其是在干旱区。一般认为，某一地区的总降水量等于外来水汽输送形成的降水量和当地陆面蒸发的水汽形成的降水量之和，即外来水汽和水汽再循环[1-3]。对任一区域，本地蒸发的水汽再形成降水降回本地的过程称为水汽再循环[1]。研究水汽再循环过程，对于理解区域水循环、水汽来源和对陆—气相互作用研究具有重要的意义。

天山山系是中亚干旱区最大的山系，山脉横贯东西，是中亚地区降水最多的地区，山区的大气降水是地表水和地下水体的主要补给源，被称为中亚的“湿岛”和“水塔”[4-5]。通过前人大量的研究，水汽输送对天山降水的影响已有了清晰的认识[6-13]，外来水汽源分别为：（1）源自大西洋的海洋气团；（2）源自里海、黑海等的中亚气团；（3）源自印度洋的海洋气团；（4）源自北冰洋的极地气团，其中受来自大西洋的西风带水汽输送影响最大。但是，这些研究忽略了水汽再循环过程对降水的影响，相关研究较少。水汽再循环研究方面，相关学者从传统气候学和水量循环角度建立了模型，常用的有Budyko一元模型[14]、Brubaker模型[15]、Eltahir模型[16]等，我国学者引入国内，并做了改进[3]。刘国纬对我国的水汽循环做了全面的分析，得出西北地区水汽再循环较弱，当地蒸发的水汽形成的降水量仅占5.95%，而全国在10%左右[3]。张良等发现祁连山区水汽再循环率占到20.76%[17]。Guo和Wang利用Brubaker模型发现青藏高原水汽再循环率区域差异较大，最大达到40%以上[18]。庞忠和、孔彦龙等通过降水同位素技术，研究了乌鲁木齐河流域的降水同位素变化，较为系统的研究了降水同位素的高程、温度、纬度等效应，为进一步研究奠定了基础[1，2，19]。

鉴于以上研究成果，为了更加明确天山地区的水汽再循环研究，本文应用Trenberth二元模型和降水同位素平衡模型，定量研究天山山区水汽再循环率，为区域水资源利用和可持续发展提供科学依据。需要说明的是，由于资料的限制，本文所指的仅是中国境内的天山部分。

1 资料与方法

1.1 资料

研究天山地区的当地蒸发对降水量的定量贡献，需要用到天山地区常规气象台站的地面观测资料和高空资料。地面资料包括海拔≥1500m的10个测站（外加乌鲁木齐站）的逐月气温、降水量、相对湿度、风速、日照时数等气象要素，起止时间为最新统编资料的年限即1981—2010年。天山山区无高空探测站点，因此选用常用的再分析资料。NCEP/ NCAR再分析资料是目前世界各国气象学家研究天气和气候时的常用资料，刘蕊和杨青[20]发现在新疆NCEP/NCAR1°×1°资料比2.5°×2.5°资料更接近探空资料，且能较好地反映新疆降水过程的水汽输送、辐合和演变特征[11]。因此，本文选择NCEP/NCAR逐日4次再分析1°×1°再分析资料，包括1000～100 hPa共21层的地面气压、比湿、风场资料，时间起止为2000—2010年。水汽输送量的具体计算见文献[3]，其中月和年水汽通量是利用日水汽通量时间积分得到，整层水汽收支选取地面至100 hPa进行积分得到。

国际原子能机构（IAEA）和国际气象组织（WMO）共同建立了全球大气降水同位素监测网络（GNIP），提供了自20世纪50年代后期以来全球不同地区的降水同位素数据，乌鲁木齐站是唯一的天山地区降水同位素监测站点，观测时间为1986—2003年（表1）。选取月均的降水同位素2H与18O数据及对应的平均气温、降水量。为使降水观测具备代表性，不同海拔的观测是必要的。中科院地质与地球物理研究所在乌鲁木齐河流域进行了降水同位素观测，实验时间为2003年4月—2004年7月，降水同位素观测点选在高山站和后峡站[1-2]。本研究采用该实测数据做相关研究，数据来自水同位素与水岩反应实验室，同位素2H与18O的测试精度分别为±0.1‰和±0.02‰。

1.2 方法

1.2.1 地气系统水量平衡

地气系统水量平衡方程是对陆地—大气系统水循环过程中各水文要素之间数量关系的定量描述。陆地—大气系统的水循环过程十分复杂，因此，很难对一个区域的地气系统水文循环过程做出清晰、完整的描述。本文利用较为清晰的概念模型来讨论水文循环的大气过程[21]。根据水量平衡原理：

表1 乌鲁木齐河流域降水同位素观测站点信息

式中，F为当地上空水汽的净水汽量；Fin为境外水汽输入量；Fout为输出的水汽总量；P为总降水量；Pm为蒸发水汽在当地形成的降水量；Pa为区域外输入水汽直接形成的降水量。

我们定义当地蒸发的水汽对降水的贡献为β，称为水汽再循环率，即水汽再循环产生的降水量在总降水量中所占的比重[1]。则有

图1表示了水循环的概念模型，为研究区域水汽的再循环提供了物理图像。从区域外输入的水汽和当地蒸发的水汽，在区域陆地—大气系统的水文循环过程中，经历了许多次具有不同时间尺度和不同空间尺度的水文再循环过程[17]。下面分别阐述计算水汽再循环率的气候学和水文学方法。

图1 地气系统水循环框架图[18]

1.2.2水汽再循环的气候学量化方法

根据公式（2），认为区域内的总降水量等于外来水汽形成的降水量和当地蒸发的水汽形成的降水量之和。国内外气候水文学者从气候学角度提出了定量化当地蒸发水汽对形成降水贡献的方法[3，14-17]。本文利用Brubaker二元模型[15]，基于2个基本假设：（1）降水、蒸发、大气水汽含量和水汽输送通量在所研究区域内的分布呈线性变化；（2）境外输入水汽和境内蒸发的水汽在本地区上空得以充分混合，具有形成降水的同等机会。根据假设（1），区域上空水汽含量中由境外输入的部分Qa为

式中，A是区域面积，单位为km2。同样，由境内蒸发的部分水汽量Qm为

由假设（2）得，Qa和Qm充分混合。因此，Pa和Pm的比值等同于Qa和Qm的比值，即

综合公式（2）—（6），可以得出水汽再循环率为

式中，E为实际蒸发量，单位为mm。在生态水文学中，基于水热耦合平衡的Budyko模型成为估算实际蒸发量的方法之一[14]。我国气候学家傅抱璞[22]推导出具有坚实的数理基础的Budyko假设解析表达式，称为傅抱璞公式，具体为

式中，E是实际蒸发量；ET0是潜在蒸发量；P是降水量；是参数，取决于流域下垫面条件，如植被覆盖、土壤属性和地貌特性等。姚俊强等[23]建立了新疆干旱区各区域参数值，其中天山山区值为1.66。因此，可以利用公式（8）来估算天山地区实际蒸发量，其中潜在蒸发量采用FAO推荐的Penman-Monteith方法[24]。

1.2.3水汽再循环的同位素水文学量化法

水汽再循环的同位素量化方法，主要是基于质量守恒和同位素平衡模型，本文所用的为基于氘盈余的水汽同位素平衡模型。国际上通用δ值来表示元素的同位素含量。δ值是指水样品中某元素的同位素比值（R）相对于标准水样同位素比值（RVSMOW）的千分偏差，即[25]

用δ值表示水的同位素比值可以很明确地看出同位素比值变化的方向和程度。如δ值为正表示水样较标准富含重同位素，δ值为负表示水样较标准富含轻同位素。

Dansgaard[26]提出了氘盈余的概念,并将其定义为:

干旱区陆表蒸发的水汽氘盈余显著高于降水和外来水汽的氘盈余值[19]，因此，氘盈余作为示踪剂，能够更加准确地指示水汽来源，量化水汽来源。孔彦龙和庞忠和等提供了一种利用同位素与氘盈余来独立计算水汽再循环率的方法[1-2]。在干旱区，蒸发量较大，云下蒸发是不可忽略的过程。因此，水汽再循环包括两部分，一是云下蒸发部分，当温度低于0℃时，云下蒸发过程不明显，可用Froehlich模型[27]；二是陆表（水面）蒸发部分。以氘盈余作为示踪剂，Peng等建立了基于氘盈余的水汽同位素平衡模型（Peng模型）[28]：

式中，fc为降水蒸发剩余比，dc为云层底部降水的氘盈余，dadv为外来水汽的氘盈余，devap为再循环水汽的氘盈余。具体计算过程见文献[1]。

2 结果与分析

2.1 基于气候学方法的天山地区水汽再循环率计算

天山地区地形复杂，站点稀缺，对其降水量的合理计算是一个难点。史玉光等[29]结合新疆天山的地理、气候和站点分布特征，提出了新疆天山地区降水量的插值计算方法，即以自然正交分解（EOF）和DEM相结合的梯度距离平方反比法（GIDS）。杨莲梅等[13]对该方法在计算天山地区降水量进行了拟合误差分析，发现相关误差为6.8%，证实该方法在天山地区科学可行。经计算，天山地区2000—2010年平均降水量为449.0 mm，夏季降水量最大，为232.4 mm，春秋季节分别为108.2 mm和81.0 mm，冬季仅为27.4mm。

利用NCEP/NCAR逐日4次再分析1°×1°再分析资料估算了天山地区2000—2010年整层水汽平均输入量。需要将境外流入山区的水汽输送量转化为区域面平均值，本研究的山区格网计算面积为3.203×105km2。经计算，2000—2010年流入山区的境外水汽输送量为4 258.8 mm，其中夏季输送量最大，为1 756.9 mm，春秋季分别为1 046.2 mm和949.4mm，冬季为505.2mm。经Penman-Monteith模型和傅抱璞公式（8）估算的山区多年平均实际蒸发量为273.2 mm，其中夏季为140.1 mm，春秋季分别为59.9mm和59.1mm，冬季仅为11.1mm。

综合以上计算结果，利用公式（7），计算得出天山地区年水汽再循环率为9.32%（表2）。水汽再循环率在夏季最高，为11.32%，春秋季相当，分别为8.41%和8.64%，冬季为3.40%。在天山地区，当地蒸发的水汽形成的降水量为41.8mm，外来水汽输送到山区形成的降水量为407.2 mm。因此，天山地区主要依靠外来输送水汽到山区上空，在地形和大气环流的综合作用下形成降水。

表2 天山地区四季水循环要素

2.2 基于同位素平衡模型的天山地区水汽再循环率计算

某一地区δD～δ18O线性关系被称为区域大气降水线（LMWL），区域大气降水线往往偏离全球大气降水线，为研究一个局部地区的降水同位素提供参照，反映了各自降水的变化规律。因此，同位素的方法通常是绘制区域降水δ2H-δ18O图，然后依照图2分析各种影响同位素变化的过程[1]。

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Craig等利用GNIP观测网络全球的200多个站点的大气降水同位素数据，得出全球尺度下的大气降水线，被称为全球降水线（GMWL）[25]：

利用GNIP网站提供的乌鲁木齐站1986—2003年各月的降水同位素数据，得出大气降水δ2H-δ18O关系，即当地的大气降水线（LMWL_Urumqi），即

乌鲁木齐大气降水中的δ2H在-204.5‰～ -8.9‰之间，平均值为-86.25‰，变差系数为5.3%；δ18O在-27.97‰～1.8‰，平均值为-12.42‰，变差系数为5.1%。全年降水同位素变化明显，从12月至次年7月，降水同位素值呈逐渐增加趋势；8—11月同位素值迅速减小。

乌鲁木齐地区大气降水线的斜率（6.977）小于全球降水线（8），接近于西风带的斜率（7.24[1]）。一方面说明了该地区降水的水汽主要来自于西风带的水汽输送；另一方面，降水至地面过程中发生了云下蒸发[27]。在新疆，蒸发量大，绿洲和水体等陆面蒸发的水汽和外来水汽一起形成降水。此外，由于温度较高，雨滴从云底至地面的过程中会有蒸发，即云下蒸发。陆面蒸发和降水云下蒸发合称为水汽再循环过程。根据图2所示，水汽再循环过程中，氘盈余d值会偏高，同位素贫化。进一步说明在干旱区可以用氘盈余来研究水汽再循环过程。

图2 乌鲁木齐水分内循环与云下蒸发控制的降水同位素演化示意图

在干旱环境中，蒸发量的大小主要取决于降水量，而温度也是影响因子之一。而在干旱区，降水同位素有明显的温度效应。因此，温度影响着不同的降水过程，温度与氘盈余d和δ18O的关系可以定性的判定水汽再循环的存在。孔彦龙等[1-2]发现了乌鲁木齐河流域降水同位素因温度区间而异，包括绝热膨胀、水汽再循环与云下蒸发等降水过程（图3）。在天山山区，温度主要受海拔高度的影响，说明地形是影响水汽再循环的主要因素之一。

根据公式（11），可以定量的计算乌鲁木齐河流域不同海拔高度的水汽再循环的差异。从乌鲁木齐站到高山站，随着海拔的增加，水汽再循环率逐渐下降。在山区，仅在温度高于0℃的季节有水汽再循环发生，降雪过程中当地蒸发贡献几乎为0。在绿洲，除了平均温度低于0℃的1月，其余季节均有水汽再循环发生。乌鲁木齐站平均再循环水汽占到8%，在3—6月低于均值，而8—11月明显抬高[1-2]。

2.3 天山地区水汽再循环率

基于上述气候学和同位素水文学的分析，天山地区水汽再循环率分别为9.32%和8%，两者在四季的结果相似（图4）。值得说明的是，气候学方法是把天山山区做为一个整体来研究的，而同位素结果仅来自乌鲁木齐河流域。乌鲁木齐河的实验表明，海拔2000 m以上的水汽再循环率已经很小，仅为0.33%；而临近一号冰川的高山站仅在6月有1%的再循环率。因此，在海拔2000m以上的水汽再循环可以忽略不计。选取新源（929.1 m）、昭苏（1 854.6 m）、巴音布鲁克（2 458.9m）和巴里坤（1 650.9 m）为天山地区代表站点，分别计算Pm。在气候学角度，各站的Pm分别为49.8、50、27.8和21.4mm。

图3 乌鲁木齐河流域降水同位素18O、氘盈余与气温的关系（数据来自文献[1]）

图4 基于两种方法的天山地区降水量分解

3 结论与讨论

一个基本认识是，某一区域内的总降水量等于外来水汽形成的降水量和当地蒸发的水汽形成的降水量之和。本研究从气候学和降水同位素水文学的角度，利用改进的方法，对天山地区水汽再循环进行了定量研究，得出了以下结论：

（1）气候学角度，天山地区水汽再循环率为9.32%。当地蒸发的水汽形成的降水量为41.8mm，外来水汽输送到山区形成的降水量为407.2mm。

（2）在同位素水文学角度，天山地区水汽主要来自于西风带的水汽输送，而乌鲁木齐站平均再循环水汽仅占到8%。随着海拔的增加，水汽再循环率逐渐下降，在海拔2000 m以上的水汽再循环可以忽略不计。

3.2 讨论

气候学上，开展水汽再循环的研究较早。1974年著名水文气候学家Budyko提出了估算水汽再循环的一元模型[14]，该模型被我国水文学家刘国纬先生改进后介绍到国内，一直沿用至今[3，17]。Brubaker把该模型扩展到区域尺度，后经Trenberth扩展到月时间尺度[30]，即成为本研究2.2.2部分介绍的Brubaker二元模型[15]。还有Eltahir和Bras建立的二元水汽平衡模型[16]。Guo和Wang把Brubaker模型应用到青藏高原地区，证实该模型在高海拔山区具有适用性[18]。但是，Brubaker模型用水量平衡原理，把整个区域看做一个格点组成的整体，且认为降水、蒸发和水汽输送在区域内呈线性变化分布，虽然精简了繁琐的计算，但忽略了水循环要素的非线性变化对水汽再循环的影响，尤其是山区特殊的地形结构和下垫面特征。此外，该方法需要水循环过程的大量参数，在资料稀缺地区缺少应用。

随着同位素技术的发展，水同位素可以较好地示踪水汽来源，而氘盈余示踪水汽来源更加准确简单[31]。本研究所用的方法，是经Kong等在经典的Peng模型和Froehlich模型基础上改进后，经Monte-Carlo算法检验，适合于干旱区。Froehlich等研究发现阿尔卑斯山区的再循环比约为2.5%～ 3%[27]；Tsujimura等发现青藏高原那曲地区陆表蒸发形成的水汽在降水中大约为27%[32]；而台湾山区陆地蒸发的水汽在山区年降水中比例可达37%[27]。因此，利用同位素方法，获取区域不同海拔上的水汽再循环，可以获得更高精度的结果，为更加精细化地分析水汽再循环提供了新的思路。

本研究仅利用传统气候学和新的同位素水文学方法分别计算了水汽再循环。但如何使两种方法相结合，扬长避短，相互佐证，共同研究水汽的来源和路径问题，是下一步需要研究的问题。此外，同位素水文实验在天山地区开展较少，而其独特的水汽源地示踪优势，需要气候研究者更多的关注，在西风带关键水汽输送路径建立定点长期观测，是未来需要进一步探讨的问题。

水汽再循环的研究对水资源管理和实施调水工程具有重要的意义，本文证实了被誉为中亚“水塔”的天山地区水汽再循环率仅为8%～9.32%，说明当地蒸发的水汽对降水的贡献较小，而广大的沙漠戈壁地区无水可蒸发，水汽再循环能力更弱。

致谢：中科院地质与地球物理研究所水同位素与水岩反应实验室提供乌鲁木齐河流域降水同位素观测数据；中科院的孔彦龙博士和兰州大学的李若麟提供相关参考资料，在此感谢！

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Quantifying Recycled Moisture Fraction in Precipitation of Tianshan Mountains

YAO Junqiang1，2，YANG Qing1，2，WU Likun3，XU Xinbing4，5
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi830002，China；2.Center of Central Asia Atmospheric Science Research，Urumqi 830002，China；3.Xiaogan Meteorological Bureau，Xiaogan 432100，China；4.Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China；5.College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 734000，China）

This paper investigated the quantifying recycled moisture fraction in precipitation of Tianshan Mountain,China.The precipitation isotopic data were collected from Urumqi stations and analyzed by the Brubakermodel and isotopic equilibrium model.Terrestrialmoisture recycling by evapotranspiration has recently been recognised as an important source of precipitation that can be characterised by its isotopic composition and watermass balance equation.The results showed that the precipitation recycling ratio is 9.32%by the Brubaker model in Tianshan Mountain,and the annual average is 8%in Urumqi region using the isotopic equilibrium model.The precipitation recycling ratio is declined with elevation,and approximates to zero above 2000 m.In arid and semi-arid regions,the contribution of transpiration by plants to local moisture recycling can be small,so that evaporation by bare soil and surface water bodies dominates.The article includes a discussion of these findings in the context ofwater cycling in the studied region.

precipitation recycling ratio；precipitation isotopic；water cycle；Tianshan Mountains

P434.5

B

1002-0799（2016）05-0037-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.006

2015-11-13；

2016-01-05

中国沙漠气象科学研究基金项目（Sqj2015012）；中国博士后科学基金（2016M592874）；国家自然科学基金项目（41605067；41375101;41505025）共同资助。

姚俊强（1987-），男，助理研究员，主要从事干旱区气候变化与水循环机理研究。E-mail：yaojq@idm.cn

姚俊强，杨青，伍立坤，等.天山地区水汽再循环量化研究[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（5）：37-43.