成都地区空中水资源潜力分析

袁宁乐，肖天贵，吴 璇

（成都信息工程大学，四川 成都 610225）

当今中国正面临着水资源过度开发、水资源短缺、水污染等严重的水情问题，针对这些问题政府部门已提出并实施了相应的措施。其中，水资源短缺问题将制约地区经济、社会的发展[1]。成都地区位于102°54′~104°53′E，30°05 ′~31°26′N，属于亚热带季风气候，雨量充沛。随着城市经济的高速发展，成都市常住人口增至近1500万人。据报道，随着成都地区城市面积逐渐扩张，在未来五年其人口规模预计将增至约1800万人。在人口密度较高的城市，其土地性质发生变化，会加大水资源的承受能力[2]，城市与环境之间的矛盾在城市内涝与缺水并存的现象中得到显著体现[3]。空中水资源是全球水资源的重要组成部分，开发空中水资源是解决水资源短缺的一个重要途径[4]。因此，研究和探讨成都地区空中水资源特征，对缓解成都地区的水资源压力具有重要意义，为合理开发该地区空中水资源提供了理论基础。

关于空中水资源的特征，诸多学者已针对不同区域作过一些对比研究分析。范思睿等[5]利用NCEP/NCAR再分析月平均资料分析了中国西南地区水汽总量和水汽输送的气候特征；周长艳等[6]分析研究了金沙江流域及其邻近地区空中水资源的气候特征；解承莹等[7]剖析了青藏高原夏季空中水资源时空变化特征及其机制，包括水汽收支等方面；朱丹等[8]讨论了四川地区分区域后的降水时间、空间分布特征及其变化规律；也有一些专家针对较小区域进行了水资源特征分析，如肖天贵等[9]对四川芦山地震区进行了小区域水资源特征分析研究。

上述工作均取得了一些有意义的结果，对本文分析成都地区空中水资源特征有着重要意义与作用。为了定量地探讨成都地区空中水资源的特征，本文通过可降水量、水汽、实际降水量等方面，从“量”上对成都地区上空空中水资源进行分析与研究，为成都地区人工影响天气和防灾减灾等方面提供基础支撑。

1 资料和方法

1.1 资料选取

采用2007—2016年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）逐日再分析资料（格点距离为 0.5°×0.5°，包括风场、比湿、地面气压和温度资料），以及国家气象数据中心24 h累计降水资料。

1.2 计算方法

由于实际大气中300 hPa以上水汽含量很少[10]，故在计算中只考虑300 hPa以下的大气层。本文在进行垂直积分时，选择了1000~300 hPa共8层的数据资料。

1.2.1 可降水量

PW为可降水量，表示某区域单位面积上空整层大气的总水汽含量[11]，也代表了单位面积上空气柱内包含的水汽全部凝结成降水所形成的水层质量[12]，单位为 kg/m2。其中 g为重力加速度（m/s2），ps为地面气压（hPa），pz为 z高度处的气压值（hPa），q为比湿（g/kg）。

1.2.2 水汽通量、水汽通量散度

Q表示水汽通量，是指单位时间内流经某一单位面积的水汽质量[13]，单位为 kg·m-1·s-1。其中表示水平风矢量（m/s）。

D表示水汽通量散度，表示某地的辐合或辐散情况。其中▽表示计算散度的Hamilton算子，其单位为kg·m-2·s-1。

1.2.3 水汽收支

2 结果与分析

2.1 可降水量特征

2.1.1 可降水量四季变化和年平均变化

通过对2007—2016年整层（地面~300 hPa）可降水量的积分计算，可得到10 a来成都地区四季和全年平均可降水量变化（图1），图中黑色方框代表成都地区（下同）。从空间分布来看，成都地区可降水量分布不均匀，由东南向西北逐渐减少。四季区域平均的可降水量分别为春季21.29 kg/m2、夏季39.89 kg/m2、秋季 25.31 kg/m2、冬季 10.69 kg/m2，存在明显的季节变化差异，夏季整层可降水量最多，冬季最少。经计算，成都地区10 a平均的年可降水总量边界阈值为3900~13000 kg/m2，区域平均的年可降水总量达8893.87 kg/m2，可降水量丰富。

2.1.2 可降水量逐年平均变化

通过逐年计算2007—2016年整层大气平均可降水量，得出了近10 a来成都地区的平均可降水量变化。从成都地区整体来看，东南部可降水量较多而西北部可降水量较少。成都地区每年的平均可降水量边界阈值维持在10~35 kg/m2左右，相对稳定，年际变化较小，且可降水量数值呈现出由西北向东南方向递增的形势。总体来讲，成都地区可降水量充沛，10 a来平均可降水量的变化特点为：夏、秋季较多，由西北向东南逐渐增多且相对稳定。

2.2 水汽通量与水汽通量散度特征

2.2.1 水汽通量四季平均变化

成都地处四川省中部，其西侧为川西高原，来自该方向的水汽在500 hPa以下会受到川西高原的阻挡。通过计算2007—2016年四季整层的平均水汽通量，可以得到10 a来亚洲地区四季平均水汽通量变化（图2）和成都地区四季平均水汽通量变化（图3），据此分析成都地区的水汽输送源地、方向和路径。

成都地区的水汽输送有着明显的季节变化特征。从图2a和图3a可以看到，成都地区春季水汽输送的方向以由西向东输送为主，主要的水汽来自于中纬度偏西风的输送，该区域水汽输送数值为40 kg·m-1·s-1左右。成都地区夏季水汽主要来源于孟加拉湾和印度西南季风的输送（图2b、图3b）。一方面，来自印度西南季风的水汽输送到云南时开始减小，使得到达成都地区的水汽输送数值较小。另一方面，成都地区春、秋、冬季的水汽输出口主要为东边界，而从图3b可以明显看到成都地区夏季有两个水汽输出口（北边界和南边界），导致夏季整个成都地区的水汽输送数值偏小。图2c和图3c显示成都地区秋季水汽输送方向主要以自西南向东北方向为主，西风气流与来自孟加拉湾的水汽汇聚，成为成都地区的主要水汽来源，该区域上空水汽输送数值为44 kg·m-1·s-1左右。成都地区冬季水汽输送方向主要为自西向东（图2d、图3d），主要的水汽来自于偏西气流的输送，其上空水汽输送数值在29 kg·m-1·s-1左右。

图1 成都地区 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）、全年（e）平均可降水量（单位：kg/m2）

图2 亚洲地区2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均整层水汽通量（单位：kg·m-1·s-1）

图3 成都地区 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均整层水汽通量（单位：kg·m-1·s-1）

2.2.2 水汽通量年平均变化

垂直方向上水汽输送分布变化较大。从地面～700 hPa，成都地区主要的水汽来自于印度西南季风的输送（图4a）。成都地区上空东侧有较强的水汽输入，该区域内水汽输送数值为 30 kg·m-1·s-1左右，由东向西逐渐减小。从地面～500 hPa（图4b），由西向东输送的水汽和来自孟加拉湾的水汽到达成都地区，该地区上空水汽输送数值在50 kg·m-1·s-1左右。从地面～300 hPa，成都地区上空水汽输送数值达到65 kg·m-1·s-1（图4c）。主要的水汽输送路径为中纬度西风带由西向东输送，来自孟加拉湾地区的贡献最大。

2.2.3 水汽通量散度平均变化

图5为2007—2016年成都地区四季和年平均水汽通量散度图。成都地区处于辐合中心西北侧，该区域内有水汽辐合，有利于水汽的堆积。其西北侧存在较强的辐散中心，该处的水汽辐散至成都地区加强水汽的辐合。平均来看，成都地区上空春、夏、秋季水汽辐合强度较大，易堆积水汽，而冬季最弱。

总体而言，成都地区四季水汽输送通量较稳定，夏季相对偏小。成都地区水汽输送以自西向东为主，春、秋、冬季主要的水汽输入口为西边界，主要的水汽输出口为东边界。夏季由于有两个水汽输入口（西、东边界）和两个水汽输出口（北、南边界），导致夏季成都地区的水汽输送数值偏小。成都位于水汽辐合区内，在春、夏、秋季水汽更易堆积，有利于降雨，冬季辐合强度最弱。成都地区对流层水资源充沛，其中该地区的西边界水资源尤为丰富。

图4 亚洲地区 2007—2016 年地面~700 hPa（a）、地面~500 hPa（b）、地面~300 hPa（c）平均水汽通量（单位：kg·m-1·s-1）

2.3 区域水汽收支

2.3.1 全年区域水汽收支

表1为2007—2016年成都地区10 a平均边界水汽收支（计算区域为 102.5°~105°E，30°~31.5°N），负值表示输出量，正值表示输入量。

表1 2007—2016年成都地区年平均边界水汽收支（×107kg/s）

从整层来看，成都地区主要的水汽输入口为西、南边界，水汽输出口为北、东边界，总体呈水汽净输入状态。跟对流层其他层的水汽输送状态不同的是，地面~700 hPa成都地区的地理环境导致西边界没有水汽输入，反而有少量输出，而东边界为水汽输入口，这与前文分析的水汽通量显示的结果一致。东边界作为该层唯一的水汽输入口，水汽输入量较大。该层水汽总输入量占整层的79%，是整层大气中主要的水汽输入层，而水汽输出量较小。在整层的南边界中，只有700~500 hPa是唯一的水汽输入层。该层水汽总输入、输出量均较大，且水汽总输入量小于水汽总输出量，表明该高度上水汽耗散量较大，导致该层为净输出层。500~300 hPa，成都地区水汽输入状态有所变化，北边界为水汽输入口，南边界为水汽输出口，水汽净输入量较小。西、东边界水汽输送强，而南、北边界水汽输送相对较弱。明显可以看到，在整层的西边界中，该层是主要的水汽输入层，这与成都地区所处的地理位置有密切关联。

图5 成都地区 2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）、全年（e）平均水汽通量散度（单位：10-5kg·m-2·s-1）

总的来说，成都地区年平均边界水汽收支的特点为：700 hPa以下为主要的水汽输入层，水汽耗散量较小；水汽输出主要集中在700 hPa以上的层次，其中700~500 hPa为净输出层；与其他层次相比，高层水汽输入总量和输出总量较均衡，使得净输入量小。可以看到，成都地区500 hPa以下的东边界和500 hPa以上的西边界水汽输送较强，空中水资源丰富。

2.3.2 四季区域水汽收支

表2~表5分别为2007—2016年成都地区10 a来春、夏、秋、冬四季不同层次的平均边界水汽收支。表2为2007—2016年成都地区四季整层的平均边界水汽收支。从整层来看，成都地区四季都是水汽汇，主要的输入口为西边界。表中显示，夏季水汽净输入量相对偏小，这与前文分析到的水汽通量特征有密切关系。净输入水汽占总输入水汽的比重分别为春季52%、夏季69%、秋季43%、冬季28%，可以看到尽管夏季水汽输入量偏小，但由于水汽输出量很小，使得夏季的水汽亏损率最低，而冬季最高。除夏季以外，其余几个季节的东边界水汽输出量较大，四季西边界的水汽输入量均较大，这些季节的这些边界上水汽输送较强，空中水资源充沛。

表2 2007—2016年成都地区四季整层的平均边界水汽收支 （×107kg/s）

表 3为 2007—2016年成都地区四季地面~700 hPa的平均边界水汽收支。地面~700 hPa，成都地区西边界由于川西高原地形的阻挡，导致冬季几乎无水汽输送，而其余3个季节有少量水汽输出。成都地区东边界为主要的水汽输入口，且夏季水汽输入最强盛。除春季的北边界和冬季的西、北边界外，四季的西、北、南边界均为水汽输出口，且南边界水汽输出相对较强。该层为水汽净输入层，夏季的净输入量最大，水汽亏损率低，而冬季亏损率高。综合来看，成都地区四季700hPa以下的东边界和南边界分别为主要的水汽输入、输出口。夏季该层的水汽亏损率低，其东边界水汽输送较强，空中水资源充沛。

表3 2007—2016年成都地区四季地面~700 hPa的平均边界水汽收支 （×107kg/s）

表4为2007—2016年成都地区四季700~500 hPa的平均边界水汽收支。700~500 hPa，四季水汽的输入和输出较均衡，但水汽总输出量偏大，总体呈净输出状态。北、东边界均为水汽输出口，西、南边界均为水汽输入口。除夏季以外，其余3个季节成都地区的西边界水汽输入量较大；除冬季以外，其余3个季节南边界的水汽输入量较大。经计算，成都地区该层水汽输出占整层的比例比水汽输入占整层的比例大。综合来看，从700~500 hPa，成都地区四季的东边界、秋季的四个边界水汽输送均较强；夏季除北边界外，其余边界的水汽输送均比其他季节的相同边界偏弱。

表4 2007—2016年成都地区四季700~500 hPa的平均边界水汽收支 （×107kg/s）

表5为2007—2016年成都地区四季500~300 hPa的平均边界水汽收支。500~300 hPa，四季水汽的输入和输出也较为均衡，但水汽总输入量偏大，总体呈净输入状态。四季东边界均为主要的水汽输出口，南边界均有少量水汽输出；西边界水汽输入量最大，北边界均有少量水汽输入。综合来看，500~300 hPa成都地区的水汽输送主要以自西向东为主，西边界和东边界水汽输送强盛。

表5 2007—2016年成都地区四季500~300 hPa的平均边界水汽收支 （×107kg/s）

平均来看，整层的水汽输送均比较强盛。在700 hPa以上，四季水汽总输出量占整层的比重分别为春季83%、夏季78%、秋季90%、冬季89%，表明成都地区水汽输出主要集中在700 hPa以上。同时，500 hPa以下水汽净输入量占整层的比重分别为春季80%、夏季92%、秋季84%、冬季72%，表明成都地区水汽被利用的高度主要集中在500 hPa以下，且夏季水汽亏损率最低，冬季最高。

总体而言，成都地区四季空中水资源十分丰富，水汽输送较强的区域为：（1）整层，除夏季以外的东边界、四季的西边界；（2）地面~700 hPa，夏季的东边界；（3）700~500 hPa，四季的东边界、秋季的四个边界；（4）500~300 hPa，西边界和东边界。综合来看，成都地区水汽输送较强的区域集中在700 hPa以上秋季的西边界和四季的东边界、700 hPa以下夏季的东边界以及500hPa以上四季的西边界。

图6 成都地区2007—2016年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均实际降水量（单位：mm）

2.4 实际降水量特征

2.4.1 实际降水量四季平均变化

图6为2007—2016年成都地区四季平均实际降水量变化图，可以看到成都地区实际降水量季节变化明显。平均降水量分别为春季1.92 mm、夏季5.65 mm、秋季2.17 mm、冬季0.34 mm，呈现出夏秋多、春冬少的特点。雨量的变化在四季都呈自西北向东南逐渐增加的形势。

2.4.2 实际降水量年平均变化

图7为2007—2016年成都地区年平均实际降水量。可以看到近10 a来成都地区年平均降水量的边界阈值大约在600~1400 mm左右，10 a平均年降水量约为921 mm，雨量由西北向东南方向逐渐增多。

2.5 可降水量、实际降水量、水汽收支关系探讨

图7 成都地区2007—2016年年平均实际降水量（单位：mm）

在可降水量的分析中，了解到成都地区上空四季日平均可降水量为春季21.29 kg/m2、夏季39.89 kg/m2、秋季 25.31 kg/m2、冬季 10.69 kg/m2。四季日平均降水量分别为春季1.92 mm、夏季5.65 mm、秋季2.17 mm、冬季0.34 mm，可以理解为成都地区四季每天每平方米面积上的实际降水量分别为春季1.92 kg、夏季 5.65 kg、秋季 2.17 kg、冬季 0.34 kg（根据液态水的密度换算成单位面积上水的深度mm[12]）。通过比较实际降水量与可降水量，可以看出成都地区可降水量转化成实际降水的效率并不高。

通过计算可以得到成都地区日平均降雨量为2.52 mm。截至到2016年末，成都地区总面积大约为14 312 km2。通过粗略计算，可以知道成都地区每天的实际降水量大约为3.61×1010kg。由水汽收支的分析可知，通过对流层的水汽输送，使得成都地区上空空中水资源十分丰富，年平均整层水汽总输入量为3.69×107kg/s。假设成都地区平均每天降雨1 h，则由水汽收支计算得到成都地区的日平均水汽总输入量约为1.33×1011kg。成都地区单位气柱内日平均实际降水量为2.52 mm，由水汽收支计算得到的单位气柱内日平均水汽总输入量为9.28 mm。通过比较可以看出，尽管成都地区空中水资源十分丰富，但无论是可降水量还是输送来的水汽，实际转化为降水的量相对较少。

3 结论与讨论

本文采用2007—2016年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）逐日再分析资料（0.5°×0.5°）和国家气象数据中心24 h累计降水资料，对成都地区上空空中水资源进行研究与分析，为成都地区人工影响天气和防灾减灾提供基础支撑。主要得出了以下结论：

（1）成都地区上空的可降水量丰富，空间分布不均匀，由东南向西北逐渐减少。存在明显的季节变化差异，夏季整层可降水量最多，冬季最少。2007—2016年逐年整层大气平均可降水量相对稳定。

（2）成都地区水汽通量呈现明显的季节变化特征。夏季有两个水汽输入口（西、东边界）和两个水汽输出口（北、南边界），导致夏季成都地区的水汽输送数值偏小。其余3个季节主要的水汽输入口为西边界，主要的水汽输出口为东边界。不同季节和高度上，成都地区水汽输送源地、方向和路径都有差异，主要以自西向东输送为主。水汽主要来源于孟加拉湾，由西南季风输送。成都地区四季都处于水汽辐合区内，春、夏、秋季更容易堆积水汽。

（3）通过分析成都地区的水汽收支，发现此区域内水汽收支呈净输入状态，整层的水汽输送均比较强盛。由于成都地区所在的地理环境，导致700 hPa以下的西边界水汽输送较少。从地面往上，水汽输送依次呈净输入—净输出—净输入状态。平均来看，成都地区700 hPa以下为主要的水汽输入层，700 hPa以上为主要的水汽输出层；水汽主要在500 hPa以下被利用，且夏季水汽亏损率最低，冬季最高。成都地区水汽输送较强的区域集中在700 hPa以上秋季的西边界和四季的东边界、700 hPa以下夏季的东边界以及500 hPa以上四季的西边界。

（4）成都地区空中水资源十分丰富，但无论是可降水量还是输送来的水汽，实际转化为降水的量相对较少。

本文得出了一些有意义的结论，但在许多方面还存在不足，有待于进一步进行探讨与研究。为了让水汽总输入量与实际降雨量有可比性，有些计算只是进行了粗略地估计，想要更精确地研究成都地区水汽总输入量和实际降水量的关系，还需要在以后的工作中进行更深入的研究与探讨。