祁连山空中云水资源开发潜力研究新进展

尹宪志，王毅荣，徐文君，张丰伟，乔艳君，陈 祺，庞朝云

（1.甘肃省人工影响天气办公室，甘肃 兰州730020；2.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州730020；3.兰州市气象局，甘肃 兰州730020）

水是人类和一切生物赖以生存的物质基础。受全球气候变暖影响，水资源短缺问题已成为全球性安全问题。1979 年世界气候研究计划（WCP）表明，水分循环与能量是影响全球或区域尺度气象变化的主要因素。我国人均淡水资源占有量约2 100 m3，仅占世界平均水平的28%。目前我国城市中有约2/3缺水，约1/4 严重缺水。气候变暖造成的祁连山区河流来水量锐减，对河西走廊绿洲和“丝绸之路”的繁荣发展，带来严重影响。

祁连山区域（以下简称祁连山）是典型的气候变化敏感区和生态脆弱区，其水资源安全问题备受关注。祁连山既是我国西部地区重要的生态安全屏障，又是河西走廊荒漠绿洲得以生存繁衍和500 多万群众赖以生存及社会经济发展的根本保障。祁连山位于青藏高原、蒙古高原和黄土高原的交汇地带（94°～104°E，36°～39°N），山势西高东低（图1），山脉平均海拔在4 000～5 000 m，最高峰是疏勒南山的团结峰，海拔5 808 m[1]。由于祁连山特殊的地理位置和地形作用，山区最大降水量达800 mm，是河西走廊平原地带降水量的4～16 倍，是名副其实的“高山水塔”。祁连山由高山积雪形成的冰川地貌发育成3 000 余条冰川，是黑河、石羊河和疏勒河三大水系56 条内陆河的主要水源涵养地和集水区，素有河西走廊“生命线”之称。同时，祁连山空中水资源还是黄河、青海湖的重要水源补给区。

祁连山是“一带一路”经济发展战略中生态保护的重点区域之一。气候变暖使祁连山雪线上升，冰川和积雪等天然湿地面积萎缩，不仅直接影响群众的生产及生活，而且严重影响和制约绿洲保护、生态环境和社会经济协调发展。受青藏高原东北部气温持续升高，祁连山降水量减少及环境破坏等原因，使石羊河流域出山径流从20 世纪50 年代末的4.6×108m3减少到20 世纪90 年代的1.5×108m3，1999 年后维持在1.0×108m3左右。因此，如何改善生态环境和开发利用祁连山空中水资源就成为社会高度关注的问题[2-3]。

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。加强祁连山空中云水资源研究，有利于“祁连山国家公园”建设及祁连山生态系统保护与修复、水源涵养与生物多样性保护等。

图1 祁连山地形及气象站点分布

鉴于祁连山地区探测条件及资料的限制，专家学者的研究普遍以个例分析为主，许多科学问题如祁连山云水资源现状、年际变化、气候响应特征、开发潜力评估、人工易开发区域和开发途径等等，都缺乏系统的分析结论。因此，系统总结2005 年以来祁连山云水资源研究成果，评估祁连山云水资源对气候变暖的响应，以及云水资源开发潜力及人工增雨的效益评估等工作就显得尤为重要。一方面满足政府部门和社会高度关注的祁连山空中水资源开发利用等急需，另一方面对气象、水文和生态环境等研究具有重要意义。

1 祁连山云水资源气候变化特征

祁连山远离海洋，长期受西风气流控制，具有大陆性高寒半湿润山地气候特征。其中祁连山山前低山属荒漠气候，中山下部属半干旱草原气候，中山上部为半湿润森林草原气候。亚高山和高山属寒冷湿润气候，山地东部气候较湿润，西部较干燥[4]。

1.1 气温

1960—2005 年祁连山气温呈显著上升趋势，平均气温、最高气温、最低气温的气温倾向率分别为0.29、0.24 和0.40 ℃/10 a，升温幅度排序：最低气温＞平均气温＞最高气温。春、夏、秋和冬季平均气温升温率分别为0.340、0.191、0.155 和0.457 ℃/10 a，冬季的升温幅度最快[5-8]。

1.2 降水

祁连山不同区域降水量呈东多西少分布，其中西部为71.4 mm/a，东北部区为189.4 mm/a，东南部区为369.6 mm/a，东中部区为377.6 mm/a。祁连山降水量以中东南部贡献率最大为52.9%，东中部次之（23.1%），西部最小（6.6%）。在祁连山北坡海拔1 700～3 300 m 内，海拔每升高100 m，年均降水量增加约17.41 mm；在海拔3 300～3 800 m，海拔每升高100 m，年均降水量减少约30.21 mm[9]。

祁连山5—9 月降水量约占全年降水量的86.8%，1—4 月、10—12 月降水量仅占全年降水总量的13.2%。2008—2014 年以来，祁连山白天和夜间的降水量均呈增加趋势。祁连山不同等级降水日数的年际变化总体呈增多趋势，大雨强度年际变化绝大部分区域呈增大趋势，小雨和中雨日数增加的贡献最大[10-14]。

受全球气候变暖影响，1960—2005 年祁连山降水变化幅度较大，年均降水的气候倾向率为5.902 mm/10 a，达到0.05 的显著性水平。祁连山四季降水的气候倾向率分别为0.846、3.905、1.345 和0.287 mm/10 a[15、16]。

祁连山面雨量多年平均值为724.9×108m3，其中四季面雨量分别为118.9×108、469.4×108、122.5×108和14.1×108m3，夏季面雨量最大，占全年的64.76%[17-19]。地形因子中最高海拔的影响最大，其与祁连山西、中、东段降水量的相关系数分别达0.82、0.74 和0.80。由此可见，祁连山地形相对高差对降水的影响东段比中、西段大。

祁连山降水转化率空间变化呈自东向西递减，且区域波动较大，多年平均为36.2%，其中青海省门源站最高（为76.2%），冷湖站最低仅3.8%。说明正常年份祁连山空中云水资源的开发潜力由东向西逐渐增强[20]。

祁连山多年降水天气环流特征分析表明[21]，4种天气形势中高空冷槽型（占47%）以层云和卷云降水为主，西南气流型（占24%）以混合云系降水为主，西北气流型（占21%）以对流云降水为主，低涡切变型占个例最少（占8%）以混合云系降水为主（表1）。

1.3 水汽变化

大气水汽含量也称大气可降水量，表示单位截面积垂直大气柱内所包含的水汽总量。也就是说，假如垂直气柱内的水汽全部凝结降落，其在气柱底面上所聚积的液态水深度。

祁连山地区的大气水汽含量呈东南多、西北少的空间分布，且随海拔的升高而逐渐减少，整层大气水汽主要集中在5 000 m 以下。祁连山水汽以西风气流纬向输送和西南气流径向输送为主。祁连山迎风坡（3 500～4 500 m）大气水汽含量会出现一个峰值，背风坡大气水汽含量总体比迎风坡少，最多大约能少4.49 kg/m2。夏季高原东侧（103 °E）600 hPa 以下的径向水汽输送最强，多年平均水汽净收支为809×108m3/a[22-26]。

表1 祁连山500 hPa 的主要降水型势及特征

西北地区空中水汽含量自20 世纪50 年代末至80 年代中期呈明显下降趋势，80 年代后期，水汽又呈波动上升趋势。水汽增加地区主要在新疆北部沿河西走廊至甘肃中部祁连山区中段以及南疆盆地西部。近年来，祁连山地区大气水汽含量整体呈增加趋势，其中夏季是各层大气水汽含量最多的季节，高达329.24 mm，占多年平均大气水汽含量的48.1%，表明祁连山春夏季空中云水资源具有较高的开发潜力。

1.4 地形云

云是地气系统中的重要组成部分。地形云是由含一定水汽的湿空气块在盛行气流作用下，经地形作用抬升达到饱和而形成的云。地形云的形成受到气流速度、大气层结状况、地形高度、水汽等多种因素的影响。地形云和降水过程在区域水循环变化、水资源开发利用、生态环境保护和气候变化中具有十分重要的作用。

祁连山西南气流背景下受南北两侧山谷风的共同作用，气流昼间向山顶辐合，夜间向山谷辐散，当水汽条件充足时，极易抬升形成可以产生降水的地形云。祁连山降水云系西部为层云，东部为积云。西部层云是西南气流经过祁连山受地形影响抬升、水汽凝结而成。高层冷云由天气尺度系统影响而成，而低层暖云则由地形阻挡和加热等作用形成。祁连山地形云及降水主要发生在高山迎风坡3 500～6 500 m的范围内。

夏季，祁连山云量平均6 成以上，西南气流天气背景下总云量多达8 成，其中降水主要由＜1 mm 的雨滴组成。祁连山地形云中冰晶、云水、雪、霰和雨水分层明显，其中高层为冰晶和云水，中层为雪和霰，低层为雨水[27-32]。祁连山总云量春季最多，夏季次之；低云量夏季最多，春季次之。春季积雨云出现频率为20%～24%，为河西走廊和柴达木盆地的3～6 倍；秋季层状云出现频率为8%～26%，且西少东多。秋季当平均气温升高1 ℃时，祁连山西段和中段层状云出现频率减少2%～4%，东段减少4%～10%[33-34]。

祁连山地形云中各水凝物的垂直结构特征：（1）降水形成时，云水主要分布在中低层，霰分布在零度层附近，冰晶分布在中高层，雪粒子分布宽广且含量丰富，雨水处于下部近地层内。（2）降水增强时，由于垂直运动的增强，降水云体高耸，各水凝物粒子含量也达到最大值。（3）降水减弱时，各水凝物粒子含量明显减小，甚至消失。祁连山地形对雨带的宽度、强度有明显影响，强降水中心的位置最大偏差达100 km左右[35]。

1960—2004 年祁连山春季和夏季总云量在减少，相反低云量在增加，对应降水也在增加；秋季总云量、低云量呈减少趋势；冬季总云量虽增多，但低云量减少。2001—2011 年青藏高原东北边坡地带春夏季低云量平均增加了4.8%/10 a[36-43]。受祁连山地形影响，云的光学厚度、云粒子有效半径以及云液态含水量最大值分布在海拔4 300 m 以下的山区，是云水资源丰富区和易降水区；云宏观特征参数与地面6 h 降水量成正相关关系，产生降水概率较大的云光学厚度在8～20，云粒子有效半径为6～12 μm，云液态含水量在0.04 g/m3就能产生降水。祁连山云液态含水量可高达0.15 g/m3，表明山区云水资源具有很大的开发潜力[44]。

一般当新疆高空槽东移至河西走廊上空时，往往会引导冷空气东南移动与北上高原暖性切变线前暖湿气流在祁连山区相遇，祁连山山顶以上的对流层内受槽前西南气流控制。冷龙岭山脉南侧西西北—东东南峡谷内热力作用的山谷风非常明显，冷龙岭山脉北坡风向正好相反，形成两个反向热力环流。祁连山地形云移动路线在西南气流的影响下向东北方向翻越祁连山，然后在北侧受到对流层中层偏西气流的影响后，向东南方向移动[45]。

2 祁连山云水资源开发潜力

空中云水资源是重要的非传统水源之一，具有较高的投入产出比和较大的潜在开发量，是缓解我国水资源短缺的重要途径。科学开发利用空中云水资源对增加祁连山高山积雪及地表水、补充地下水和维持西北地区生态平衡尤为重要。

我国平均年云水资源约为2 200×1010m3，但降水效率仅28%左右（西北地区仅15%左右），87%的云水资源飘出了我国上空。因人工增雨（雪）具有非常短的循环周期（仅8.7 d），一年之内空中水可以循环42 次，空中水量达到11.76×1010m3，约为地表水总量的8 倍多[46]。如2011 年全国年总降水量约658×1010m3，水汽总输入量为2 260×1010m3，全年水汽净输入210×1010m3（占总输入量的9%），全年水凝物净输入200×1010m3。其中水汽和水凝物的更新周期分别为11 d 和15 h，总水物质和水凝物的年降水效率分别为18%和77%。青藏高原空中的云水资源具有较大的开发潜力，年降水效率为32.2%[47-48]。

西北地区空中云水资源有沿地形分布的特点，总云量、中云量、总光学厚度和总云水路径的高值区均在天山、昆仑山、祁连山一带，而低值中心在塔里木盆地到内蒙古西部戈壁沙漠和黄土高原西北部一带。祁连山空中春、夏和秋季维持一条“湿舌”。夏季低层具有丰富的云水资源（峰值达0.38 mg/m3），液态云有效粒子半径平均值在8～16 μm。1981—2002 年祁连山空中大气水汽年输入总量为9 392.5×108m3，水汽年输出总量为8 031.5×108m3，水汽净输入量为1 361×108m3，占输入该区的水汽总量的14.5%，这部分水汽成云致雨或留在该区域上空。祁连山各季节水汽净输入对年总水汽收支量的贡献差别较大，春季净输入量为258.8×108m3，夏季为694.5×108m3，秋季为178.7×108m3，冬季为229.0×108m3[49-51]。

高层冷云和低层暖云是祁连山区形成降水的主要云系，高层冷云由天气尺度系统决定，而低层暖云则由地形阻挡和加热等作用形成。通过对山区积云进行了人工催化模拟试验表明，在积云初始阶段播撒，增雨范围较大，增雨中心区在播撒区下风方。在积云发展阶段播撒，增雨范围较小，增雨中心区在播撒区附近。夏季祁连山山顶附近温度在0 ℃以上，对应明显的湿区或饱和区，云以水云为主。由于500 hPa离0 ℃层很近，祁连山积云人工催化500 hPa 播撒最大增雨效率为10%左右，在400 hPa 播撒最大增雨效率为5%左右，人工催化剂播撒后云水消耗产生较多的霰粒子，霰粒子能够较快融化，提高了降水效率，使得增雨效果明显。

3 祁连山云水资源开发效益评估

祁连山空中水汽资源相对丰富，独特的地理条件使其成为人工增雨（雪）的极佳地区，具备全年人工增雨（雪）的良好条件。按照10%～15%的增雨率估算，祁连山开展人工增雨（雪）作业，每年可增加降水约3.7×108～7.4×108m3。据1997—2004 年河西走廊东部5—9 月人工增雨作业试验发现，在祁连山东段实施人工增雨作业后，8 a 平均累计增加降雨量131.5 mm，平均相对增雨率为26%。另外，通过对祁连山空中云水资源开发利用效益评价表明，祁连山空中云水资源开发利用对山前走廊的社会、经济、生态等效益均显著增加，祁连山通过人工增雨，降水增加10%时，河西地区综合效益将提高5.3%，降水增加20%时，综合效益提高12.5%，进一步证明祁连山空中水资源具有良好的可开发前景[52-58]。

目前，西北地区初步建成飞机、火箭及地面碘化银燃烧炉等多种途径的人工增雨（雪）作业系统。甘肃飞机人工增雨作业覆盖面积为23×104km2，2010年以来，祁连山东段增雨作业覆盖面积达5 000 km2，每年流域可增加降水量1.5×108m3以上，有效增加了祁连山冰雪储备和暖季山区河道融水。2012 年民勤蔡旗断面过水总量已达3.38×108m3，较2009 年同期偏多1.1 倍。随着石羊河下泄水量增加，民勤盆地地下水位下降趋势逐步得到有效遏制，植被逐渐恢复，沙化危害逐步减轻，干涸51 a 的青土湖形成约8.6 km2的水面，极大地保障和促进了祁连山周边地区生态环境保护和经济社会发展[59]。

4 结论和讨论

4.1 结论

（1）祁连山年降水量为250～800 mm。其中5—9月降水量约占全年降水量的86.8%，其它月降水量仅占全年降水总量的13.2%。祁连山降水分布随海拔高度的升高而增加，其中祁连山西、中和东段的最大降水量分别为200、400 mm 和700 mm。

（2）空中云水资源是重要的非传统水源之一，是缓解水资源短缺的重要途径。祁连山空中在春、夏和秋三季水汽输送维持一个“湿舌”。西南气流型天气低层和高层水汽比较丰富，云液态含水量可高达0.15 g/m3。夏季低层云水资源峰值达0.38 mg/m3，液态云有效粒子半径平均值为8～16 μm。1979 年以来，祁连山大气水汽含量整体呈增加趋势，其中夏季大气水汽含量高达329.24 mm，占多年平均大气水汽含量的48.1%，祁连山独特的地理条件使其成为人工增雨（雪）的极佳地区。

（3）祁连山地形云及降水主要发生在高山迎风坡4 500 m 左右。夏季云量平均在6 成以上，西南气流天气背景下总云量多达8 成。冰雨层云、冰层云和深对流云含水量最丰富，云水路径的区域平均值为400.8～437.9 g/m2。祁连山空中水汽净输入夏季最大，秋季最少，水汽年净输入量为1 361×108m3，占输入该区的水汽总量的14.5%。

4.2 讨论

虽然对祁连山云水资源开发利用潜力研究取得了许多成果，但是受祁连山高大山脉及观测技术条件制约，气象观测站网及仪器多布设在浅山区，祁连山腹地观测资料较少，今后有待结合相关综合实验研究，加强祁连山南（北）坡天气气候及中小尺度云水资源研究，为深入研究地形云的宏微观物理演变机制和预报方法等提供支撑。另外，自然降水变率很大，人工增雨催化作业的效果评估一直是科学难题。因此，加强祁连山人工增雨效果检验评估方法和经济效益评估模型研究，有利于提高云水资源开发利用水平，促进当地经济社会和生态环境等协调发展。