基于ERA5资料的广西地区云水资源评估

张正国 简悦 李宇中 詹莹玉

(1 广西壮族自治区人工影响天气办公室，南宁 530022; 2 三维时空软件股份有限公司，福州 350100; 3 广西壮族自治区气象局，南宁 530022)

引言

在全球气候变暖的背景下，随着经济社会发展，人口增加和生态环境恶化等因素导致水资源短缺问题日益凸显，因此提高人工影响天气业务能力和服务效益，提升云水资源开发利用能力，缓解水资源供需矛盾已列入我国战略部署[1]。科学评估分析区域内空中云水资源及其分布演变特征，对本地人工影响天气工作的规划布局，合理开发空中水资源具有十分重要的战略意义。广义上的空中水资源包括大气中的气态、液态和固态形式的水。人工增雨(雪)的基本科学原理和技术方法主要是利用云降水微物理的敏感性，通过向特定目标云中引入催化剂，影响云降水的微物理过程以及间接影响云动力热力过程，实现提高云水向降水转化效率，达到增加降水总量的目的[2-3]。因此从科学开发空中水资源的角度，就人工增加降水而言，并不具备可开发利用水汽的技术，大气运动形成的以液态和固态粒子形式存在的云水才是重点关注的研究对象，即云水资源。

近年来随着观测技术的进步和人工影响天气需求日益凸显，针对云水资源的研究成为热点。李兴宇等[4]利用国际卫星云气候学计划( ISCCP) 的云水路径资料，分析中国地区1984—2004年空中云水资源时空分布特征，结果表明中国云水资源总体呈增加趋势，区域差异和季节变化明显。杨大生等[5]利用CloudSat卫星资料对中国夏季云水含量的垂直和区域变化特征进行分析，研究认为其分布受青藏高原地形影响明显，造成在中部纬度(27°～35°N之间)4～7 km高度的月平均云液水含量明显比南部及北部纬度地区高。蔡淼[6]通过CloudSat卫星资料对云场三维空间诊断，然后结合再分析资料实现时间上连续评估，由此评估2011年我国水汽资源总量约为27×1012t，云水资源总量约为8.48×1012t，云水降水效率约为77.6%，水汽凝结和云水降水效率季节变化明显。刘菊菊等[7]利用ERA-Interim再分析资料分析近40年我国云水量分布发现，年均云水量大值区主要位于四川东部—湖南一带850～500 hPa间，低值区则位于西北地区西部。陈勇航等[8]，潘留杰等[9]，王雯璟等[10]分别用ISCCP资料、ECMWF再分析资料和两者相结合的方法，对我国西北空中云水资源时空分布特征做较为细致分析。林丹等[11-14]分别用NCEP的CFSR数据和NASA“云与地球辐射能量系统”(CERES)的L3级云资料对我国西南地区总云水含量、不同类型的云水含量和云粒子有效半径等时空分布特征进行研究分析。

研究表明，受地理和气候条件影响，云水资源区域分布差异巨大，本文选择使用欧洲中期数值预报中心(ECMWF)发布的ERA5再分析资料，结合广西气象观测站实测降水量数据，对广西区域云水资源进行评估研究并分析其分布特征，为当地科学开发空中水资源提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

ERA5是欧洲中期数值预报中心(ECMWF)发布的第5代全球大气再分析资料，使用其综合预报系统(IFS)CY41R2模式4D-Var数据同化产生，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直分辨率从1000～1 hPa共37层，时间分辨率为1 h，可为云水资源评估的研究提供所需的长时间，均一化且高时空分辨率云水量数据。ERA5与过去研究中[7,10]使用的上一代ERA-Interim再分析资料相比，在2个方面有比较明显的改进:①使用4D-Var数据同化方法使数据的时间分辨率能够达到1 h，这样能够提供特定天气事件更详细的演变过程，尤其是针对生消发展较快的云和降水过程[15]。②采用了更详细的云和降水参数化方案(图1)，由原来云水(cloud water/ice)和云量分数(cloud fraction)2个预报量改进为云液水(cloud water)、云冰(cloud ice)、雨水(rain)、雪(snow)和云量分数等5个预报量，能在物理上更真实地反映云和降水的主要生成和消亡过程，包括积云对流、凝结、凝华、蒸发、碰并、融化和冻结等机制形成的云[16]。

图1 ECMW综合预报系统(IFS)新一代云物理方案

根据方案其格点平均云液水(ql)的时间变化方程是：

(1)

地面降水资料使用国家气象台站实测数据作为基础数据，结合经质控的区域自动气象站观测资料，采用克里金(Kriging)算法[17]进行对应的格点化。

1.2 评估方法

评估方法以中国气象局人工影响天气中心发布的云水资源监测评估方法(CWR-MEM方案)[18]为主体框架，使用ERA5资料大气中的云液水、云冰、雨和雪4个量之和作为云水资源量(简称云水)，替代原方案中使用CloudSat云观测资料诊断云区和云含水量典型值的方法。并对云内凝结和蒸发的计算进行优化，由原来的单位时间格点柱凝结量(蒸发量)改进为分层积分，分别统计单位时间格点的凝结量和蒸发量，经对比验证，可有效改善由于垂直各层间凝结蒸发相互抵消导致的低估。

本文主要物理量的定义和计算方法如下：

(1)水汽总量：评估时段T内，区域内参与大气水循环过程的所有水汽的收入量。

水汽总量=水汽初值+侧边界水汽输入+地面蒸发+蒸发

(2)

(2)云水总量：评估时段T内，区域内参与大气水循环过程的所有水凝物的收入量。

云水总量=水凝物初值+侧边界水凝物输入+凝结

(3)

(3)降水总量：评估时段T内，区域的各格点平均降水量乘以格点面积之和。

(4)留存云水总量：评估时段T内，区域内云水总量中没有形成地面降水的部分，即有可能通过人工增雨技术手段开发的云水资源。

留存云水总量 =云水总量-降水总量

(4)

空中水资源总量=水汽总量+云水总量

(5)

2 广西云水资源评估结果

2.1 空中水资源总体情况

广西2009—2018年近10年的空中水资源及其转化效率见表1和表2。总体来看，广西多年平均年空中水资源总量约为101566.1×108t，其中水汽约为96458.3×108t，占95%，液态或固态的云水资源约5107.8×108t，仅占5%，其中约有3685.6×108t(换算为区域平均降水量约为1570.3 mm)形成降水落至地面，云水-降水自然转化率约为72.2%，根据式(4)计算，广西平均年空中留存云水资源约为1422.2×108t。

表1 2009—2018年广西年均空中水资源量 108 t

表2 2009—2018年广西年均水资源转化效率

从收支情况来看，广西上空水汽绝大部分以水平输送方式通过，占广西水汽总量95.5%以上，区域内生消交换，如凝结成云水或地表蒸发等量占比极低。云水则以区域内生消为主，区域内大气运动凝结(凝华)生成的云水量约占总量的83.2%，水平输送量占比较小。从侧边界收支情况来看，广西为云水资源净流出区，年均约向区域外净输出197.1×108t云水资源。

通过和文献[18]中对全国6个区域(其中广西归为西南区域)的评估结果(具体数值略)比较可以看出，广西在单位面积云水、降水、留存云水和云水转化为降水效率等特征量上和同为南部沿海地区的东南区域最相近，而和位于内陆地区的西南区域则相差较大。

为进一步分析广西云水资源侧边界收支情况，分别按季节和东南西北4个侧边界统计云水收支情况(表3)。可以看到，广西云水资源在南边界和西边界为净流入，北边界和东边界为净流出，与广西水汽水平输送特征一致[19]，南边界净流入的云水主要来源于南海上空低层云系形成后南风输送进入我区，西边界的则主要来源孟加拉湾-中南半岛北部一带上空云系发展后随中层西风带进入我区。从季节变化来看，冬春季水平输送量较大，夏秋季水平输送量则较小，结果与蔡淼[6]分析全国的云水水平输送季节变化特征基本一致，其主要原因是夏季主要以生命史较短区域内生消的积云为主，边界水平输送较少，冬春季以生命史较长的大范围层状云为主，云水的水平输送量则明显增多。

表3 2009—2018年广西年均边界收支情况 108t

图2给出了多年平均广西云水资源及其转化率逐月变化情况，其中降水、云水、水汽向云水转化率和云水向降水转化率变化趋势基本一致，为单峰型变化，在6月达到峰值，随后逐步减少至2月达最低再逐步增加。留存云水占比率月变化则正好与之相反，2月最高，8月最低，月留存云水基本维持在100×108t左右，最高出现在3月为154.6×108t，10月最低为82.3×108t，无明显季节变化规律。由此可以看出，云水的月变化主要是由其中降水的变化造成，以对流性降水为主的夏季云水向降水转化率显著较高于其他季节，秋、冬和春季的云水向降水转化率偏低，因此具有较高的人工开发潜力，可通过人工增雨催化技术提高云水向降水转化率实现增加降水。

图2 2009—2018年平均广西云水资源总量年变化

2.2 云水资源空间分布特征

2.2.1 云水资源水平分布特征

分别对多年广西整层水汽、云水的瞬时值和年降水量进行数值平均，得到图3多年平均广西空中水资源分布情况，其中水汽和云水分布规律基本均为纬向分布，水汽为随纬度变高而减少，云水则正好相反，随纬度变高而增多，大值区位于广西中北部，达0.4 kg/m2，低值区则位于南部沿海，说明北部地区水汽向云水转化效率要显著高于南部。结合平均年降水量分布来看，云水与降水的分布差异较大，说明不同区域云水向降水转化效率差异大，特别是南部沿海地区，为广西降水量最大的区域，却是云水的低值区，说明南部沿海地区云水向降水转化效率显著高于其他地区，其降水机制与其他地区有较大不同，值得进一步进行研究。

图3 广西2009—2018年空中水资源平均分布:(a)整层水汽,(b)整层云水,(c)年降水量

结合图4给出的广西多年四季平均(春3—5月，夏6—8月，秋9—11月，冬12月至次年2月，下同)云水瞬时值分布情况来看，冬、春季分布特征相似，呈东北部高，南部和西北低，其中春季最高可达0.48 kg/m2；夏季整体较高且分布较均匀，大部分在0.3 kg/m2以上，最大值位于中北部约0.42 kg/m2，低值区位于东部；秋季整体最低，大部在0.18～0.3 kg/m2，呈北部高东南低的分布特征。

图4 广西2009—2018年云水瞬时值四季平均分布

2.2.2 云水资源垂直分布特征

为了解云水资源在垂直方向上的分布情况，分别沿经向和纬向做垂直剖面，然后沿纬向和经向对广西区域格点进行空间平均，得到图5云水瞬时值多年平均的经向和纬向的垂直分布情况。从其2个方向垂直分布来看，广西云水垂直分布的大值区主要出现在低层925～600 hPa之间，在0 ℃层以下，主要为液相水滴组成的暖云，其最大值可达0.09～0.1 g/kg，分别位于北部和西部，在600～400 hPa的中层还有一个云水次高的区域，约在0.04 g/kg，其温度在-15～0 ℃之间，说明其主要为液相过冷液水滴和冰相粒子组成的混合态冷云云水。

图5 广西2009—2018年云水瞬时值年均纬向(a)和经向(b)垂直分布

广西云水水平分布主要呈北高南低的纬向分布，为进一步了解不同季节广西云水垂直分布情况，图6为沿经向垂直剖面的纬向格点平均四季云水的垂直分布情况。可以看到，秋、冬和春季分布较为相似，云水主要分布在600 hPa以下的低层，约在0.06～0.1 g/kg，呈北高向南低的分布特征，600 hPa以上中高层云水量极低，基本在0.045 g/kg以下，尤其在冬季几乎近于零。夏季的云水垂直分布特征则完全不同，云水则主要分布在中层600～400 hPa(温度在-15～-5 ℃)，南部能延伸至200 hPa(约-50 ℃)，约在0.045～0.07 g/kg，而低层的云水值和范围明显减少。

图6 广西2009—2018年云水瞬时值纬向四季平均垂直分布

2.3 不同类型降水过程评估结果对比

由上述分析可以看到，广西不同季节的云水资源变化特点和分布特征差异显著，为进一步研究不同天气背景下，不同类型降水云系的云水资源特点，分别选取了2017年冬季1月16—21日(北京时，下同)层状云降水和夏季6月28日至7月3日对流云降水,2次均为持续5 d(120 h)的广西典型降水天气过程进行云水资源评估对比分析。

2017年1月16—21日，广西受850 hPa偏南气流和地面弱冷空气交替影响，低层锋区持续在广西上空维持，是广西冬季典型的低层层状云降水过程。由1月17日08:00的云水空间分布情况(图7a)可知，层积云覆盖整个广西，水平分布大值区位于广西东部和南部，最大达1.7 kg/m2，低值区0.3 kg/m2在西北部，垂直分布云水主要分布在925～700 hPa之间，以暖云为主，在26°N以北，0 ℃层下降至850 hPa,有部分冷云，在600 hPa以上区域基本无云水。6月28日至7月3日广西受500 hPa高原槽前和副高西侧偏南气流及850 hPa西南急流共同影响，是广西夏季常见的大范围对流降水天气形势。由7月2日08:00的云水空间分布情况(图7b)可以看到，对流云系主要位于东部，东北部最大值可达2 kg/m2，西部则几乎无云水，从垂直分布上可以更清楚的看到与层状云云水的分布差异，其云水分布主要位于600～200 hPa(温度-40～5 ℃)，600 hPa以下低层的云水则较少。

图7 冬夏2次过程不同类型云的云水整层含量及纬向平均空间分布

对这两次广西不同类型的典型降水天气过程进行云水资源评估分析(表4)。对比可见两个典型过程的云水资源变化特征主要存在以下几个方面的差异：①夏季过程的水汽量显著高于冬季的，能为云水的形成提供更好的水汽条件。②夏季对流云过程水汽凝结成云水效率和总量显著高于层状云过程，导致2个过程的云水初值、终值基本一致，侧边界输入、输出相差不到1倍，但凝结、云水和降水等总量则相差1个量级。③对流云过程的云水向降水的转化效率显著高于层状云过程，对流云过程的云水总量约是层状云的7倍多，但其留存云水总量仅相差不到1倍。

表4 层状云与对流云云降水过程评估对比

综上分析广西云水资源变化和分布特征，广西在秋、冬和春季，具有大量低层的暖性层状云云水资源，其云底高度位于近地面的925 hPa附近(海拔高度0.5～1 km之间)，云顶高度在700～600 hPa之间(海拔高度约在3～4 km)，云水向降水转化效率较低，可通过高山烟炉、火箭和飞机等作业工具在云底附近或云内播撒吸湿性催化剂，促进云内碰并过程，提高云水向降水转化效率来实现增加降水；夏季则为过冷液水滴和冰相粒子组成的混合态云水资源为主，其自然云水向降水转化率较高，通过静力催化提高降水效率的潜力不高，可着眼于积云动力催化方法，通过对云体-10 ℃层附近的过冷却云水区进行大剂量催化，使其冻结并释放大量潜热，促进积云发展云体增大、生命史延长，来实现增加降水[2]。

3 结论与讨论

利用欧洲中期数值预报中心(ECMWF)发布的第5代全球大气再分析资料(ERA5)，结合中国气象局人工影响天气中心发布的CWR-MEM方案云水资源监测评估方法，分析评估广西区域2009—2018年云水资源及其分布特征。

(1)广西年均云水资源总量约5107.8×108t，其中年均降水总量约3685.6×108t，年均空中留存云水总量约1422.2×108t，云水向降水转化效率约为72.1%。云水以区域内生成为主，年均约向区域外净输出197.1×108t云水资源。

(2)广西云水资源存在明显的季节变化特征，呈单峰分布，夏季6月最高，冬季2月最低，其主要为降水总量的月变化造成，空中留存云水则无明显季节变化，月空中留存云水基本在维持在100×108t左右。

(3)广西云水水平分布总体呈东北部高，向西和向南逐渐降低的分布特征，其中夏季和秋季为北部高，向东南逐步降低的分布特征，总体上云水与降水的分布差异较大，说明区域云水向降水转化效率差异大。

(4)广西秋、冬和春季云水垂直分布特征相似，均主要分布在低层925～600 hPa，呈北高南低分布特征，是以液相水滴构成的暖性层状云云水为主，夏季云水垂直分布特征不同，主要分布在中层600～400 hPa，是以过冷液水滴和冰相粒子构成的混合态冷云云水为主，低层云水显著减少。

致谢：北京大学毛节泰教授、中国科学院大气物理研究所肖辉研究员、中国气象局人工影响天气中心蔡淼高工等3位专家在云水资源评估方法方面给予指导，在此特别表示感谢！