2018年广东空中水物质评估及开发分析

高建秋，郑 彬，游积平，何松蔚，余小嘉，杨博成

（1. 广东省突发事件预警信息发布中心/广东省人工影响天气中心，广东 广州 510640；2. 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081；3. 中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510640；4. 广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088）

引 言

广东省水资源时空分布不均，冬春常干旱，给农业生产和人民生活造成了严重影响［1］，通过人工增雨开发利用空中水物质对保障广东水资源安全和生态安全具有重要意义［2］。认识空中水物质的时空分布特征，有利于制定科学的人工增雨规划［3］。

目前，有大量对于空中水物质的研究是针对水汽的研究，如利用探空、地面、GPS 等观测资料或气候再分析资料揭示水汽总量（大气可降水量）、降水转化率的时空变化特征，结果表明：在我国水汽总量具有明显的季节变化特征，夏季最大，冬季最小［4-8］；水汽总量变化与平均气温和相对湿度均呈正相关［6，8-9］；水汽的降水转化率在黄河上游和山东低于20.00%［6，10］，在三江源地区达24.57%［7］；水汽含量在一定程度上可以反映降水趋势，但降水还受到大气中诸多其他因素的影响［6］。

对云水资源的研究主要利用卫星云观测和再分析资料［11-18］，以往的研究对云水资源的概念并不统一，有些用云水含量来表征云水资源，不同地区云水含量季节变化差异明显［15，17］。近年来基于大气水物质收支平衡方程的定量化水物质评估方法［3，11-12］明确了水汽、水凝物和云水资源等相关概念，其中空中水物质包括大气中悬浮的水汽和水凝物，水凝物包括液态和固态降水粒子，而降水直接来源于水凝物，水汽则要通过凝结或凝华先转化为水凝物，才能进而转化为降水。云水资源是指未形成地面降水的空中水凝物。ZHOU 等［3］、蔡淼等［11］进一步指出空间尺度和时间尺度对大气水分收支各项和空中水物质评估结果有很大影响，可导致结果差异较大，因此各地区都应当利用更精细的资料开展当地的空中水物质评估。

目前欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代全球大气再分析产品——ERA5 中的水汽等数据集时间分辨率达到1 h，空间分辨率为0.25°×0.25。因此本文使用ERA5 数据集和中国气象局多源分析系 统（CMA Multi-source Precipitation Analysis Sys⁃tem，CMPAS）中逐小时降水产品（CMPAS-hourly），采用ZHOU 等［3］提出的云水资源及水汽、水凝物的评估方法，评估2018年广东空中水物质总量及时空分布情况，以期为科学开发广东空中水物质提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

所用资料包括ERA5 和CMPAS-hourlyV2.0 数据。其中ERA5 时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向分37 层，其数据变量包括垂直积分的水汽含量、水汽通量、水汽通量散度、云水含量、云水通量、云水通量散度、云冰含量、云冰通量、云冰通量散度、地面蒸发量。CMPAS-hourly V2.0 的水平分辨率为0.05°×0.05°，时间分辨率为1 h，产品总体误差在10%以内，强降水误差在20%以内［19］。两套资料都已处理成日资料，研究时间段为2018年1月1日至12月31日。

由于CMPAS-hourly数据与ERA5数据的空间分辨率有差异，对CMPA-hourly 数据进行网格中心采样（图1），从而获取与ERA5 相同分辨率的降水资料。绘制文中各量的空间分布图时，为得到连续的变化，利用Kriging 方法将计算结果插值为0.05°×0.05°之后，才进行栅格填色绘图。文中附图涉及地图是基于国家测绘地理信息局审核批准的的审图号为GS（2017）3320号的标准地图制作，底图无修改。

图1 CMPAS-hourly数据采样示意图（黑点为采样点）Fig.1 Schematic diagram of CMPAS-hourly data sampling（Black spots represent sampling points）

2018 年广东全省平均年降水量1801.8 mm（资料来自全省86 个国家级自动气象站的地面观测数据），接近常年（1790.0 mm）（图2），其汛期和非汛期的降水也与常年相当（图3），因此2018 年的空中水物质评估结果具有较好的代表性。

图2 1951—2018年广东年降水量变化Fig.2 Annual precipitation variation in Guangdong during 1951-2018

图3 2018年广东汛期、非汛期降水与常年值对比Fig.3 Comparison of precipitation in flood season and non-flood season with perennial values in Guangdong in 2018

图4为基于CMPAS-hourly 和自动气象站的2018 年广东降水量空间分布。对比分析发现，两种资料表现的2018 年广东降水量空间分布特征非常相似，部分区域略有差异。由于降水空间分布的不均匀性，86 个国家级自动气象站的观测资料并不能非常准确代表全省降水量分布，因此不同方法计算结果有一定差异是正常现象，这一对比结果说明所用CMPAS-hourly资料的可靠性。

图4 基于CMPAS-hourly（a）和自动气象站（b）的2018年广东降水量空间分布（单位：mm）Fig.4 The spatial distribution of precipitation in Guangdong in 2018 based on CMPAS-hourly（a）and automatic meteorological station（b）（Unit：mm）

1.2 计算方法

基于大气水物质收支平衡方程的定量化水物质评估方法被提出［3，11-12，20］。大气水物质收支平衡方程各项经过整层大气积分，写为水汽和水凝物通量散度形式。

式中：〈〉表示垂直积分；∇为散度算子；q、m分别为单位质量空气中水汽含量、水凝物含量，垂直积分后单位均为Kg·m-2；∇⋅V→q、∇⋅V→m分别为水汽通量散度、水凝物通量散度，垂直积分后单位均为Kg·m-2·s-1；E（Kg·m-2·s-1）为地面蒸发量；Eh和Cq分别是水凝物蒸发量、水汽凝结或凝华量，垂直积分 后 单 位 均 为Kg·m-2·s-1；R（Kg·m-2·s-1）为 降水率。

假设0—t时段内水物质只有单相变化，即计算水凝物蒸发量时，将水汽凝结或凝华忽略，而计算水汽凝结或凝华时将水凝物蒸发忽略。由公式（1）和公式（2）可得到公式（3）和公式（4），用以估计水凝物蒸发和水汽凝结量。

0—t时段内，单位面积上空中水物质定义及计算公式具体如下：

式中：GQv、q0、qin分别为水汽总量、水汽初值和水汽输入量；GQh、m0和min分别为水凝物总量、水凝物初值和水凝物输入量；GCWR为云水资源总量；以上物理量的单位都为Kg·m-2，乘以区域面积即是该区域内的物理量，单位为Kg。Ev、Ew（%）分别为水汽降水效率和水凝物降水效率。

采用以上公式计算空中水物质总量时只考虑水物质的输入值、初值和水相变的汇项，即空中水物质是指可以得到的最大量。广东省内水汽、水凝物及云水资源每个格点之间输入、输出互相抵消，所以广东省整体空中水物质总量是将省边界的输入、省内各网格的初值和水相变的汇项相加得到；而广东省各网格点的空中水物质总量是将该网格的输入、初值和相变的汇项相加得到。因此广东省整体空中水物质总量一定小于同一时段省内所有格点值之和。

文中汛期指4—9 月，其中前汛期为4—6 月，后汛期为7—9 月［21］，将日序列结果分为5 d 及以下的天气尺度、5～30 d的月内尺度进行广东省整体空中水物质总量及变化的时间分布特征的统计分析。

2 结果分析

2.1 空中水物质整体评估结果

2018 年广东水汽总量为5.58×1015kg，水凝物总量为3.20×1014kg，云水资源总量为3.33×1013kg，区域平均年降水量为1596.0 mm，降水总量为2.87×1014kg。水汽降水效率为5.1%，水凝物降水效率为89.6%。广东2018 年水汽净输出1.63×1014kg，水凝物净输出3.78×1012kg。水汽输入占空中水汽总量的69.7%，水凝物输入仅占空中水凝物总量的5.5%（表2）。

表2 2018年广东水汽和水凝物输入和输出Tab. 2 Input and output of water vapor and condensate in Guangdong in 2018单位：1011 kg

2.2 空中水物质空间分布

图5（a）显示2018 年广东各地水汽总量均达1×1014kg 以上，且水汽总量自西南向东北逐渐减少。图5（b）显示2018 年广东各地水凝物总量为1.2×1012～2.8×1012kg，高值区位于粤西云雾山和天露山的南坡，其次是粤东莲花山南麓以及清远和肇庆境内的南岭山脉西南坡，低值区位于雷州半岛西侧和粤东地区。

图5 2018年广东水汽总量（a）和水凝物总量（b）空间分布（单位：1011 kg）Fig.5 The spatial distribution of total water vapor（a）and total hydrometeor（b）in Guangdong in 2018（Unit：1011 kg）

图6为2018 年广东云水资源总量空间分布。可以看出，云水资源沿广东海岸线方向分布，并从北部山区向沿海地区逐渐减小，其中云水资源总量最小值位于雷州半岛，为4.1×1011kg，最大值位于清远北部地区为1.2×1012kg，表明广东越往北越多云水资源可供开发利用。

图6 2018年广东云水资源总量空间分布（单位：1011 kg）Fig.6 The spatial distribution of total cloud water resources in Guangdong in 2018（Unit：1011 kg）

由图7（a）可知，2018 年广东水汽降水效率都很低，最大值在阳江，仅为1.5%。水汽降水效率超过1.1%的区域有粤西云雾山、天露山南坡到珠江口一带、粤东莲花山南麓以及雷州半岛南部；韶关、河源、梅州的水汽降水效率最低。由图7（b）可知，2018 年广东各地水凝物降水效率远大于水汽降水效率，沿广东海岸线方向分布，且从沿海地区向北部山区逐渐减小，其中水凝物降水效率最大值在雷州半岛南部，高达75%，最小值在清远北部，为35%。按照文中2.1 所述，2018 年广东水汽降水效率为5.1%，水凝物降水效率为89.6%，分别与图7（a）和图7（b）显示的空间分布相比其明显偏大，这是因为计算水汽、水凝物总量的时候每个格点只计算输入量，这些水物质在空气中是流动的，因此在全省范围内的格点之间会有部分量被重复计算，导致了格点的降水效率低于广东整体降水效率。

图7 2018年广东水汽降水效率（a）和水凝物降水效率（b）空间分布（单位：%）Fig.7 The spatial distribution of water vapor precipitation efficiency（a）and hydrometeor precipitation efficiency（b）in Guangdong in 2018（Unit：%）

图8（a）显示的2018 年广东水汽净输送值空间分布呈现中部输入大于输出，而粤东和粤西大部分地区输出大于输入。图8（b）显示2018 年广东各地水凝物净输送值基本都是输出大于输入，仅有粤北很小的区域输入大于输出。

图8 2018年广东水汽（a）和水凝物（b）净输送值空间分布（单位：1011 kg）Fig.8 The spatial distribution of net transport values of water vapor（a）and hydrometeor（b）in Guangdong in 2018（Unit：1011 kg）

2.3 空中水物质时间变化

图9显示2018 年广东水汽、水凝物、云水资源逐日变化。可以看出，水汽总量6—8月较大，而1—3月和10—12月较小；水凝物总量在8月下半月和9月上半月较大，小值出现时间与水汽总量相似；云水资源总量在整个汛期都很小，在非汛期则相对较大。将图9（c）与图9（b）相应值作比值，可以得到每日云水资源占总水凝物的百分比，显然非汛期占比明显高于汛期。

图9 2018年广东水汽（a），水凝物（b）和云水资源（c）总量的逐日变化Fig.9 The daily variation of total water vapor（a），hydrometeor（b）and cloud water resources（c）in Guangdong in 2018

表3为2018 年广东水汽、水凝物、云水资源在天气尺度和月内尺度（5～30 d）的均方差。可以看出，无论是天气尺度还是月内尺度，后汛期水汽变化明显大于前汛期，夏秋季的水汽变化大于冬春季。除了冬季，水汽月内尺度变化大于天气尺度变化。水凝物的变化全年是天气尺度大于月内尺度，秋季和后汛期天气尺度变化大于月内尺度变化最为明显。水凝物变化夏秋季大于冬春季，后汛期大于前汛期。云水资源全年月内尺度变化大于天气尺度变化，冬季云水资源变化最大，夏季云水资源变化最小。

表3 2018年广东两种时间尺度水汽、水凝物、云水资源的均方差Tab.3 Mean square deviation in water vapor，hydrometeor and cloud water resources with two time scales in Guangdong in 2018单位：1011 kg

3 结 论

（1）2018 年广东水汽总量为5.58×1015kg，水凝物总量为3.20×1014kg，云水资源总量为3.33×1013kg，水汽降水效率为5.1%，水凝物降水效率为89.6%，水汽净输出1.63×1014kg，水凝物净输出3.78×1012kg。

（2）广东空中水物质的空间分布特征表现为水汽总量自西南向东北逐渐减少，水凝物总量高值区在粤西云雾山和天露山的南坡，其次是粤东莲花山南麓以及清远、肇庆境内的南岭山脉西南坡，云水资源总量从北部山区向沿海地区逐渐减小。水凝物降水效率从沿海地区向北部山区逐渐降低，表明广东越往北部水凝物降水效率提升潜力越大。广东各地水汽降水效率集中在0.5%~1.5%，发展动力催化技术提高水汽降水效率［22-26］，能明显提高人工增雨防灾减灾能力。

（3）广东空中水物质的时间变化特征表现为水汽总量在6—8 月较大；水凝物总量在8 月下半月和9 月上半月较大。云水资源总量非汛期大于汛期，加强非汛期人工增雨作业对提升粤北及各地云水资源开发率，对满足这一时期森林防火，缓解干旱和水库蓄水等社会需求有重要作用。

（4）水汽变化除冬季外月内尺度大于天气尺度，而云水资源的变化全年月内尺度大于天气尺度；水凝物的变化全年天气尺度大于月内尺度。水汽、水凝物的变化后汛期明显大于前汛期；云水资源的变化前后汛期相比差异不大，但是冬季的云水资源变化明显大于夏季。