河南省空中水汽資源的來(lái)源、分布及收支

第34卷第1期氣象與環(huán)境科學(xué)Vol. 34 No. 12011年2月Meteorological and EnvironmentaliencesFeb. 2011河南省空中水汽資源的來(lái)源、分布及收支.劉艷華，李鐵林，馬鑫鑫，邵振平，郭獻林(河南省人工影響天氣中心,鄭州450003)摘要: 利用1971-2005年河南省及其臨近地區NCEP/NCAR月平均再分析資料和同期降水觀(guān)測資料,分析了河南省空中水汽來(lái)源、水汽資源的時(shí)空分布、水汽輸送特征以及河南省域水汽收支狀況。結果表明:不同季節水汽來(lái)源、水汽通量強度及其隨高度的分布、水汽通量散度等特征有相當大的差異;河南省空中年水汽含量平均值為25.79 mm,水汽含量值大小曼季節變化影響明顯,四季平均水汽含量值均表現出從東北向西南遞增的特征;全年空中水汽資源收支狀況表現為輸入大于輸出,全省年均水汽總輸入量為11757.6 mm,凈收入量為569.7 mm。河南省35 a平均年降水量為734.5 mm,只占輸入水汽總量的6.2%。關(guān)鍵詞:水汽含量;水汽輸送;水汽收支中圖分類(lèi)號: P426. 1'5文獻標識碼:A .文章編號:1673 - 7148(2011)01 - 0042 -07河南省是自然災害多發(fā)地區,尤其是旱災,發(fā)生引言頻率高,受災面積廣。而河南又是一個(gè)極度缺水的省水分循環(huán)不僅在大氣一陸地-海洋一生物圈這份,人均地下水資源占有量為473 m' ,僅為全國人均個(gè)耦合氣候系統中起著(zhù)重要作用,而且與人類(lèi)生活占有量的1/5 ,水資源短缺已經(jīng)嚴重地阻礙了河南省和生產(chǎn)密切相關(guān),特別是在全球水資源短缺的今天,經(jīng)濟可持續發(fā)展。隨著(zhù)經(jīng)濟建設的發(fā)展和人口的增水汽運動(dòng)規律的研究已經(jīng)是許多氣候研究計劃的重長(cháng),水資源短缺造成的矛盾日趨尖銳,如何有效地開(kāi)要內容[-s.。早在1959年,謝義炳等[]就指出黃淮地發(fā)利用空中水資源、增加有效降水顯得尤為迫切。要區強降水過(guò)程與水汽輸送密切相關(guān)。黃榮輝等‘利想合理開(kāi)發(fā)河南省空中水汽資源,就必須要對河南用10a的ECMWF數值分析資料對東亞季風(fēng)區夏季省域的空中水汽來(lái)源、水汽含量和輸送的時(shí)空分布水汽輸送特征進(jìn)行了系統的研究,指出東亞季風(fēng)的規律有充分的了解。水汽輸送又可造成某一區域水水平結構和水汽輸送特征與印度季風(fēng)有明顯區別。汽的變化即引起該區域水汽收支的變化。丁一匯俞亞勛等':對西北地區空中水汽含量和水汽輸送等[8]對1998年大洪水時(shí)期的水汽收支研究結果表的時(shí)空分布規律、水汽來(lái)源及空中水汽含量在43 a .明,降水主要來(lái)自水汽的輻合,強降水對應著(zhù)較強的內的變化趨勢作過(guò)詳細的探討。劉世祥等l°)利用30a的甘肅省多個(gè)探空站逐日資料對甘肅上空水汽含水汽凈收入。因此.對河南省域水汽收支狀況的研究量、水汽通量的氣候特征,水汽源地及水汽輸送途徑也不可缺少。程炳巖等l".利用探空資料對河南省空作了詳細分析?？抵久鱸”深人研究了2003年淮河流中水汽含量、水汽通量的一些特征作了分析,但是對域6.7月間持續性強暴雨的環(huán)流形勢、水汽輸送及6水汽輸送特征以及河南省空中水汽來(lái)源、水汽收-7月逐日水汽收支,得出這一時(shí)期強降水的水汽源支、水汽資源評價(jià)等沒(méi)有涉及。本文利用NCEP/地是南海和孟加拉灣,水汽輻合主要在850hPa層以NCAR月平均再分析網(wǎng)格點(diǎn)資料在這方面作了詳下的結論。細闡述。中國煤化工收稿日期:2010 -08 - 13;修訂日期:2011 -01 -06基金項目:“+-五"河南省重大科技攻關(guān)項目“河南省云水資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)研.MYHCNMHG作者簡(jiǎn)介:劉艷華(1976-) ,女,河南鄢陵人，T.程師、碩士.主要從事人工影響天氣工作. Eamail:hlI.I @163. com第1期劉艷華等:河南省空中水汽資源的來(lái)源、分布及收支43的水汽通量.就可以計算出單位時(shí)間內該區域內的1資料和方法凈水汽收支(用mm表示),并可分析其隨時(shí)間和空選取NCEP/NCAR河南省及其臨近地區1971-間的分布[10.。2005年的月平均再分析資料,包括各等壓層比濕、緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速,水平格距為2.5° x2.5°,垂直有2河南省空中水汽來(lái)源及分布.17層?？紤]到大部分水汽集中在對流層中下層、3002.1水汽來(lái)源hPa以上水汽含量很小，計算時(shí)選取1000--300hPa,水汽通量的數值和方向能表示水汽的來(lái)源。圖1共8層計算范圍選取111-116°E、31.5- -36.5°N。四給出了河南省1971-2005年平均的四季整層水汽通季采用氣候學(xué)劃分,即12-2月為冬季、3-5月為春量分布情況,從中可以看到,不同季節河南空中水汽季、6-8月為夏季.9-11月為秋季。分析的特征量有資源的源地不同。春季河南省空中水汽主要有兩個(gè)整層大氣水汽含量、水汽輸送通量、水汽收支等。來(lái)源:一是中緯度西風(fēng)氣流帶來(lái)的水汽擾動(dòng),二是西各特征量定義和計算方法如下。整層大氣水汽含量:從地表到大氣頂單位面積太平洋副高南側的偏東風(fēng)在中南半島、南海地區轉向,向我國中東部地區輸送。河南省北部、中部主要的空氣柱內的水汽含量。計算公式為受第一個(gè)水汽來(lái)源的影響,而南部則受兩個(gè)水汽來(lái)w =一. qdp源的共同影響:夏季印度西南季風(fēng)顯著(zhù)增強，西南氣式中,W的單位為mm,q為比濕.p.和p,分別取1000流經(jīng)孟加拉灣、中南半島、南海自西南向東北方向hPa和300 hPa,g 為重力加速度。輸送豐沛的水汽,河南省夏季主要受這一水汽輸水汽通量:單位時(shí)間內流經(jīng)某一單位面積的水送帶影響。到了秋季,與夏季相比，整體水汽輸送汽質(zhì)量,它表示水汽輸送強度:在p坐標系中,單位明顯減弱,但副高南側的偏東風(fēng)與夏季相比西伸邊長(cháng)整層大氣的水汽通量經(jīng)、緯向計算公式為增強.在孟加抗灣東北部轉向成為西南風(fēng)，與孟加Q, =一qxvdp拉灣北部臧弱的偏南風(fēng)合并,經(jīng)四川盆地向東北輸送水汽，并在34°.附近又折向東,匯人中緯度Q.=一「qxudp西風(fēng)輸送帶.繼續向華北、東北地區輸送水汽，河式中,u、0分別是緯向、經(jīng)向風(fēng)速,Q.Q,的單位是.南空中水汽也來(lái)源于此。冬季,夏季風(fēng)完全撤退，河南轉受中緯度西風(fēng)帶影響,西風(fēng)氣流經(jīng)川北、陜kg/(m.s)。水汽通量散度;單位時(shí)間里.單位體積內匯合進(jìn)南向河南省輸送水汽。來(lái)或輻散出去的水汽質(zhì)量。計算公式為2.2水汽資源的分布特征_a表1給出了河南省35 a平均各季節空中水汽rcospaλ riφ通量區域平均值。從表中可以看出:就整層水汽通式中,A的單位是kg/(m2.s),r是地球半徑,φ、λ分量來(lái)看,夏季最高,為134.44 kg/(m.s);秋季次別是緯度和經(jīng)度。之;春季低于秋季;冬季最低,為70.32 kg/(m.s)。凈水汽收支:某個(gè)區域內流人和流出的水汽量。不同季節水汽通量隨高度的分布特征也有變化在p坐標系中,水汽的連續方程為(圖略),大致表現為:春季水汽通量最大值出現在的_9+ v.Vq+旦(wq)500- 600 hPa,為19.62 kg/(m.s);夏季水汽通量其中,V為水平速度,w為垂直速度。由于上式右邊第最大值則出現在700-850 hPa層,為27.58 kg/( m.一項(局地變化項)和第三項(水汽垂直輸送隨高度s) ,除此之外.在500- 600 hPa又出現一個(gè)21.11 kg/的變化項)通常較小,可不考慮。應用高斯定理變化(m.s)的極值;秋季的水汽通量隨高度的分布特征與春季相似,只是各層的量值都比春季相應層略大以后,凈水汽收支可表示為個(gè)季各層水汽通量與V.q)dpdL春、中國煤化工最小，極值出現在其中,V.為法向速度。因此,只要計算出沿區域周邊500TYHCNMH G)。44氣象與環(huán)境科學(xué)第34卷SO'Ni S0'N45°N40N400N359N350NON30°N25°N20°N150N159)O°N0'N-:SNEQ5S20s二20s40°E 60^E 80PE 100^E 120'E 140PE40E 60PE 80°E100'E 120'E 140E(a)存季(b)夏季SOFN45040°N350N上30NF250N25-NF :20^N20NF:159%s9N:10°NI0NEQ1540E 60rE 80^E 100°E 120'E 140°E"rsC40°E 60°E 80^E 100E 120E 140^E(C)秋季(4)冬季圈1河南 省1971-2005年平均各季節整層水汽通分布單位:kg/(m+s)表1河南省1971- 2005年平均各季節各高度層水汽通值和水汽含量春李.夏季秋拳冬季水汽通量水汽含量/(tg/(ma))____ /mm__ /(ke/(m.9))/mm___ /(kg/(m.s))/mm___ /(kg(m-8))/mm .300-40011.520.4415. 291.1214. 130.567.140.19400-50017.520.9720. 192.1620.911.2112.540.48500 60019.621.69 .21.113.5422.9015.870.89600- -70016. 362.5119.48 .5.3719.572.9814.991.34700- -85015.595.8727.5812.9018.556.7013.992.74B50- 9255.224.2715.449.547. 384.823. 261.78925-10005.475.6515. 3512. 807.486.302.532.22整層91. 3021.41134.4447.4411.4224.6170. 329.63春季水汽含量平均值為21.41 mm,從3月至5月逐月遞3大氣水汽含的時(shí)空分布特征增,平均增長(cháng)率達到40% ;秋季水汽含量平均值為3.1水汽含 的時(shí)間分布特征24.61 mm,與春季相反,從9月至11月水汽含量逐月遞降水形成的過(guò)程就是潮濕空氣絕熱上升而有水減,平均遞減率為33%。不論是整層還是各個(gè)分層,月汽凝結的過(guò)程。分析整個(gè)大氣柱中凝結的水汽量有助平均水汽含量都表現出7月最大.1月最小的特征，這于了解空中水汽資源狀況。表1給出了河南省1971-與降水量的季節變化特征完全一致。水汽含量之所以2005年區城平均各季節各高度層大氣中水汽含量。圖呈現以上特征,與河南省不同季節水汽輸送量密切相2(a)是河南省各月多年平均整層大氣水汽含量及降關(guān) 。河南省水海令景年平構信*2.79mm。中國煤化工水量變化圖,綜合圖、表可以發(fā)現，河南省空中水汽含3.2量存在明顯的季節變化,總體呈“單峰"型分布。冬季3. 2MHCNMHG最低,平均為9.63 mm;夏季最高，平均為47.44 mm;大部分水汽主要集中在500 hPa以下,春、夏、第1期劉艷華等:河南省空中水汽資源的來(lái)源、分布及收支45秋冬四季500 hPa以下水汽含量分別占整層水汽含出增大的特征,全年12個(gè)月當中,除了5月和6月以外量的93.4% .93.1% .92.8% .93. 1%。水汽含量隨季的其余10個(gè)月,在700- -850 hPa層均出現一個(gè)比925節和高度的分布呈現出近似“Q”形狀的特征(見(jiàn)圖- -850 hPa層還要大的極值;700 hPa層以上,變化規2b):1000- 925 hPa層的值相對較大;925-850 hPa律 比較清楚,每個(gè)月都呈現出水汽含量隨高度遞減層的值逐漸減小;自850 hPa向上水汽含量卻又表現的特征。60r-(a)+水汽含量180300(b)50 F- = -降水址-1504001205009o當ζ60020|6盤(pán)7004.86.48.0 e3090001234567891022345678910112月份1月月份1月.圖2河南省整層大氣水汽含量及降水量月變化(a)和水汽含量時(shí)空分布(b)水汽含基單位:mm3.2.2水汽含量 的地理分布南遞增的特征,和河南省多年平均降水量的地理分圖3為整層大氣水汽含量春、夏、秋、冬四季地理布特征類(lèi)似(圖略)。春、夏、秋、冬四季水汽含量變分布圖。圖中水汽含量等值線(xiàn)基本呈“東南-西北”化范圍分別為17 ~26 mm .42 ~50 mm、20 ~ 28 mm、走向,冬季相對其他三個(gè)季節等值線(xiàn)更平緩一些,近7~12mm,年平均水汽含量值南北變化范圍為20~似緯向分布。四季水汽含量值均表現出從東北向西30 mm。37F正- -30-型3110山112 113 114 115 116 Ti7110 川1121131141151166 117經(jīng)度PE(a)春季b)夏季36F己展3332 -'0市1121131411511617中國煤化工經(jīng)度IPE(c)秋季MHCNMHG圖3河南省整層大氣水汽含量四季地理分布單位:mm46氣象與環(huán)境科學(xué)第34卷部為水汽輻散區.東部和南部為水汽輻合區,大致以4水汽通量散度特征京廣線(xiàn)為分界線(xiàn)。夏季河南省絕大部分地區都處于某地的降水不僅和該地區空中水汽的多少有水汽輻合區內;到了秋季,全省轉為輻散區;冬季除關(guān),還與空中水汽的集中程度有關(guān)。丁一匯對1998年了東部和東南部略有輻合以外,大部分地區為輻散大洪水時(shí)期的水汽收支研究發(fā)現,降水的強弱與水區,但強度卻比秋季要弱。綜合來(lái)看,河南省除了東汽輻合的強弱變化- - 致,表明后者是前者的一個(gè)必要條件”。從河南省1971- 2005年平均整層大氣水南部以外的大部分地區在春、秋、冬三季均處于輻汽通量散度的分布情況(圖4)來(lái)看,春季西部和北散區。38廠(chǎng)38 r373-3332k31 L30-.109 110 1川112113114115 116117118109 110 11 112 113 114 115 116 117 118經(jīng)度:°E經(jīng)度E(a) 春季(b)夏季37上35當343-.53232 K109 110 111 112 113 114 115 116117118109 110 11112113114115116117118經(jīng)度°E經(jīng)度"E(c)秋季(d)冬季圖4河南省1971 -2005年平均整層大氣水汽通量散度分布水汽通址散度單位:kg/( m' .s) .圖中數值擴大I0'倍于凈支出狀態(tài)。400-700hPa層則近似處于凈收人5河南省水汽收支特征狀態(tài),但量值較小。全年綜合來(lái)看,可以認為低層凈5.1水汽凈收支 的垂直分布和月際變化收入，中層凈支出,高層凈收入。表2為河南省1971-2005年平均各月水汽凈收圖5是多年平均逐月水汽凈收入(支出)量的變支量的垂直分布。由表2可以看出:925-1000hPa層化。從圖中可以看出河南省5-10月為水汽凈收入，5- 9月為量值較大的水汽凈收人,其中7月份最強,其他Y片中國煤化工k汽凈收人最多的水汽凈收入達到324.4 mm;其他月份為水汽凈支月份CNMHG支出最多的月份，出,量值相對較小。700- -925 hPa層基本上全年均處為-82mm。第1期劉艷華等:河南省空中水汽資源的來(lái)源、分布及收支47表2河南省1971- 2005年平均各月各高度層水汽凈收支tmm高度/hPa1月2月4月5月6月7月910月11月12月300-400-1.3 -1.5 -1.6-1.02.33.4-1.6 -2. I2.72.9-1.2-0.6400-500-0.80.72.46.09.74.62.4 7.80.00.3500- -600-0.34.29.13.011.68.112.513.43. 51.8600-700-0.15.23.119.416.6 16.615.83.6700-850 -11.0 -12.5 -17.5 -19.5 -22.1 -15.08.61.6 -0.6 -1.9-2.5-6.5850-925-12.4 -15.8 -24.6-26.9 -32.8 -22.4-11.5 -17.6 -23.8 -20.2-15.5-13.4925-1000 -40.1 38.6 -48.4-31.553.3305. s .244.050.7 - 13.4-69.7-63.34005.2空 中年水汽資源的輸送總量表3給出了河南省多年平均東、西、南、北四個(gè)邊300 |界的水汽輸人、輸出量和全省年總輸人、輸出量。由表3可見(jiàn),河南西邊界為最主要的水汽輸人邊界,而東邊界為最主要的水汽輸出邊界。夏季隨著(zhù)西南氣100流水汽輸送的增強,南部邊界的水汽輸人迅速增大到927.5mm,西邊界的輸人也達到全年的最大值-1001877.3 mm。各邊界水汽輸人、輸出的差值為各邊界.一2345678.910市12水汽輸送收支的凈值,全年綜合來(lái)看,東、西邊界差月份1月值相對較大。河南省年平均輸入量為11757.6 mm、圈5河南省逐月水汽凈收入支出量為11187.9 mm,水汽凈收人569.7 mm。正值為凈收入,負值為凈支出表3河南省各邊 界水汽輸入、輸出量m東邊界.西邊界南邊界北邊界全省季節輸人輸出輸入春乖388.51814.81621.5442. 8175.8144. 4276. 6185.0 2462. 42587.0夏季1715.71997.3 1877.3802.4927. 5207. 1859.94727.6秋季708.61824.6 1776.3681.416.0260.5 275. 2146. 12906. 12912. 6117.21476.0 1246.2242.750.8139.715.91661.51874.3全年2930.07112.7 6521.3 2169.31300.1699.01006.2 1206.9 11757.61187.9各季對年水汽收支量的貢獻不同,春、秋、冬三6結論季全省水汽均表現為凈支出,夏季則為水汽凈收人。而且不同季節水汽收支量也相差較大,如秋季水汽(1)不同季節河南空中水汽資源來(lái)源不同,全凈收支只有-6.5mm,而夏季能達到913.6mm。年綜合來(lái)看,主要來(lái)自于南海、西太平洋、孟加拉灣根據河南省多年實(shí)測降水資料,河南省多年平以及中緯度西風(fēng)帶。從整層水汽通量來(lái)看,夏季最均春季降水量為147.6mm,占春季輸人水汽總量的高,秋季次之,春季低于秋季,冬季最低。水汽輻合輻6. 0% ;秋季降水量為153.8 mm,占秋季輸人水汽總散狀況隨季節有較大變化,夏季全省為輻合區,秋季量的比例更低,只有5.3%。全年降水量為734.5全省為輻散區,冬、春兩季東部、南部表現為水汽輻mm,占年輸人水汽總量的6.2%。絕大部分水汽成為合,其他地區為水汽輻散。過(guò)境水汽,又從河南省域輸出,可見(jiàn)河南省輸人的水(2)河南空中水汽含量存在明顯的季節變化,汽只有很少一部分能形成降水。因此,可以抓住有利不論是整層還是各個(gè)分層,都表現出7月水汽含量最降水天氣過(guò)程.借助各種宏微觀(guān)探測結果,科學(xué)選擇大、1月水汽含量最小的特征c水汽含量隨季節和高適合人工增雨的作業(yè)時(shí)機和作業(yè)部位,通過(guò)人工增度的分布呈現出近似“I"形狀的特征。水汽含量等雨手段,影響大氣中水汽循環(huán)過(guò)程,提高空中水汽資值線(xiàn)中國煤化工季水汽含量值均源轉化為降水的效率,增加地面降水,緩解水資源供表現t.HCNMHG,汽輸入邊界,而需矛盾。1何用凹邊廠(chǎng) 門(mén)取工女J小氣象與環(huán)境科學(xué)第34卷東邊界為最主要的水汽輸出邊界。各季對年水汽收[4]黃榮輝.張振洲.黃剛.等夏季東亞李風(fēng)區水汽輸送特征及其與支量的貢獻不同,春、秋、冬三季全省水汽均表現為南亞季風(fēng)區水汽輸送的差別J]大氣科學(xué),1998.2(4): 460-469.凈支出,夏季則為水汽凈收人。河南省年平均水汽收[S.俞亞勛,王勁松.李青燕.西北地區空中水汽時(shí)空分布及變化趨人為11757.6 mm、支出為11187.9 mm,水汽凈收入勢分析[J].冰川凍土,2003 ,25(2):149 -156.569.7 mm。河南省輸人水汽的降水轉化率只有56劉世祥,楊建才.陳學(xué)君.等.甘肅省空中水汽含量.水汽輸送的6.2%。時(shí)空分布特征[J].氣象2005 ,31(1): 50-54.[7]康志明.2003年淮河流域持續性大暴時(shí)的水汽輸送分析[J].氣參考文獻象2004.30(2): 20-24.8]T- - i匯.胡國權.1998年中國大洪水時(shí)期的水汽收支研究[J].氣[1]翟盤(pán)茂,周琴芳.中國大氣水分氣候變化研究[J].應用氣象學(xué)象學(xué)報.2003 ,61(2):129 - 145.報,1997.8(3): 342 -351.[2]周長(cháng)艷,李躍清.李概.等東亞地區秋季水汽輸送特征及水汽源[9]程炳巖.張永亮.雀銳河南空中水資源的時(shí)空分布特征{J].河南氣象1999(2):21 -22.地分析[J].熱帶氣象學(xué)報，2006 ,22(4): 380 - 385.[3]謝義炳，戴武杰.中國東郎地區夏泰水汽輸送個(gè)例計算[J].氣象[10]朱乾根.林錦瑞,壽紹文.等.天氣學(xué)原理和方法iM].北京:氣象出版杜192.學(xué)報,1959.30(2):173 -185.Source，Distribution and Budget of Air Vapor Resourcesover Henan ProvinceLiu Yanhua, Li Tielin, Ma Xinxin, Shao Zhenping, Cuo Xianlin(The Weather Modification Center of Henan Province ，Zhenghou 450003 , China)Abstract :The vapor source，spatial-temporal distribution, transportation characteristics and budgetof vapor resources are studied by using monthly data of NCEP/NCAR reanalysis and rainfall data over andaround Henan province during 1971- 2005. The results indicate that the vapor source, vapor flux and thevapor fux divergence vary large with seasons. The annual average vapor content is 25. 77 mm in Henanprovince; it increases from northeast to southwest. The annual amount of input vapor is 11757.6 mm,more than that of output. The annual net vapor budget is 569.7 mm. The annual rainfall of the past 35years is 734.5 mm, only 6.2 percent of the amount of input vapor.Key words:vapor content; vapor lransportation ; vapor budget中國煤化工MYHCNMHG