河南省空中水汽资源的来源、分布及收支

第34卷第1期气象与环境科学Vol. 34 No. 12011年2月Meteorological and EnvironmentaliencesFeb. 2011河南省空中水汽资源的来源、分布及收支.刘艳华，李铁林，马鑫鑫，邵振平，郭献林(河南省人工影响天气中心,郑州450003)摘要: 利用1971-2005年河南省及其临近地区NCEP/NCAR月平均再分析资料和同期降水观测资料,分析了河南省空中水汽来源、水汽资源的时空分布、水汽输送特征以及河南省域水汽收支状况。结果表明:不同季节水汽来源、水汽通量强度及其随高度的分布、水汽通量散度等特征有相当大的差异;河南省空中年水汽含量平均值为25.79 mm,水汽含量值大小曼季节变化影响明显,四季平均水汽含量值均表现出从东北向西南递增的特征;全年空中水汽资源收支状况表现为输入大于输出,全省年均水汽总输入量为11757.6 mm,净收入量为569.7 mm。河南省35 a平均年降水量为734.5 mm,只占输入水汽总量的6.2%。关键词:水汽含量;水汽输送;水汽收支中图分类号: P426. 1'5文献标识码:A .文章编号:1673 - 7148(2011)01 - 0042 -07河南省是自然灾害多发地区,尤其是旱灾,发生引言频率高,受灾面积广。而河南又是一个极度缺水的省水分循环不仅在大气一陆地-海洋一生物圈这份,人均地下水资源占有量为473 m' ,仅为全国人均个耦合气候系统中起着重要作用,而且与人类生活占有量的1/5 ,水资源短缺已经严重地阻碍了河南省和生产密切相关,特别是在全球水资源短缺的今天,经济可持续发展。随着经济建设的发展和人口的增水汽运动规律的研究已经是许多气候研究计划的重长,水资源短缺造成的矛盾日趋尖锐,如何有效地开要内容[-s.。早在1959年,谢义炳等[]就指出黄淮地发利用空中水资源、增加有效降水显得尤为迫切。要区强降水过程与水汽输送密切相关。黄荣辉等‘利想合理开发河南省空中水汽资源,就必须要对河南用10a的ECMWF数值分析资料对东亚季风区夏季省域的空中水汽来源、水汽含量和输送的时空分布水汽输送特征进行了系统的研究,指出东亚季风的规律有充分的了解。水汽输送又可造成某一区域水水平结构和水汽输送特征与印度季风有明显区别。汽的变化即引起该区域水汽收支的变化。丁一汇俞亚勋等':对西北地区空中水汽含量和水汽输送等[8]对1998年大洪水时期的水汽收支研究结果表的时空分布规律、水汽来源及空中水汽含量在43 a .明,降水主要来自水汽的辐合,强降水对应着较强的内的变化趋势作过详细的探讨。刘世祥等l°)利用30a的甘肃省多个探空站逐日资料对甘肃上空水汽含水汽净收入。因此.对河南省域水汽收支状况的研究量、水汽通量的气候特征,水汽源地及水汽输送途径也不可缺少。程炳岩等l".利用探空资料对河南省空作了详细分析。康志明|”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,但是对域6.7月间持续性强暴雨的环流形势、水汽输送及6水汽输送特征以及河南省空中水汽来源、水汽收-7月逐日水汽收支,得出这一时期强降水的水汽源支、水汽资源评价等没有涉及。本文利用NCEP/地是南海和孟加拉湾,水汽辐合主要在850hPa层以NCAR月平均再分析网格点资料在这方面作了详下的结论。细阐述。中国煤化工收稿日期:2010 -08 - 13;修订日期:2011 -01 -06基金项目:“+-五"河南省重大科技攻关项目“河南省云水资源开发利用技术研.MYHCNMHG作者简介:刘艳华(1976-) ,女,河南鄢陵人，T.程师、硕士.主要从事人工影响天气工作. Eamail:hlI.I @163. com第1期刘艳华等:河南省空中水汽资源的来源、分布及收支43的水汽通量.就可以计算出单位时间内该区域内的1资料和方法净水汽收支(用mm表示),并可分析其随时间和空选取NCEP/NCAR河南省及其临近地区1971-间的分布[10.。2005年的月平均再分析资料,包括各等压层比湿、纬向风速、经向风速,水平格距为2.5° x2.5°,垂直有2河南省空中水汽来源及分布.17层。考虑到大部分水汽集中在对流层中下层、3002.1水汽来源hPa以上水汽含量很小，计算时选取1000--300hPa,水汽通量的数值和方向能表示水汽的来源。图1共8层计算范围选取111-116°E、31.5- -36.5°N。四给出了河南省1971-2005年平均的四季整层水汽通季采用气候学划分,即12-2月为冬季、3-5月为春量分布情况,从中可以看到,不同季节河南空中水汽季、6-8月为夏季.9-11月为秋季。分析的特征量有资源的源地不同。春季河南省空中水汽主要有两个整层大气水汽含量、水汽输送通量、水汽收支等。来源:一是中纬度西风气流带来的水汽扰动,二是西各特征量定义和计算方法如下。整层大气水汽含量:从地表到大气顶单位面积太平洋副高南侧的偏东风在中南半岛、南海地区转向,向我国中东部地区输送。河南省北部、中部主要的空气柱内的水汽含量。计算公式为受第一个水汽来源的影响,而南部则受两个水汽来w =一. qdp源的共同影响:夏季印度西南季风显著增强，西南气式中,W的单位为mm,q为比湿.p.和p,分别取1000流经孟加拉湾、中南半岛、南海自西南向东北方向hPa和300 hPa,g 为重力加速度。输送丰沛的水汽,河南省夏季主要受这一水汽输水汽通量:单位时间内流经某一单位面积的水送带影响。到了秋季,与夏季相比，整体水汽输送汽质量,它表示水汽输送强度:在p坐标系中,单位明显减弱,但副高南侧的偏东风与夏季相比西伸边长整层大气的水汽通量经、纬向计算公式为增强.在孟加抗湾东北部转向成为西南风，与孟加Q, =一qxvdp拉湾北部臧弱的偏南风合并,经四川盆地向东北输送水汽，并在34°.附近又折向东,汇人中纬度Q.=一「qxudp西风输送带.继续向华北、东北地区输送水汽，河式中,u、0分别是纬向、经向风速,Q.Q,的单位是.南空中水汽也来源于此。冬季,夏季风完全撤退，河南转受中纬度西风带影响,西风气流经川北、陕kg/(m.s)。水汽通量散度;单位时间里.单位体积内汇合进南向河南省输送水汽。来或辐散出去的水汽质量。计算公式为2.2水汽资源的分布特征_a表1给出了河南省35 a平均各季节空中水汽rcospaλ riφ通量区域平均值。从表中可以看出:就整层水汽通式中,A的单位是kg/(m2.s),r是地球半径,φ、λ分量来看,夏季最高,为134.44 kg/(m.s);秋季次别是纬度和经度。之;春季低于秋季;冬季最低,为70.32 kg/(m.s)。净水汽收支:某个区域内流人和流出的水汽量。不同季节水汽通量随高度的分布特征也有变化在p坐标系中,水汽的连续方程为(图略),大致表现为:春季水汽通量最大值出现在的_9+ v.Vq+旦(wq)500- 600 hPa,为19.62 kg/(m.s);夏季水汽通量其中,V为水平速度,w为垂直速度。由于上式右边第最大值则出现在700-850 hPa层,为27.58 kg/( m.一项(局地变化项)和第三项(水汽垂直输送随高度s) ,除此之外.在500- 600 hPa又出现一个21.11 kg/的变化项)通常较小,可不考虑。应用高斯定理变化(m.s)的极值;秋季的水汽通量随高度的分布特征与春季相似,只是各层的量值都比春季相应层略大以后,净水汽收支可表示为个季各层水汽通量与V.q)dpdL春、中国煤化工最小，极值出现在其中,V.为法向速度。因此,只要计算出沿区域周边500TYHCNMH G)。44气象与环境科学第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年平均各季节整层水汽通分布单位:kg/(m+s)表1河南省1971- 2005年平均各季节各高度层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整层91. 3021.41134.4447.4411.4224.6170. 329.63春季水汽含量平均值为21.41 mm,从3月至5月逐月递3大气水汽含的时空分布特征增,平均增长率达到40% ;秋季水汽含量平均值为3.1水汽含 的时间分布特征24.61 mm,与春季相反,从9月至11月水汽含量逐月递降水形成的过程就是潮湿空气绝热上升而有水减,平均递减率为33%。不论是整层还是各个分层,月汽凝结的过程。分析整个大气柱中凝结的水汽量有助平均水汽含量都表现出7月最大.1月最小的特征，这于了解空中水汽资源状况。表1给出了河南省1971-与降水量的季节变化特征完全一致。水汽含量之所以2005年区城平均各季节各高度层大气中水汽含量。图呈现以上特征,与河南省不同季节水汽输送量密切相2(a)是河南省各月多年平均整层大气水汽含量及降关 。河南省水海令景年平构信*2.79mm。中国煤化工水量变化图,综合图、表可以发现，河南省空中水汽含3.2量存在明显的季节变化,总体呈“单峰"型分布。冬季3. 2MHCNMHG最低,平均为9.63 mm;夏季最高，平均为47.44 mm;大部分水汽主要集中在500 hPa以下,春、夏、第1期刘艳华等:河南省空中水汽资源的来源、分布及收支45秋冬四季500 hPa以下水汽含量分别占整层水汽含出增大的特征,全年12个月当中,除了5月和6月以外量的93.4% .93.1% .92.8% .93. 1%。水汽含量随季的其余10个月,在700- -850 hPa层均出现一个比925节和高度的分布呈现出近似“Q”形状的特征(见图- -850 hPa层还要大的极值;700 hPa层以上,变化规2b):1000- 925 hPa层的值相对较大;925-850 hPa律 比较清楚,每个月都呈现出水汽含量随高度递减层的值逐渐减小;自850 hPa向上水汽含量却又表现的特征。60r-(a)+水汽含量180300(b)50 F- = -降水址-1504001205009o当ζ60020|6盘7004.86.48.0 e3090001234567891022345678910112月份1月月份1月.图2河南省整层大气水汽含量及降水量月变化(a)和水汽含量时空分布(b)水汽含基单位:mm3.2.2水汽含量 的地理分布南递增的特征,和河南省多年平均降水量的地理分图3为整层大气水汽含量春、夏、秋、冬四季地理布特征类似(图略)。春、夏、秋、冬四季水汽含量变分布图。图中水汽含量等值线基本呈“东南-西北”化范围分别为17 ~26 mm .42 ~50 mm、20 ~ 28 mm、走向,冬季相对其他三个季节等值线更平缓一些,近7~12mm,年平均水汽含量值南北变化范围为20~似纬向分布。四季水汽含量值均表现出从东北向西30 mm。37F正- -30-型3110山112 113 114 115 116 Ti7110 川1121131141151166 117经度PE(a)春季b)夏季36F己展3332 -'0市1121131411511617中国煤化工经度IPE(c)秋季MHCNMHG图3河南省整层大气水汽含量四季地理分布单位:mm46气象与环境科学第34卷部为水汽辐散区.东部和南部为水汽辐合区,大致以4水汽通量散度特征京广线为分界线。夏季河南省绝大部分地区都处于某地的降水不仅和该地区空中水汽的多少有水汽辐合区内;到了秋季,全省转为辐散区;冬季除关,还与空中水汽的集中程度有关。丁一汇对1998年了东部和东南部略有辐合以外,大部分地区为辐散大洪水时期的水汽收支研究发现,降水的强弱与水区,但强度却比秋季要弱。综合来看,河南省除了东汽辐合的强弱变化- - 致,表明后者是前者的一个必要条件”。从河南省1971- 2005年平均整层大气水南部以外的大部分地区在春、秋、冬三季均处于辐汽通量散度的分布情况(图4)来看,春季西部和北散区。38厂38 r373-3332k31 L30-.109 110 1川112113114115 116117118109 110 11 112 113 114 115 116 117 118经度:°E经度E(a) 春季(b)夏季37上35当343-.53232 K109 110 111 112 113 114 115 116117118109 110 11112113114115116117118经度°E经度"E(c)秋季(d)冬季图4河南省1971 -2005年平均整层大气水汽通量散度分布水汽通址散度单位:kg/( m' .s) .图中数值扩大I0'倍于净支出状态。400-700hPa层则近似处于净收人5河南省水汽收支特征状态,但量值较小。全年综合来看,可以认为低层净5.1水汽净收支 的垂直分布和月际变化收入，中层净支出,高层净收入。表2为河南省1971-2005年平均各月水汽净收图5是多年平均逐月水汽净收入(支出)量的变支量的垂直分布。由表2可以看出:925-1000hPa层化。从图中可以看出河南省5-10月为水汽净收入，5- 9月为量值较大的水汽净收人,其中7月份最强,其他Y片中国煤化工k汽净收人最多的水汽净收入达到324.4 mm;其他月份为水汽净支月份CNMHG支出最多的月份，出,量值相对较小。700- -925 hPa层基本上全年均处为-82mm。第1期刘艳华等:河南省空中水汽资源的来源、分布及收支47表2河南省1971- 2005年平均各月各高度层水汽净收支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 中年水汽资源的输送总量表3给出了河南省多年平均东、西、南、北四个边300 |界的水汽输人、输出量和全省年总输人、输出量。由表3可见,河南西边界为最主要的水汽输人边界,而东边界为最主要的水汽输出边界。夏季随着西南气100流水汽输送的增强,南部边界的水汽输人迅速增大到927.5mm,西边界的输人也达到全年的最大值-1001877.3 mm。各边界水汽输人、输出的差值为各边界.一2345678.910市12水汽输送收支的净值,全年综合来看,东、西边界差月份1月值相对较大。河南省年平均输入量为11757.6 mm、圈5河南省逐月水汽净收入支出量为11187.9 mm,水汽净收人569.7 mm。正值为净收入,负值为净支出表3河南省各边 界水汽输入、输出量m东边界.西边界南边界北边界全省季节输人输出输入春乖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各季对年水汽收支量的贡献不同,春、秋、冬三6结论季全省水汽均表现为净支出,夏季则为水汽净收人。而且不同季节水汽收支量也相差较大,如秋季水汽(1)不同季节河南空中水汽资源来源不同,全净收支只有-6.5mm,而夏季能达到913.6mm。年综合来看,主要来自于南海、西太平洋、孟加拉湾根据河南省多年实测降水资料,河南省多年平以及中纬度西风带。从整层水汽通量来看,夏季最均春季降水量为147.6mm,占春季输人水汽总量的高,秋季次之,春季低于秋季,冬季最低。水汽辐合辐6. 0% ;秋季降水量为153.8 mm,占秋季输人水汽总散状况随季节有较大变化,夏季全省为辐合区,秋季量的比例更低,只有5.3%。全年降水量为734.5全省为辐散区,冬、春两季东部、南部表现为水汽辐mm,占年输人水汽总量的6.2%。绝大部分水汽成为合,其他地区为水汽辐散。过境水汽,又从河南省域输出,可见河南省输人的水(2)河南空中水汽含量存在明显的季节变化,汽只有很少一部分能形成降水。因此,可以抓住有利不论是整层还是各个分层,都表现出7月水汽含量最降水天气过程.借助各种宏微观探测结果,科学选择大、1月水汽含量最小的特征c水汽含量随季节和高适合人工增雨的作业时机和作业部位,通过人工增度的分布呈现出近似“I"形状的特征。水汽含量等雨手段,影响大气中水汽循环过程,提高空中水汽资值线中国煤化工季水汽含量值均源转化为降水的效率,增加地面降水,缓解水资源供表现t.HCNMHG,汽输入边界,而需矛盾。1何用凹边厂 门取工女J小气象与环境科学第34卷东边界为最主要的水汽输出边界。各季对年水汽收[4]黄荣辉.张振洲.黄刚.等夏季东亚李风区水汽输送特征及其与支量的贡献不同,春、秋、冬三季全省水汽均表现为南亚季风区水汽输送的差别J]大气科学,1998.2(4): 460-469.净支出,夏季则为水汽净收人。河南省年平均水汽收[S.俞亚勋,王劲松.李青燕.西北地区空中水汽时空分布及变化趋人为11757.6 mm、支出为11187.9 mm,水汽净收入势分析[J].冰川冻土,2003 ,25(2):149 -156.569.7 mm。河南省输人水汽的降水转化率只有56刘世祥,杨建才.陈学君.等.甘肃省空中水汽含量.水汽输送的6.2%。时空分布特征[J].气象2005 ,31(1): 50-54.[7]康志明.2003年淮河流域持续性大暴时的水汽输送分析[J].气参考文献象2004.30(2): 20-24.8]T- - i汇.胡国权.1998年中国大洪水时期的水汽收支研究[J].气[1]翟盘茂,周琴芳.中国大气水分气候变化研究[J].应用气象学象学报.2003 ,61(2):129 - 145.报,1997.8(3): 342 -351.[2]周长艳,李跃清.李概.等东亚地区秋季水汽输送特征及水汽源[9]程炳岩.张永亮.雀锐河南空中水资源的时空分布特征{J].河南气象1999(2):21 -22.地分析[J].热带气象学报，2006 ,22(4): 380 - 385.[3]谢义炳，戴武杰.中国东郎地区夏泰水汽输送个例计算[J].气象[10]朱乾根.林锦瑞,寿绍文.等.天气学原理和方法iM].北京:气象出版杜192.学报,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中国煤化工MYHCNMHG