哈密地区空中水汽及增水潜力分析

卓世新，李如琦，苗运玲，冯桂红

（1.新疆哈密地区气象局，新疆哈密 839000；2.新疆气象台，新疆，乌鲁木齐 830002）

哈密地区空中水汽及增水潜力分析

卓世新1，李如琦2，苗运玲1，冯桂红1

（1.新疆哈密地区气象局，新疆哈密 839000；2.新疆气象台，新疆，乌鲁木齐 830002）

采用哈密地区6站1975—2014年逐日地面水汽压和降水量资料，计算了哈密各站的大气可降水量、有效空中水资源量、自然降水产出率和人工增水潜力值，并分析了各量的时空分布特征。结果表明：哈密地区年平均整层大气可降水量为2560～4327 mm，年均有效空中水资源量约为232～828 mm，占整层大气可降水量的1/4～1/10；年均自然降水产出率在9%～28%，自然降水产出率与降水量成正比关系。哈密地区的年人工增水潜力理论计算值在844～2399 mm之间，潜力值在夏季最大，巴里坤和伊吾明显多于其它区域。

空中水资源；人工增水潜力；哈密；时空分布

哈密地区位于新疆维吾尔自治区东部，是古“丝绸之路”和亚欧大陆桥的枢纽，也是新疆联系内地的窗口。地区总面积14.28万km2，占全疆总面积的8.7%。哈密地区地处欧亚大陆腹地，地形闭塞，属于典型的温带大陆性干旱气候，地形南北低中间高，地势差异大。哈密地区河流少，且水量有限，水资源极其匮乏，水资源短缺将制约地区经济、社会的发展。在重视水资源保护和利用的同时，开发利用空中水资源具有重要的意义。

近年来，对于空中水资源开发利用的相关研究进行了很多，周长艳等[1]、刘晓冉等[2]、江和文等[3]、范思睿等[4]分别分析了金沙江流域、三峡、葫芦岛、西南地区空中水资源的气候变化特征。对于西部干旱区空中水资源的分析和研究得到了更多的重视，苏立娟等[5]、解承莹等[6]、常倬林等[7]、马新平等[8]对内蒙古、青藏高原、宁夏、中国西北地区东部等水资源较缺乏区域的空中水资源时空变化特征及其与降水的关系进行分析，得到了许多有益的结论。而对于特别干旱的新疆地区来说，降水研究一直是气象业务与科研的重点，1962年张学文等[9]就指出对新疆水的来源、转化、循环、平衡和稳定程度的研究和掌握是十分必要的；李霞等[10]分析指出天山地区可降水量夏季多、冬季少,空间分布表现为自西向东、自山区外围向山区中心地带递减的规律，具有很大的增水潜力；史玉光等[11]分析了新疆地区不同季节大气可降水量的气候分布特征和变化趋势，发现大气可降水量夏季最大,春、秋次之,冬季最少，其地理分布与实际降水量分布相反；姚俊强等[12-14]发现天山地区水汽总体呈增多趋势，水汽年变化与西北地区气候变化趋势具有明显一致性。这些对新疆空中水汽的研究取得了许多重要成果，但对于空中水资源相关的研究还远远不能满足开发利用的需要。本文主要针对新疆东部哈密地区的空中水资源及人工增水潜势进行分析，以求进一步了解新疆东部空中水资源的形势，为在气候变化背景下的区域水资源开发利用和经济社会发展决策提供科学依据。

1 资料和方法

本文采用哈密地区哈密、十三间房、巴里坤、伊吾、淖毛湖和红柳河6个气象观测站的逐日平均地面水汽压、降水量资料及各站经纬度、海拔高度数据，资料时间序列为1975年1月1日—2014年12 月31日，共计40 a。季节按习惯划分，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—翌年2月。表1为哈密各站≥0.1 mm的降水日数。

表1 哈密各站≥0.1mm降水日数/d

1.2 计算方法

1.2.1 大气可降水量（W）和有效空中水资源量（We）我们知道，大气中的水汽是始终存在的。假设在整层大气的单位面积垂直气柱中所含水汽全部凝结，并积聚在气柱底面，得到的液态水的深度，即所谓的整层大气的可降水量，其表达式为：

杨景梅等[15，16]基于我国气象台站的探空资料,利用公式(1)及饱和水汽压与温度之间的关系，建立了地面水汽压关系经验公式，该公式具有良好的时间稳定性，而且适用于我国大部分地区，从而解决了在没有探空站的地区难以估算空中水资源量的问题。研究指出，在青藏高原以外的中高纬地区（纬度≥33°N），整层大气可降水量的具体表达式如下：

式中：W为大气可降水量（mm），φ为地理纬度，H为海拔高度（km），e为地面水汽压（hPa）。将哈密地区6个地面站的海拔高度和地理纬度代入公式（2），得到各站大气可降水量计算公式见表2。

无论天空是否为晴空，大气中水汽含量都有可能较丰富，但不一定能够产生降水。根据向玉春等[17]研究，有效空中水资源量（We）可以定义为有降水产生（≥0.1 mm）时的整层大气可降水量（W），这也是比较符合当前人工增雨（雪）业务实际的。对整层大气可降水量（W）或者有效空中水资源量（We）按照所需的时段进行时间积分计算，即可得到相应时段内的值，也就是在该时间段中相应量的累计值，相对平均值而言可以更清楚地反映出空中水汽的变化特征。

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表2 哈密地区各站整层大气可降水量（W）计算公式

1.2.2 自然降水产出率（Er）

所谓自然降水产出率（Er）是指在相同的统计时段内，实际产生的自然降水量（R）与有效空中水资源量（We）之间的百分比，其表达式为：

1.2.3 人工增雨（雪）潜力（Wz）

在有效空中水资源量一定的情况下，自然降水产出率（Er）越低，滞留在大气中水汽含量越多，表明人工增雨（雪）的潜力就越大，所以人工增雨（雪）的潜力值（Wz）可用公式表示为：

2 结果与分析

2.1 哈密地区空中水资源的时空分布

图1给出了哈密地区各站近40 a的大气可降水量变化。总体上看，哈密地区的大气可降水量大致呈西南部多于东北部的空间分布，地区南部的哈密明显多于其它站，年均为4327 mm，东部的伊吾和红柳河较少，年均283 mm和2560 mm。这与哈密地区降水量的空间分布并不一致，可能是由于哈密地区复杂的地形影响造成的。哈密南部地区的水汽输送大致有西北、西南和东部3个通道，水汽的输送量较大；十三间房是风口地区，常年有大风，水汽不易滞留；哈密则是盆地，水汽在此汇聚，但不利于上升运动发展，水汽凝结成云致雨的条件较差。降水量较大的巴里坤和伊吾属山区，位于向东逐渐收缩的峡谷内，受地形的抬升作用影响较大，水汽易抬升凝结；淖毛湖和红柳河均为戈壁，受地形阻挡，水汽很难到达。从近40 a的变化趋势来看，除巴里坤略呈下降趋势（-2 mm/10 a）外，大部区域的大气可降水量表现为增长的趋势，红柳河的增长率最大，约为12 mm /10 a，其它各站增长率约为9 mm/10 a。哈密地区各站的大气可降水量也具有明显的年代际差异，巴里坤、哈密、伊吾均在20世纪90年代达到峰值，而后逐渐降低，而其它3站则是在21世纪前10 a达到最大值。

图1 1975—2014年整层大气可降水量/mm

从哈密多年平均整层大气可降水量的逐月变化（表3）来看，各站大气可降水量都呈现明显的单峰型变化特征，1—7月逐月增加，7月达到年极值，7—12月逐月减少，1月出现最低值。比较各站的大气可降水量月极值发现，哈密的差异最大，红柳河的差异最小。大气可降水量的年变化反映了一年中空中水汽的增减变化特征，同时也反映出哈密的大气可降水量具有明显的季节分布特征，即夏季最大，秋季、春季次之，冬季最小，这与哈密年降水量的变化特征趋于一致。夏季高温，大气中可容纳的水汽量也较大，而冬季冷空气活动强而频繁，气温低，大气中可容纳的水汽量少，从而形成哈密地区大气可降水量的季节差异。

表3 40a各月平均整层大气可降水量/mm

2.2 有效空中水资源的时空分布

分析40 a来哈密各站的年有效空中水资源量（表4）可以发现，巴里坤的有效水资源量最多，伊吾次之，淖毛湖最少，最大值出现在2003年的巴里坤，达到了1052 mm，最小值出现在1985年的淖毛湖，仅75 mm。由此可见，有效空中水资源量与大气可降水量无明显的相关性，降水多的地区可产生降水的空中水资源量就多。各站有效空中水资源量表现出不同的年代际分布特征，十三间房和巴里坤在上世纪70年代最多，2010年代最少；淖毛湖和红柳河在20世纪90年代最多，80年代最少；伊吾在20世纪90年代最多，2010年代最少；哈密则是在20世纪90年代最多，20世纪70年代最少。可见各站年代际的有效空中水资源量具有显著的差异。

表4 40a各站年有效空中水资源量/mm

图2给出的是各站月平均有效空中水资源的分布。由图可见，与年平均值分布特征相同，巴里坤、伊吾明显多于其它4站，淖毛湖最少。夏季的有效空中水资源量明显多于其它季节，冬季最少，各站1月均最小，而后增大，5月后增长幅度明显增加，7月达到最大，之后迅速减小，9月以后减小的幅度也逐渐下降。各站之间的差距也是在7月最大，1月最小，这与降水量的贡献主要来自于夏季相吻合。

图2 各月有效空中水资源量/mm

2.2 自然降水产出率

哈密地区各站1975—2014年的年平均降水量的差异很大，中部巴里坤最大，达228.3 mm，北部的淖毛湖最少，仅20.6 mm，南部三站中十三间房最少，为31.5 mm，地区平均的年降水量最大117.9 mm，出现在1998年，最小40.4 mm，出现在1985年。各站自然降水产出率的年际差异很大，区域平均来看2005年最大，为20.9%，1977年最小，仅9.4%。自然降水产出率的季节变化也很复杂，各站的最大值主要集中于春季、秋季和初冬，十三间房、巴里坤出现在9月，哈密出现在11月，淖毛湖、伊吾出现在3月，红柳河出现在4月；最小值主要出现在冬季和夏季，十三间房出现在12月，伊吾、红柳河出现在1月，巴里坤出现在2月，淖毛湖、哈密出现在7月。水汽输送条件、地形环境、局地小气候等对自然降水产出率的影响造成季节分布的差异。

分析哈密各站的年均自然降水产出率（图3）发现，巴里坤最大，伊吾次之，淖毛湖最小，这与各站的降水量多少有很好的对应关系。降水量越大，自然降水产出率越高。

图3 年平均自然降水产出率和降水量

2.3 人工增水潜力

从表5中可以看到，哈密各站的人工增水潜力值有较大的差异，根据经验公式计算得到的理论值，哈密各站全年潜力在844～2399 mm之间，淖毛湖最小，巴里坤最大。理论上说，全地区年平均增水潜力值达到1532 mm，是近40 a间哈密地区年平均降水量（79.6 mm）的19.3倍，可见对于严重缺水的哈密地区来说，空中水资源的潜力是巨大的。如果能将10%的空中可开发水资源转换成降水，地区的平均降水量将增加近2倍，增加的水资源量达上百亿吨。

各站人工增水潜力最大值均出现在7月，最小值除巴里坤出现在1月，淖毛湖出现在11月外，其它站出现在2月，总体来看，哈密地区人工增水潜力值最大的季节是夏季，其次是在春季。具体来看，哈密北部的巴里坤、伊吾的增水潜力值明显大于其它区域。

表5 哈密各站人工增水潜力/mm

大气中的水汽是不可能全部凝结为降水的，所以本文计算出的结果要比实际偏大，但分析哈密地区空中水资源及人工增水潜力值的时空分布特征，对严重缺水的哈密地区如何有效的开发空中水资源，合理进行人工增水作业仍具有重要的参考价值。

3 结论

（1）哈密地区年平均整层大气可降水量为2560～4327 mm之间，最大值出现在哈密，最小值在红柳河。年均有效空中水资源量约为232～828 mm，最大出现在巴里坤，最小出现在淖毛湖，分别是整层大气可降水量的1/4～1/10不等，各区域之间差异较大。

（2）哈密地区的年均自然降水产出率在9%～28%之间，各站之间差异较大，巴里坤最大，淖毛湖最小。自然降水产出率与降水量有较好的对应关系，降水量越大，自然降水产出率越高。

（3）根据经验公式计算得到的理论值，哈密地区的年人工增水潜力在844～2399 mm之间，巴里坤最大，淖毛湖最小，地区年均人工增水潜力值为1532 mm，是35 a平均降水量的19.3倍。哈密北部的巴里坤、伊吾的人工增水潜力值明显高于其它区域，夏季大，冬季小。

（4）本文采用时间累计方法得到结果体现了最大可能降水量的理论意义，较平均数据得到的结论偏大，但可以更为清楚地反映空中水汽的变化。

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Analysis of Air Water Vapor and Precipitation Enhancement Potentiality of Hami Area

ZHUO Shixin1，LI Ruqi2，MIAO Yunling1，FENG Guihong1
（1.Hami Meteorological Bureau，Hami 839000，China；2.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China）

Using the ground water vapor pressure and precipitation data from 1975 to 2014 of 6 stations in Hami area,the atmospheric water vapor,effective air water resources,natural precipitation ratio and artificial precipitation enhancement potential were calculated,and their spatial and temporal distribution were analyzed.The results showed that the annual mean atmospheric precipitation water vapor in Hami is about 2560～4327 mm.The annual mean effective air water resources is about 232～828 mm,and accounts for 1/4～1/10 of the whole atmospheric precipitable water vapor.The annual mean natural precipitation rate is about 9%～28%，and it is positively correlated to precipitation.The theoretical value of annual artificial water potential is 844～2399 mm,and it reaches the peak in summer,and the poteatial is significantly much more in Barkol and Yiwu than that of other regions.

air water resource；artificial water potential；Hami；spatial and temporal distribution

P481

：B

1002-0799（2016）06-0068-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.010

2016-08-27；

2016-10-07

新疆维吾尔自治区人民政府“新疆吐鲁番哈密地区空中云水资源开发利用”项目子课题（TUHA201509，TUHA201511）资助。

卓世新（1976-），男，工程师，从事人工影响天气相关业务和研究工作。E-mail:1556603913@qq.com卓世新，李如琦，苗运玲，等.哈密地区空中水汽及增水潜力分析[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（6）：68-72.