基于ERA-Interim资料的青海省空中云水资源评估

张海宏，石明明，吴 昊，祁栋林，权 晨

(1.青海省气象科学研究所，青海 西宁 810001；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001；3.中国气象局大气探测重点实验室，成都信息工程大学电子工程学院，四川 成都 610225)

引 言

云水含量为云中液态水和固态水含量的统称，是空中水资源的重要组成部分，是研究云对气候影响的重要参数[1-2]，对云滴的碰并增长以及降水强度都有重要影响，是全球气候数值模拟的预报参量[3-4]。云水含量对云的辐射特性会产生重要影响，进而影响地气系统的能量平衡[5]。对云水含量时空分布特征的研究可以为人工增雨提供一定的参考依据[6-8]。在全球变暖背景下，中国地区空中云水资源表现出增多趋势，符合气温升高水循环增强的观点[9]。受东亚夏季风因素的影响，中国地区云和降水的发生发展呈现出异常复杂的特征，青藏高原地形以及东亚夏季风对月平均云水含量分布具有明显影响[10]。

目前对于空中云水资源的研究多基于卫星、遥感数据和再分析资料[11-13]。卫星数据具有覆盖范围广，分辨率高的优势，但由于反演算法的差异会导致云水含量反演结果存在一定的不确定性。再分析资料利用云水混合比的参数化方程计算云水含量，通过数据同化系统与观测数据相融合实现网格数据的优化集成。耿容[14]对比了国际卫星云气候计划(International Satellite Cloud Climatology Project, ISCCP)、MODIS、ERA-Interim的中国地区整层云水含量，发现ERA-Interim与卫星资料空间分布基本一致，ERA-Interim在反映云液水含量和云冰水含量变化方面与MODIS一致性很高。蔡淼[15]利用Cloudsat云观测和再分析资料，对中国大气水分收支和云水资源、降水效率等进行了计算评估，认为根据再分析资料的相对湿度物理量诊断的云场分布比较符合实际的云降水观测。近些年来，利用再分析资料对我国不同区域空中云水资源的评估[16-18]，对于进一步理解区域气候变化提供了重要参考。

青海省位于青藏高原东北部，处于东亚季风和南亚季风影响的边缘地带，省内大部地区年降水量较少。研究表明，青藏高原大气可降水量的空间分布总体表现为东南部偏多、西北部和中部偏少的特征[19]，在气候变暖背景下，高原地区的云水含量呈增加趋势，云液水含量与气温呈显著正相关[20]。为了解青海省空中云水资源的分布状况，本文利用ERA-Interim再分析资料对青海省空中云水资源进行评估，此类研究对于合理开发利用空中水资源、缓解地表淡水资源短缺、改善生态环境、保障经济社会可持续发展具有重要意义[21]。

1 资料与方法

所用资料为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的ERA-Interim逐月再分析数据，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间段为2009年1月至2018年12月。ERA-Interim再分析资料数据种类丰富，其大气模式改进了冰粒子的沉降、云顶夹卷、云底计算、陆面夜间对流的触发等物理过程，在大气质量守恒、水分收支和能量循环等方面较ERA-40有显著提升[22-23]，近年来该产品的性能已经得到普遍认可[24-25]。本文分析选取的气象要素有云液水含量和云冰水含量，云水含量为云液水含量、云冰水含量的总和。四季划分：2—4月为春季，5—7月为夏季，8—10月为秋季，11月至次年1月为冬季。将青海省划分为4个主要生态功能区，分别为柴达木盆地(35.9°N—38.9°N、90.5°E—97.4°E)、祁连山区(37.3°N—39.1°N、98.0°E—102.3°E)、东部农业区(35.6°N—37.2°N、100.1°E—102.9°E)和青南高原(32.1°N—35.6°N、90.5°E—101.8°E)。

文中附图所涉及地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1719的标准地图制作，底图无修改。

2 结果与分析

2.1 云水资源空间分布特征

图1为青海省2009—2018年整层云液水含量、云冰水含量和云水含量年平均值空间分布。可以看出，青海省云液水含量、云冰水含量、云水含量均呈现自西北向东南逐渐增多的空间分布特征。云液水含量空间分布差异较大，而云冰水含量空间分布差异较小，云冰水含量多于云液水含量。柴达木盆地云液水含量、云冰水含量和云水含量很少；而玉树南部、果洛东南部及北部的祁连山区三者含量较高，云液水含量、云冰水含量和云水含量多年平均值分别为20～30，30～50和70～80 g·m-2，这与强安丰等[26]在三江源区的研究结论类似。青海省地处青藏高原东北部，境内海拔高度多在3000 m以上，受东亚季风影响较弱，云液水含量和云冰水含量均低于中国东部地区[22]。青藏高原东侧是南北气流交汇区，容易形成低涡系统，导致对流层中低层出现较多的层状云，这可能是青海东南部地区云水含量较高的原因。

图1 青海省2009—2018年整层云液水含量(a)、云冰水含量(b)和云水含量(c)的年平均值空间分布(单位：g·m-2)

图2为青海省 2009—2018年四季整层云液水含量和云冰水含量的空间分布。可以看出，春季和冬季，青海省云液水含量均很小，低于10 g·m-2；夏季和秋季青海西北部地区云液水含量很小，低于10 g·m-2，东南部地区云液水含量较高，达70 g·m-2，其中夏季云液水含量峰值(80 g·m-2)出现在久治县和班玛县，秋季云液水含量峰值(90 g·m-2)出现在河南县，值得注意的是，祁连山区也属于夏秋季节云液水含量较高的地区。春季云冰水含量青海东部农业区较大，可达90 g·m-2，中部和西部地区较小，只有10～30 g·m-2；夏季全省云冰水含量较大，高值区主要位于祁连山区、玉树中南部、果洛东南部，可达60～70 g·m-2，峰值(70 g·m-2)出现在囊谦县和久治县；秋季云冰水含量空间分布与夏季类似，但数值略有降低，峰值(70 g·m-2)出现在玉树东部至果洛一带；冬季全省大部分地区云冰水含量低于10 g·m-2，只有玉树东南部、果洛和黄南为10～20 g·m-2。刘菊菊等[25]研究发现高原夏季云水含量占全年48%，由东南向西北逐渐减少，本文的研究结论与其较为类似。从各季云液水含量和云冰水含量的对比来看，春季和夏季青海省大部分地区云冰水含量多于云液水含量；秋季除柴达木盆地西北部云冰水含量多于云液水含量外，其余地区云液水含量多于云冰水含量；冬季除东南部地区云冰水含量多于云液水含量外，其余大部地区云液水含量和云冰水含量相当。从全省范围来看，云液水含量秋季最为丰富，云冰水含量夏季最为丰富，这可能与东亚夏季风和南亚夏季风的影响差异有关。

图2 2009—2018年青海省春季(a、b)、夏季(c、d)、秋季(e、f)和冬季(g、h)整层云液水含量(a、c、e、g)和云冰水含量(b、d、f、h)空间分布(单位：g·m-2)

图3为2009—2018年青海省4个主要生态功能区四季云液水含量和云冰水含量的垂直分布。春季，柴达木盆地、祁连山区和东部农业区的云液水含量在4.3 km高度最高，分别为0.000 1、0.000 3和0.001 1 g·kg-1，而青南高原在5.6 km高度最高，为0.000 3 g·kg-1；4个地区云冰水含量均在7.2 km高度最高，祁连山区、柴达木盆地、东部农业区和青南高原分别为0.005 3、0.005 7、0.006 3和0.008 4 g·kg-1。夏季，柴达木盆地和青南高原的云液水含量在5.6 km高度最多，分别为0.003 6 和0.027 g·kg-1，祁连山区和东部农业区云液水含量在4.3 km高度最多，分别为0.012 3和0.019 7 g·kg-1；4个地区云冰水含量最大值均出现在7.2 km高度，柴达木盆地、祁连山区、东部农业区和青南高原分别为0.013 5、0.015 4、0.018 5和0.026 1 g·kg-1。秋季，柴达木盆地和青南高原云液水含量在5.6 km高度最高，分别为0.005 9和0.039 6 g·kg-1，祁连山区和东部农业区的云液水含量在4.3 km高度最高，分别为0.021 7和0.028 8 g·kg-1；4个地区云冰水含量最大值均出现在7.2 km高度，祁连山区、柴达木盆地、东部农业区和青南高原分别为0.012 3、0.013 0、0.015 6和0.021 0 g·kg-1。冬季，柴达木盆地和青南高原的云液水含量在4.3 km高度达最大，分别为0.000 06和0.000 15 g·kg-1，祁连山区和东部农业区的云液水含量在3.0 km高度最大，分别为0.000 2和0.000 6 g·kg-1，且随高度增加而逐渐递减；4个地区云冰水含量最大值均出现在7.2 km高度，祁连山区、柴达木盆地、东部农业区和青南高原分别为0.002 8、0.003 6、0.004 1和0.004 9 g·kg-1。

图3 2009—2018年青海省春季(a、b)、夏季(c、d)、秋季(e、f)和冬季(g、h)云液水含量(a、c、e、g)和云冰水含量(b、d、f、h)垂直分布

冬季祁连山区和东部农业区云液水含量随高度升高而递减，其余季节各地区云液水含量、云冰水含量均随高度升高先增多后减少，且云冰水含量峰值所在高度高于云液水含量峰值所在高度，这与天山地区云水资源的分布特点[17]较为类似。

2.2 云水资源年际变化趋势

图4为2009—2018年青海省4个生态功能区四季云液水含量年际变化及其线性趋势。可以看出，除夏季青南高原云液水含量呈下降趋势外，其余均呈增加趋势，且均通过α=0.01的显著性检验，其中秋季东部农业区和青南高原云液水含量增加趋势最为显著，气候倾向率分别为0.002 5和0.001 7 g·kg-1·a-1。

图4 2009—2018年青海省4个生态功能区春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)云液水含量年际变化及其线性趋势

图5为2009—2018年青海省4个生态功能区四季云冰水含量年际变化及其线性趋势。可以看出，除夏季柴达木盆地和青南高原云冰水含量呈下降趋势外，其余均呈增加趋势，且均通过α=0.01的显著性检验，其中秋季东部农业区云冰水含量增加趋势最为显著，气候倾向率为0.000 7 g·kg-1·a-1。

图5 2009—2018年青海省4个生态功能区春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)云冰水含量年际变化及其线性趋势

西北地区年大气可降水量与年平均气温和相对湿度呈显著正相关[27]。中国西部地区云水含量在全球变暖的背景下呈增加趋势，青藏高原大气可降水量呈上升趋势[28-29]。从本文的研究结论来看，2009—2018年青海省大部地区空中云水资源呈逐渐增多趋势。气温与云水含量的关系在中国不同地区表现不同，这其中的影响机制较为复杂，值得进一步深入研究。

2.3 云水资源月际变化

图6为2009—2018年4个生态功能区云液水含量和云冰水含量的月际变化。可以看出，各生态功能区云液水含量和云冰水含量均为9月最高，柴达木盆地、祁连山区、东部农业区、青南高原云液水含量分别为7、26、36和30 g·m-2，云冰水含量分别为24、32、37和39 g·m-2；云液水含量和云冰水含量1月最低，柴达木盆地、祁连山区、东部农业区、青南高原云液水含量分别为0.04、0.06、0.29和0.08 g·m-2，云冰水含量分别为8.6、7.6、11.7和10.4 g·m-2。5—8月云液水含量增加趋势较为显著，3—6月云冰水含量增加趋势较为显著，这可能是由东亚夏季风和南亚夏季风在春夏季节的增强造成。从各地区月际变化差异来看，柴达木盆地云液水含量和云冰水含量的月际差异最小，东部农业区云液水含量月际差异最大，青南高原云冰水含量月际差异最大。这可能是由于柴达木位于青藏高原北缘，受东亚夏季风和南亚夏季风影响较弱，而东部农业区位于青藏高原东缘，受东亚夏季风影响较显著。

图6 2009—2018年青海省4个生态功能区云液水含量(a)、云冰水含量(b)月际变化

3 结 论

(1)青海省云液水含量、云冰水含量和云水含量自西北向东南逐渐增多，玉树南部、果洛东南部和祁连山区为云水资源较为丰富的地区，夏秋季节云水总量资源最为丰富，可达60～70 g·m-2。

(2)从云水资源的垂直分布来看，云液水含量和云冰水含量随海拔高度增高呈先增多后减少的变化趋势，云液水含量在4～6 km高度较多，云冰水含量在7～8 km高度较多，云冰水含量峰值所在高度大于云液水含量峰值所在高度。在云水资源最为丰富的夏秋季节，青南高原云液水含量和云冰水含量垂直变化幅度大，柴达木盆地云液水含量和云冰水含量垂直变化幅度小。

(3)从年际变化趋势来看，除夏季柴达木盆地和青南高原云冰水含量呈下降趋势外，其余均呈增加趋势，其中秋季东部农业区云冰水含量增加趋势最为显著。

(4)从月际变化来看，云液水含量和云冰水含量9月最高，1月最低。柴达木盆地云液水含量和云冰水含量的月际差异最小，东部农业区云液水含量月际差异最大，青南高原云冰水含量月际差异最大。