滇中引水工程主要受水区水汽输送时空变化

何士华, 赖毅舟, 叶凤艳，沈春颖，潘 锋

(1.昆明理工大学 电力工程学院，昆明 650500； 2.云南省设计院集团有限公司，昆明 650118)

1 研究背景

水文循环是地球上水分、物质和能量交换的重要过程，它的变化深刻影响着全球水资源系统和生态环境系统的结构和演变，影响着人类社会和生产活动[1-2]。夏军等[3]研究表明掌握水循环要素的演变规律，对解决水资源脆弱性问题、干旱和洪涝预测以及水资源合理配置等具有重要意义。从全球尺度来看，水循环的大气过程能够将海洋上空的水汽输送至陆地上空。从区域尺度来看，区域水循环格局和强度受到大气过程的重要影响[4]。因此，全球水循环的顺利进行离不开水循环的大气过程。

近年来，NCEP/NCAR和ERA-Interim再分析资料在我国的使用频率逐渐增加，主要运用于各个地区和流域的水汽输送和水分收支研究中。Malik等[5]利用NCEP-NCAR 再分析数据计算分析了中、西、南亚地区水汽通量散度，认为全年水汽主要来源于西部，且东部与南部的水汽辐合与地形有关。Jhoana等[6]分析了亚马逊南部长期干旱对南美洲和加勒比地区北部大气水汽输送的影响。强安丰等[7]利用ERA-Interim再分析资料，研究了三江源区1979—2016年的大气降水和水汽通量的时空分布特征及降水转化率；林厚博等[8]利用ERA-Interim再分析资料，研究了青藏高原范围内夏季水汽输送通量分布情况；张新主[9]基于ERA-Interim再分析资料，对西南地区1989—2008年水汽输送特征进行了研究，分析了造成西南地区夏季干旱的可能原因和影响洪水期间水汽输送异常的因素。其研究结果为后续开展水文循环及其演变机制及气候变化影响的研究提供了重要参考依据。赵瑞霞等[10]基于长系列实测资料，在对黄河流域中上游进行水汽收支计算的过程中，发现ERA再分析资料与实测资料具有更好的一致性。ERA-Interim的分辨率比其他再分析资料高，且年限长，具有较高的精度[11]。杨丹丽等[12]研究了再分析资料ERA-Interim在云南省的应用情况，表明ERA-Interim有较高的精度。因此，本文基于ERA-Interim再分析资料对滇中引水工程主要受水区水汽输送、水汽辐合与辐散等特征进行研究与分析。

区域水资源的补给来源为降水，降水与大气水的输送特征和凝结过程密切相关。对滇中引水工程而言，其主要受水区上空的大气水汽含量、水汽输送和下垫面的水分平衡是紧密联系的。研究滇中引水工程主要受水区水汽输送时空变化，为进一步探索该区域水汽与降水变化的转换关系提供了依据，可为滇中引水工程跨区域水资源配置提供科学指导，填补滇中引水工程规划设计阶段大气水部分的研究空白，具有重要的科学价值和工程实际需求。本文结合滇中引水工程实际，开展不同时间尺度的水汽输送、水汽辐合与辐散时空演变研究，对区域气候异常变化、干旱和洪涝预测以及水资源合理配置等具有重要意义。

2 数据处理

滇中引水工程是一项大型跨流域调水工程，该工程由两部分组成：水源工程和输水工程。水源工程位于丽江市石鼓镇，水源于金沙江右岸；输水工程从丽江石鼓镇望城坡开始，经过丽江、玉溪、昆明、楚雄、大理，到达码头新坡背。

根据规划，2030年滇中引水工程计划多年平均引水量达到27.04亿m3，其中楚雄、昆明、玉溪、红河四个州(市)引水量占总引水量的88%。2040年，滇中引水工程计划多年平均引水量达到34.03亿m3，其中，楚雄、昆明、玉溪、红河4个州(市)引水量为30.4亿m3，占总引水量的89%。通过对引水量及受水区地形地势的考虑，确定涵盖楚雄、昆明、玉溪、红河4个州(市)的主要受水区为本文研究区，经纬范围为100°E—105°E，22°N—27°N，如图1所示。研究区位于云南省中部，属于亚热带高原季风区，总面积约9.87万km2，总体地势由西北向东南逐渐递减，在主要受水区南部地势达到最低。区域内河流、湖泊众多，分属珠江、红河、金沙江三大水系。

图1 滇中引水工程主要受水区Fig.1 Map of main water-receiving area of water diversion project in central Yunnan Province

本文基于多源数据对研究区展开研究，包括欧洲天气预报中心(ECMWF)推出的ERA-Interim再分析数据集，地理空间数据云提供的ASTER GDEM Version2 DEM数据等。本文基于0.25°×0.25°空间分辨率的ERA-Interim再分析资料集，采用1998年1月至2018年12月共21 a逐月平均数据。垂直方向共划分为27层，即1 000、975、950、925、900、875、850、825、800、775、750、700、650、600、550、500、450、400、350、300、250、225、200、175、150、125、100 hPa气压层。研究季节划分为春季(3—5月份)、夏季(6—8月份)、秋季(9—11月份)和冬季(12月至次年2月份)。ERA-Interim 再分析资料下载地址为http:∥apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=pl/。对再分析资料ERA-Interim的读取、分析及处理，主要通过气象学专业软件数据分析工具Grads2.1及MatLab2016、Python编程实现。地形数据基于ASTER GDEM Version2，其空间分辨率为30 m，下载地址为http:∥www.gscloud.cn/。文中涉及的地形数据均由ASTER GDEM Version2经过ArcGIS10.6软件提取、裁剪计算获得。

3 研究方法

水汽输送通量是表征水汽输送大小及方向的物理量，为单位时间流经某一单位截面的水汽质量。包括水汽的水平方向输送和垂直方向输送。通过比湿和风速矢量的乘积从地面到某一高度处积分得到其水平方向输送通量，即

(1)

其经、纬向水汽输送通量的计算公式为：

(2)

(3)

当水平输送到该区域的水汽大于水平输送出的水汽时为水平辐合，否则为水平辐散[4]。某区域内水汽聚集或辐散的物理量称为水汽输送通量散度。其计算公式为

(4)

式中：D为水汽输送通量散度(g/(cm2·s·hPa))，D>0表示水汽输送通量为辐散，D<0表示水汽输送通量为辐合。

4 水汽输送时空分布特征分析

水汽输送是在大尺度范围内进行的水汽活动，要掌握大气过程的水汽来源及其水汽输送路径，可通过扩大研究范围进行计算，因此，本文选取的研究范围为85°E—110°E、12°N—34°N。

4.1 年均水汽输送特征

图2和图3分别为滇中引水工程主要受水区年平均水汽输送通量场、纬向及经向年均水汽输送等值线。

图2 区域年平均水汽输送通量场Fig.2 Regional average annual water vapor transport flux field

图3 滇中引水工程主要受水区年平均水汽输送通量等值线Fig.3 Contour lines of the annual mean water vapor transport flux in the main water receiving areas of the water diversion project in central Yunnan

从年平均水汽输送通量场(图2)可以看出，滇中引水工程主要受水区水汽来源主要为太平洋西部的南海和印度洋北部的孟加拉湾，多年平均水汽输送通量在90～130 kg/(m·s)之间。两支气流在山脉阻隔作用下输送强度降低，交汇后输送至研究区内，使得滇中引水工程主要受水区的水汽通量由东南向西北逐渐减小，在研究区东部水汽输送通量达到最大，为130 kg/(m·s)，最小值出现在区域的北部，仅有90 kg/(m·s)。

从图3可以看出，研究区水汽输送以纬向输送为主，为自西向东输送，水汽输送强度值在80～100 kg/(m·s)之间，纬向输送上，研究区中部水汽输送通量值最大，从中部向南部和北部逐渐减小；经向输送为自西向东输送，与纬向输送相比，强度值较小。纬向输送上，中部强度值最大，为100 kg/(m·s)，水汽输送通量从研究区中部向南北递减。

4.2 不同季节水汽输送特征

4.2.1 夏季水汽输送特征

图4为区域夏季(6—8月份)多年平均水汽输送通量场。从水汽输送背景场可以看出，区域内水汽输送的水汽来源相对单一，仅来自孟加拉湾和印度洋，受东部西太平洋副高压的影响，使孟加拉湾向东继续输送的水汽在105°E附近转为偏北输送，同时在孟加拉湾85°E—95°E、12°N—21°N附近存在区域水汽输送高值区，其水汽输送通量值高达500 kg/(m·s)。夏季，研究区水汽输送来源主要为印度洋北部的孟加拉湾水汽，孟加拉湾水汽在西太平洋副高压影响下在105°E、15°N附近发生偏转，向东北输送转变为偏北输送。同时，在孟加拉湾90°E、18°N附近形成一处水汽输送通量值为500 kg/(m·s)的水汽输送高值带。水汽输送通量沿孟加拉湾-中南半岛北部-云南方向带状减弱，并且水汽在93°E～95°E处转为向东输送进入研究区内。孟加拉湾水汽在中南半岛发生偏转输送至云南省境内，到达研究区时，水汽输送强度值仅有50～60 kg/(m·s)。

图4 区域夏季多年平均水汽输送通量场Fig.4 Average water vapor transport flux field in summer

由图4(a)可以看出，夏季，主要受水区水汽输送以西南风水汽输送为主，陈艳等[13]研究表明5月份云南上空水汽输送来源主要为孟加拉湾的西南风水汽输送，与此吻合。整个大背景场当中，在孟加拉湾存在一处水汽输送高值带，该水汽经若开山脉的阻隔作用后削弱至原来强度的1/10流入研究区，在研究区内由西南向东北输送，在楚雄境内形成一个中心强度为55 kg/(m·s)的水汽输送高值带，在红河州境内水汽输送值最小，仅有45 kg/(m·s)。

研究区夏季经纬向水汽输送通量等值线如图5所示。由图5可知，夏季水汽经纬向水汽输送差值小于整层年水汽输送通量经纬向差值，纬向输送由西北向南逐渐减弱，强度约为25～45 kg/(m·s)，经向输送强度约为30～45 kg/(m·s)，在研究区南部达到最大值。

图5 滇中引水工程主要受水区夏季水汽输送通量等值线Fig.5 Contours of water vapor transport flux in summer in the main water receiving areas of the water diversion project in central Yunnan Province

4.2.2 冬季水汽输送特征

冬季(12月至次年2月)是南支槽的加强阶段，对于冬季受西风干气流控制的云南来说，南支槽是影响降水、大风等现象的主要天气系统[14]。冬季，南支槽盛行，云南省位于槽前，受到西南风和偏西风控制，区域冬季水汽输送通量如图6所示。研究区水汽来源比较单一，主要来自中纬度的西风水汽输送。其中，青藏高原南支的西风在孟加拉湾以北转为西南方向水汽输送，然后进入云南省。研究区水汽输送的重要来源为20°N—29°N之间自西向东的水汽通量带。

图6 区域冬季多年平均水汽输送通量场Fig.6 Regional annual average water vapor transport flux field in winter

冬季，水汽输送最大值位于研究区东部(昆明市东南边和红河州东北边)，约为125 kg/(m·s)左右，最小值位于研究区北部，仅为90 kg/(m·s)。受到孟加拉湾北部向西水汽输送和来自南海地区的水汽通量带的影响，研究区内水汽输送强度南部大于北部，东部大于西部。

从研究区冬季水汽输送通量的纬向和经向等值线图7可知，冬季，研究区水汽输送以纬向输送为主，与夏季相同，在研究区北部，水汽输送等值线分布密集，水汽输送强度由北向南逐渐递减，水汽输送通量值约为85～125 kg/(m·s)；经向输送强度较小，由西北向东南逐渐增多，最小值区位于楚雄州，仅有20 kg/(m·s)，最大值区仍位于东南部，为40 kg/(m·s)。

图7 滇中引水工程主要受水区冬季水汽输送通量等值线Fig.7 Contour lines of water vapor transport flux in the main water receiving areas of the central Yunnan water diversion project in winter

4.2.3 春、秋季水汽输送特征

受北半球西风带的北移和减弱、南支槽的2个弱槽发生(4—5月份)和孟加拉湾风暴发生(5月份、10—11月份)的影响，春季、秋季研究区的水汽输送特征呈现出季节过渡型的特点。

春季(3—5月份)研究区多年平均水汽输送通量场如图8所示。春季是南支槽的活跃期，影响云南春季水汽输送的天气系统主要为青藏高原南部的南支槽和昆明静止锋[15]。南支槽前水汽输送增加，呈现出冬夏季的过渡特征。在阿拉伯海、孟加拉湾以东和南海形成气旋性环流差分，增加了西风环流[16]，促使南支槽加深，位置向西偏移至88°E左右。来源于孟加拉湾的水汽和青藏高原南侧水汽在西南气流驱动下汇集成一支水汽输送强度值为220 kg/(m·s)的强水汽输送带，该水汽输送带经缅甸流入云南境内后，水汽输送通量值削减160 kg/(m·s)左右。

图8 区域春季多年平均水汽输送Fig.8 Regional annual average water vapor transport in spring

研究区春季水汽输送的主要来源为孟加拉湾北部的强水汽输送带和西太平洋南海的强水汽输送带。它是西太平洋副热带高水汽输送带在南侧偏东的一个分支，北移后与孟加拉湾北部自西向东的水汽输送带交汇，进入云南南部和东部，输送到主要受水区南部，水汽输送通量值为200 kg/(m·s)。

秋季(9—11月份)整层积分的水汽输送通量结果如图9所示。秋季是夏季和冬季的过渡季节。太平洋西部25°N—30°N附近存在一处副热带高压脊，水汽输送强度达到180 kg/(m·s)，西太平洋的偏东风水汽输送在东南亚地区发生偏转输送至云南省境内，到达研究区时强度较小；另一支水汽输送带在孟加拉湾北部保持向东北方向输送，在阿拉干山脉的阻隔作用下，输送至研究区时强度较小。

图9 区域秋季多年平均水汽输送Fig.9 Regional average annual water vapor transport in autumn

研究区水汽输送强度从北到南逐渐减弱，最大值位于楚雄州和昆明市中北部，为85 kg/(m·s)，在红河州河口县减小至最小值，为35 kg/(m·s)。

4.3 滇中引水工程主要受水区逐月水汽输送特征

秋季是云南从湿季到干季的过渡季节，夏季主要受水区水汽输送明显小于其他3个季节。为了更清晰揭示研究区过渡季节及夏季各月水汽输送演变特征，主要计算了1998—2018年共21 a中5、6、7、10、11月份的水汽输送通量。

区域5、6、7月份水汽输送通量如图10所示。5月份，孟加拉湾水汽流在孟加拉湾北部形成环状水汽输送高值区，水汽输送强度值达到220 kg/(m·s)，对研究区产生较大影响。主要受水区内，从北到南输送强度逐渐增强，最大强度约为180 kg/(m·s)；6月份，孟加拉湾夏季风达到峰值，使得孟加拉湾输送强度加强(最高强度达450 kg/(m·s))。但由于受到印度低压[17]、青藏高压的影响，使得偏西南水汽在恒河平原三角洲处转向输送，再经青藏高原的“转向”作用变为偏西风水汽输送带，减弱了输送至主要受水区上空水汽的强度(最高强度不到150 kg/(m·s))，等值线稀疏，并且有南移趋势；7月，在孟加拉湾北部87°E、17°N附近形成一处中心强度为550 kg/(m·s)的水汽输送通量高值带。但由于印度低压系统和南亚高压的影响，水汽输送至研究区后水汽输送强度变小，仅为50 kg/(m·s)。对比而言，5—7月份的水汽输送强度呈现出逐渐减少的趋势。

图10 区域5、6、7月份年平均水汽输送Fig.10 Average annual water vapor transport in May, June and July

区域10月份、11月份年平均水汽输送通量如图11所示。10月、11月研究区水汽输送的来源为西太平洋的东风水汽输送和中纬度偏西风水汽输送，主要以东风水汽输送为主。10月份，西太平洋副高压脊跳跃至20°N以南地区，东风水汽输送在西太平洋副高压脊影响下在孟加拉湾北部与中纬偏西风水汽输送汇聚，并发生转向形成西南风水汽输送，输送至研究区内。11月份，西太平洋副高压脊结束季节性的南北移动，东风水汽输送进一步加强，但在印度半岛气旋环流东侧气流的影响下，转为向南输送，进入研究区后水汽输送强度明显减弱。

图11 区域10、11月份年平均水汽输送Fig.11 Average regional water vapor transport in October and November

进一步计算8月份、9月份区域水汽输送通量场发现，主要受水区内，8月份的水汽输送强度约为50 kg/(m·s)，达到全年最小值，9月份水汽输送强度约为60 kg/(m·s)，略高于8月份。

4.4 水汽辐合与辐散特征

水汽输送过程中，常常会伴随着辐合和辐散状态的变化，当水汽处于辐合状态，并且伴随水汽输入现象发生，则该地区表现为水汽汇(-)；反之，当水汽处于辐散状态并出现水汽输出现象时，该区表现为水汽源(+)，水汽的辐合辐散状态的变化由水汽输送通量散度反映。

本文选取850 hPa气压层和450 hPa气压层分别为低层大气和高层大气代表层，计算并绘制出滇中引水工程主要受水区春、夏、秋、冬各代表月份1、4、7、10月份的水汽输送通量散度场，并分析研究区上空的水汽辐合和辐散特征。

滇中引水工程850 hPa低层大气1、4、7、8月份的水汽辐合6和辐散如图12所示。由图12可知，1月份、4月份，研究区北部水汽辐合较为明显，呈现出大范围的水汽辐合特征，且辐合的强度较大，为水汽汇区；7月份，南部地区水汽辐合较明显。中部地区，除10月份以外，其他月份均表现为水汽辐散。对比了1月份、4月份与其他2个月份的水汽输送通量的路径和强度，发现1月份和4月份的水汽输送强度明显高于7月份和10月份，且水汽辐合区发生在水汽输送带大值区。7月份，研究区西南部水汽辐合活动逐渐增强，呈现出明显的辐合特征。

图12 滇中引水工程主要受水区850 hPa水汽通量散度场Fig.12 Water vapor flux divergence field at 850 hPa barosphere in the main water receiving area of the water diversion project in central Yunnan

滇中引水工程450 hPa高层大气1、4、7、8月份的水汽辐合和辐散如图13所示。由图13可知，高层大气的水汽辐合、辐散程度比低层大气弱。年内分布上，1月份，研究区北部出现水汽辐合带，最大强度值为-6×10-6g/(cm2·s·hPa)，研究区中部和南部表现为水汽辐散。4月份，整个研究区水汽输送通量值均为正值，为水汽辐散带，其强度与1月份相当。7月份，研究区北部和中部仍为水汽辐散带，南部地区有较弱的水汽辐合，强度值仅有-0.5×10-6g/(cm2·s·hPa)。10月份，研究区大部分地区为水汽辐合，且水汽辐合强度大于其他月份。

图13 滇中引水工程主要受水区450 hPa水汽通量散度场Fig.13 Water vapor flux divergence field at 450 hPa barosphere in the main water receiving area of the water diversion project in central Yunnan

一般情况下，低层辐合，高层辐散，易使气流上升，产生云和降水。反之，低层辐散，高层辐合，则气流下沉，易形成干旱。对比研究区低层和高层水汽输送通量场，7月份，850 hPa气压层上，主要受水区南部地区存在水汽辐合中心，强度值为-0.8×10-6g/(cm2·s·hPa)，而450 hPa气压层上，研究区西南部为水汽辐散带，因此西南部易于形成降水，夏季雨量充沛。任晓华等[18]的研究表明，滇中引水工程主要受水区年内降水量主要集中在6—8月份，降水量大但空间分布不均匀，主要位于研究区南部，这与本文的结论是吻合的。

5 结 论

基于0.25°×0.25°空间分辨率的ERA-Interim再分析资料集，计算了滇中引水工程主要受水区1998—2018年共21 a的水汽输送通量及其散度，分析了研究区年、季节和月平均的水汽输送特征以及代表月份的水汽辐合与辐散状态，获得如下主要结论：

(1)从年际变化来看，研究区水汽输送的来源主要为孟加拉湾水汽输送和南海水汽输送；地形分布上，研究区水汽输送强度由西北向东南方向逐渐增加，东部达到最大值；同时，研究区水汽输送以纬向输送为主，经向输送较小，纬向水汽输送通量值呈现出研究区中部最大向南部和北部逐渐减小的特征，经向水汽输送强度最大值出现在东南部，由南向北逐渐减少。

(2)从季节来看，研究区各季节水汽来源不同。春季，水汽来源于南海和孟加拉湾北部；夏季，水汽来源为阿拉伯海和印度洋，以西南风水汽输送为主，研究区内，楚雄州水汽输送强度达到最大，红河州境内最小；秋季，在中南半岛上空副高反旋环流的影响下，西南风水汽输送使得研究区水汽输送时强度从北部向南部逐渐减弱；冬季，研究区水汽来源主要为中纬度地区的偏西风水汽输送。

(3)逐月变化上，5—7月份的水汽输送强度呈现出逐渐减少的趋势，输送通量等值线逐渐南移；5月份，水汽来源为孟加拉湾水汽和南半球低纬地区的偏东气流，低纬偏东气流跨过赤道输送至亚洲大陆。6—7月份，水汽来源与5月份相同，但由于孟加拉湾水汽输送强度逐渐增加，成为6—7月份研究区水汽输送的主要来源，水汽输送强度在7月份达到最大；10—11月份水汽来源为西太平洋的水汽输送带和中纬度水汽输送。

(4)7月份，850 hPa气压层上，研究区南部地区存在水汽辐合中心，而450 hPa气压层上，研究区西南部为水汽辐散带，因此西南部易于形成降水，夏季降水丰沛。