卓世新，李如琦，苗運(yùn)玲，馮桂紅

（1.新疆哈密地區(qū)氣象局，新疆哈密 839000；2.新疆氣象臺(tái)，新疆，烏魯木齊 830002）

哈密地區(qū)空中水汽及增水潛力分析

卓世新1，李如琦2，苗運(yùn)玲1，馮桂紅1

（1.新疆哈密地區(qū)氣象局，新疆哈密 839000；2.新疆氣象臺(tái)，新疆，烏魯木齊 830002）

采用哈密地區(qū)6站1975—2014年逐日地面水汽壓和降水量資料，計(jì)算了哈密各站的大氣可降水量、有效空中水資源量、自然降水產(chǎn)出率和人工增水潛力值，并分析了各量的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：哈密地區(qū)年平均整層大氣可降水量為2560～4327 mm，年均有效空中水資源量約為232～828 mm，占整層大氣可降水量的1/4～1/10；年均自然降水產(chǎn)出率在9%～28%，自然降水產(chǎn)出率與降水量成正比關(guān)系。哈密地區(qū)的年人工增水潛力理論計(jì)算值在844～2399 mm之間，潛力值在夏季最大，巴里坤和伊吾明顯多于其它區(qū)域。

空中水資源；人工增水潛力；哈密；時(shí)空分布

哈密地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)東部，是古“絲綢之路”和亞歐大陸橋的樞紐，也是新疆聯(lián)系內(nèi)地的窗口。地區(qū)總面積14.28萬(wàn)km2，占全疆總面積的8.7%。哈密地區(qū)地處歐亞大陸腹地，地形閉塞，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，地形南北低中間高，地勢(shì)差異大。哈密地區(qū)河流少，且水量有限，水資源極其匱乏，水資源短缺將制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展。在重視水資源保護(hù)和利用的同時(shí)，開發(fā)利用空中水資源具有重要的意義。

近年來(lái)，對(duì)于空中水資源開發(fā)利用的相關(guān)研究進(jìn)行了很多，周長(zhǎng)艷等[1]、劉曉冉等[2]、江和文等[3]、范思睿等[4]分別分析了金沙江流域、三峽、葫蘆島、西南地區(qū)空中水資源的氣候變化特征。對(duì)于西部干旱區(qū)空中水資源的分析和研究得到了更多的重視，蘇立娟等[5]、解承瑩等[6]、常倬林等[7]、馬新平等[8]對(duì)內(nèi)蒙古、青藏高原、寧夏、中國(guó)西北地區(qū)東部等水資源較缺乏區(qū)域的空中水資源時(shí)空變化特征及其與降水的關(guān)系進(jìn)行分析，得到了許多有益的結(jié)論。而對(duì)于特別干旱的新疆地區(qū)來(lái)說(shuō)，降水研究一直是氣象業(yè)務(wù)與科研的重點(diǎn)，1962年張學(xué)文等[9]就指出對(duì)新疆水的來(lái)源、轉(zhuǎn)化、循環(huán)、平衡和穩(wěn)定程度的研究和掌握是十分必要的；李霞等[10]分析指出天山地區(qū)可降水量夏季多、冬季少,空間分布表現(xiàn)為自西向東、自山區(qū)外圍向山區(qū)中心地帶遞減的規(guī)律，具有很大的增水潛力；史玉光等[11]分析了新疆地區(qū)不同季節(jié)大氣可降水量的氣候分布特征和變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)大氣可降水量夏季最大,春、秋次之,冬季最少，其地理分布與實(shí)際降水量分布相反；姚俊強(qiáng)等[12-14]發(fā)現(xiàn)天山地區(qū)水汽總體呈增多趨勢(shì)，水汽年變化與西北地區(qū)氣候變化趨勢(shì)具有明顯一致性。這些對(duì)新疆空中水汽的研究取得了許多重要成果，但對(duì)于空中水資源相關(guān)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足開發(fā)利用的需要。本文主要針對(duì)新疆東部哈密地區(qū)的空中水資源及人工增水潛勢(shì)進(jìn)行分析，以求進(jìn)一步了解新疆東部空中水資源的形勢(shì)，為在氣候變化背景下的區(qū)域水資源開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

本文采用哈密地區(qū)哈密、十三間房、巴里坤、伊吾、淖毛湖和紅柳河6個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日平均地面水汽壓、降水量資料及各站經(jīng)緯度、海拔高度數(shù)據(jù)，資料時(shí)間序列為1975年1月1日—2014年12 月31日，共計(jì)40 a。季節(jié)按習(xí)慣劃分，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—翌年2月。表1為哈密各站≥0.1 mm的降水日數(shù)。

表1 哈密各站≥0.1mm降水日數(shù)/d

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 大氣可降水量（W）和有效空中水資源量（We）我們知道，大氣中的水汽是始終存在的。假設(shè)在整層大氣的單位面積垂直氣柱中所含水汽全部凝結(jié)，并積聚在氣柱底面，得到的液態(tài)水的深度，即所謂的整層大氣的可降水量，其表達(dá)式為：

楊景梅等[15，16]基于我國(guó)氣象臺(tái)站的探空資料,利用公式(1)及飽和水汽壓與溫度之間的關(guān)系，建立了地面水汽壓關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式，該公式具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性，而且適用于我國(guó)大部分地區(qū)，從而解決了在沒有探空站的地區(qū)難以估算空中水資源量的問題。研究指出，在青藏高原以外的中高緯地區(qū)（緯度≥33°N），整層大氣可降水量的具體表達(dá)式如下：

式中：W為大氣可降水量（mm），φ為地理緯度，H為海拔高度（km），e為地面水汽壓（hPa）。將哈密地區(qū)6個(gè)地面站的海拔高度和地理緯度代入公式（2），得到各站大氣可降水量計(jì)算公式見表2。

無(wú)論天空是否為晴空，大氣中水汽含量都有可能較豐富，但不一定能夠產(chǎn)生降水。根據(jù)向玉春等[17]研究，有效空中水資源量（We）可以定義為有降水產(chǎn)生（≥0.1 mm）時(shí)的整層大氣可降水量（W），這也是比較符合當(dāng)前人工增雨（雪）業(yè)務(wù)實(shí)際的。對(duì)整層大氣可降水量（W）或者有效空中水資源量（We）按照所需的時(shí)段進(jìn)行時(shí)間積分計(jì)算，即可得到相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的值，也就是在該時(shí)間段中相應(yīng)量的累計(jì)值，相對(duì)平均值而言可以更清楚地反映出空中水汽的變化特征。

近年來(lái)，飲食總公司在學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心指點(diǎn)下、在后勤集團(tuán)總經(jīng)理張國(guó)安的直接領(lǐng)導(dǎo)下，重點(diǎn)把控了食品安全、運(yùn)行安全兩條主線，通過(guò)加強(qiáng)食堂的八大食品安全管理等舉措，全面確保了學(xué)校食堂十萬(wàn)進(jìn)餐者的“舌尖上的安全”，有力地維護(hù)了校園及社會(huì)的和諧穩(wěn)定。

表2 哈密地區(qū)各站整層大氣可降水量（W）計(jì)算公式

1.2.2 自然降水產(chǎn)出率（Er）

所謂自然降水產(chǎn)出率（Er）是指在相同的統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，實(shí)際產(chǎn)生的自然降水量（R）與有效空中水資源量（We）之間的百分比，其表達(dá)式為：

1.2.3 人工增雨（雪）潛力（Wz）

在有效空中水資源量一定的情況下，自然降水產(chǎn)出率（Er）越低，滯留在大氣中水汽含量越多，表明人工增雨（雪）的潛力就越大，所以人工增雨（雪）的潛力值（Wz）可用公式表示為：

2 結(jié)果與分析

2.1 哈密地區(qū)空中水資源的時(shí)空分布

圖1給出了哈密地區(qū)各站近40 a的大氣可降水量變化?？傮w上看，哈密地區(qū)的大氣可降水量大致呈西南部多于東北部的空間分布，地區(qū)南部的哈密明顯多于其它站，年均為4327 mm，東部的伊吾和紅柳河較少，年均283 mm和2560 mm。這與哈密地區(qū)降水量的空間分布并不一致，可能是由于哈密地區(qū)復(fù)雜的地形影響造成的。哈密南部地區(qū)的水汽輸送大致有西北、西南和東部3個(gè)通道，水汽的輸送量較大；十三間房是風(fēng)口地區(qū)，常年有大風(fēng)，水汽不易滯留；哈密則是盆地，水汽在此匯聚，但不利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，水汽凝結(jié)成云致雨的條件較差。降水量較大的巴里坤和伊吾屬山區(qū)，位于向東逐漸收縮的峽谷內(nèi)，受地形的抬升作用影響較大，水汽易抬升凝結(jié)；淖毛湖和紅柳河均為戈壁，受地形阻擋，水汽很難到達(dá)。從近40 a的變化趨勢(shì)來(lái)看，除巴里坤略呈下降趨勢(shì)（-2 mm/10 a）外，大部區(qū)域的大氣可降水量表現(xiàn)為增長(zhǎng)的趨勢(shì)，紅柳河的增長(zhǎng)率最大，約為12 mm /10 a，其它各站增長(zhǎng)率約為9 mm/10 a。哈密地區(qū)各站的大氣可降水量也具有明顯的年代際差異，巴里坤、哈密、伊吾均在20世紀(jì)90年代達(dá)到峰值，而后逐漸降低，而其它3站則是在21世紀(jì)前10 a達(dá)到最大值。

圖1 1975—2014年整層大氣可降水量/mm

從哈密多年平均整層大氣可降水量的逐月變化（表3）來(lái)看，各站大氣可降水量都呈現(xiàn)明顯的單峰型變化特征，1—7月逐月增加，7月達(dá)到年極值，7—12月逐月減少，1月出現(xiàn)最低值。比較各站的大氣可降水量月極值發(fā)現(xiàn)，哈密的差異最大，紅柳河的差異最小。大氣可降水量的年變化反映了一年中空中水汽的增減變化特征，同時(shí)也反映出哈密的大氣可降水量具有明顯的季節(jié)分布特征，即夏季最大，秋季、春季次之，冬季最小，這與哈密年降水量的變化特征趨于一致。夏季高溫，大氣中可容納的水汽量也較大，而冬季冷空氣活動(dòng)強(qiáng)而頻繁，氣溫低，大氣中可容納的水汽量少，從而形成哈密地區(qū)大氣可降水量的季節(jié)差異。

表3 40a各月平均整層大氣可降水量/mm

2.2 有效空中水資源的時(shí)空分布

分析40 a來(lái)哈密各站的年有效空中水資源量（表4）可以發(fā)現(xiàn)，巴里坤的有效水資源量最多，伊吾次之，淖毛湖最少，最大值出現(xiàn)在2003年的巴里坤，達(dá)到了1052 mm，最小值出現(xiàn)在1985年的淖毛湖，僅75 mm。由此可見，有效空中水資源量與大氣可降水量無(wú)明顯的相關(guān)性，降水多的地區(qū)可產(chǎn)生降水的空中水資源量就多。各站有效空中水資源量表現(xiàn)出不同的年代際分布特征，十三間房和巴里坤在上世紀(jì)70年代最多，2010年代最少；淖毛湖和紅柳河在20世紀(jì)90年代最多，80年代最少；伊吾在20世紀(jì)90年代最多，2010年代最少；哈密則是在20世紀(jì)90年代最多，20世紀(jì)70年代最少?？梢姼髡灸甏H的有效空中水資源量具有顯著的差異。

表4 40a各站年有效空中水資源量/mm

圖2給出的是各站月平均有效空中水資源的分布。由圖可見，與年平均值分布特征相同，巴里坤、伊吾明顯多于其它4站，淖毛湖最少。夏季的有效空中水資源量明顯多于其它季節(jié)，冬季最少，各站1月均最小，而后增大，5月后增長(zhǎng)幅度明顯增加，7月達(dá)到最大，之后迅速減小，9月以后減小的幅度也逐漸下降。各站之間的差距也是在7月最大，1月最小，這與降水量的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于夏季相吻合。

圖2 各月有效空中水資源量/mm

2.2 自然降水產(chǎn)出率

哈密地區(qū)各站1975—2014年的年平均降水量的差異很大，中部巴里坤最大，達(dá)228.3 mm，北部的淖毛湖最少，僅20.6 mm，南部三站中十三間房最少，為31.5 mm，地區(qū)平均的年降水量最大117.9 mm，出現(xiàn)在1998年，最小40.4 mm，出現(xiàn)在1985年。各站自然降水產(chǎn)出率的年際差異很大，區(qū)域平均來(lái)看2005年最大，為20.9%，1977年最小，僅9.4%。自然降水產(chǎn)出率的季節(jié)變化也很復(fù)雜，各站的最大值主要集中于春季、秋季和初冬，十三間房、巴里坤出現(xiàn)在9月，哈密出現(xiàn)在11月，淖毛湖、伊吾出現(xiàn)在3月，紅柳河出現(xiàn)在4月；最小值主要出現(xiàn)在冬季和夏季，十三間房出現(xiàn)在12月，伊吾、紅柳河出現(xiàn)在1月，巴里坤出現(xiàn)在2月，淖毛湖、哈密出現(xiàn)在7月。水汽輸送條件、地形環(huán)境、局地小氣候等對(duì)自然降水產(chǎn)出率的影響造成季節(jié)分布的差異。

分析哈密各站的年均自然降水產(chǎn)出率（圖3）發(fā)現(xiàn)，巴里坤最大，伊吾次之，淖毛湖最小，這與各站的降水量多少有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。降水量越大，自然降水產(chǎn)出率越高。

圖3 年平均自然降水產(chǎn)出率和降水量

2.3 人工增水潛力

從表5中可以看到，哈密各站的人工增水潛力值有較大的差異，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的理論值，哈密各站全年潛力在844～2399 mm之間，淖毛湖最小，巴里坤最大。理論上說(shuō)，全地區(qū)年平均增水潛力值達(dá)到1532 mm，是近40 a間哈密地區(qū)年平均降水量（79.6 mm）的19.3倍，可見對(duì)于嚴(yán)重缺水的哈密地區(qū)來(lái)說(shuō)，空中水資源的潛力是巨大的。如果能將10%的空中可開發(fā)水資源轉(zhuǎn)換成降水，地區(qū)的平均降水量將增加近2倍，增加的水資源量達(dá)上百億噸。

各站人工增水潛力最大值均出現(xiàn)在7月，最小值除巴里坤出現(xiàn)在1月，淖毛湖出現(xiàn)在11月外，其它站出現(xiàn)在2月，總體來(lái)看，哈密地區(qū)人工增水潛力值最大的季節(jié)是夏季，其次是在春季。具體來(lái)看，哈密北部的巴里坤、伊吾的增水潛力值明顯大于其它區(qū)域。

表5 哈密各站人工增水潛力/mm

大氣中的水汽是不可能全部凝結(jié)為降水的，所以本文計(jì)算出的結(jié)果要比實(shí)際偏大，但分析哈密地區(qū)空中水資源及人工增水潛力值的時(shí)空分布特征，對(duì)嚴(yán)重缺水的哈密地區(qū)如何有效的開發(fā)空中水資源，合理進(jìn)行人工增水作業(yè)仍具有重要的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

（1）哈密地區(qū)年平均整層大氣可降水量為2560～4327 mm之間，最大值出現(xiàn)在哈密，最小值在紅柳河。年均有效空中水資源量約為232～828 mm，最大出現(xiàn)在巴里坤，最小出現(xiàn)在淖毛湖，分別是整層大氣可降水量的1/4～1/10不等，各區(qū)域之間差異較大。

（2）哈密地區(qū)的年均自然降水產(chǎn)出率在9%～28%之間，各站之間差異較大，巴里坤最大，淖毛湖最小。自然降水產(chǎn)出率與降水量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，降水量越大，自然降水產(chǎn)出率越高。

（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的理論值，哈密地區(qū)的年人工增水潛力在844～2399 mm之間，巴里坤最大，淖毛湖最小，地區(qū)年均人工增水潛力值為1532 mm，是35 a平均降水量的19.3倍。哈密北部的巴里坤、伊吾的人工增水潛力值明顯高于其它區(qū)域，夏季大，冬季小。

（4）本文采用時(shí)間累計(jì)方法得到結(jié)果體現(xiàn)了最大可能降水量的理論意義，較平均數(shù)據(jù)得到的結(jié)論偏大，但可以更為清楚地反映空中水汽的變化。

[1]周長(zhǎng)艷，王順久，彭駿.金沙江流域及鄰近地區(qū)空中水資源的氣候特征分析[J].資源科學(xué)，2010，32（12）：2433-2440.

[2]劉曉冉，楊茜，王若瑜，等.1980—2009年三峽庫(kù)區(qū)空中水資源變化特征[J].自然資源學(xué)報(bào)，2012,27（9）：1550-1560.

[3]江和文，曹士民，何寶財(cái)，等.葫蘆島市空中水資源及人工增雨潛力分析[J].水土保持研究，2014，21（2）：290-293.

[4]范思睿，王維佳，劉東升，等.基于再分析資料的西南區(qū)域近50 a空中水資源的氣候特征[J].暴雨災(zāi)害，2014，33 （1）：65-72.

[5]蘇立娟，鄧曉東，達(dá)布希拉圖，等.內(nèi)蒙古空中云水資源特征及與降水關(guān)系[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27（6）：129-133.

[6]解承瑩，李敏姣，張雪芹.近30 a青藏高原夏季空中水資源時(shí)空變化特征及其成因[J].自然資源學(xué)報(bào)，2014，29 （6）：979-989.

[7]常倬林，崔洋，張武，等.基于CERES的寧夏空中云水資源特征及其增雨潛力研究[J].干旱區(qū)地理，2015，38（6）：1112-1120.

[8]馬新平，尚可政，李佳耘，等.1981—2010年中國(guó)西北地區(qū)東部大氣可降水量的時(shí)空變化特征[J].中國(guó)沙漠，2015，35（2）：448-455.

[9]張學(xué)文.新疆的水分循環(huán)和水分平衡[C]//新疆氣象論文集（二），新疆氣象學(xué)會(huì)，1962，63-81.

[10]李霞，張廣興.天山可降水量和降水轉(zhuǎn)化率的研究[J].中國(guó)沙漠，2003，23（5）：509-513.

[11]史玉光，孫照渤.新疆大氣可降水量的氣候特征及其變化[J].中國(guó)沙漠，2008，V28（3）：519-525.

[12]姚俊強(qiáng)，楊青，韓雪云，等.天山及周邊地區(qū)空中水資源的穩(wěn)定性及可開發(fā)性研究[J].沙漠與綠洲氣象，2012，6 （1）：31-35.

[13]姚俊強(qiáng)，楊青，黃俊利，等.天山山區(qū)及周邊地區(qū)水汽含量的計(jì)算與特征分析[J].干旱區(qū)研究，2012，29（4）：567-573.

[14]姚俊強(qiáng)，楊青，趙玲.全球變暖背景下天山地區(qū)近地面水汽變化研究[J].干旱區(qū)研究，2012，29（2）：320-327.

[15]楊景梅，邱金恒.用地面濕度參量計(jì)算我國(guó)整層大氣可降水量及有效水汽含量方法的研究[J].大氣科學(xué)，2002，26（1）：9-22.

[16]楊景梅，邱金恒.我國(guó)可降水量同地面水汽壓經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式[J].大氣科學(xué)，1996，20（5）：620-626.

[17]向玉春，唐茂.湖北省空中水資源開發(fā)潛力分析[C]//中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2008年年會(huì)論文集，2008.

[18]李穎,張俊東,陳慶濤.GPS大氣可降水量空間插值方法對(duì)比研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2013，36（1）：1-6.

[19]楊曉春，王建鵬，白慶梅，等.西安不同季節(jié)降水過(guò)程中大氣可降水量變化特征[J].干旱氣象，2013，31（2）：278-282.

[20]李穎，張俊東，羅鵬.大氣可降水量估算模型研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2013，36（2）：21-25.

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

ZHUO Shixin1，LI Ruqi2，MIAO Yunling1，F(xiàn)ENG 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

新疆維吾爾自治區(qū)人民政府“新疆吐魯番哈密地區(qū)空中云水資源開發(fā)利用”項(xiàng)目子課題（TUHA201509，TUHA201511）資助。

卓世新（1976-），男，工程師，從事人工影響天氣相關(guān)業(yè)務(wù)和研究工作。E-mail:1556603913@qq.com卓世新，李如琦，苗運(yùn)玲，等.哈密地區(qū)空中水汽及增水潛力分析[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（6）：68-72.