鄧佩云 桑建人* 楊萌 穆建華 常倬林 曹寧

(1 中國氣象局旱區(qū)特色農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室，北京 100081； 3 成都信息工程大學，成都 610225)

引言

在全球變暖的大背景下，我國區(qū)域經濟發(fā)展和有限的環(huán)境資源稟賦之間的矛盾日益突出，以干旱災害為代表的生態(tài)問題嚴重制約著當地社會的發(fā)展，其重要性愈加受到政府、公眾和學界的關注[1-2]。西北干旱區(qū)深居亞歐大陸腹地，是我國水資源最短缺的地區(qū)之一，干旱缺水的生態(tài)特點造成西北地區(qū)土地貧瘠，災害頻發(fā)，對農業(yè)和區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響巨大[3-4]。中國西北地區(qū)降雨成因較復雜，水汽含量相對較低，姚俊強等[5]探討了西北干旱區(qū)的氣候變化特征及其對生態(tài)環(huán)境的影響；鄭麗娜[6]利用近55年中國西北地區(qū)氣象站點的日降水數據以及再分析資料，揭示了該地區(qū)夏季降水的時空演變特征；陳楠等[7]利用NCEP/NCAR月均再分析資料，初步探討了寧夏水汽通量的年際、年代際演變特征以及不同區(qū)域和不同季節(jié)的分布特征。已有研究表明[8]，西北地區(qū)水汽含量隨海拔高度的升高而減少，降水效率隨海拔高度的升高而增大，其來源主要為西風帶水汽輸送，少量來自于西西伯利亞，王寶鑒等[9]研究表明東部季風區(qū)是西北地區(qū)大氣水汽含量最豐富的地區(qū)，西風帶區(qū)次之，高原區(qū)最少，鞏寧剛等[10]研究發(fā)現，近38年西北腹地的祁連山區(qū)大氣水汽含量呈東南多、西北少的空間分布特征，且隨海拔的升高而逐漸減少，整層大氣水汽主要集中在5000 m以下，并揭示了該地區(qū)空中水資源的開發(fā)潛力；祁連山區(qū)水汽輸送主要受西風帶、偏南季風與東亞季風的共同影響[11-12]。此外，研究表明，山地上空的云量較周邊區(qū)域偏多[13]，空氣的上升運動在較低海拔山脈也能產生對流云[14]。

六盤山作為西北地區(qū)東部的主要山脈，位于青藏高原東部，黃土高原的西北部，六盤山區(qū)是中國氣象局精準扶貧行動計劃示范區(qū)，是重要的水源涵養(yǎng)地及雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，也是海洋暖濕氣流進入西北內陸的門戶，維系西北內陸地區(qū)空中水汽輸送的關鍵區(qū)域，擔負著陜、甘、寧3省區(qū)的供水重任，然而其干旱少雨、災害性天氣多、區(qū)域降水差異大等氣候特征嚴重制約著當地經濟發(fā)展?？罩兴麠l件的分布以及水汽的輸送對山區(qū)降水至關重要[15]，但六盤山區(qū)針對此方面還鮮有研究，因此，明晰該區(qū)域空中水汽條件特征及其成因，可為區(qū)域降水預測、農業(yè)氣象評估以及人工影響天氣等提供科學依據，具有重要的現實意義和科學價值。

為此，本文基于六盤山區(qū)氣象站逐日降水量觀測資料，對六盤山區(qū)1989—2018年的降水特征進行分析，并基于同期的ERA-Interim高分辨率再分析資料對包括六盤山在內的西北地區(qū)東部的空中水汽條件特征進行分析，進一步探究六盤山區(qū)的水汽來源以及東西坡降水和空中水汽條件的差異特征及其成因，以期為后續(xù)云和降水物理過程參數化方案等相關研究和應用提供可參考性依據。

1 資料方法及研究區(qū)概況

1.1 資料方法

使用的資料包括1989—2018年期間六盤山區(qū)的氣象站(西吉站、隆德站、六盤山站、涇源站、固原站、彭陽站)逐日降水量觀測資料以及同期ECMWF的ERA-Interim高分辨率再分析資料(10°～70°N， 30°～160°E)。ERA-Interim再分析資料時間分辨率為6 h， 空間分辨率為0.125°×0.125°，垂直分為16層等壓面(本文選取1000～500 hPa)。具體包括：大氣可降水量、位勢高度場、風場、相對濕度、表面氣溫、海平面氣壓場和垂直速度等。

單位氣柱內整層水汽通量[16],垂直積分水汽通量[16],某層水汽通量散度[17]及大氣可降水量[18]的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，Q表示水汽通量；Qu表示緯向水汽通量，Qv表示經向水汽通量，單位：g/(s·hPa·cm);D表示某層的水汽通量散度，單位：g/(s·hPa·cm2);W表示大氣可降水量，單位：mm;q為各層大氣的比濕，單位：g/kg;V為風速矢量，其中u為緯向風，v為經向風，單位：m/s;p為氣壓，其中ps、pt分別為大氣柱下界氣壓和上界氣壓，單位：hPa;g為重力加速度，單位：m/s2。

1.2 六盤山區(qū)地理及氣候特征

六盤山位于寧夏南部，為近似南北走向(與南北方向夾角近30°)的連續(xù)山脈(西北接青藏高原北麓祁連山東部余脈，東南接秦嶺西部的余脈)，山地東坡陡峭，坡度為26°～60°，坡向以東—東北為主，西坡和緩，坡度為20°～35°，坡向以西南為主。區(qū)域內以六盤山為南北脊柱，范圍約在105.2°～107°E，34.7°～36.5°N內，海拔高度大于寧夏的其余地區(qū)，大部分在1500～2200 m，山脊海拔高度在2500 m以上，最高峰米缸山達2942 m。本文以六盤山站為基準，向東至寧夏東部邊緣范圍為六盤山東坡區(qū)域，即106.2°～107°E，34.7°～36.5°N，向西至寧夏西部邊緣范圍為六盤山西坡區(qū)域，即105.2°～106.2°E，34.7°～36.5°N(圖1)。表1為六盤山區(qū)6個氣象站基本情況，其中，西吉、隆德站位于六盤山的西坡，涇源、固原、彭陽站位于六盤山的東坡。

圖1 寧夏地區(qū)地形(黑色加粗區(qū)域為六盤山區(qū))

六盤山區(qū)氣候屬中溫帶半濕潤向半干旱過渡帶，具有大陸性和海洋季風邊緣氣候特點，春低溫少雨，夏短暫多雹，秋陰澇霜早，冬嚴寒綿長，區(qū)域年均降水量高于寧夏的引黃灌溉區(qū)與中部干旱帶，但降水仍為匱乏且差異大，其中東坡年均降水量大于西坡。具有雨霧日數多、水汽條件充沛、對流條件以及垂直擴散上升條件好、催化條件適宜等特征，人工增雨潛力較大，其特殊的地理優(yōu)勢與氣候特征為西北山區(qū)氣候的研究提供了天然的實驗場。

表1 六盤山區(qū)6個氣象站基本情況

2 六盤山區(qū)近30年降水量與空中水汽條件特征

2.1 六盤山區(qū)近30年降水量時空分布特征分析

基于1989—2018年六盤山區(qū)降水量距平(圖2)對研究區(qū)降水量的年際變化特征進行分析，歷年降雨量變化表現為1990、1992、2003、2005、2013、2014、2017、2018年為8個雨量偏多年；1989、1991、1993、1994、1995、1996、1997、1998、1999、2000、2001、2002、2004、2006、2007、2008、2009、2010、2011、2012、2015、2016年為22個雨量偏少年，分析期內六盤山區(qū)降水量以降水偏少年居多，降水偏多年次數不多但變幅較大，最高年份為2013年，年降水量為771.54 mm。由六盤山區(qū)近30 a的各站年均降水量統(tǒng)計(圖3)可知，降水量分布呈現顯著的南多北少和東高西低的空間分布特征，六盤山區(qū)年均降水量為520.09 mm，其中東坡年均降水量為531.15 mm，西坡年平均降水量為456.49 mm，六盤山區(qū)逐年的降水量東坡大于西坡的年份高達90%。進一步分析，六盤山區(qū)暴雨日數共計72 d，大雨為483 d，中雨為1964 d，小雨日數為10676 d，各類降雨的日數的空間分布特征也均表現為六盤山東坡高于西坡的空間分布特征。此外，六盤山區(qū)降水量的季節(jié)變化特征表現為降水過程主要集中在夏季。

圖2 1989—2018年六盤山區(qū)降水量距平

圖3 1989—2018年六盤山區(qū)各站年均降水量

2.2 六盤山區(qū)近30年空中水汽條件分布特征

大氣可降水量(W)表示從地面到大氣頂的單位截面積大氣柱中所含水汽總量全部凝結降落到地面可以產生的降水量,是評估區(qū)域空中水資源的重要指標。為明晰六盤山區(qū)近30年空中水汽條件的分布特征，利用ERA-Interim再分析資料計算1989—2018 年包括六盤山區(qū)在內的西北地區(qū)東部(33°～37°N， 103°～109°E)的大氣可降水量分布(圖4a)，可以看出，六盤山區(qū)近30年年均大氣可降水量達12～14 mm，呈東南向西北遞減趨勢，區(qū)域內的大氣年均可降水量顯著高于寧夏中北部地區(qū)，區(qū)域平均大氣可降水量為12.89 mm，其中六盤山東坡年均區(qū)域平均大氣可降水量為13.43 mm，而西坡僅為12.46 mm?；贓RA-Interim再分析資料與站點資料有很好的一致性，進一步將再分析資料插值到六盤山區(qū)的各站點中，并求取出六盤山區(qū)各站點近30年的年均大氣可降水量(圖4b)，可以看出，近30年的年均大氣可降水量在六盤山系東西坡具有顯著的差異，尤其以東坡的涇源轄區(qū)為代表的區(qū)域各站點，最大年均大氣可降水量高達12.94 mm以上，而西坡的隆德各站點的年均可降水量顯著低于東坡，最大年均大氣可降水量在12.59～12.94 mm之間，這與實際降水量的空間分布差異特征一致。進一步分析表明，六盤山區(qū)大氣可降水量的季節(jié)變化表現為夏季最大、春秋季次之、冬季最少(圖略)，其年際變化為80—90年代呈降低趨勢，90年代后呈上升趨勢[7]，2006年后呈下降趨勢[18]，其時空變化規(guī)律與田磊等[19]利用氣象觀測站資料的驗證結果相一致。

圖4 1989—2018年西北地區(qū)東部(a)和六盤山區(qū)各站點(b)年均大氣可降水量分布

比濕又稱水汽含量(q)，指濕空氣中的水汽質量與濕空氣的總質量之比。趙美等[20]研究表明，700 hPa高空比濕對地面降水具有強烈的指示意義，總的降水趨勢是隨著700 hPa比濕的增大,降水的可能性也增大。六盤山區(qū)東西坡700 hPa比濕場的顯著差異，對揭示該區(qū)域東西坡降水差異以及人工影響天氣有著重要的指示作用。利用1989—2018年的再分析資料對六盤山區(qū)700 hPa比濕的變化特征進行分析(圖5a)，六盤山區(qū)近30年的年均比濕在3.6～4.2 g/kg 范圍內呈現南高北低、東高西低的空間分布特征，年均區(qū)域平均比濕為4.02 g/kg，其中東坡為4.03 g/kg，西坡為4.01 g/kg，進一步將再分析資料插值到六盤山區(qū)的各站點中(圖5b)，可以看出以六盤山系東坡為代表的涇源轄區(qū)各站點的比濕均在3.94 g/kg以上，而西坡隆德區(qū)域內大部分站點的比濕值在3.88～3.94 g/kg內，其值顯著低于東坡，其季節(jié)變化表現為夏季最大，冬季最小(圖略)，這與實際降水量的時空分布特征一致。

圖5 1989—2018年700 hPa西北地區(qū)東部(a)和六盤山區(qū)各站點(b)年均比濕分布

水汽通量(Q)，又稱水汽輸送量，可表征水汽輸送的強度和方向。本文利用ERA-Interim再分析資料計算可得700 hPa近30年六盤山區(qū)的區(qū)域平均水汽通量為0.56 g/(s·hPa·cm)，其中東坡為0.66 g/(s·hPa·cm)，西坡為0.47 g/(s·hPa·cm)，進一步沿六盤山站(106.20°E，35.67°N)對六盤山區(qū)850～500 hPa范圍的水汽通量的經緯向進行剖面(圖6)，由圖6a可以看出，高層水汽通量的強度低于低層，水汽通量的大值區(qū)集中在六盤山東坡800 hPa左右，高達2.2 g/(s·hPa·cm)及以上，在六盤山西坡范圍內，800～750 hPa有一次高值區(qū)，達2 g/(s·hPa·cm)及以上，較大值區(qū)主要集中在沿六盤山脈的海拔較高地。由圖6b可以看出，南部地區(qū)水汽通量的大值區(qū)范圍高于北部地區(qū)，水汽主要積聚在山系東坡，西坡的水汽有抬升作用，六盤山區(qū)水汽通量近30 a的年際變化表現為逐漸減少的趨勢，但其值仍高于寧夏區(qū)域內的引黃灌區(qū)和中部干旱帶[7]。

圖6 1989—2018年西北地區(qū)東部沿35.67°N(a)及沿106.20°E(b)水汽通量垂直剖面

綜上分析，近30年六盤山東坡年均降水量比西坡高74.66 mm，區(qū)域平均大氣可降水量比西坡高0.97 mm，700 hPa區(qū)域平均比濕比西坡高0.02 g/kg，700 hPa區(qū)域平均水汽通量比西坡高0.19 g/(s·hPa·cm)，相較于海拔較高地處于西風帶氣候區(qū)的天山以及高原氣候區(qū)的祁連山[21]，六盤山區(qū)具有更為充沛的水汽條件，這與海拔較高以及山地對水汽的阻擋作用等因素有關[22]。

3 六盤山區(qū)近30年空中水汽條件分布成因

3.1 六盤山區(qū)水汽來源

水汽輸送是產生降水的一個重要物理因子，考慮到氣候平均狀況下水汽源地上空的水汽通量相當充沛，水汽輸送源地可能是水汽輸送路徑上水汽通量大值區(qū)下方的海洋、江河及湖泊等地，已有研究表明[7]，在水汽輸送偏多年，西太平洋到孟加拉灣有較大閉合比濕中心，這是西北地區(qū)東部重要的水汽來源地之一。進一步分析六盤山區(qū)的水汽來源，疊加繪制(10°～70°N， 30°～160°E)范圍內的30年年均水汽通量與風場的分布(圖7)，可以看出，六盤山區(qū)近30年水汽主要來源于孟加拉灣、南海及印度洋。700 hPa在孟加拉灣有明顯的西南風水汽輸送帶延伸至甘肅東南部、寧夏南部、陜西一帶；850 hPa在南海有一明顯的西北向水汽輸送帶，印度洋—孟加拉灣的水汽輸送帶向東北方向輸送，兩支水汽輸送帶經云南、四川轉為向西北輸送，在青藏高原地形的影響下[23]，將水汽輸送至六盤山區(qū)。

3.2 六盤山區(qū)水汽通量散度場

水汽通量散度(D)指單位時間、單位體積中，從水平方向匯合進來或輻散出的基層水汽量，是表征水汽輸送的主要物理量，D<0,水汽通量輻合，D>0，水汽通量輻散。利用1989—2018年的ERA-Interim再分析資料計算可得，六盤山區(qū)500 hPa年均區(qū)域水汽通量散度為-5.67 g/(s·hPa·cm2)，其中東坡年均區(qū)域平均值為4.25 g/(s·hPa·cm2)，水汽輻散，西坡年均區(qū)域平均值為-17.06 g/(s·hPa·cm2)，水汽輻合；700 hPa平均水汽通量散度為-1.98 g/(s·hPa·cm2)，其中東坡年均區(qū)域平均值為-5.22 g/(s·hPa·cm2)，水汽輻合，西坡年均區(qū)域平均值為0.60 g/(s·hPa·cm2)，水汽輻散；850 hPa年均區(qū)域平均值為241.12 g/(s·hPa·cm2)，東坡為81.52 g/(s·hPa·cm2)，西坡高達368.80 g/(s·hPa·cm2)。為進一步明晰六盤山區(qū)東西坡站點水汽通量散度場的差異性，將1989—2018年的水汽通量散度插值到六盤山區(qū)的各站點(圖8)，由圖8a可知，500 hPa水汽通量散度正值集中在六盤山東坡，其中大值區(qū)位于涇源縣，水汽通量散度值>19.56 g/(s·hPa·cm2)的站點居多，水汽輻散，而西坡大部分區(qū)域為負值區(qū)或弱正值區(qū)，水汽輻合或弱輻散。由圖8b可知，850 hPa水汽通量散度正值的大值區(qū)集中在六盤山系西坡區(qū)域，其中水汽通量散度最大值多集中在隆德轄區(qū)，高達354.92 g/(s·hPa·cm2)以上，水汽顯著輻散，而在東坡范圍內大部分站點的水汽通量散度值為負值或弱正值，水汽輻合或弱輻散，六盤山東坡存在著高層輻散、低層輻合或弱輻散的配置。進一步分析表明，近30年六盤山區(qū)在大至暴雨降水天氣過程前期，700 hPa青海東南部—甘肅南部—寧夏南部—陜西西部一帶通常存在明顯的水汽輻合區(qū)，水汽通量散度值可達-6～-3 g/(s·hPa·cm2)。因此，六盤山東坡受地形的抬升作用引起的高層輻散、低層輻合或弱輻散的動力場[24]，使東坡相較于西坡有著更為有利的較強降水發(fā)生發(fā)展條件。

圖7 1989—2018年700 hPa(a)、850 hPa(b)水汽通量與風場分布

圖8 1989—2018年六盤山區(qū)500 hPa(a)及850 hPa(b)水汽通量散度分布

3.3 六盤山區(qū)近30年空中水汽條件分布成因初探

寧夏六盤山區(qū)近30年較好的空中水汽條件主要集中在4—10月，季節(jié)變化表現為夏季最為充沛，冬季相對較弱(表2)，這與六盤山區(qū)的降水實況相符。已有研究表明[25]，東亞季風對西北地區(qū)降水的影響較為顯著，季風是由海洋和大陸的熱力特征差異造成的氣候現象，其盛行風向隨季節(jié)變化。進一步分析可見(表3)，六盤山區(qū)在750 hPa(約2.5 km高度)以下于4月開始盛行東南風，并于10月消退，季節(jié)變化表現為冬季盛行干冷的西北氣流，夏季盛行東南風，六盤山區(qū)空中水汽條件的優(yōu)劣與東南季風的進退具有較好的吻合性。六盤山區(qū)地處青藏高原東北部與黃土高原西北邊緣的狹長喇叭口地帶，在夏季受青藏高原的影響，西南暖濕氣流很難到達海拔較高地，六盤山區(qū)位于東南季風及其邊緣影響區(qū)域，受東亞季風影響較大，低層來自孟加拉灣、南海及印度洋的較為穩(wěn)定的東南暖濕氣流，受西太平洋副高北抬的影響將水汽輸送到六盤山區(qū)，并在六盤山系附近積聚，空中水汽含量較多[21]，而寧夏中部干旱帶及北部川區(qū)由于所處緯度較高，受到東亞季風的影響減弱，水汽很難到達，因此六盤山區(qū)的空中水汽條件相較于寧夏其它地區(qū)更為充沛。

表2 1989—2018年1—12月六盤山區(qū)逐月大氣可降水量及700 hPa比濕、相對濕度、水汽通量

表3 1989—2018年1—12月六盤山區(qū)逐月主導風向

六盤山區(qū)東西坡降水量及空中水汽條件的明顯差異，除了東坡受地形的抬升作用引起的高層輻散、低層輻合或弱輻散的動力場外，還受制于地形、季風與天氣系統(tǒng)之間相互作用的共同影響?；贓RA-Interim再分析資料對六盤山區(qū)近30年大至暴雨降水過程的天氣系統(tǒng)及影響系統(tǒng)進行分析，結果表明兩槽一脊和一脊一槽為最主要的降水環(huán)流形勢，主要影響系統(tǒng)為500 hPa低壓槽和700 hPa切變及急流，切變一般位于六盤山區(qū)，急流區(qū)一般位于甘肅東南部至陜西一帶，六盤山區(qū)處于急流區(qū)西側。進一步分析表明，六盤山區(qū)近30年在700 hPa與750 hPa 以西南風水汽輸送為主，并與西北風通量匯合后繼續(xù)向東南方向輸送(圖9a、b)，這與張沛等[17]研究結果相符，而在750 hPa以下以東南風水汽輸送為主，以800 hPa、850 hPa為例(圖9c、d)，六盤山區(qū)地形大部分在750 hPa以下，因此在此高度范圍內，六盤山東坡為迎風坡，且地勢更為陡峭，降水潛力更大，尤其在主要降水天氣過程下，此風場特征更為顯著，水汽輸送受六盤山地形的強迫輻合抬升，加之有利的天氣系統(tǒng)配合，造成六盤山系多年年均降水量及空中水汽條件呈東高西低分布特征。

4 結論

(1)近30年六盤山區(qū)年均區(qū)域平均大氣可降水量為12.89 mm，700 hPa區(qū)域平均比濕為4.02 g/kg，水汽通量為0.69 g/(s·hPa·cm)，其中東坡年均降水量比西坡高74.66 mm，各類降雨日數也高于西坡，年均區(qū)域平均大氣可降水量、700 hPa比濕、相對濕度、水汽通量與降水量空間分布特征較為一致，呈東高西低、南大北小的特征，并存在明顯的夏高冬低的季節(jié)變化特征。

(2)700 hPa從孟加拉灣有明顯的西南風水汽輸送帶延伸至甘肅東南部、寧夏南部、陜西一帶，850 hPa六盤山區(qū)水汽主要來源于孟加拉灣、南海及印度洋，經云南、四川轉為向西北輸送，在青藏高原的地形的影響下，將水汽輸送至六盤山區(qū)。

(3)六盤山區(qū)在700 hPa和750 hPa以西南風水汽輸送為主，并與西北風通量匯合后向東南方向輸送，750 hPa以下六盤山東側為東南風迎風坡，東南季風于4月開始進入六盤山區(qū)，并于10月消退，受六盤山地形強迫影響，東南暖濕氣流在東坡抬升，使東坡相較于西坡有著更為有利的降水發(fā)生發(fā)展條件。

圖9 1989—2018年西北地區(qū)東部700 hPa(a)、750 hPa(b)、800 hPa(c)、850 hPa(d)風場(黑色加粗區(qū)域為六盤山區(qū))

(4)受地形的抬升作用引起的高層輻散、低層輻合或弱輻散的動力場，加之地形、東亞季風與天氣系統(tǒng)之間相互作用的共同影響，造成六盤山系降水及空中水汽條件呈東高西低的分布特征。