潘衛(wèi)華，余永江，羅艷艷，張琳琳，楊志勇

(1.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350001；2.福建省氣象科學(xué)研究所，福建 福州 350001；3.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；4.福建省廈門市氣象臺(tái)，福建 廈門 361012)

引 言

空中水汽資源是大氣降水的主要來(lái)源，在大氣的物理/化學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，其空間分布極不均勻且時(shí)間變化很快，影響著輻射平衡、能量輸送、云的形成和降水。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，空中水資源總量遠(yuǎn)大于地面實(shí)際的降水量，具有極大的開(kāi)發(fā)潛力，合理開(kāi)發(fā)空中水資源，對(duì)于緩解地區(qū)干旱等具有重要意義[1-2]。傳統(tǒng)的大氣可降水量主要依靠氣象探空資料推算得到[3]，但常規(guī)探空每日僅2次且站點(diǎn)分布稀疏，難以滿足要求。目前基于地基GPS遙感反演大氣可降水量(PWV, precipitable water vapor)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到探空站觀測(cè)水平[2,4-5]，并且具有全天候監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[6-8]。李成才等[9]利用1997年夏季東亞地區(qū)地基GPS資料反演了上海和武漢的水汽總量，將探空資料獲得的水汽總量作為實(shí)測(cè)值，反演的PWV均方根誤差為5 mm左右。由于利用地基GPS可以獲得連續(xù)的、高精度的大氣可降水量資料，不同區(qū)域相繼開(kāi)展強(qiáng)降水天氣過(guò)程中實(shí)時(shí)水汽與降水的關(guān)系研究[10-12]，如BENEVIDES等[13]利用PWV在降水前的變化進(jìn)行降水預(yù)報(bào)，并且發(fā)現(xiàn)不同的PWV閾值會(huì)影響到降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率[14]。由于我國(guó)地理幅員遼闊，在不同地形和大氣環(huán)流等因素影響下，地區(qū)降水與水汽變化的相互關(guān)系存在顯著差異[15]，這使得區(qū)域降水與水汽變化的相關(guān)性存在較高的地域性和不確定性。近年來(lái)，隨著GPS站點(diǎn)日益密集和觀測(cè)資料的不斷累積，針對(duì)不同區(qū)域水汽的時(shí)空分布和變化特征開(kāi)展了廣泛研究[16-18]，這有助于掌握區(qū)域內(nèi)水汽的變化規(guī)律。

福建地處東南沿海，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，“依山傍?！焙汀鞍松揭凰环痔铩钡奶厥獾匦蔚孛苍斐扇∩峡账Y源分布極不平衡，非常容易引發(fā)季節(jié)性干旱和區(qū)域性洪澇，相關(guān)研究顯示福建的干旱和暴雨的發(fā)生頻次和極端性有增長(zhǎng)趨勢(shì)[19-20]。中國(guó)氣象局正開(kāi)展人工影響“耕云”行動(dòng)計(jì)劃，這使得準(zhǔn)確掌握空中云水資源空間分布和動(dòng)態(tài)變化顯得非常重要。目前針對(duì)福建水汽資源不同時(shí)間尺度的變化還缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，因此，本文基于福建全省地基GPS臺(tái)站大氣可降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)、地面和探空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)及再分析資料等，利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)等方法對(duì)福建省大氣可降水量的空間分布特和變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，以期為福建空中云水資源評(píng)估、短時(shí)降水預(yù)報(bào)預(yù)警及人工增雨作業(yè)條件評(píng)估等提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

所用資料包括2011—2019年福建省地基GPS測(cè)站大氣可降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，全省氣象臺(tái)站逐時(shí)地面氣象觀測(cè)資料，ERA-Interim再分析資料和全省3個(gè)氣象探空站觀測(cè)數(shù)據(jù)及DEM等地理信息資料。其中福建省所有地基GPS測(cè)站的PWV數(shù)據(jù)來(lái)自福建省氣象信息中心，由其所構(gòu)建的福建省GPS水汽處理系統(tǒng)反演而得；ERA-Interim再分析資料格點(diǎn)間距0.125°×0.125°，經(jīng)度范圍為115°30′E—121°00′E，緯度范圍為23°30′N—28°30′N，時(shí)間分辨率為6 h；探空站觀測(cè)數(shù)據(jù)頻次為每日2次。

采用EOF方法[21-23]對(duì)福建2010—2019年地基GPS反演的月平均大氣可降水量進(jìn)行分解,統(tǒng)計(jì)分析前先對(duì)GPS/PWV資料進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除誤測(cè)、漏測(cè)等因素造成的無(wú)效數(shù)據(jù)。采用Mann-Kendall方法對(duì)水汽資源變化進(jìn)行突變檢測(cè)，同時(shí)利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)Mann-Kendall檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，以驗(yàn)證是否為真正的突變點(diǎn)。

為檢驗(yàn)研究期GPS/PWV資料的有效性，利用2015年福州、廈門和南平3個(gè)探空站逐日[每日兩次，08:00(北京時(shí)，下同)和20:00]探測(cè)資料計(jì)算大氣可降水量，然后與地基GPS測(cè)站的大氣可降水量(GPS/PWV)進(jìn)行對(duì)比[圖1(a)]，可以看出，兩種資料的PWV散點(diǎn)均分布在擬合直線附近，擬合斜率接近1，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9(通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn))，表明GPS/PWV具有較高的可信度。ERA-Interim再分析資料得到的大氣可降水量(以下簡(jiǎn)稱“ERA/PWV”)為格點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)插到GPS測(cè)站所在的經(jīng)緯度，與GPS/PWV進(jìn)行對(duì)比，從二者散點(diǎn)圖[圖1(b)]可以看出，ERA/PWV與GPS/PWV的相關(guān)性低于探空站大氣可降水量與GPS/PWV的相關(guān)性，原因在于ERA/PWV為區(qū)域平均值，而GPS/PWV為站點(diǎn)測(cè)值，且時(shí)間分辨率更高，但兩者分布趨勢(shì)比較接近，仍具有較高的可信度[24]。因此，下文用地基GPS/PWV來(lái)研究福建上空水汽資源變化特征。

圖1 福建省地基GPS站PWV分別與探空站大氣可降水量(a)和ERA/PWV(b)的散點(diǎn)圖

本文附圖中福建省行政邊界是基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2019)3333號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

2 水汽資源時(shí)空分布

2.1 水汽資源季節(jié)分布

福建四季劃分為：春季(3—6月)、夏季(7—9月)、秋季(10—11月)和冬季(12月至次年2月)。從2015年福建上空水汽總量的季節(jié)分布(圖2)可以看出，水汽總量四季存在明顯差異，夏季最大，其次為春季和秋季，冬季最??；春、夏、秋、冬水汽總量最大值分別為54.69、63.49、48.24、38.88 mm，最小值分別為35.01、40.92、33.22、22.51 mm。從福建氣候特點(diǎn)看，春季為前汛期和雨季，由于西太平洋副熱帶高壓北跳，西南暖濕氣流不斷輸送，使得這一時(shí)期水汽資源比較豐富。夏季受副熱帶高壓和臺(tái)風(fēng)共同影響，水汽來(lái)源主要受臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)影響，而在副熱帶高壓控制期間以晴熱天氣為主，水汽相對(duì)較少；2015年福建共受到“蘇迪羅”、“杜鵑”等6個(gè)臺(tái)風(fēng)影響，由此帶來(lái)非常豐富的水汽資源，主要降水時(shí)段也集中在這一時(shí)期。秋冬季缺少臺(tái)風(fēng)影響，在副熱帶高壓和東北大風(fēng)影響下，水汽資源相對(duì)比較匱乏。

圖2 2015年福建上空GPS/PWV四季的空間分布(單位：mm)

從空間分布看，水汽總量呈明顯的東多西少態(tài)勢(shì)，水汽的高值區(qū)集中在福建東部沿海地區(qū)，低值區(qū)分布在西部高山區(qū)。分析其原因，主要是受地形因素影響所致，福建西北的武夷山脈平均海拔在1000 m以上，而東南沿海地區(qū)海拔普遍在100 m以下，地形海拔差異直接導(dǎo)致該地區(qū)上空水汽總量分布差異[25]。另外，在黃岡山和峨眉峰之間的閩江上游流域的峽谷地帶，始終存在水汽總量相對(duì)高值區(qū)，比周邊山脈地區(qū)明顯偏高，呈濕舌狀伸向西北山區(qū)，這些高值區(qū)與其下墊面大金湖、閩江上游的密集支流水系等的水面蒸發(fā)密切相關(guān)，在春、夏、秋季氣溫較高時(shí)期尤為明顯，而冬季較不明顯。

2.2 水汽資源的月際分布

圖3為邵武(117°29′E、27°19′N)、廈門(118°18′E、24°42′N)和福州(119°13′E、26°06′N)站2015年GPS/PWV大氣可降水量的月際變化。邵武、廈門和福州站的GPS/PWV月變化基本一致，整體呈倒“U”型變化，1—6月是大氣可降水量的主要增長(zhǎng)期，7—12月則呈逐步減少趨勢(shì)，1月最小，6月最大。地處東南沿海的廈門和福州站水汽月均值高于內(nèi)陸山區(qū)的邵武站，這主要由地形海拔高度差異造成。

圖3 2015年福建邵武、廈門及福州站大氣可降水量月際變化

2.3 水汽資源的日變化特征

福建由于受東、西風(fēng)帶交替影響和溫、熱帶各類天氣系統(tǒng)頻繁活動(dòng)的共同影響下，形成汛期多雨、冬春少雨、旱澇突出的季風(fēng)氣候。通過(guò)選取典型晴天(2014年12月12日)和典型雨天(2014年5月18日)對(duì)福建大氣可降水量的日變化特征進(jìn)行分析。以沿海地區(qū)的平和站(119°36′E、24°22′N)和內(nèi)陸山地的武平站(116°16′E、25°5′N)為例，通過(guò)對(duì)典型晴天GPS/PWV與氣溫、水汽壓和相對(duì)濕度進(jìn)行對(duì)比[圖4(a)]，可以看出福建晴天的日GPS/PWV、水汽壓總體處于低位，日較差小，日變化特征不顯著；GPS/PWV與氣溫日變化相關(guān)，峰值通常出現(xiàn)在20:00至次日04:00，谷值出現(xiàn)在11:00—14:00。相對(duì)濕度與氣溫呈反相關(guān)，日變化特征顯著。沿海地區(qū)GPS/PWV比內(nèi)陸山區(qū)高，日變化相對(duì)較大。

圖4 典型晴天(a)和典型雨天(b)福建平和與武平站GPS/PWV與氣溫、水汽壓、相對(duì)濕度的日變化

從典型雨天的GPS/PWV與氣溫、水汽壓和相對(duì)濕度的對(duì)比[圖4(b)]可以看出，平和、武平兩站較典型晴天的GPS/PWV、水汽壓和氣溫都有明顯上升，GPS/PWV與水汽壓的日變化較顯著。GPS/PWV峰值出現(xiàn)在降雨前或降雨時(shí)，呈現(xiàn)雙峰型特征，當(dāng)GPS/PWV下降到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，預(yù)示著降水過(guò)程結(jié)束[26-28]。降水的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致相對(duì)濕度持續(xù)增大，并逐步達(dá)到飽和，由于降雨通常會(huì)伴隨著降溫，氣溫持續(xù)低位運(yùn)行，GPS/PWV與氣溫的相關(guān)性降低。

2.4 水汽含量與地面降水的關(guān)系

從福建2015年的GPS/PWV空間分布[圖5(a)]可以看出，其與四季的水汽分布較為相似，表現(xiàn)為東部沿海地區(qū)高于內(nèi)陸山區(qū)，但對(duì)比2015年福建年降水量空間分布[圖5(b)]發(fā)現(xiàn)，福建年降水量高值區(qū)卻主要集中在閩西北和閩東北山區(qū)，降水量均超過(guò)2000 mm，年降水量低值區(qū)主要分布在閩東南沿海地區(qū)，其中以東山島的年降水量為最低(1235.4 mm)?？梢?jiàn)福建上空水汽資源與年降水量分布存在明顯的不一致性，很多水汽資源高值區(qū)域卻是降水量的低值區(qū)，表明影響福建降水量大小的最關(guān)鍵因素并不是福建上空水汽資源的高低，地形和天氣系統(tǒng)等因素的影響更大[29]。此外，根據(jù)李家葉等[30]對(duì)大氣可降水量的降水轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果，東南沿海地區(qū)的降水轉(zhuǎn)化率僅為西北山區(qū)的40%～50%，這一方面表明福建西北山區(qū)地形有利于降水產(chǎn)生，另一方面也反映東部沿海地區(qū)的水汽資源存在巨大利用潛力，加大人工影響天氣的技術(shù)手段來(lái)提高水汽的實(shí)際降水轉(zhuǎn)化效率，對(duì)于緩解福建東南沿海地區(qū)的氣象干旱具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 2015年福建GPS/PWV(a, 單位：mm)與年降水量(b, 單位：mm)的空間分布

3 水汽含量特征及突變分析

3.1 福建大氣可降水量特征

對(duì)2010—2019年大氣可降水量逐月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化距平處理，然后利用EOF對(duì)大氣可降水量進(jìn)行分解，并通過(guò)North準(zhǔn)則[31]進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，大氣可降水量前5個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率見(jiàn)表1?？梢钥闯觯＝ù髿饪山邓壳?個(gè)模態(tài)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率超過(guò)91%。

表1 大氣可降水量EOF分析前5個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率

第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為80.06%，遠(yuǎn)高于其他模態(tài)，其空間型[圖6(a)]顯示，近10 a福建省上空大氣可降水量變化趨勢(shì)具有高度一致性，且大氣可降水量變化的振蕩強(qiáng)度由西北、西南向東部逐漸增強(qiáng)。高值中心位于福建東南沿海地帶，反映出該區(qū)域大氣可降水量變化幅度大，印證了福建東南部地區(qū)降水的不均勻性，容易出現(xiàn)氣象干旱，個(gè)別年份甚至能達(dá)到重旱；低值中心位于福建西北部武夷山脈和南部山區(qū)及沿海一帶，表明此區(qū)域大氣可降水量變化幅度小，這些區(qū)域降水比較集中且均勻分布，很少發(fā)生氣象干旱；福建中部?jī)?nèi)陸山區(qū)則為過(guò)渡帶。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)[圖6(c)] 顯示，2010—2019年主要表現(xiàn)為季節(jié)性波動(dòng)，夏秋季為正值，冬春季為負(fù)值，反映了福建省大氣可降水量夏秋季一致偏多，冬春季一致偏少。

第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為11.55%，從第二模態(tài)空間型[圖6(b)]可以看出，近10 a福建大氣可降水量呈東西反位相分布。大致以118°E為界，福建西部山區(qū)特征向量為正值，而東部沿海為負(fù)值，當(dāng)福建西部山區(qū)大氣可降水量偏多(少)時(shí)，福建東部地區(qū)則相對(duì)偏少(多)。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)[圖6(d)] 顯示，近10 a時(shí)間系數(shù)在零值上下振蕩，其中2016年9月以后(除2018年7月和1月異常偏大外)振蕩幅度明顯偏小，反映出大氣可降水量在福建東部和西部的差異在逐漸變小。

圖6 2010—2019年福建省GPS/PWV EOF分解的第一(a、c)、第二(b、d)模態(tài)空間型(a、b)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(c、d)

3.2 大氣可降水量的突變檢測(cè)

利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)對(duì)福建省2010—2019年逐月平均大氣可降水量的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)。由圖[7(a)]可知，UF和UB兩條序列曲線在2010年1月至2011年8月間存在3個(gè)交點(diǎn)，且在0.05顯著性水平區(qū)間之內(nèi)，理論上表明這些時(shí)間點(diǎn)可能存在突變。但此后UF曲線整體上并沒(méi)有大幅度波動(dòng)，UF和UB曲線兩者趨勢(shì)差異不顯著，顯示這期間大氣可降水量發(fā)生突變的可能性不大。

為了驗(yàn)證Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性，利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法(n=5)對(duì)大氣可降水量進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖[7(b)]所示。從滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果可以看出在α=0.05的顯著性水平上出現(xiàn)多次突變，但突變時(shí)間點(diǎn)都出現(xiàn)2013年之后，與Mann-Kendall突變檢測(cè)不吻合，同時(shí)考慮到統(tǒng)計(jì)方法對(duì)樣本數(shù)量的要求，驗(yàn)證Mann-Kendall檢驗(yàn)中起初的交點(diǎn)不確定性太大，不應(yīng)計(jì)入可靠的突變點(diǎn)，因此可以認(rèn)為2010—2019年間福建上空大氣可降水量未出現(xiàn)明顯突變。

圖7 2010—2019年福建上空GPS/PWV的Mann-Kendall突變檢測(cè)(a)及滑動(dòng)t檢驗(yàn)(b)

4 結(jié)論與討論

(1)福建省東部沿海地區(qū)的水汽資源普遍高于內(nèi)陸山區(qū)。夏季水汽資源最高，其次為春秋季，冬季最低；水汽資源的月際分布呈倒“U”型變化。晴天大氣可降水量、水汽壓總體偏低，與氣溫日變化相關(guān)；雨日大氣可降水量、水汽壓都明顯偏高，大氣可降水量峰值出現(xiàn)在降雨前或降雨時(shí)，呈現(xiàn)雙峰型特征。

(2)EOF分析表明近10 a福建上空水汽資源主要有2種空間型，其變化趨勢(shì)主要表現(xiàn)為全區(qū)一致性和東西反位相分布，第一模態(tài)空間型大氣可降水量振蕩強(qiáng)度由西北、西南向東部逐漸增強(qiáng)，相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)表征了大氣可降水量的顯著季節(jié)性變化特征。

(3)Mann-Kendall突變檢測(cè)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果表明近10 a福建上空水汽資源未發(fā)生突變。

福建省年降水量分布與水汽分布存在顯著差異，水汽含量高的東部沿海地區(qū)實(shí)際降水量比內(nèi)陸山區(qū)明顯偏少，降水量大小主要受地形和天氣系統(tǒng)等因素影響，如何有效提高福建東部沿海地區(qū)的水汽資源的降水轉(zhuǎn)化率、減少氣象干旱發(fā)生頻率今后值得做進(jìn)一步研究。