張正國(guó) 簡(jiǎn)悅 李宇中 詹瑩玉

(1 廣西壯族自治區(qū)人工影響天氣辦公室，南寧 530022; 2 三維時(shí)空軟件股份有限公司，福州 350100; 3 廣西壯族自治區(qū)氣象局，南寧 530022)

引言

在全球氣候變暖的背景下，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，人口增加和生態(tài)環(huán)境惡化等因素導(dǎo)致水資源短缺問題日益凸顯，因此提高人工影響天氣業(yè)務(wù)能力和服務(wù)效益，提升云水資源開發(fā)利用能力，緩解水資源供需矛盾已列入我國(guó)戰(zhàn)略部署[1]?？茖W(xué)評(píng)估分析區(qū)域內(nèi)空中云水資源及其分布演變特征，對(duì)本地人工影響天氣工作的規(guī)劃布局，合理開發(fā)空中水資源具有十分重要的戰(zhàn)略意義。廣義上的空中水資源包括大氣中的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)形式的水。人工增雨(雪)的基本科學(xué)原理和技術(shù)方法主要是利用云降水微物理的敏感性，通過向特定目標(biāo)云中引入催化劑，影響云降水的微物理過程以及間接影響云動(dòng)力熱力過程，實(shí)現(xiàn)提高云水向降水轉(zhuǎn)化效率，達(dá)到增加降水總量的目的[2-3]。因此從科學(xué)開發(fā)空中水資源的角度，就人工增加降水而言，并不具備可開發(fā)利用水汽的技術(shù)，大氣運(yùn)動(dòng)形成的以液態(tài)和固態(tài)粒子形式存在的云水才是重點(diǎn)關(guān)注的研究對(duì)象，即云水資源。

近年來隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和人工影響天氣需求日益凸顯，針對(duì)云水資源的研究成為熱點(diǎn)。李興宇等[4]利用國(guó)際衛(wèi)星云氣候?qū)W計(jì)劃( ISCCP) 的云水路徑資料，分析中國(guó)地區(qū)1984—2004年空中云水資源時(shí)空分布特征，結(jié)果表明中國(guó)云水資源總體呈增加趨勢(shì)，區(qū)域差異和季節(jié)變化明顯。楊大生等[5]利用CloudSat衛(wèi)星資料對(duì)中國(guó)夏季云水含量的垂直和區(qū)域變化特征進(jìn)行分析，研究認(rèn)為其分布受青藏高原地形影響明顯，造成在中部緯度(27°～35°N之間)4～7 km高度的月平均云液水含量明顯比南部及北部緯度地區(qū)高。蔡淼[6]通過CloudSat衛(wèi)星資料對(duì)云場(chǎng)三維空間診斷，然后結(jié)合再分析資料實(shí)現(xiàn)時(shí)間上連續(xù)評(píng)估，由此評(píng)估2011年我國(guó)水汽資源總量約為27×1012t，云水資源總量約為8.48×1012t，云水降水效率約為77.6%，水汽凝結(jié)和云水降水效率季節(jié)變化明顯。劉菊菊等[7]利用ERA-Interim再分析資料分析近40年我國(guó)云水量分布發(fā)現(xiàn)，年均云水量大值區(qū)主要位于四川東部—湖南一帶850～500 hPa間，低值區(qū)則位于西北地區(qū)西部。陳勇航等[8]，潘留杰等[9]，王雯璟等[10]分別用ISCCP資料、ECMWF再分析資料和兩者相結(jié)合的方法，對(duì)我國(guó)西北空中云水資源時(shí)空分布特征做較為細(xì)致分析。林丹等[11-14]分別用NCEP的CFSR數(shù)據(jù)和NASA“云與地球輻射能量系統(tǒng)”(CERES)的L3級(jí)云資料對(duì)我國(guó)西南地區(qū)總云水含量、不同類型的云水含量和云粒子有效半徑等時(shí)空分布特征進(jìn)行研究分析。

研究表明，受地理和氣候條件影響，云水資源區(qū)域分布差異巨大，本文選擇使用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)布的ERA5再分析資料，結(jié)合廣西氣象觀測(cè)站實(shí)測(cè)降水量數(shù)據(jù)，對(duì)廣西區(qū)域云水資源進(jìn)行評(píng)估研究并分析其分布特征，為當(dāng)?shù)乜茖W(xué)開發(fā)空中水資源提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

ERA5是歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)布的第5代全球大氣再分析資料，使用其綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(IFS)CY41R2模式4D-Var數(shù)據(jù)同化產(chǎn)生，水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直分辨率從1000～1 hPa共37層，時(shí)間分辨率為1 h，可為云水資源評(píng)估的研究提供所需的長(zhǎng)時(shí)間，均一化且高時(shí)空分辨率云水量數(shù)據(jù)。ERA5與過去研究中[7,10]使用的上一代ERA-Interim再分析資料相比，在2個(gè)方面有比較明顯的改進(jìn):①使用4D-Var數(shù)據(jù)同化方法使數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率能夠達(dá)到1 h，這樣能夠提供特定天氣事件更詳細(xì)的演變過程，尤其是針對(duì)生消發(fā)展較快的云和降水過程[15]。②采用了更詳細(xì)的云和降水參數(shù)化方案(圖1)，由原來云水(cloud water/ice)和云量分?jǐn)?shù)(cloud fraction)2個(gè)預(yù)報(bào)量改進(jìn)為云液水(cloud water)、云冰(cloud ice)、雨水(rain)、雪(snow)和云量分?jǐn)?shù)等5個(gè)預(yù)報(bào)量，能在物理上更真實(shí)地反映云和降水的主要生成和消亡過程，包括積云對(duì)流、凝結(jié)、凝華、蒸發(fā)、碰并、融化和凍結(jié)等機(jī)制形成的云[16]。

圖1 ECMW綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(IFS)新一代云物理方案

根據(jù)方案其格點(diǎn)平均云液水(ql)的時(shí)間變化方程是：

(1)

地面降水資料使用國(guó)家氣象臺(tái)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)質(zhì)控的區(qū)域自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，采用克里金(Kriging)算法[17]進(jìn)行對(duì)應(yīng)的格點(diǎn)化。

1.2 評(píng)估方法

評(píng)估方法以中國(guó)氣象局人工影響天氣中心發(fā)布的云水資源監(jiān)測(cè)評(píng)估方法(CWR-MEM方案)[18]為主體框架，使用ERA5資料大氣中的云液水、云冰、雨和雪4個(gè)量之和作為云水資源量(簡(jiǎn)稱云水)，替代原方案中使用CloudSat云觀測(cè)資料診斷云區(qū)和云含水量典型值的方法。并對(duì)云內(nèi)凝結(jié)和蒸發(fā)的計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，由原來的單位時(shí)間格點(diǎn)柱凝結(jié)量(蒸發(fā)量)改進(jìn)為分層積分，分別統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間格點(diǎn)的凝結(jié)量和蒸發(fā)量，經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證，可有效改善由于垂直各層間凝結(jié)蒸發(fā)相互抵消導(dǎo)致的低估。

本文主要物理量的定義和計(jì)算方法如下：

(1)水汽總量：評(píng)估時(shí)段T內(nèi)，區(qū)域內(nèi)參與大氣水循環(huán)過程的所有水汽的收入量。

水汽總量=水汽初值+側(cè)邊界水汽輸入+地面蒸發(fā)+蒸發(fā)

(2)

(2)云水總量：評(píng)估時(shí)段T內(nèi)，區(qū)域內(nèi)參與大氣水循環(huán)過程的所有水凝物的收入量。

云水總量=水凝物初值+側(cè)邊界水凝物輸入+凝結(jié)

(3)

(3)降水總量：評(píng)估時(shí)段T內(nèi)，區(qū)域的各格點(diǎn)平均降水量乘以格點(diǎn)面積之和。

(4)留存云水總量：評(píng)估時(shí)段T內(nèi)，區(qū)域內(nèi)云水總量中沒有形成地面降水的部分，即有可能通過人工增雨技術(shù)手段開發(fā)的云水資源。

留存云水總量 =云水總量-降水總量

(4)

空中水資源總量=水汽總量+云水總量

(5)

2 廣西云水資源評(píng)估結(jié)果

2.1 空中水資源總體情況

廣西2009—2018年近10年的空中水資源及其轉(zhuǎn)化效率見表1和表2。總體來看，廣西多年平均年空中水資源總量約為101566.1×108t，其中水汽約為96458.3×108t，占95%，液態(tài)或固態(tài)的云水資源約5107.8×108t，僅占5%，其中約有3685.6×108t(換算為區(qū)域平均降水量約為1570.3 mm)形成降水落至地面，云水-降水自然轉(zhuǎn)化率約為72.2%，根據(jù)式(4)計(jì)算，廣西平均年空中留存云水資源約為1422.2×108t。

表1 2009—2018年廣西年均空中水資源量 108 t

表2 2009—2018年廣西年均水資源轉(zhuǎn)化效率

從收支情況來看，廣西上空水汽絕大部分以水平輸送方式通過，占廣西水汽總量95.5%以上，區(qū)域內(nèi)生消交換，如凝結(jié)成云水或地表蒸發(fā)等量占比極低。云水則以區(qū)域內(nèi)生消為主，區(qū)域內(nèi)大氣運(yùn)動(dòng)凝結(jié)(凝華)生成的云水量約占總量的83.2%，水平輸送量占比較小。從側(cè)邊界收支情況來看，廣西為云水資源凈流出區(qū)，年均約向區(qū)域外凈輸出197.1×108t云水資源。

通過和文獻(xiàn)[18]中對(duì)全國(guó)6個(gè)區(qū)域(其中廣西歸為西南區(qū)域)的評(píng)估結(jié)果(具體數(shù)值略)比較可以看出，廣西在單位面積云水、降水、留存云水和云水轉(zhuǎn)化為降水效率等特征量上和同為南部沿海地區(qū)的東南區(qū)域最相近，而和位于內(nèi)陸地區(qū)的西南區(qū)域則相差較大。

為進(jìn)一步分析廣西云水資源側(cè)邊界收支情況，分別按季節(jié)和東南西北4個(gè)側(cè)邊界統(tǒng)計(jì)云水收支情況(表3)?？梢钥吹剑瑥V西云水資源在南邊界和西邊界為凈流入，北邊界和東邊界為凈流出，與廣西水汽水平輸送特征一致[19]，南邊界凈流入的云水主要來源于南海上空低層云系形成后南風(fēng)輸送進(jìn)入我區(qū)，西邊界的則主要來源孟加拉灣-中南半島北部一帶上空云系發(fā)展后隨中層西風(fēng)帶進(jìn)入我區(qū)。從季節(jié)變化來看，冬春季水平輸送量較大，夏秋季水平輸送量則較小，結(jié)果與蔡淼[6]分析全國(guó)的云水水平輸送季節(jié)變化特征基本一致，其主要原因是夏季主要以生命史較短區(qū)域內(nèi)生消的積云為主，邊界水平輸送較少，冬春季以生命史較長(zhǎng)的大范圍層狀云為主，云水的水平輸送量則明顯增多。

表3 2009—2018年廣西年均邊界收支情況 108t

圖2給出了多年平均廣西云水資源及其轉(zhuǎn)化率逐月變化情況，其中降水、云水、水汽向云水轉(zhuǎn)化率和云水向降水轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)基本一致，為單峰型變化，在6月達(dá)到峰值，隨后逐步減少至2月達(dá)最低再逐步增加。留存云水占比率月變化則正好與之相反，2月最高，8月最低，月留存云水基本維持在100×108t左右，最高出現(xiàn)在3月為154.6×108t，10月最低為82.3×108t，無明顯季節(jié)變化規(guī)律。由此可以看出，云水的月變化主要是由其中降水的變化造成，以對(duì)流性降水為主的夏季云水向降水轉(zhuǎn)化率顯著較高于其他季節(jié)，秋、冬和春季的云水向降水轉(zhuǎn)化率偏低，因此具有較高的人工開發(fā)潛力，可通過人工增雨催化技術(shù)提高云水向降水轉(zhuǎn)化率實(shí)現(xiàn)增加降水。

圖2 2009—2018年平均廣西云水資源總量年變化

2.2 云水資源空間分布特征

2.2.1 云水資源水平分布特征

分別對(duì)多年廣西整層水汽、云水的瞬時(shí)值和年降水量進(jìn)行數(shù)值平均，得到圖3多年平均廣西空中水資源分布情況，其中水汽和云水分布規(guī)律基本均為緯向分布，水汽為隨緯度變高而減少，云水則正好相反，隨緯度變高而增多，大值區(qū)位于廣西中北部，達(dá)0.4 kg/m2，低值區(qū)則位于南部沿海，說明北部地區(qū)水汽向云水轉(zhuǎn)化效率要顯著高于南部。結(jié)合平均年降水量分布來看，云水與降水的分布差異較大，說明不同區(qū)域云水向降水轉(zhuǎn)化效率差異大，特別是南部沿海地區(qū)，為廣西降水量最大的區(qū)域，卻是云水的低值區(qū)，說明南部沿海地區(qū)云水向降水轉(zhuǎn)化效率顯著高于其他地區(qū)，其降水機(jī)制與其他地區(qū)有較大不同，值得進(jìn)一步進(jìn)行研究。

圖3 廣西2009—2018年空中水資源平均分布:(a)整層水汽,(b)整層云水,(c)年降水量

結(jié)合圖4給出的廣西多年四季平均(春3—5月，夏6—8月，秋9—11月，冬12月至次年2月，下同)云水瞬時(shí)值分布情況來看，冬、春季分布特征相似，呈東北部高，南部和西北低，其中春季最高可達(dá)0.48 kg/m2；夏季整體較高且分布較均勻，大部分在0.3 kg/m2以上，最大值位于中北部約0.42 kg/m2，低值區(qū)位于東部；秋季整體最低，大部在0.18～0.3 kg/m2，呈北部高東南低的分布特征。

圖4 廣西2009—2018年云水瞬時(shí)值四季平均分布

2.2.2 云水資源垂直分布特征

為了解云水資源在垂直方向上的分布情況，分別沿經(jīng)向和緯向做垂直剖面，然后沿緯向和經(jīng)向?qū)V西區(qū)域格點(diǎn)進(jìn)行空間平均，得到圖5云水瞬時(shí)值多年平均的經(jīng)向和緯向的垂直分布情況。從其2個(gè)方向垂直分布來看，廣西云水垂直分布的大值區(qū)主要出現(xiàn)在低層925～600 hPa之間，在0 ℃層以下，主要為液相水滴組成的暖云，其最大值可達(dá)0.09～0.1 g/kg，分別位于北部和西部，在600～400 hPa的中層還有一個(gè)云水次高的區(qū)域，約在0.04 g/kg，其溫度在-15～0 ℃之間，說明其主要為液相過冷液水滴和冰相粒子組成的混合態(tài)冷云云水。

圖5 廣西2009—2018年云水瞬時(shí)值年均緯向(a)和經(jīng)向(b)垂直分布

廣西云水水平分布主要呈北高南低的緯向分布，為進(jìn)一步了解不同季節(jié)廣西云水垂直分布情況，圖6為沿經(jīng)向垂直剖面的緯向格點(diǎn)平均四季云水的垂直分布情況?？梢钥吹剑?、冬和春季分布較為相似，云水主要分布在600 hPa以下的低層，約在0.06～0.1 g/kg，呈北高向南低的分布特征，600 hPa以上中高層云水量極低，基本在0.045 g/kg以下，尤其在冬季幾乎近于零。夏季的云水垂直分布特征則完全不同，云水則主要分布在中層600～400 hPa(溫度在-15～-5 ℃)，南部能延伸至200 hPa(約-50 ℃)，約在0.045～0.07 g/kg，而低層的云水值和范圍明顯減少。

圖6 廣西2009—2018年云水瞬時(shí)值緯向四季平均垂直分布

2.3 不同類型降水過程評(píng)估結(jié)果對(duì)比

由上述分析可以看到，廣西不同季節(jié)的云水資源變化特點(diǎn)和分布特征差異顯著，為進(jìn)一步研究不同天氣背景下，不同類型降水云系的云水資源特點(diǎn)，分別選取了2017年冬季1月16—21日(北京時(shí)，下同)層狀云降水和夏季6月28日至7月3日對(duì)流云降水,2次均為持續(xù)5 d(120 h)的廣西典型降水天氣過程進(jìn)行云水資源評(píng)估對(duì)比分析。

2017年1月16—21日，廣西受850 hPa偏南氣流和地面弱冷空氣交替影響，低層鋒區(qū)持續(xù)在廣西上空維持，是廣西冬季典型的低層層狀云降水過程。由1月17日08:00的云水空間分布情況(圖7a)可知，層積云覆蓋整個(gè)廣西，水平分布大值區(qū)位于廣西東部和南部，最大達(dá)1.7 kg/m2，低值區(qū)0.3 kg/m2在西北部，垂直分布云水主要分布在925～700 hPa之間，以暖云為主，在26°N以北，0 ℃層下降至850 hPa,有部分冷云，在600 hPa以上區(qū)域基本無云水。6月28日至7月3日廣西受500 hPa高原槽前和副高西側(cè)偏南氣流及850 hPa西南急流共同影響，是廣西夏季常見的大范圍對(duì)流降水天氣形勢(shì)。由7月2日08:00的云水空間分布情況(圖7b)可以看到，對(duì)流云系主要位于東部，東北部最大值可達(dá)2 kg/m2，西部則幾乎無云水，從垂直分布上可以更清楚的看到與層狀云云水的分布差異，其云水分布主要位于600～200 hPa(溫度-40～5 ℃)，600 hPa以下低層的云水則較少。

圖7 冬夏2次過程不同類型云的云水整層含量及緯向平均空間分布

對(duì)這兩次廣西不同類型的典型降水天氣過程進(jìn)行云水資源評(píng)估分析(表4)。對(duì)比可見兩個(gè)典型過程的云水資源變化特征主要存在以下幾個(gè)方面的差異：①夏季過程的水汽量顯著高于冬季的，能為云水的形成提供更好的水汽條件。②夏季對(duì)流云過程水汽凝結(jié)成云水效率和總量顯著高于層狀云過程，導(dǎo)致2個(gè)過程的云水初值、終值基本一致，側(cè)邊界輸入、輸出相差不到1倍，但凝結(jié)、云水和降水等總量則相差1個(gè)量級(jí)。③對(duì)流云過程的云水向降水的轉(zhuǎn)化效率顯著高于層狀云過程，對(duì)流云過程的云水總量約是層狀云的7倍多，但其留存云水總量?jī)H相差不到1倍。

表4 層狀云與對(duì)流云云降水過程評(píng)估對(duì)比

綜上分析廣西云水資源變化和分布特征，廣西在秋、冬和春季，具有大量低層的暖性層狀云云水資源，其云底高度位于近地面的925 hPa附近(海拔高度0.5～1 km之間)，云頂高度在700～600 hPa之間(海拔高度約在3～4 km)，云水向降水轉(zhuǎn)化效率較低，可通過高山煙爐、火箭和飛機(jī)等作業(yè)工具在云底附近或云內(nèi)播撒吸濕性催化劑，促進(jìn)云內(nèi)碰并過程，提高云水向降水轉(zhuǎn)化效率來實(shí)現(xiàn)增加降水；夏季則為過冷液水滴和冰相粒子組成的混合態(tài)云水資源為主，其自然云水向降水轉(zhuǎn)化率較高，通過靜力催化提高降水效率的潛力不高，可著眼于積云動(dòng)力催化方法，通過對(duì)云體-10 ℃層附近的過冷卻云水區(qū)進(jìn)行大劑量催化，使其凍結(jié)并釋放大量潛熱，促進(jìn)積云發(fā)展云體增大、生命史延長(zhǎng)，來實(shí)現(xiàn)增加降水[2]。

3 結(jié)論與討論

利用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)布的第5代全球大氣再分析資料(ERA5)，結(jié)合中國(guó)氣象局人工影響天氣中心發(fā)布的CWR-MEM方案云水資源監(jiān)測(cè)評(píng)估方法，分析評(píng)估廣西區(qū)域2009—2018年云水資源及其分布特征。

(1)廣西年均云水資源總量約5107.8×108t，其中年均降水總量約3685.6×108t，年均空中留存云水總量約1422.2×108t，云水向降水轉(zhuǎn)化效率約為72.1%。云水以區(qū)域內(nèi)生成為主，年均約向區(qū)域外凈輸出197.1×108t云水資源。

(2)廣西云水資源存在明顯的季節(jié)變化特征，呈單峰分布，夏季6月最高，冬季2月最低，其主要為降水總量的月變化造成，空中留存云水則無明顯季節(jié)變化，月空中留存云水基本在維持在100×108t左右。

(3)廣西云水水平分布總體呈東北部高，向西和向南逐漸降低的分布特征，其中夏季和秋季為北部高，向東南逐步降低的分布特征，總體上云水與降水的分布差異較大，說明區(qū)域云水向降水轉(zhuǎn)化效率差異大。

(4)廣西秋、冬和春季云水垂直分布特征相似，均主要分布在低層925～600 hPa，呈北高南低分布特征，是以液相水滴構(gòu)成的暖性層狀云云水為主，夏季云水垂直分布特征不同，主要分布在中層600～400 hPa，是以過冷液水滴和冰相粒子構(gòu)成的混合態(tài)冷云云水為主，低層云水顯著減少。

致謝：北京大學(xué)毛節(jié)泰教授、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所肖輝研究員、中國(guó)氣象局人工影響天氣中心蔡淼高工等3位專家在云水資源評(píng)估方法方面給予指導(dǎo)，在此特別表示感謝！