一次臺(tái)風(fēng)外圍云系降水過程的云水資源評(píng)估及特征分析

羅 雄，王 謹(jǐn)，張小娟，崔 蕾，李枚曼

（1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；3.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽 550081）

貴州省地處我國西南部，屬于典型的巖溶地區(qū)，其境內(nèi)地勢西高東低，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雖然大部分地區(qū)雨量充沛，但時(shí)空分布不均且大部分降水都轉(zhuǎn)化為地下水，水資源利用難度較大，同時(shí)貴州省具有復(fù)雜的喀斯特地貌，這使得貴州省成為我國的干旱高發(fā)區(qū)[1]。由于貴州省以層積混合云降水居多，因此，通過開展云水資源特征研究，了解降水云系有多少水量及其時(shí)空變化特征，進(jìn)而科學(xué)利用人工增雨技術(shù)提高空中云水資源的轉(zhuǎn)化效率、補(bǔ)充生態(tài)用水，是遏制土地石漠化、河流干枯、濕地破壞、生態(tài)退化，保障生態(tài)環(huán)境建設(shè)、生態(tài)安全的迫切需求。

空中云水資源是指存在于云中，通過一定技術(shù)能被人類利用的水物質(zhì)[2]，貴州地處烏江源地及珠江上游，在孟加拉灣和南海的水汽輸送帶上，空中水資源充沛[3]。過去對(duì)大氣水循環(huán)和空中水資源的研究，都集中在對(duì)水汽的輸送和收支與降水的關(guān)系，對(duì)空中水凝物資源狀況研究較少。需要指出的是，水汽資源不能直接被開發(fā)利用，其抬升凝結(jié)的產(chǎn)物——云水才是可利用的資源，云水作為大氣水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)、云-輻射相變和水相變的主角，云水凝結(jié)以后到形成降水這一階段是最有可能被利用來改變自然降水分布的[2]。近年來，甘肅、青海、廣西、黑龍江和江蘇等省份先后開展了空中云水資源評(píng)估及增雨潛力的研究，并取得了一定成果[4-14]；對(duì)于貴州省空中云水資源的研究，彭宇翔等[15]利用各地區(qū)云水資源人工增雨開發(fā)潛力評(píng)估方案中的CWR-PEP 評(píng)估方法計(jì)算得出2013 年3-9 月貴州省人工增雨量累計(jì)增加32 億m3。

由于資料時(shí)空分辨率的局限性，對(duì)于省區(qū)云水資源評(píng)估，已有的研究大多是針對(duì)長時(shí)間序列的樣本進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于降水個(gè)例的評(píng)估并不多見。因此，本文根據(jù)中國氣象局人工影響天氣中心下發(fā)的《云水資源評(píng)估技術(shù)指南（2016 版）》，利用ERA5 高分辨率再分析資料和衛(wèi)星觀測資料，對(duì)貴州省夏季1 次臺(tái)風(fēng)外圍云系降水過程的降水場和三維云水場進(jìn)行監(jiān)測及云水資源計(jì)算，分析降水云系的云水資源特征及降水效率，以期為合理開發(fā)利用貴州省的空中云水資源，科學(xué)開展人工增雨作業(yè)提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所選用的資料包括（時(shí)間均采用北京時(shí)）：（1）ERA5（Fifth generation ECMWF Re-Analysis data）高分辨率再分析資料（https：//cds.climate.copernicus.eu/），其時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向上共37 層（1 000～1 hPa）；（2）由國家衛(wèi)星氣象中心提供的水平分辨率為0.1°×0.1°的FY-2F 氣象衛(wèi)星反演得到的1 小時(shí)間隔的黑體亮溫（Temperature of Brightness Blackbody，TBB），簡稱TBB 資料（http：//data.cma.cn）；（3）中國自動(dòng)氣象站與CMORPH（Climate Prediction Center Morphing Technique）融合的水平分辨率為0.1°×0.1°逐時(shí)降水資料（http：//data.cma.cn）。

1.2 方法

1.2.1 云水資源評(píng)估理論方法

本文采用中國氣象局人工影響天氣中心所建立的云水資源監(jiān)測評(píng)估方法（Cloud water resource-monitoring and evaluation method，簡稱CWR-MEM）。該方法以大氣水物質(zhì)變化方程為基礎(chǔ)，對(duì)于一定時(shí)段，一定區(qū)域，綜合考慮大氣水物質(zhì)的變化，包括水汽和水凝物的瞬時(shí)變化和平流輸送，水汽垂直方向的抬升、凝結(jié)成云，降水粒子落出及地面蒸發(fā)等過程，提出包括大氣水物質(zhì)收支平衡方程，及云水資源總量及其各種特征量的物理概念和計(jì)算方法，本文評(píng)估區(qū)域?yàn)?4.5°-29.5°N，103.5°-109.5°E，包含貴州省全境。圖1 為水物質(zhì)變化過程，對(duì)于任意時(shí)段和區(qū)域，水物質(zhì)的變化包括水汽和水凝物的瞬時(shí)變化和平流輸送、水汽垂直方向的抬升凝結(jié)/凝華成云、云內(nèi)粒子蒸發(fā)/升華為水汽、降水粒子的下落和地表蒸發(fā)等物理過程[16]。

圖1 一定時(shí)段和區(qū)域的云水資源評(píng)估示意圖（來源于《云水資源評(píng)估技術(shù)指南（2016 版）》）

1.2.2 相關(guān)概念

水汽（Atmospheric Water Vapor，簡稱Qv）：指氣態(tài)的水物質(zhì)。

水凝物（Atmospheric Hydrometeors，簡稱Qh）：指大氣中液態(tài)和固態(tài)水物質(zhì)。按粒子大小可分為云粒子（Qc）和存在于空中的液態(tài)和固態(tài)的降水粒子（Qp）。

降水（Precipitation，簡稱R）：指降落到地面的液態(tài)和固態(tài)水物質(zhì)。降水是人類可用水資源的主要來源，它形成江河徑流，補(bǔ)充湖泊、冰川、雪蓋和地下水、土壤水等。

空中水物質(zhì)（Atmospheric Material，簡稱Qm）：指存在于空中的水汽和水凝物。

云水資源（Cloud Water Resource，簡稱CWR）：指存在于空中，通過一定技術(shù)手段可以開發(fā)利用的水凝物。

2 個(gè)例概況與ERA5 資料適用性檢驗(yàn)

2.1 個(gè)例概況

本文選取的臺(tái)風(fēng)外圍云系降水個(gè)例為2019 年8月26 日07 時(shí)-27 日12 時(shí)的一次降水過程（降水時(shí)段共30 h）。此次過程主要受2019 年第11 號(hào)臺(tái)風(fēng)“白鹿”登陸后減弱的熱帶低壓影響，在中低層貴州省主要受熱帶低壓西側(cè)的東北氣流控制。受熱低壓外圍云系影響，雨帶主要分布在貴州省東南部，最大累計(jì)雨量在25 mm 以上，如圖2 所示。

圖2 2019 年8 月26 日07 時(shí)-27 日12 時(shí)COMRPH 融合降水量（單位：mm）

2.2 ERA5 資料適用性檢驗(yàn)

資料的適用性往往影響評(píng)估結(jié)果，所以本節(jié)對(duì)計(jì)算云水資源主要用到的ERA5 再分析資料中的降水量（tp）與云水場（云水（clwc）+云冰（ciwc）+云里的雨滴（crwc）+云里的雪（cswc））分別與COMRPH 融合降水資料和風(fēng)云2F 衛(wèi)星TBB 資料進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)ERA5 再分析資料降水量和水凝物參量的適用性。

利用ERA5 再分析資料和CMORPH 融合降水資料計(jì)算評(píng)估區(qū)域內(nèi)此次降水過程的逐小時(shí)的區(qū)域平均降水量，繪制時(shí)間變化曲線，如圖3 所示；需要說明的是，圖中橫軸的時(shí)刻“1-30”對(duì)應(yīng)著降水個(gè)例的起止時(shí)刻。從降水量的大小來看，ERA5 資料要大于CMORPH融合資料，降水量最大差值為0.39 mm，平均差值為0.19 mm，數(shù)值上差異不大；從變化趨勢來看，CMORPH 融合降水量隨時(shí)間呈多波動(dòng)變化，整體呈增長的趨勢，ERA5 資料降水量的變化趨勢與其基本一致。雖然相對(duì)于CMORPH 融合降水資料，ERA5 資料的降水量在數(shù)值上偏大，但是降水演變趨勢基本一致，說明ERA5 資料能夠反映整個(gè)過程的降水特征，因此將ERA5 資料的降水量用于計(jì)算云水資源是可行的。

圖3 ERA5 再分析資料與CMORPH 融合資料逐小時(shí)區(qū)域平均降水量變化曲線

將任意時(shí)次評(píng)估區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)的水凝物（Qh）進(jìn)行垂直積分，得到該時(shí)刻的云水場空間分布，其在一定程度上能夠反映降水云系的演變特征，可與衛(wèi)星TBB 觀測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。需要說明的是，在做對(duì)比分析時(shí)為了能夠涵蓋降水過程的整個(gè)過程，分別選取了降水過程不同階段的云水場和TBB 的空間分布，如圖4所示。由圖4a 可知，在2014 年8 月26 日10 時(shí)，降水云系主要在貴州東部，TBB 值為-20℃左右，西部為晴空區(qū)，結(jié)合云水場（圖4d）可知貴州省東部為水凝物的聚集區(qū)，分布形態(tài)與TBB 基本一致，呈帶狀分布；8 月26 日20 時(shí)（圖4b），位于貴州省東南部的云系發(fā)展增強(qiáng)，TBB 值降低，雖然對(duì)應(yīng)的水凝物場（圖4e）空間分布范圍小于TBB 的分布，卻較好地反映出了位于研究區(qū)域東南角的大值中心；在8 月27 日11 時(shí)，結(jié)合圖4c 和圖4f 可知，水凝物場的形態(tài)分布與云場基本吻合，云系主要分布在貴州省西南部。綜上所述，ERA5資料的降水量和云水場能夠反映整個(gè)過程的降水和云場演變特征，可將其用于云水資源的計(jì)算。

圖4 降水過程典型時(shí)刻ERA5 再分析資料云水場（下）與風(fēng)云2F 衛(wèi)星資料云場（上）空間分布（其中云水場參量Qh 單位為10-3 g/kg，云場參量TBB 單位為℃）

3 云水資源評(píng)估分析

3.1 水汽、水凝物和降水的時(shí)空演變特征

根據(jù)水汽和水凝物瞬時(shí)值計(jì)算方法，本次過程的水汽和水凝物的瞬時(shí)存量及相對(duì)應(yīng)的一小時(shí)降水量如圖5 所示。由水汽的演變可見，此次降水過程貴州省境內(nèi)柱水汽含量都在40 kg/m2以上（轉(zhuǎn)換為最大可降水量，約80 mm），水汽主要呈帶狀分布，并且自東向西移動(dòng)，水汽大值帶在移動(dòng)過程中逐漸擴(kuò)展，在貴州省的中東部水汽較為充沛，柱水汽總量最大可達(dá)70 kg/m2。水凝物大值區(qū)與水汽充沛區(qū)的總體分布及演變趨勢較為一致，但是水凝物的大值區(qū)范圍較小，與水汽的大值區(qū)存在一定差異；隨著系統(tǒng)的移動(dòng)，云水場也逐漸西移加強(qiáng)，在27 日07 時(shí)最大柱水凝物含量可達(dá)4 kg/m2。對(duì)比地面降水場的演變可知，降水帶自東向西南方向擴(kuò)展，主要分布在貴州省東部和南部云水充沛的區(qū)域，各時(shí)次降水量級(jí)基本一致，為典型的臺(tái)風(fēng)外圍云系的層狀云降水特征；地面降水場的分布與水凝物場對(duì)應(yīng)更好。

圖5 水汽（左）、水凝物（中）和降水（右）的空間分布

為了進(jìn)一步研究水汽、水凝物和地面降水的聯(lián)系及變化特征，先將研究區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)的水汽和水凝物進(jìn)行垂直積分，然后再計(jì)算逐小時(shí)的區(qū)域平均值，繪制水汽、水凝物和地面降水量時(shí)間變化曲線，如圖6 所示。由圖可知，本次降水過程水汽含量基本上隨時(shí)間呈緩慢增長的趨勢，說明有來自邊界外的水汽不斷進(jìn)行補(bǔ)充；水凝物隨時(shí)間呈多波動(dòng)變化，整體為增加趨勢，峰值出現(xiàn)在27 日05 時(shí)，水凝物含量為1.5 g/kg，水汽的值比水凝物大2～3 個(gè)量級(jí)；結(jié)合降水量可知，降水量與水凝物的變化趨勢基本一致，說明降水與水凝物的對(duì)應(yīng)關(guān)系比水汽更好，水凝物的變化對(duì)于降水具有指示意義。

圖6 2019 年8 月26 日07 時(shí)-27 日12 時(shí)，水汽、水凝物和降水量區(qū)域平均值逐小時(shí)變化

結(jié)合三維水汽場診斷方法和水物質(zhì)守恒方程與平衡方程，可計(jì)算此次降水過程中研究區(qū)域內(nèi)各水物質(zhì)瞬時(shí)值和平流輸送量隨時(shí)間的演變，結(jié)果如圖7 所示。由圖7a 可見，在此次降水過程中瞬時(shí)水汽存量變化較大，整體呈現(xiàn)增加的趨勢，特別是在26 日07 時(shí)-27 日04 時(shí)這一階段，水汽瞬時(shí)存量迅速增加至2.38×1013kg；水汽的輸入和輸出變化趨勢比較平穩(wěn)，說明水汽的輸入和輸出比較均勻，但水汽的輸入量大于輸出量，即水汽的凈輸入增加，水汽總量增加。水凝物的變化（圖7 b）與水汽的變化略有差異，水凝物的瞬時(shí)存量呈多波動(dòng)變化趨勢，整體先增加后減小然后再增加，峰值出現(xiàn)在27 日05 時(shí)，最大存量約為2.1×1011kg，比水汽的存量小2 個(gè)量級(jí)，在27 日05-07 時(shí)水凝物存量開始減??；此外，整個(gè)降水過程水凝物的輸入量總是大于輸出量，并且輸入量比較平穩(wěn)，云水總體表現(xiàn)為平流輸入。

圖7 2019 年8 月26 日07 時(shí)-27 日12 時(shí)，水汽和水凝物的瞬時(shí)值和平流輸送變化

3.2 云水資源評(píng)估結(jié)果

表1 給出了此次降水過程的各水物質(zhì)量。由表可知，此次過程地面降水51.55 億噸，水汽和水凝物的輸入大于輸出，總體表現(xiàn)為凈輸入，并且水汽的瞬時(shí)值和平流輸送總是大于水凝物2 個(gè)量級(jí)。

表1 2019 年8 月26 日07 時(shí)-27 日12 時(shí)各水物質(zhì)量（單位：1011 kg=億噸）

表2 給出了此次降水過程的云水資源特征參量評(píng)估結(jié)果。由表可知，此次降水過程水凝物總量（云水資源總量）為108.84 億噸，水汽總量為4 720.06 億噸，云水資源總量遠(yuǎn)小于水汽總量，但水凝物的時(shí)空變化快，更新周期短（為0.7 小時(shí)），而水汽時(shí)空變化相對(duì)較慢，更新周期相對(duì)較長（為5.29 天），總水物質(zhì)降水效率為1.07%，水汽降水效率為1.09%，水凝物降水效率為47.37%，可以看出水凝物的降水效率明顯高于水汽降水效率，此次降水過程空中留存的云水總量為57.29億噸，說明空中水凝物未完全轉(zhuǎn)化為降水，具備一定的增雨開發(fā)潛力。

表2 層積混合云降水過程空中云水資源計(jì)算評(píng)估結(jié)果

4 結(jié)論

本文根據(jù)中國氣象局人工影響天氣中心下發(fā)的《云水資源評(píng)估技術(shù)指南（2016 版）》，利用ERA5 高分辨率再分析資料和衛(wèi)星觀測資料，對(duì)貴州省夏季1 次臺(tái)風(fēng)外圍云系降水過程的云水資源進(jìn)行計(jì)算，并分析了其云水特征及降水效率。得到以下結(jié)論：

（1）通過地面降水場與水汽場和水凝物場的時(shí)空演變特征分析可知，水汽含量一般比水凝物大1～2 個(gè)量級(jí)，但是地面降水場水凝物場對(duì)應(yīng)關(guān)系比水汽場更好，水凝物的變化對(duì)于降水具有指示意義。

（2）此次過程地面降水51.55 億噸，凈凝結(jié)量為47.91 億噸，水汽和水凝物的輸入大于輸出，總水物質(zhì)為凈輸入。

（3）云水資源總量遠(yuǎn)小于水汽總量，但相較于水汽，水凝物的更新周期短，時(shí)空變化快；水凝物降水效為47.37%，明顯高于水汽降水效率，空中留存的云水總量為57.29 億噸，具備一定的增雨開發(fā)潛力。