2018, Vol. 37
2. 内蒙古自治区气候中心, 内蒙古 呼和浩特 010000;
3. 内蒙古自治区气象台, 内蒙古 呼和浩特 010000
水资源是维系地球生态环境可持续发展的首要条件, 在全球水循环过程中, 空中水资源不可能完全转化为实际降水, 但却具有极高的开发潜力。
20世纪80年代, 邹进上等(1983, 1984)便对中国的空中水资源空间分布及时间变化进行了研究。之后卢成孝等(1985)针对不同地区的空中水资源分布进行研究, 当时的研究基本针对于大气的水汽含量, 而对水汽输送、水汽通量散度、水平衡及水循环等方面的研究较少。
20世纪90年代以来, 随着我国积极参与国际水文计划IHP(International Hydrological Programme)、世界气候研究计划WCRP(World Climate Research Programme)、国际地圈生物圈计划IGBP(International Geosphere-Biosphere Programme)等全球科学合作计划的研究, 越来越多的气象学者对空中水资源进行了研究, 取得了重要成果。
大气可降水量的分布与大气环流、地形特征、大气湿度分布及水汽输送密切相关。我国处于东亚季风区, 大气可降水量的季节变化明显, 平均6月最高、10月最低(李兴宇等, 2008)。就变化趋势而言, 龚佃利等(2002)和卓嘎等(2013)的研究表明各地大气可降水量近年均呈减少趋势。然而针对云水含量的研究却表明中国大部地区近年云水含量则呈增加趋势, 且青藏高原东部、内蒙古东部以及西北地区东部增加趋势明显(李兴宇等, 2008)。
水汽输送及收支方面, 近年亚洲大陆东部的水汽净收支与经向收支呈减少趋势, 而纬向收支呈增加趋势(蒋贤玲等, 2015)。这一变化同样与季风影响有关, 夏季风水汽输送向北、向西扩展强度的减弱是导致水资源变化的重要原因(周长艳等, 2006), 而西风带水汽与东亚夏季风水汽是华北降水的主要水汽来源(张书萍等, 2014)。
针对水汽转化效率的研究, 目前大多气象学者都以某一时间段的降水量与同时段大气可降水量的比值作为参考依据(龚佃利等, 2002; 邵洋等, 2007; 卓嘎等, 2013), 然而降水量为时间积分量, 而大气可降水量则为瞬时的状态量, 两者的比值尽管在空间分布与时间变化上均能反映水汽转化的程度, 但却缺乏明确的物理意义。因此本文引入刘国维(1996)提出的水循环次数的概念, 以期更为真实地反映水汽转化效率。
内蒙古地区位于中国北部边疆内陆, 横跨东北、华北、西北三个地区。东北地区西部可利用降水资源严重匮乏, 且在已有水资源严重不足的情况下, 近年可利用降水仍呈减少趋势(安刚等, 2005)。华北地区可利用降水仅为降水量的31%, 近年由于贝加尔湖地区对流层低层增暖导致华北地区可利用降水量进一步减少(张书萍等, 2014)。2000年以来, 东亚季风减弱、蒙古高原增暖等因素导致华北地区处于持续缺水期(孙卫国等, 2009)。
目前, 国内有关空中水资源的研究已有不少, 但针对内蒙古地区大气可降水量及其转化效率、水汽输送与收支方面的研究仍不多见。内蒙古地区作为我国水汽输出的主要出口, 其上空的水汽分布、转化、输送不仅影响本地的降水过程, 还会影响华北、东北的旱涝分布, 甚至全国降水(陈金明等, 2016)。此外, 内蒙古地区大部属干旱半干旱气候区, 进一步了解其空中水资源的时空分布特征, 有利于全面了解开展人工增雨的气候背景和潜力。因此, 探究内蒙古地区空中水资源分布、变化趋势, 科学合理开发空中水资源, 对缓解水资源紧缺状况、改善生态环境具有重要的意义。
2 资料选取与方法介绍 2.1 资料选取采用1961-2015年NCEP/NCAR月平均再分析格点资料计算可降水量、水汽通量、水汽通量散度, 主要包括大气可降水量、纬向风、经向风、比湿、地面气压, 水平分辨率为2.5°×2. 5°, 垂直方向为1 000~300 hPa共8层。采用1961-2015年内蒙古自治区境内119个国家站的月降水量资料计算水循环次数, 并利用克里金插值法将数据处理为2.5°×2. 5°格点。文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)1267号的中国地图制作, 底图无修改。
2.2 方法介绍 2.2.1 可降水量任一单位截面积大气柱中所含的水汽质量称为该气柱的水汽含量(单位: g·cm-2)或可降水量(单位: mm), 其含义为如果气柱内的水汽全部凝结降落后, 在气柱底部所形成的水层深度, 即:
| $ W = \frac{1}{g}\int_0^{{p_0}} {q{\rm{d}}p, } $ | (1) |
式中: W为大气可降水量; q为比湿; g为重力加速度; p0为地面气压。
2.2.2 水循环次数为描述降水转化效率, 引入水循环次数的概念。水循环次数是指某时段内累计降水量与该时段大气平均可降水量的比值。例如, 某年水循环次数为该年降水量与该年大气平均可降水量的比值, 某月水循环次数为该月降水量与该月大气平均可降水量的比值, 以此类推。固定时间内, 水循环次数越高, 表明降水转化效率越高。水循环次数可用下式表示:
| $ R = \frac{p}{D}, $ | (2) |
式中: p为某时段的累计降水量; D为对应时段的大气平均可降水量。
2.2.3 水汽通量水汽输送通量是表示单位时间流经某一单位截面积的水汽质量, 简称水汽通量。水汽输送包括水平输送与垂直输送, 故水汽输送通量也分为水汽水平输送通量与水汽垂直输送通量两种。本文仅讨论水汽的水平输送, 所描述的水汽通量则为水汽水平输送通量的整层积分(单位: kg·m-1·s-1)。通过垂直于风向的底边为单位长度, 高为整层大气柱的面积上的总水汽通量F为:
| $ F = \frac{1}{g}\int_0^{{p_0}} {qV{\rm{d}}p.} $ | (3) |
水汽通量散度是指单位时间内流入或流出单位体积的水汽质量, 用以描述水汽的辐合辐散状况(单位: kg·hPa-1·m-2·s-1)。本文描述的水汽通量散度同样为整层水汽通量散度D (单位: kg·m-2·s-1), 可用下式表示:
| $ D = \frac{1}{g}\int_0^{{p_0}} {{\nabla _p}(qV){\rm{d}}p.} $ | (4) |
水汽通量、水汽通量散度分别表征水汽输送及水汽辐合, 前者与大气可降水量的多少密切相关, 后者则直接决定转化效率的高低。
由于内蒙古自治区地理范围较广, 东西横跨近30个纬距, 南北纵越约15个纬距, 因此在研究各量时间变化特征时, 主要依据气候区划对内蒙古自治区进行分区处理, 并将某区内所有格点或站点平均值作为该区的代表值(图 1):东部区为寒温带湿润区、中温带湿润区与半湿润区, 中部区大部为中温带半干旱区, 西部区则为中温带干旱区与极干旱区。计算水汽收支时, 将1, 3, 5, 7和9号线条作为南边界, 将11, 13和15号线条作为北边界, 将2, 12, 14和16号线条作为西边界, 将4, 6, 8和10号线条作为东边界。
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图 1 内蒙古自治区分区示意图 Figure 1 Sketch of region division in Inner Mongolia |
内蒙古地区四季平均大气可降水量均值为8~14 mm。夏季最高, 为16~32 mm, 赤峰市南部达30 mm, 通辽市东部则超过32 mm; 春、秋季次之, 为7~12 mm; 冬季最低, 大部地区均在4 mm以下(图 2)。
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图 2 1961-2015年内蒙古地区四季(a~d)平均大气可降水量空间分布(单位: mm) Figure 2 Spatial distributions of average atmospheric precipitable water in four seasons (a~d) in Inner Mongolia during 1961-2015. Unit: mm |
四季平均大气可降水量呈自南向北、自东向西递减分布, 且与地形关系甚为密切, 大兴安岭山脉及其以西地区出现两个低值中心、阴山山脉及其以北地区出现一个低值中心, 而大气可降水量的高梯度区则对应海拔的高梯度区, 即东北平原向大兴安岭山脉的过渡地带与河套平原向阴山山脉的过渡地带。
3.2 年际变化从1961-2015年大气可降水量年际变化(图 3)可以看出, 西部区年平均值为8. 93 mm, 中部区年平均值为10. 32 mm, 东部区年平均值为10. 82 mm, 就年平均值而言, 西部区略少, 但三区差异并不显著。1961-2015年, 西部、中部、东部三区大气可降水量年平均值均呈减少趋势, 其中中部区减少相对明显。
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图 3 1961-2015年内蒙古不同地区平均大气可降水量年际变化(左)、月际变化及其变率(右) Figure 3 Interannual variations (left) and inter-monthly variations with change rate (right) of average atmospheric precipitable water in different region of Inner Mongolia during 1961-2015 |
大气可降水量月际变化(图 3)西部、中部、东部三区均呈单峰分布, 最大值均出现在7月, 分别为18. 89, 23. 75和27. 5 mm, 最小值均出现在1月, 分别为3. 12, 2. 94和2. 45 mm。需要指出的是, 尽管年均值东部区最多、中部区次之、西部区最少, 但三区月际分布却略有不同: 1, 2, 3和12月西部区最多, 4, 10和11月中部区最多, 5, 6, 7, 8和9月东部区最多。
从大气可降水量各月变率来看, 西部区为-37. 96%~46. 53%, 中部区为-40. 09%~56. 33%, 东部区为-44. 08%~83. 38%, 其中正值为增长、负值为减少。三区2-7月均为增长期, 8月至次年1月均为减少期。西部区变率最大值出现在6月, 次大值出现在5月, 最小值出现在10月, 次小值出现在11月[图 3(b)]; 中部区变率最大值出现在4月, 次大值出现在6月, 最小值出现在11月, 次小值出现在10月[图 3(d)]; 东部区最大值出现在4月, 次大值出现在6月, 最小值出现在10月, 次小值出现在11月[图 3(f)]。可见内蒙古地区大气可降水量增长显著期为6月和4月, 减小显著期为10月和11月, 初步推断, 这种结果与锋区活动和大气环流的两次突变有关。4月, 内蒙古地区受极锋锋区影响, 短波扰动明显增加, 经向波动有利于水汽输送, 致使大气可降水量突然增加; 6月突变导致内蒙古地区迅速转为亚洲热低压影响, 偏南、偏东气流导致水汽输送再度增强, 进一步导致大气可降水量再度增加; 10月突变则导致内蒙古地区迅速转为西伯利亚高压控制, 气团干冷, 偏北气流强盛, 进而导致大气可降水量突然减小。
4 水循环次数 4.1 空间分布内蒙古地区四季水循环次数(图 4)同样为夏季最高, 春、秋季次之, 冬季最低, 其空间分布四季均呈自东北向西南递减:东部区的呼伦贝尔市与兴安盟水循环次数四季均维持在较高的水平, 夏季部分地区甚至超过14次, 冬季大部地区同样均在4次以上, 部分地区超过8次; 西部区的阿拉善盟水循环次数四季均维持在2次上下。此外, 水循环次数与地形的关系则更为密切, 东部及中部的高值中心分别对应大兴安岭山脉及阴山山脉。
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图 4 1961-2015年内蒙古地区四季(a~d)平均水循环次数空间分布(单位:次) Figure 4 Spatial distributions of average number of water circle in seasons (a~d) inInner Mongolia during 1961-2015. Unit: time |
从1961-2015年水循环次数年际变化(图 5)可以看出, 西部地区年平均水循环次数为19次, 中部地区年平均水循环次数为31次, 东部地区年平均水循环次数为36次, 就年平均值而言, 东部及中部较为接近, 西部地区则明显少于东部、中部地区。就变化趋势而言, 三区均呈增加趋势, 其中中部地区增加相对明显, 增加率为0. 07 a-1。
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图 5 1961-2015年内蒙古地区平均水循环次数年际变化(左)、月际变化及其变率(右) Figure 5 Interannual variations (left) and inter-monthly variations with change rate (right) of average number of water circle in Inner Mongolia during 1961-2015 |
水循环次数月际变化(图 5), 西部、中部、东部三区同样均呈单峰分布, 西部区最高值出现在8月, 为2. 36次, 中部区最高值出现在8月, 为3. 5次, 但7月与8月相较, 仅偏低0. 04次, 而东部区最高值则出现在7月, 为4. 34次。三区相较, 西部地区各月均明显偏低, 东部地区与中部地区秋、冬两季各月基本持平, 而春、夏季各月东部地区则明显高于中部地区。
从水循环次数各月变率来看, 西部区为-64. 91%~89. 19%, 中部区为-48. 21%~54. 44%, 东部区为-42. 86%~61. 9%。西部区与中部区1-8月为增长期, 9-12月为减少期; 东部区2-7月为增长期, 8月至次年1月为减少期。变率最大值, 三区均出现在3月, 变率最小值, 西部区与中部区出现在12月, 东部区则出现在11月。
总体而言, 水循环次数的月际变化特征, 西部区与中部区较为相近, 而东部区则明显不同, 由此可见, 纬度高低对水循环次数的月际变化影响较大。
5 水汽通量及其散度 5.1 水汽通量从水汽通量纬向分量(图 6)可以看出, 内蒙古地区四季均为正值, 即:水汽输送均以偏西路径为主, 夏季最高, 东南部地区超过1 300 kg·m-1·s-1, 春、秋季次之, 为200~800 kg·m-1·s-1, 冬季最低, 北部地区不足100 kg·m-1·s-1, 南部地区也未超过400 kg·m-1·s-1。空间分布上, 四季均以东南部最高, 向北、向西逐渐递减。
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图 6 1961-2015年内蒙古地区各季(a~d)平均水汽通量矢量及其纬向分量空间分布(单位: kg·m-1·s-1) Figure 6 The distributions of seasonal (a~d) water vapor flux vector and zonal water vapor flux in Inner Mongolia during 1961-2015. Uint: kg·cm-1·s-1 |
水汽通量经向分量(图 7), 春、秋、冬三季均为负值, 即均以偏北路径为主, 夏季东南部地区为正值即偏南路径, 其余地区仍为负值即偏北路径。数值方面, 春、秋季相当, 基本维持在-250~-100 kg·m-1·s-1, 冬季略低, 夏季最高, 偏南路径水汽通量超过400 kg·m-1·s-1, 偏北路径水汽通量接近-100 kg·m-1·s-1。
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图 7 1961-2015年内蒙古地区各季(a~d)平均水汽通量矢量及其经向分量空间分布(单位: kg·m-1·s-1) Figure 7 The distributions of seasonal (a~d) water vapor flux vector and meridional water vapor flux in Inner Mongolia from 1961 to 2015. Uint: kg·m-1·s-1 |
尽管内蒙古地区的经向分量远小于纬向分量, 但经向水汽输送、尤其是偏南风的输送, 是夏季内蒙古地区降水的主要来源, 直接导致了大气可降水量及水循环次数的增加, 因此其作用不可忽视。
为进一步定量分析内蒙古地区水汽输送, 计算了内蒙古地区1961-2015年平均的水汽收支状况(表 1)。从表 1中可以看出, 纬向方面, 西边界各季均为输入而东边界各季均为输出, 且水汽输出量始终大于输入量, 即纬向净收支始终为正, 其中夏季最高, 为4. 4×108 kg·s-1。经向方面, 北边界四季均为输入, 而南边界春、秋、冬三季为输出, 夏季为输入。经向净收支春、夏、秋三季为负, 其中夏季最高, 为-3. 5×108 kg·s-1, 冬季为正。由此可见, 南边界的水汽输入, 是内蒙古地区夏季降水的主要水汽来源。同样由于夏季水汽输入的增加, 导致大气可降水量及水循环次数相应增加。此外, 内蒙古地区各季的水汽收支均为正值, 即均为输出, 尽管夏季经向输入明显增大, 但仍无法抵消纬向输出, 由此可见, 内蒙古地区的干旱气候, 有其客观必然性。
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表 1 1961-2015年内蒙古地区平均水汽收支 Table 1 The average water vapour budget in Inner Mongolia during 1961-2015 |
水汽通量散度可反映水汽的辐合、辐散情况。内蒙古地区水汽通量散度(图 8)的分布一年四季基本一致。负值区即:辐合区以大兴安岭山脉为中心随季节略有摆动, 夏季略为偏东偏北, 冬季略为偏西偏南。中部、西部地区则常年处于正值区即辐散区控制之中。这一空间分布, 与水循环次数的空间分布十分一致, 说明水循环次数能够客观反映出大气可降水量的实际转化情况, 物理意义明确。数值方面, 各季无明显差异, 均维持在-150×10-4~150×10-4 kg·m-2·s-1, 由此可见, 内蒙古地区夏季的降水多为阶段性降水而非连续性降水, 因此季节平均并无显著的辐合特征。
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图 8 1961-2015年内蒙古地区各季(a~d)平均水汽通量散度空间分布(单位: ×10-4kg·m-2·s-1) Figure 8 The distributions of seasons (a~d) water vapor flux divergence in Inner Mongolia from 1961 to 2015. Uint: ×10-4kg·m-2·s-1 |
(1) 内蒙古地区大气可降水量年平均值8~14 mm, 夏季最高, 春、秋季次之, 冬季最低。空间分布上呈自南向北、自东向西递减, 且与地形关系甚为密切。年际变化上呈减少趋势。月际变化上, 7月最高、1月最低, 2-7月为增长期、8月至次年1月为减少期, 受锋区活动及大气环流季节突变影响, 4月、6月分别出现两次突然增长, 10-11月出现1次突然减少。
(2) 水循环次数用于描述降水转化效率, 具有明确的物理意义。内蒙古地区水循环次数同样为夏季最高, 春、秋季次之, 冬季最低。空间分布上呈自东北向西南递减, 东部地区夏季每个季节超过14次, 冬季多为4次以上, 西部地区四季均为2次左右, 且与地形的关系更为密切。年际变化上呈增加趋势。月际变化上, 最高值出现在7月和8月, 西部区与中部区较为相近, 而东部区受纬度影响量值及变率均明显不同。
(3) 水汽输送方面, 内蒙古地区水汽通量纬向分量远大于经向分量。纬向输送四季均以偏西路径为主, 夏季最高。经向输送仅夏季东南部地区为偏南路径, 其余季节均为偏北路径。夏季的偏南风水汽输送直接导致了大气可降水量与水循环次数的增加。
(4) 水汽收支方面, 西边界、北边界为输入, 东边界为输出, 南边界夏季为输入、其余季节为输出。四季输出量均大于输入量。南边界夏季的水汽输入是内蒙古地区夏季降水的主要水汽来源, 而长期的水汽收支失衡是内蒙古地区干旱的客观原因。
(5) 水汽通量散度的空间分布与水循环次数的空间分布较为一致, 辐合区主要集中于大兴安岭山脉附近, 中部、西部地区则为辐散区。这说明水循环次数能够客观反映出大气可降水量的实际转化情况, 物理意义明确。各季的水汽通量散度数值无明显差异, 表明内蒙古地区夏季的降水多为阶段性降水。
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2. Inner Mongolia Climate Center, Hohhot 010000, Inner Mongolia, China;
3. Inner Mongolia Meteorological Bureau, Hohhot 010000, Inner Mongolia, China