2018, Vol. 37
2. 中国气象科学研究院, 北京 100081
20世纪90年代以来, 受全球气候变化、经济社会发展、人口增加和生态环境恶化等因素的影响, 水资源短缺问题已成为制约中国社会和经济发展的关键因素之一(李兴宇等, 2008; 王浩等, 2012)。因此, 了解我国空中水资源状况, 对于科学合理开发空中水资源、有效缓解水资源紧缺状况、改善生态环境、保障社会经济的可持续发展具有十分重要的战略意义。云水量(云水含量、云液水含量和云冰水含量的统称, 下同)是空中水资源的重要组成部分, 其时空分布特征及其变化可以为人工增雨提供一定参考依据, 这对全球气候变化背景下中国地区水资源的变化问题有着重要的现实意义。
云水量的多少不仅对云滴增长及降水的形成和强度有非常重要的影响, 也是全球气候数值模拟的预报参量, 是研究云对气候影响的重要参数(陈勇航等, 2013; 姚志刚等, 2018)。此外, 云中水凝物的含量对云的辐射特性有重要影响, 进而影响地气系统能量平衡; 云中液态水含量与辐射之间相互作用对全球气候变化有着重要影响(Shupe et al, 2004; Somerville et al, 1984; 于涵等, 2018)。以下学者利用不同的数据资料对中国云水量的特征进行了分析, 李兴宇等(2008)分析了1984—2004年国际卫星云气候学计划(ISCCP)的整层云水含量资料, 得出中国地区整层云水含量以增加为主且存在明显的季节变化, 6月最高且10月最低。整层云水含量由南向北逐渐减小, 纬向分布特征明显。杨大生等(2012)利用CloudSat卫星资料对2006—2008年中国夏季云水含量的垂直和区域变化特征进行分析, 得出中国中部纬度上对流层中层的月平均云液水含量比南、北两侧的大, 各月平均云液水含量垂直方向存在两个峰值区, 冰水含量纬向垂直分布的高值区主要在对流层中上部20°N—35°N之间。蔡淼(2013)利用CloudSat资料分析指出中国地区2008年平均云液水含量在对流层低层最高且随高度减小, 不同云系的区域差异明显, 云液水含量从东南向西北减少, 冰水含量在6 km以下自西向东减少, 6 km以上由南向北减少。衡志炜(2013)对1995—2009年ISCCP数据的分析结果表明, 整层云水含量主要集中在帕米尔高原迎风坡、西南地区、中国东部, 整层云液水含量集中在四川盆地和中国东海地区, 整层云冰水含量的大值区位于帕米尔髙原和青藏髙原以及中国东海地区。
现有的关于中国云水量的研究主要是利用CloudSat、ISCCP等卫星资料研究其时空分布变化特征(李兴宇等, 2008; 杨大生等, 2012; 蔡淼, 2013; 杨冰韵等, 2018)。相对于卫星资料, ERA-Interim资料的时间尺度更长, 空间分辨率更高, 更均一化(白磊等, 2013), 因此更适合于研究长时间的云水量气候态及其变化特征。ERA-Interim的云水量资料是基于观测资料和预报模式而得到的预报量(Dee et al, 2011)。衡志炜(2013)对比了ISCCP、ERA-Interim 1995—2009年中国地区的整层云水含量, 得出两种资料的整层云水含量分布基本一致, 相关性较高(冬季: 0.865, 夏季: 0.935); ERA-Interim数值偏大, 冬季偏差很小, 夏季偏多70%。耿容(2017)对比了ISCCP、MODIS、ERA-Interim 2003—2009年中国地区的整层云水含量, 得出ERA-Interim与卫星资料空间分布基本一致, ERA-Interim的整层云水含量、整层云液水含量数值比卫星观测偏大, 可能是由于卫星采用红外和可见通道自上而下探测, 如上层出现冰云, 下层将无法反演出云水信息而造成低估。且ERA-Interim在反映水凝物变化方面与MODIS一致性很高, 相关通过0.01显著性检验。Li et al(2012)利用多模式模拟的CMAP5数据和CloudSat/CLIPOSO观测资料研究表明再分析资料和观测的云水分布具有一致性。可见, 用ERA-Interim资料来研究中国区域云水量的分布和变化特征具有一定的可信度。本文利用ERA-Interim再分析资料分析1979—2016年中国云水量的时空分布特征和变化趋势, 以期为认识和理解气候变化对中国水资源的影响提供一定依据。
2 资料和方法介绍所用资料为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的新一代全球分辨率逐月ERA-Interim再分析数据资料, 垂直方向从1 000~1 hPa共37层, 水平空间分辨率为1°×1°, 时间段为1979年1月至2016年12月。该资料的生成使用了ECMWF集成预报系统(Integrated Forecast System, IFS)Cy31r2模式。ERA-Interim大气模式中的云和对流参数化方案对冰粒子的沉降、云顶夹卷、云底的计算、陆面夜间对流的触发等物理过程进行了改进(Dee et al, 2011)。由于ERA-Interim发布时间较短, 其适应性研究还相对较少, 但ERA-Interim数值预报产品的性能已经得到普遍认可(潘留杰等, 2013; 石晓兰等, 2016)。ERA-Interim资料在大气质量守恒、水分收支和能量循环等方面较ERA-40有了显著的改善(潘留杰等, 2015)。
格点平均云液水(云冰水)含量定义为(ECMWF, 2007):
| $ l = \frac{1}{V}\int\limits_V {\frac{{{\rho _w}}}{\rho }{\rm{d}}V} \;\;, $ | (1) |
式中: ρw是云液水(云冰水)密度; ρ是湿空气密度; V为格点区域的体积。
云液水和云冰的时间变化项是再分析资料的预报量:
| $ \frac{{\partial l}}{{\partial t}} = A\left(l \right) + {S_{{\rm{conv}}}} + {S_{{\rm{strat}}}} - {E_{{\rm{cld}}}} - {G_{{\rm{prec}}}}\;\;\;\;, $ | (2) |
式中: l为格点平均的云液(云冰)水含量; A(l)为经格点边界输入的云液水(云冰水); Sconv表示由对流过程生成的云液水(云冰水); Sstrat表示层云凝结过程形成的云; Ecld为蒸发率; Gprec为降水率。云水含量相态由等压面温度决定:当温度高于0 ℃时, 云水全是液相; 温度低于-23 ℃时全是冰相; 温度在-23~0 ℃时, 液相云水占总云水的比例(α)是温度的函数:
| $ \alpha = {\left({\frac{{T - {T_i}}}{{{T_0} - {T_i}}}} \right)^2}\;\;\;\;, $ | (3) |
式中: T是等压面温度(单位: ℃); 模式中根据经验设置Ti=-23 ℃; T0=0 ℃。
分析要素包括风场(U、V)、垂直速度(ω)、散度(DIV)、比湿(q)、云液水含量(CLWC)、云冰水含量(CIWC)和气温(T)。大气水汽含量(PW)、整层云液水含量(VCLWC)、整层云冰水含量(VCIWC)为各气压层水汽、云液水含量、云冰水含量的垂直积分。(整层)云液水含量和(整层)云冰水含量的总和为(整层)云水含量(CWC)。
另外, 所用降水为基于国家气象信息中心基础资料专项最新整编的中国地面高密度台站的降水资料进行空间插值生成的月值格点数据, 时段为1979—2015年, 水平分辨率为0.5°×0.5°。四季划分按: 3—5月为春季, 6—8月为夏季, 9—11月为秋季, 12月至翌年2月为冬季。一元线性回归方法被用于计算物理量变化趋势, 9点平滑曲线来表征年代际变化特征, 离差系数描述云水量的年际变化。
3 云水量空间分布特征及其成因分析 3.1 云水量空间分布特征图 1[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(2016)1606的中国地图制作, 底图无修改, 下同]为1979—2016年中国年平均整层云水量分布, 整体而言, 整层云液水含量南多北少; 云冰水含量中部(28°N—35°N)多南北少; 云液水、冰水含量纬偏值的空间分布(图略)与图 1一致, 可见中国中东部整层云水含量在全球同纬度范围内也明显偏多, 且中东部地区云液水含量远大于云冰水含量。云液水含量最大值大于150 g·m-2, 位于四川东部—湖南一带(25°N—32°N, 102°E—115°E), 这一分布与该地区层状云的富集(Li et al, 2006)有关。刘洪利等(2003)指出高原东侧的川、云、贵地区是西南气流和西北气流的交汇区, 容易形成西南低涡系统, 导致该地对流层中、低层的层状云很多。此外, 东南地区、西藏东南部整层云液水含量相对较大。这种分布形态与大气环流和当地地形作用密切相关。云冰水含量最大值区主要位于(27°N—35°N, 97°E—110°E), 相对云液水含量大值区偏西北。此外, 西藏高原东南部、新疆西部山区和东北地区东南部的小范围分别有大值中心, 这些大值中心整层云冰含量均大于45 g·m-2。云水含量空间分布与云液态水含量一致。三者小值区均位于西北地区西部(新疆中东部、青藏高原、内蒙、甘肃西部), 小值区云液水含量和云冰水含量与同纬度东北地区分别相差30 g·m-2和20 g·m-2, 与同经度高原南部分别相差200 g·m-2和60 g·m-2。整层云水含量空间分布基本同李兴宇等(2008)使用ISCCP D2数据分析的中国整层云水含量一致。只是量值在西北地区偏小, 高原东部和四川中部偏大。
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图 1 1979—2016年中国年平均整层云水量分布(单位: g·m-2) Fig. 1 Annual mean vertical integral of cloud water content in China from 1979 to 2016.Unit: g·m-2 |
由于受到夏季风的影响, 整层云液水含量和云冰含量均表现为夏季最多, 春秋次之, 冬季最少(图 2)。与多年平均相比, 春季云液水含量大值区偏东南, 位于江南、华南地区; 夏季, 东北地区、新疆西部明显增多, 大值区略偏北, 95 g·m-2等值线由四川、重庆北部北抬到陕西、甘肃西南部; 秋季, 云液水含量大值区集中在西南地区东部。冬季, 大值区南压, 位于长江以南, 云南以东。可见, 江南、华南地区主要是春、冬季相对偏高, 而西南地区为夏、秋季偏高。云冰水含量四季的空间分布与多年平均基本一致, 夏季偏多, 冬季偏少(图 2)。
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图 2 1979—2016年中国整层云液水含量(左)和云冰水含量(右)的季节分布(单位: g·m-2) Fig. 2 Seasonal distribution of vertical integral of cloud liquid water content (left) and cloud ice water content (right) in China from 1979 to 2016.Unit: g·m-2 |
由高度—纬度剖面图(图 3)可知, 云液水含量垂直向上伸展到300 hPa附近(冬季400 hPa), 云冰水含量伸展到100 hPa附近。中国地区云液水含量大值区(以0.015 g·kg-1等值线为标准)主要位于春、秋季25°N—32°N, -5~15 ℃等温线之间, 夏季20°N—35°N, -5~20 ℃之间, 冬季20°N—30°N, -5~10 ℃等温线之间。对应气压高度分别为900~650 hPa, 900~550 hPa, 900~650 hPa。夏季云液水含量量值、范围最大, 达0.065 g·kg-1。云冰水含量大值区(以0.01 g·kg-1等值线为标准)位于春季27°N—37°N、580~320 hPa, 夏季20°N—43°N、500~250 hPa, 秋季20°N—40°N、500~300 hPa, 冬季27°N—35°N、700~400 hPa。对应气温冬季为-20~0 ℃等温线之间, 其他季节-40~0 ℃。夏季云冰水含量最大, 达0.02 g·kg-1。夏季云水量分布与杨大生等(2012)利用CloudSat卫星资料分析的2006—2008年中国地区夏季月平均云水含量的垂直和区域变化特征相一致。
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图 3 1979—2016年中国云液水含量(左)和云冰水含量(右)四季高度-纬度剖面(单位: g·kg-1) 取80°E—130°E平均, 红虚线为等温线 Fig. 3 The seasonal altitude-latitude profile of cloud liquid water content (left) and cloud ice water content (right) in China from 1979 to 2016.Unit: g·kg-1.Taken 80°E—130°E average and the red dashed line is isotherm |
高度-经度剖面图(图 4)上, 中国云液水含量夏季西多东少, 其他季节东多西少; 大值区主要位于春秋季-5~10 ℃、夏季-5~25 ℃、冬季-5~5 ℃等温线之间, 对应气压高度分别800~600 hPa、900~500 hPa、900~600 hPa, 各季云液水含量集中出现在95°E—115°E, 西部高而薄, 东部低而厚; 其中, 夏季90°E—100°E处量值最大, 中心值达0.04 g·kg-1。而云冰水含量大值区主要位于-40~-5 ℃等温线之间, 对应气压高度600~200 hPa; 大值区位于90°E—105°E(冬季外)。大值区伸展高度夏季最高(等温线升高), 春秋次之, 冬季最低; 夏季高原东部上空云冰水含量最大达0.016 g·kg-1。
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图 4 1979—2016年中国云液水含量(左)和云冰水含量(右)四季高度-经度剖面(单位: g·kg-1) 取20°N—45°N平均, 红虚线为等温线 Fig. 4 Seasonal altitude-longitude profile of cloud liquid water content (left) and cloud ice water content (right) in China from 1979 to 2016.Unit: g·kg-1.Taken 20°N—45°N average, red dashed line is isotherm |
综上可知, 中国地区云液水含量大值区主要位于四川东部—湖南一带(25°N—32°N, 102°E—115°E), 850~500 hPa, -5~15 ℃等温线之间。云冰水含量大值区主要位于(27°N—35°N, 97°E—110°E)区域及西藏东南部小范围, 500~250 hPa, -40~0 ℃等温线之间。为了分析中国地区云水量高值区的形成原因, 利用水汽输送和上升运动诊断量, 进一步分析了云液水和云冰水含量的空间分布特征。
3.2.1 水汽输送云主要是由于潮湿空气在上升运动中绝热膨胀降温达到饱和生成的(盛裴轩等, 2003), 因此充足的水汽是云生成的必要条件。在水汽通量及其散度图上, 云液水含量大值区为水汽辐合区, 辐合中心最大达-8 g·m-2·s-1。有两条明显的水汽输送带输送水汽到该区域, 分别为印度西北气流转西南气流经孟加拉湾、中南半岛到中国东南部水汽通道, 西北太平洋东风气流经海南北部转西南气流的水汽通道。500 hPa以下水汽通量辐合中心与云液水含量、云水含量大值中心有较好的对应关系[图 5(a)]。可见, 对流层中低层水汽通量散度可在一定程度上表征云水含量。云冰水含量大值区500~200 hPa水汽主要来自西边界, 西风输送水汽在大值区辐合。云冰水含量大值区500~200 hPa水汽通量辐合[图 5(b)]。
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图 5 1979—2016年中国地区水汽通量(矢量, 单位: kg·m-1·s-1)及其散度(彩色区, 单位: g·m-2·s-1)分布 (a)中矩形区为云液水大值区, (b)中矩形区为冰水含量大值区 Fig. 5 Water vapor fluxes (vectors, unit: kg·m-1·s-1) and their divergence (color area, unit: g·m-2·s-1) in China from 1979 to 2016.Rectangular zones are the large value area of cloud liquid water (a) and ice water content (b) |
在中国地区风场纬度—高度剖面图(图 6)上, 500 hPa以下南北风辐合带在33°N附近随季节南北摆动, 夏季北移, 冬季南移。云液水含量大值区位于辐合区南侧偏南风区, 对应对流层低层为上升运动。辐合区北侧下沉运动区对应为云液水含量小值区。风场经度—高度剖面(图 7)显示, 云液水含量大值区(102°E—115°E)700 hPa以下对应为上升运动区(冬季外); 夏季大值区上升运动向上扩展到对流层上层300 hPa, 冬季对流层低层上升运动明显减弱, 范围缩小到102°E—110°E, 800 hPa以下。
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图 6 1979—2016年中国地区四季风场高度-纬度剖面(单位: m·s-1) 取75°E—135°E区域平均, 垂直速度扩大100倍 Fig. 6 Seasonal altitude-latitude profile of wind field in China from 1979 to 2016.Unit: m·s-1. Averaged from 75°E—135°E, vertical velocity enlarged by 100 times |
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图 7 1979—2016年中国地区四季风场高度-经度剖面图(单位: m·s-1) 取20°N—45°N区域平均 Fig. 7 Seasonal altitude-longitude profile of wind field in China from 1979 to 2016.Unit: m·s-1.Averaged from 20°N—45°N |
中国整层云水量、大气水汽含量大概以105°E为界, 以西呈增加趋势(西藏东部、新疆山区除外), 以东呈减少趋势(图 8)。与王遵娅等(2009)研究得出中国1951—2004年南风水汽输送大致以110°E为界, 以东的夏季风区呈显著的减弱趋势而以西则有明显的增加趋势相吻合。中国地区自20世纪80年代开始气温明显增加, 其中西北地区、内蒙中部增温最显著(赵庆云等, 2006), 西部地区整层云水含量在全球变暖的背景下表现出增加的趋势, 符合气温增加导致水循环增强的观点。前人研究(Bollasina et al, 2011; Jiang, 2005)表明东亚夏季风环流自20世纪70年代末开始减弱, 其后果是使季风向北输送的水汽减少(Ding et al, 2009), 导致中国东部地区水汽含量减少, 从而引起整层云水含量减少。中国大部地区整层云液水含量、云冰水含量及云水含量变化趋势小于5 g·m-2·(10a)-1, 青藏高原东部、华南中部、陕南-河南-湖北一带整层云液水含量和云水含量有显著减少趋势, 达-15 g·m-2·(10a)-1。西北地区东部、中东部地区(105°E以东长江和黄河之间)、高原西北和东北部云水含量变化显著, 通过0.05显著性水平检验。在东北和华北地区, 由于直接受到大尺度地形和动力影响较小, 云水含量的变化不明显。
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图 8 1979—2016年中国整层云水量[a~c, 单位: g·m-2·(10a)-1]和大气水汽含量[d, 单位: mm·(10a)-1]变化趋势 打点区为通过α=0.05显著性检验区 Fig. 8 Trends of vertical integral of cloud water content [a~c, unit: g·m-2·(10a)-1] and precipitable water [d, unit: mm·(10a)-1] in China from 1979 to 2016.Stippling area indicates the area that past significance level at α=0.05 |
下面, 进一步分析中国整层云水量的季节变化特征(图 9)。四季整层云液水含量、云冰水含量及云水含量变化趋势的空间分布相似, 故只分析整层云水含量。整体而言, 春、夏季整层云水含量变化趋势空间分布与年平均基本一致, 呈西增东减。秋季、冬季为北增南减(华南江南东部, 东北北部、新疆北部除外)。春季, 江南、华南地区(110°E以西, 30°N以南)整层云水含量显著减少, 中心最大值达-20 g·m-2·(10a)-1。夏季, 河套-黄淮西部、高原东部整层云水含量呈显著减少趋势; 30°N以北地区, 105°E以东大部区域整层云水含量呈显著减少趋势; 这可能是由于在弱夏季风环流期间, 副高位置偏南, 致使水汽很难向北输送。而105°E以西西北地区整层云水含量呈显著增加趋势。秋季, 整层云水含量在西北地区东部、华北北部显著增加, 高原东部、云南显著减少。冬季, 西北东部、东部沿海整层云水含量显著增加。
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图 9 中国整层云水量季节变化趋势[单位: g·m-2·(10a)-1] 打点区为通过α=0.05显著性检验区 Fig. 9 Seasonal trends of vertical integral of cloud water content in China.Unit: g·m-2·(10a)-1. Stippling area indicates the area that past significance level at α=0.05 |
中国地区云水量、降水量均有年际变化, 无明显线性趋势, 其中, 整层云液水含量、云水含量略减少, 云冰水含量、降水量略增多。1990, 1998, 2010和2016年的涝年和1986, 1997, 2009和2014年的旱年分别与云水含量的极小值、极大值年对应。整层云水含量、云液态水含量、云冰水含量三者年代际变化特征不明显, 2004年由年代际偏多转为偏少(图 10)。春季云水量呈略减少, 秋季、冬季云水量呈略增加趋势, 夏季无明显变化趋势。云水含量季节变化明显, 平均云水含量夏季最多, 春秋次之, 冬季最少。四季云水含量无明显年代际特征, 夏季的九点平滑曲线与气候态一致, 也表现出2004年由年代际偏多转为偏少(图 11)。
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图 10 1979—2016年中国整层云水量(a~c)和1979—2015年降水量(d)的时间变化趋势 Fig. 10 Changes of vertical integral of cloud water content (a~c) from 1979 to 2016 and precipitation(d) from 1979 to 2015 in China |
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图 11 中国整层云水含量在不同季节的时间变化趋势 Fig. 11 Changes of vertical integral of cloud water content indifferent seasons in China |
由云水量的离差系数空间分布(图 12)可知, 整层云液态水含量西北地区年际变化大, 西南地区年际变化最小[图 12(a)]。整层云冰水含量南部沿海地区、新疆西部山区年际变化大, 青海、四川北部、甘肃南部及东北北部年际变化小[图 12(b)]。总体来看, 干旱区、半干旱区整层云液态水含量的年际变化大, 湿润区年际变化小; 整层云冰水含量的年际变化的地理分布与整层云液态水含量基本相反。可能是由于受水汽输送与西风带波动不稳定的影响, 西北地区云液水含量年际变化大。而云冰水含量与地形抬升和对流活动有较好对应关系(衡志炜, 2013), 东南沿海地区受热带风暴影响, 每年强对流发展频次和强度差异较大。高原东部-西南地区受西南涡控制, 常年有大量层云存在, 使整层云水含量年际变化较小。云水量在新疆西南和西藏西北部山区表现出明显的年际变化。四季整层云液态水、云冰水含量离差系数与年平均基本一致, 夏季远小于其他季节。
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图 12 1979—2016年中国整层云水量离差系数空间分布 Fig. 12 The spatial distribution of the deviation coefficient of vertical integral of cloud water content in China from 1979 to 2016 |
中国地区云水量月变化特征(图 13)明显, 夏季月份远大于冬季月份, 由冬到夏其值由小变大, 7月(云冰水含量6月)达最大, 由夏到冬其值由大转小, 最小值出现在1月或12月, 即月变化曲线呈负偏态。云冰水含量的月变化超前于云液态水含量, 且暖季月份云冰水含量远少于云液态水含量。
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图 13 中国整层云水量月变化趋势 Fig. 13 Monthly changes of vertical integral of cloud water content in China |
利用欧洲中期天气预报中心ECMWF发布的ERA-Interim再分析数据, 分析了1979—2016年中国地区云水量时空分布特征和变化趋势。研究得出:
(1) 中国云液水含量南多北少, 云冰水含量中部多, 南北少。云水含量和云液水含量大值区主要位于四川东部-湖南850~500 hPa, 量值达0.015~0.045 g·kg-1, 这一分布与该地区层状云的富集有关。云冰水含量大值区主要位于中东部地区(27°N—35°N, 97°E—110°E)500~250 hPa, 量值达0.006~0.025 g·kg-1。三者小值区均位于西北地区西部。云液水含量大值区对应低层的辐合上升运动。水汽通量散度可在一定程度上表征云水含量的大小。
(2) 中国云水量有明显的年际变化特征, 线性趋势不明显。春季整层云水量呈略减少, 秋季、冬季云水量呈略增加趋势, 夏季无明显变化趋势。云水量夏季年际变化均远小于其他季节; 干旱区、半干旱区整层云液态水含量的年际变化大, 湿润区年际变化小; 云冰水含量年际变化的地理分布与云液态水含量基本相反。中国云水量月变化明显, 7月最大, 1月或12月最小。中国云水量空间变化趋势表现为西增东减(以105°E为界)。
(3) 在20世纪80年代开始气温明显增加, 70年代末开始夏季风环流减弱的气候背景下, 中国西部气温升高对应云水量增多; 中国东部气温升高对应云水量减少。西部地区云水含量在全球和中国地区变暖的背景下表现出增加的趋势, 符合气温增加导致水循环增强的观点。中国东部地区水汽含量减少, 从而引起云水含量减少。气温与云水量的关系在中国不同地区表现不同, 其中的影响机理还需进一步深入研究。
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2. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China