1 引言

祁连山是中国西北地区的高大山系之一, 位于欧亚大陆腹地, 青藏、蒙新、黄土高原交汇地带, 分布于36°N—40°N, 92°E—104°E范围内, 海拔在1700~5808 m, 地形高程变化较大, 由7条大致平行的高山和谷地组成, 地形地貌复杂。祁连山山区大气水汽含量充沛、地面降水丰富(宜树华等, 2003)。海拔4000 m以上的许多地区, 终年积雪, 不仅孕育着现代冰川, 有“天然白色水库”之称, 而且哺育着疏勒河、黑河和石羊河等3大内陆河。青海大部和甘肃河西走廊绿洲的维持及区域内工农业生产活动的开展完全依赖于祁连山区水资源的丰缺。对甘肃而言, 祁连山冰雪、降水和地下水所形成的径流, 每年有72.7×10⁸ m³的出山水通过石羊河、黑河、疏勒河三大内陆河水系, 灌溉着70×10⁴ hm²商品粮基地, 养育着400万河西人民(车克钧等, 1998)。所以, 祁连山实际上扮演了河西走廊地区天然“水库”的角色, 是该地区农业、生态以及人类生存的主要依靠(张强等, 2007)。

然而, 随着全球气候变化, 伴随而来的是冰川和积雪融化加剧(孙美平等, 2015; 陈辉等, 2013; 别强等, 2013; 张九天等, 2012; Jiang et al, 2016), 水资源分布失衡, 生态系统受到威胁(王宝鉴等, 2007), 严重影响人类的生存和社会经济的可持续发展。已有研究表明, 该地区人类与自然的不协调性正在逐渐加剧, 水资源短缺的矛盾也日益突出。这种趋势已经在一定程度上破坏了内陆河流域气候─水资源─生态体系的有机性和自组织优势(张强等, 2002)。鉴于此, 长期以来, 该地区空中水汽的合理开发利用一直受到社会各界的高度关注。已有学者(张强等, 2009, 2008; 刘菊菊等, 2018)对此做了研究, 张强等(2007)利用卫星遥感资料反演分析祁连山区年均大气水汽含量和云迹风的空间分布特征, 研究地形和大气环流影响系统对大气水汽和降水分布的影响机制, 为开发祁连山区空中水资源提供了重要科学指导; 王宝鉴等(2006)利用祁连山区34个气象站的云量、降水资料, 结合NCEP/NCAR资料, 分析认为祁连山春、夏两季空中云水资源具有较好的开发潜力; 张良等(2007)研究给出了祁连山地区平均每年水汽输入量以及水汽输入的主要高度层; 郭良才等(2007)利用祁连山区周边的探空资料, 计算和分析指出:祁连山区大气中水汽年输入总量只有14.5%成云致雨或留在该区域上空, 其余85.5%的水汽成为过路水, 即潜在开发的水资源量较大。

上述研究在祁连山生态保护及人工增雨雪工程中起到了重要的作用, 但限于当时资料条件, 精度不够理想, 比如, 所采用的NCEP/NCAR资料, 经纬度网格分辨率为2.5°×2.5°, 整个祁连山区整体格点数太少, 对空中水资源的空间分布状况反映不够精准; 卫星遥感资料的分辨率也不是十分理想, 在一定程度上影响了对卫星遥感反演方法有效性的充分验证以及对区域大气水汽影响机制的深入分析。此外, 上述研究距今已超过10年, 气候变化也有了新的特点, 西北地区极端气候事件变化明显(汪宝龙等, 2012), 对当地生态影响加剧(姚俊强等, 2013; 陈亚宁等, 2014; 王有权, 2012; 文星等, 2013), 水资源问题也需要重新审视(王玉洁等, 2017)。甘肃气候变化状况更加突出, 据研究(鲍文中, 2014), 近50年来年平均气温升高了1.1 ℃, 河东平均上升了0.9 ℃, 河西平均上升了1.4 ℃, 幅度远高于北半球和全国的平均, 同时河西地区太阳能资源丰富(朱飙等, 2010), 蒸发量远大于河东, 因此, 河西自然生态环境状况前景不容乐观。

近几年, 随着“一带一路”战略规划的出台, 甘肃省成为西北乃至全国重要的生态屏障, 省政府也出台了《关于贯彻落实〈甘肃省加快转型发展建设国家生态安全屏障综合试验区总体方案〉的实施意见》(甘政发〔2014〕32号), 而祁连山作为西北与甘肃重要的生态屏障, 地位也日益凸显。建设祁连山生态屏障, 水资源是重要的考虑因素之一。解决水资源短缺的有效途径之一是进行人工增雨(雪)作业, 提高空中云水资源的大气降水效率, 增加地表水, 补充地下水及冰川和积雪, 从而有效缓解这一地区雨水资源的短缺(郭良才等, 2007)。据王静等(2007)研究发现, 祁连山空中云水资源开发利用对山前走廊的社会、经济、生态等效益均显著增加, 祁连山区通过人工增雨, 降水增加10%时, 河西地区综合效益将提高5.3%, 降水增加20%时, 综合效益提高12.5%。因此, 在新的形式与需求下, 深入分析祁连山空中水资源状况有重要意义。

本研究利用欧洲中心1980—2016年, 空间分辨率为0.25°×0.25°的ERA-Interim再分析资料, 更加精确的分析了祁连山区空中水汽分布状况与近37年来的变化趋势, 同时采用周边探空资料结果进行对比验证, 为甘肃生态屏障建设及祁连山生态环境保护提供更详尽的科学参考。

2 资料和分析方法 2.1 资料介绍

采用欧洲中心1980—2016年ERA-Interim再分析资料, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间尺度是月平均值, 以及祁连山区周边9个探空站1980—2016年逐旬资料, 结合同时期疏勒河与黑河年径流量资料进行分析。图 1给出祁连山区域地形及周边探空站位置。

2.2 计算方法

空中水汽含量为从地表到大气顶单位面积的空气柱内的水汽含量, 采用(1)式进行计算:

$ w = \frac{1}{g}\int_{{p^s}}^{{p^t}} {q{\rm{d}}p\;\;\;, } $

(1)

式中: W为水汽含量(单位: kg·m^-2); q为比湿; p^s为地面气压; p^t为大气顶气压, p^t取300 hPa; g为重力加速度。

2.3 资料对比

将格点资料与祁连山区周边9个探空站比湿资料进行对比分析, 对欧洲中心资料采用了双线性插值处理。通过对逐层资料进行相关分析, 可见除兰州站外, 两种资料相关性极高, 这与曹杨等(2017)对两种资料的对比分析结论也是一致的, 随着高度增加实测资料与再分析资料相关性略有降低, 详见表 1, 均通过99%置信水平。由于兰州探空站资料与再分析资料一致性较差, 后续分析与验证均去除兰州站。

3 祁连山区域空中水汽分布状况与多年演变 3.1 单位面积垂直累积水汽含量空间分布状况

利用前述的再分析资料, 计算了祁连山区自地面到300 hPa高度的37年的水汽平均分布(图 2), 结果表明:祁连山区全年平均的单位面积垂直累积水汽含量在3.1~8.6 kg·m^-2, 水汽含量高值区主要分布在祁连山北麓甘肃省境内海拔迅速降低区域, 面积较小, 水汽低值中心稳定存在于祁连山西段山区中, 与张强等(2009)结论一致。分季节看, 单位面积垂直累积水汽含量夏季最高, 全区域在6.5~17 kg·m^-2, 秋季次之, 为2.4~8 kg·m^-2, 春季与秋季非常接近, 为2.2~6.6 kg·m^-2, 冬季最低, 为1~2.5 kg·m^-2, 说明空中水汽含量随季节变化差异大, 最丰富时段无疑是夏季, 但与以往认识不同的是, 祁连山春季空中水汽含量非常接近于次高的秋季, 在适宜天气条件下, 也具有开发前景。此外, 低值中心水汽全年差异很大, 水汽充盈的夏季是水汽匮乏的冬季的6倍还多。

为映证上述结果, 利用祁连山区周边探空站1980—2016年逐旬资料, 从地面累积计算到300 hPa高度。经计算, 祁连山区上空年均垂直累积水汽含量在4.5~10.3 kg·m^-2, 其中, 垂直水汽累积含量夏季最高, 为5.5~20.6 kg·m^-2, 秋季次之, 为3.7~10.4 kg·m^-2, 春季较小, 为3.4~7.7 kg·m^-2, 冬季最低, 为1.8~6.2 kg·m^-2(图 3)。结果与再分析资料计算结果非常接近, 也验证了结论的可靠性。但由于探空站点稀疏, 且都在祁连山周围, 祁连山西段山区中部的低值中心反映不够明显, 只能显示出祁连山西段水汽含量一年四季都低于东段。

3.2 单位面积垂直有效水汽含量空间分布

在一些实际工作中, 需要计算整层大气有效水汽含量。据研究, 整层大气有效水汽含量和可降水量之间, 存在着很好的线性相关关系, 整层大气有效水汽含量可用公式(2)计算(杨景梅等, 2002)。采用格点资料, 经计算, 祁连山区多年平均的单位面积垂直有效水汽含量在1.6~5.8 kg·m^-2(图 4), 单位面积垂直有效水汽含量高值区主要分布在祁连山东段, 祁连山西段明显偏低, 春夏秋冬分布类似(图略)。

$ W = \frac{1}{{\rho g}}\int_0^{Pz} {\frac{P}{{{P^0}}}\sqrt {\frac{{{T^0}}}{T}} q{\rm{d}}p} \;\;\;. $

(2)

3.3 山区空中水汽密度空间分布

为分析祁连山区空中水汽密度分布, 更好的表明水汽密度随着区域与海拔的变化, 用格点资料计算的祁连山区单位空气柱的水汽含量除以对应格点的空气柱体积, 得到自地面至300 hPa高度的平均水汽密度(图 5), 结果表明:祁连山区多年年平均的水汽密度在0.4~1.24 g·m^-3, 水汽密度高值区主要分布在祁连山北麓面积较小区域内, 水汽密度在祁连山西段山区海拔4000~4500 m区域存在低值中心, 春夏秋冬分布类似(图略)。各个季节水汽密度变化较大, 其中水汽密度冬季最低, 在0.13~0.42 g·m^-3之间, 春季在0.29~0.98 g·m^-3之间, 夏季最大, 全区域在0.84~2.42 g·m^-3之间, 秋季在0.33~1.17 g·m^-3之间, 再次印证空中水汽含量随季节变化差异大, 夏季最丰富。

3.4 单位面积垂直累积水汽含量月分布

近37年, 祁连山区逐月单位面积垂直累积水汽含量呈单峰型变化(图 6), 即:单位面积垂直累积水汽含量从隆冬1月最低的2.01 kg·m^-2快速增加到夏季7月的14.8 kg·m^-2, 达到一年中的最高峰值, 随后的8、9两月开始逐步减少, 10月稍有维持, 进入冬季起单位面积垂直累积水汽含量快速减少, 到12月已经减少为全年次低值2.2 kg·m^-2。1月单位面积垂直累积水汽含量只有夏季最高月份7月的19.6%。此外, 祁连山单位面积垂直累积水汽含量在6—9月维持在11.4~10.2 kg·m^-2之间变化, 是水汽分布最多的时段。

从前述探空站1980—2016年1—12月平均空中垂直累积水汽含量变化(图 7)可以看出, 各站点一致表现出水汽夏季7、8月最大, 1、2月最小, 空中水汽达到最大的时间都在20~22旬之间, 说明祁连山区空中水汽受季风影响显著。同时, 由于11月至次年4月空中水汽含量低, 也说明西风急流对祁连山区空中水汽贡献不大。

3.5 祁连山空中水汽保有量多年演变特征

为分析祁连山区上空区域内总的水汽保有量, 用以上计算的各格点单位面积垂直累积水汽含量乘以格点代表的面积, 得到每个格点自地面至高空的总水汽量, 再对祁连山区所有格点得到的水汽量求和, 得到祁连山区地面至高空300 hPa层垂直向总的水汽保有量(图 8)。自1980—2016年, 祁连山区上空多年平均总的垂直水汽保有量为3.7×10¹² kg, 其中由春季至冬季分别为6.8×10¹¹, 19×10¹¹, 8×10¹¹和3.1×10¹¹ kg。37年来, 祁连山区空中水汽保有量呈现增加的趋势, 但在不同季节表现出不同态势, 夏、秋季整体呈现增加趋势, 冬、春季表现为减少趋势, 冬季减少趋势更加明显, 这或许与全球变暖背景下, 东亚冬季风活动减弱(贺圣平, 2013; 王会军等, 2012; 施晓晖等, 2007)有关。

3.6 祁连山空中水汽保有量与疏勒河及黑河年径流量演变特征

由于疏勒河与黑河发源于祁连山区, 进一步分析了疏勒河与黑河同时段的年径流量与祁连山空中水汽保有量之间的关系(图 9), 结果表明, 1980—2016年来, 疏勒河与黑河流量呈现一致的缓慢上升, 与祁连山空中水汽总量的上升步调一致, 这也与他人的研究结论一致(柳景峰等, 2007; 蓝永超等, 2012)。经相关分析, 祁连山空中水汽保有量与同时期疏勒河径流量相关系数达到0.61, 与黑河径流量相关系数达到0.37, 均通过了0.05的信度检验, 其中祁连山空中水汽保有量与同时期疏勒河径流量相关检验通过了0.01的信度检验。

3.7 祁连山区域空中水汽廓线

从祁连山区周边各探空站各高度层比湿的垂直分布(图 10)可以看出, 500 hPa以下是主要的水汽集中层, 比湿各站均接近或大于1.0 g·kg^-1, 各站中西宁500 hPa比湿最大, 达1.6 g·kg^-1。各探空站比湿呈e指数规律快速减小, 300 hPa以上各站比湿快速接近于零。

4 结论

(1) 祁连山单位面积垂直累积水汽含量随季节变化差异大, 夏季最高, 秋季次之, 春季与秋季非常接近, 冬季最低, 最丰富时段无疑是夏季, 但与以往认识不同的是, 祁连山春季空中水汽含量接近于次高的秋季, 在适宜天气条件下, 也具有开发前景。

(2) 祁连山单位面积垂直累积水汽含量高值区主要分布在山区北麓甘肃境内海拔迅速降低区域, 面积较小, 水汽低值中心稳定存在于祁连山西段山区中, 这是以往分析资料空间分辨率不高时未曾看到的, 该低值中心水汽全年差异很大, 夏季水汽充盈时是冬季水汽匮乏时的6倍还多。祁连山西段水汽含量一年四季都低于东段, 这与之前学者研究结论一致(别强等, 2013; 张九天等, 2012)。空中水汽密度分布与之类似, 水汽密度高值区也集中在祁连山北麓面积较小区域内, 在祁连山西段山区海拔4000~4500 m区域水汽密度存在低值中心, 春夏秋冬分布相似。

(3) 祁连山区逐月单位面积垂直累积水汽含量呈单峰型变化, 6—9月是水汽分布最多的时段, 进入冬季起水汽含量快速减少。

(4) 近37年来, 祁连山区空中水汽年保有量呈现增加的趋势, 这也与同时段疏勒河与黑河径流量的逐步上升趋势是一致的, 但祁连山区空中水汽保有量在不同季节表现态势不同, 夏、秋季整体呈增加趋势, 冬、春季呈减少趋势, 冬季减少趋势更加明显, 这或许东亚冬季风活动减弱有关, 加之西北旱区水汽输送分析分歧大, 还有许多问题需要今后进一步研究(钱正安等, 2018)。