1. 引言
海南的季节性和区域性干旱,影响工农业生产,为解决水资源短缺问题,需要了解海南空中云水资源的分布及其变化规律。由于云水量资料获取较为困难,导致云水资源的研究比较缺乏,阻碍了空中水资源的开发利用。本文应用中国气象科学研究院人工影响天气中心的水资源监测评估方法(Cloud water resource-monitoring and evaluation method,简称CWR-MEM)和利用GrADS (Grid Analysis and Display System)对NCEP/NCAR (美国国家环境预测中心/大气研究中心)的FNL (Final Operational Global Analysis)再分析资料进行解码和格式转换等方法,对2015年海南空中云水量的分布特征和变化趋势进行分析和研究。估算空中云水资源人工增雨潜力,为开展人工增雨作业提供科学依据,这具有十分重要的现实意义 [1] - [10] 。
2. 资料和方法
2.1. 资料
2.2.1
. 大气再分析资料
采用NCEP/NCAR提供的6小时一次FNL再分析资料,一天4次(世界时00时、06时、12时和18时),空间分辨率1˚ × 1˚,垂直方向从1000 hPa到10 hPa共26层。包括地面气压、海平面气压、位势高度、温度、相对湿度以及风场等信息,同时在垂直方向上也能给出不同高度的大气特征量。FNL资料是T
254 L
64谱模式的高分辨率资料同化地面观测、无线电探空、气球、飞机和卫星观测资料得到的。本文利用GrADS对FNL资料进行解码和格式转换 [11] [12] 。
2.2.2
. 降水融合产品
采用国家气象信息中心下发的气象卫星与地面降水观测资料的融合产品(CMPA-Hourly, V1.0),水平分辨率1˚ × 1˚,时间分辨率为1小时。
2.2. 方法
应用云水资源监测评估方法CWR-MEM,根据大气水平衡理论,归纳得到(0-T)时段内,任意区域内的水汽和水凝物的平衡方程 [13] :
水汽终值 − 水汽初值 = 水汽输入 − 水汽输出 + 蒸发 − 凝结 + 地面蒸发 (1)
水凝物终值 − 水凝物初值 = 水凝物输入 − 水凝物输出 + 凝结 − 蒸发 − 降水(2)
云水资源及相关物理量的计算方法:
一定时段(0-T)、一定区域范围(X,Y,Z)的云水资源评估量包括各种水物质总量、水物质更新周期和水物质转换效率三类,共十个参量。各参量的概念和计算方法如下:
水汽总量GQv:T时段内,评估区域内参与大气水循环过程的水汽总量。
GQv = 水汽初值 + 水汽输入 + 地面蒸发 + 蒸发
或GQv = 水汽终值 + 水汽输出 + 凝结
水凝物总量GQh:T时段内,评估区域内参与大气水循环过程的水凝物总量。
GQh = 水凝物初值 + 水凝物输入 + 凝结
或GQh = 水凝物终值 + 水凝物输出 + 降水 + 蒸发
降水总量GR:T时段内,分析区域的降水总量。
GR = T时段内区域雨量累加
云水资源总量GCWR:一定范围,一段时间中,水凝物总量中没有降到地面的那部分。
GCWR = 水凝物总量 − 降水总量
= 水凝物终值 + 水凝物总输出 + 蒸发
或GCWR = 水凝物初值 + 水凝物总输入 + 凝结 − 降水
水汽更新周期Tv:0-T时段,评估区域内水汽瞬时总量的平均值和平均降水强度的比值。
Tv = 水汽瞬时总量的平均值/(总降水量/时段)
水凝物更新周期Th:0-T时段,评估区域内水凝物瞬时总量和平均降水强度的比值。
Th = 水凝物瞬时总量的平均值/(总降水量/时段)
水汽凝结效率P:一定范围,一段时间中,总凝结量占总水汽量的比率。
P = 总凝结量/水汽总量
水汽降水效率Ev:一定范围,一段时间中,降水总量占水汽总量的比率。
Ev = 降水总量/水汽总量
水凝物降水效率Eh:一定范围,一段时间中,降水总量占水凝物总量的比率。
Eh = 降水总量/水凝物总量
总水物质降水效率Em:一定范围,一段时间中,降水总量占总水物质总量的比率。
Em = 降水总量/总水物质量
3. 云水资源评估值
3.1. 海南2015年云水资源评估值
海南2015年空中云水资源评估计算结果见表1。
水汽和水凝物输入和输出量评估值列于表2。
3.2. 海南2015年不同区域云水资源评估值
海南东部地区(包括文昌、琼海和万宁),西部地区(包括昌江和东方),北部地区(包括海口、定安、澄迈、临高和儋州),南部地区(包括乐东、保亭、陵水和三亚),中部地区(包括屯昌、白沙、琼中和五指山)的空中云水资源的计算评估结果值分别列于表3~表5。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Evaluation values of the Hainan 2015 cloud water resource
表1. 海南2015年空中云水资源评估值
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. The water vapor and hydrometeor boundary of each input and output evaluation value of Hainan in 2015
表2. 海南2015年从各边界输入和输出的水汽和水凝物评估值
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. The air water amount of material evaluation value in different regions of Hainan in 2015
表3. 海南2015年不同区域空中各水物质总量评估值
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 4. The air water material evaluation value of different areas of Hainan in 2015
表4. 海南2015年不同区域单位面积上空中各水物质评估值
分析2015年不同区域的云水资源评估量可见:北部的水汽总量最多,西部的水汽总量最少,水汽更新也较快,4至6天;水汽凝结效率都差不多,在2%左右,其中水汽凝结效率最高的是中部,约为2.8%,最少的是西部,约为1.8%。在各区域中,北部和中部的水凝物总量较为丰沛,西部的水凝物总量最小,
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 5. Evaluation value of water substances update cycle and conversion efficiency in different regions of Hainan in 2015
表5. 海南2015年不同区域水物质更新周期和转换效率评估值
但平均到单位面积上后,中部的水凝物平均值最大,东部次之,西部的水凝物平均值也是最小。各部区域的水凝物降水效率比较大,都在90%以上。而各部区域的水汽降水效率Ev和总水物质降水效率Em均较低,约2%左右。
海南不同区域中,中部和东部水凝物总量较大,云系有较高的降水效率,云水资源总量也最为丰沛;西部区域水凝物总量为各部区域中最少,降水效率也最低,都有很大一部分云水资源可供开发利用。
4. 海南不同区域云水资源各特征量的分布特征
4.1. 海南2015年不同区域云水资源总量分布特征
海南空中云水资源总量GCWR在中部、东南部最为丰沛,西部云水资源总量相对较少,空间分布极不均匀,如图1所示。
4.2. 海南2015年不同区域水汽和水凝物存量分布特征
海南岛水汽分布是西南部少、四周多,这可能与海南岛地形和四周是海洋有关;而水凝物的分布与降水趋势相类似,中部的水凝物多,而四周少。与水汽相比,水凝物的瞬时存量明显小于水汽约3个量级,且空间分布更为不均匀。水汽存量主要位于海南岛的沿海地区,最小值在西南部;而水凝物存量的最大值位于中部,依次往本岛四周减少,如图2所示。
4.3. 海南2015年水汽和水凝物平流输送分布特征
海南水汽平流输送值中部较大,东北部次之,西部和西南较小。而水凝物平流输送值在中部最小,西部反而最大。海南水汽和水凝物平流输送分布有所相反;水凝物的年平流输送明显小于水汽约1个量级,如图3所示。
4.4. 海南2015年水汽和水凝物更新周期
水汽更新周期年平均值大多在4~6天之间,水凝物更新周期10~11小时,如图4所示。
5. 海南岛历年降水量的时空分布特征
海南岛50年(1961~2010)平均降水量的空间分布,如图5所示。从中可以看到,全省各市县年平均降水量都比较大,降水丰沛,全省年平均降水量接近
1800 mm
。其中以中部的琼中县为最多,达到
2401.5 mm
,而西部的降水量普遍较小,其中东方市的年平均降水量最少,仅为
962.2 mm
,是全省最缺水的地区。就不同区域的降水量而言,中部单位面积上的平均降水量最大,东部次之,均超过
1500 mm
,西部单位面积上的降水量最小,不足
1000 mm
。
![](//html.hanspub.org/file/1-2320266x9_hanspub.png)
Figure 1. Total cloud water resource distribution feature in the air of different regions of
Hainan
in 2015 [1011 kg]
图1. 海南2015年不同区域空中云水资源总量分布特征[1011 kg]
![](//html.hanspub.org/file/1-2320266x10_hanspub.png)
Figure 2. Distribution characteristics of Hainan in 2015 (a) water vapor (b) hydrometeor [mm]
图2. 海南2015年存量分布特征 (a) 水汽 (b) 水凝物[mm]
![](//html.hanspub.org/file/1-2320266x11_hanspub.png)
Figure 3. Distribution characteristics of net transport of Hainan in 2015 (a) water vapor (b) hydrometeor [1011 kg]
图3. 海南2015年净输送值分布特征 (a) 水汽 (b) 水凝物[1011 kg]
由于地形和热带气候的影响,降水量在时空上分布极不均匀,东湿西干非常明显。每年5~10月是多
![](//html.hanspub.org/file/1-2320266x12_hanspub.png)
Figure 4. The update cycle of Hainan in 2015 (a) water vapor [day] (b) hydrometeor [hour]
图4. 海南2015年更新周期 (a) 水汽[天]和 (b) 水凝物[小时]
![](//html.hanspub.org/file/1-2320266x13_hanspub.png)
Figure 5. Spatial distribution characteristics of 50 years average precipitation of
Hainan
Island
图5. 海南岛50年平均降水量的空间分布特征
雨季,总降雨量达
1500 mm
左右,占全年降雨量的70%~90%;每年11月至次年4月为少雨季,仅占全年降雨量的10%~30%;海南岛中部和东部降水量较大,西部降水量较小。海南岛属季风气候区,盛行风随季节变更。冬半年,常风以东北风和东风为主,平均风速2~3 m/s。夏半年,海南岛转吹东南风和西南风,且夏秋台风较多,水分和热量都比冬半年充足。海南处于热带地区,阳光充足,日照时间长,水分蒸发量大,少雨季干旱常常发生。
6. 海南2015年气候概况
2015年1月~12月,海南降水量较常年平均偏少24%,其中:2月、3月、5月、8月月雨量较常年同期异常偏少5~7成;1月、6月、9月、10月较常年同期偏少1~3成;4月、12月降水量较常年同期偏多约1~3成;11月降水量与常年同期持平。如图6所示。
![](//html.hanspub.org/file/1-2320266x14_hanspub.png)
Figure 6. Distribution characteristics of monthly average precipitation of
Hainan
in 2015
图6. 海南2015年月平均降水量分布特征
7. 小结
应用水资源监测评估方法CWR-MEM和利用GrADS对FNL资料进行解码和格式转换的方法,分析评估了2015年海南空中云水资源,分析结果对开发人工增雨潜力无疑具有重要的参考意义。
1) 海南2015年空中云水资源总量31.5亿吨,水汽净输入量74.1亿吨,水凝物净输入量5.6亿吨。
2) 海南不同区域中,中部和东部水凝物总量较大,云系有较高的降水效率,云水资源总量也最为丰沛;西部区域水凝物总量为各部区域中最少,降水效率也最低。
3) 海南2015年不同区域云水资源总量GCWR分布特征,在中部、东南部最为丰沛,西部云水资源总量相对较少,空间分布极不均匀。
4) 海南2015年不同区域水汽和水凝物存量分布特征,水凝物的瞬时存量明显小于水汽约3个量级,且空间分布更为不均匀。
5) 海南2015年水汽和水凝物平流输送分布特征,水汽和水凝物平流输送分布有所相反;水凝物的年平流输送明显小于水汽约1个量级。
6) 海南2015年水汽更新周期年平均值大多在4~6天之间,水凝物更新周期10~11小时。
7) 海南岛50年(1961~2010)降水量的时空分布特征,全省各市县年平均降水量都比较大,降水丰沛,年平均降水量接近
1800 mm
。
8) 海南岛2015年平均降水量较常年平均偏少24%,为
1360.5 mm
。
基金项目
资助信息:中国气象局华南区域气象中心科技攻关项目《人工增雨潜力的自动分级预报设计》。