汪 玲，唐 林，李 琼，丁 莉

(湖南省人工影响天气领导小组办公室，湖南长沙 410000)

我国水资源不仅缺乏，而且时间空间分布不均匀，已经严重影响到农业生产用水、日常生活用水、工业制造用水等。研究水汽资源分布及变化特征可为合理开发空中水资源提供科学依据。空中水汽资源含量十分丰富，只有其中一小部分通过云降水过程降落到地面，空中还有大部分水资源未转化，空中水汽资源开发潜力巨大[1-3]。空中水汽资源的评估方法多样，其中通过大气可降水量和比湿等特征因子研究水汽分布与水汽总量的计算为重要内容之一，采用资料主要为气象探空资料、地面气象资料、NCEP再分析资料等[4-6]。探空资料地域分布稀疏，目前在湖南只有长沙、怀化、郴州3个探空站，每天只有08：00、20：00资料，空间、时间精度较低，且必须核查缺测、误差数据，并补充其他探测资料；采用地面气象资料，利用地面水汽压与大气可降水量的经验关系公式估算得到大气可降水量的水平分布情况，估算依赖地区经验公式，资料查询、计算工作繁琐；NCEP资料使用广泛，且具有时序时间长、资料全的优势，可以直接获取大气可降水量以及各气压层比湿特征因子对水汽水平、垂直方向的时间变化特征进行分析，资料获取难度和资料计算量相对减少，更适用于评估地区水汽资源情况。

2015年，湖南全省平均气温为18.0 ℃，较常年偏高0.6 ℃，为1961年以来第四高值；平均降水量1 580.5 mm，较常年偏多12.6%；平均日照时数为1 185.1 h，较常年偏少272.0 h，创1961年以来新低。笔者选用NCEP再分析资料详细探讨了2015年湖南上空水汽演变特征，为湖南空中水汽资源评估提供依据。

1 资料与方法

选用的资料为美国环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)联合对外发布的逐6 h再分析资料，该资料以netCDF(netware Common Data Form)的形式存储，包括了7个基本气象要素，根据变量名逐年生成独立文件。针对气象预报分析中常用的7层(1 000、925、850、700、500、400、300 hPa)进行分析。数据逐6 h每天4次，按照时次、变量、高度、纬度、经度依次存放，数据分辨率为2.5°×2.5°，数据资料大。

整层大气水汽含量(大气可降水量)的公式[7-8]为：

式中，w、g、p0、q(p)分别为垂直大气水汽含量、大气重力加速度、水平地面气压值、不同气压层的比湿。所以，通过研究各个气压层比湿来研究水汽在垂直方向的变化。

综上，该研究采用GrADS抽取2015年湖南地区大气可降水量以及各气压层比湿特征数据[9]，再利用MATLAB软件对数据进行空间(水平、垂直)、时间(日、月、季节)分析，较详细地探讨了2015年湖南上空水汽含量与水汽总量的时空演变特征，为湖南空中水汽资源评估提供参考。

2 水汽的垂直分布特征

2.1比湿垂直廓线由图1可知，水汽含量随高度递减，1 000 hPa比湿达14.7 g/kg；850 hPa时，水汽已经明显不足一半，为6.9 g/kg；到700 hPa比湿下降至3.3 g/kg，当高度继续增加至500 hPa时，比湿小于1.5 g/kg，400 hPa以上水汽更少。可见，在700 hPa以下的中低层水汽含量十分丰富，超过了总量的90%，但在300 hPa以上的大气层，水汽含量非常小，计算水汽总量时可以忽略不计。

图1 2015年湖南地区比湿的垂直廓线Fig.1 The vertical profile of the specific humidity in Hunan Province in 2015

2.2850hPa比湿时间分布特征湖南地区850 hPa比湿历年平均为6.9 g/kg，由图2可知，2015年全年850 hPa比湿为5.7～8.5 g/kg，其中冬春季(12月—次年5月)最小，夏秋季(6—11月)最大，到秋季(9—11月)逐月下降。

从春夏秋冬四季中，选择1、4、7、10月4个代表月份的逐日平均比湿值进行统计分析。结果发现(图3)，4月(春季)日平均比湿数值变化最大，最小值为2.2 g/kg，最大值为8.8 g/kg，相差6.6 g/kg；7月(夏季)日平均比湿值最小，数值在5.7～9.5 g/kg，相差3.8 g/kg；秋冬季次之，最小、最大值分别相差6.0、5.0 g/kg 。可见，日平均比湿数值变化从大到小依次是春季、秋季、冬季、夏季。

图2 2015年湖南地区850 hPa逐月平均比湿Fig.2 The average monthly specific humidity of 850 hPa in Hunan Province in 2015

图3 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地区850 hPa逐日平均比湿Fig.3 The average daily specific humidity of 850 hPa in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

由此可知，2015年湖南地区不同季节850 hPa水汽含量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季节水汽日变化春秋季大于冬夏季。

2.3925hPa比湿时间分布特征湖南地区925 hPa比湿历年平均为10.1 g/kg，由图4可知，2015年925 hPa比湿为8.7～11.5 g/kg，其中冬春季(12月—次年5月)最小，夏秋季(6—11月)最大，到秋季(9—11月)逐月下降。

同样选择1、4、7、10月4个代表月份的逐日平均比湿值进行统计分析，由图5可知，10月(秋季)日平均比湿数值变化最大，最小值为9.8 g/kg，最大值为15.1 g/kg，相差5.3 g/kg；7月(夏季)日平均比湿值最小，数值在9.5～11.9 g/kg，相差2.4 g/kg；冬春季次之，最小、最大值分别相差3.1、4.2 g/kg 。可见，日平均比湿数值变化从大到小依次是秋季、春季、夏季、冬季。

图4 2015年湖南地区925 hPa逐月平均比湿Fig.4 The average monthly specific humidity of 925 hPa in Hunan Province in 2015

由此可知，2015年湖南地区不同季节925 hPa水汽含量夏秋季最大，冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季节水汽日变化春秋季大于冬夏季。

图5 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地区925 hPa逐日平均比湿Fig.5 The average daily specific humidity of 925 hPa in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

3 水汽的水平分布特征

3.1大气可降水量地理分布特征影响大气可降水量的因素很多，主要有热力条件、纬度因子、海陆分布等[10]，受热力条件影响，温度越高，大气从地面获取的水汽就越多；受纬度因子影响，纬度越低的地区，接受的太阳辐射一般较多，相对地面升温速度更快，大气可降水量相比也偏多一些；受海陆分布影响，越靠近海洋，大气水汽越丰富。

受以上因子影响，由图6可见，2015年湖南地区大气可降水量空间分布总体趋势是从北向南增大，湘北地区年平均大气可降水量为31.0～32.0 kg/m2，湘中大部分地区年平均为32.0～32.5 kg/m2，湘南地区年平均为32.5～33.5 kg/m2，处于湘南的永州南部地区年平均最大，超过33.0 kg/m2。

图6 2015年湖南地区年平均大气可降水量空间分布(单位：kg/m2)Fig.6 The spatial distribution of average precipitable water vapor in Hunan Province in 2015

3.2大气可降水量时间分布特征由图7可知，2015年湖南地区大气可降水量为25.5～39.5 kg/m2，年平均约为32.2 kg/m2，其中夏秋季最大，冬春季最小；冬季(12月—次年2月)大气可降水量逐月下降，总量为一年最小时段，春季(3—5月)比冬季平均大气可降水量增加一些，夏季(6—8月)达到最充沛，到秋季(9—11月)又开始逐月下降，与湖南地区逐月平均比湿变化趋势基本一致。

图7 2015年湖南地区大气可降水量月变化Fig.7 The average monthly water vapor in Hunan Province in 2015

同样选择1、4、7、10月4个代表月份的逐日平均大气可降水量进行统计分析，由图8可知，10月(秋季)日平均大气可降水量变化最大，最小值为26.0 kg/m2，最大值为49.5 kg/m2，相差23.5 kg/m2；1月(冬季)日平均大气可降水量变化最小，数值为17.0～34.1 kg/m2，相差17.1 kg/m2；春夏季次之，最小、最大值分别相差22.2、11.4 kg/m2。

由此可知，2015年湖南地区不同季节水汽总量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，与上述湖南地区逐月平均比湿变化趋势基本一致；而不同季节水汽总量日变化春秋季最大，冬夏季最小。

图8 2015年1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)湖南地区逐日平均大气可降水量Fig.8 The average daily precipitable water vapor in January(a)，April(b)，July(c)and October(d)in Hunan Province in 2015

4 小结

利用NCEP逐6 h再分析资料获取2015年湖南地区各气压层比湿和大气可降水量，采用GRADS和MATLAB对数据进行处理分析与绘图，对2015年水汽水平、垂直时间空间全方位分布情况进行分析，总结出以下结论：

(1)垂直分布上：湖南地区水汽主要分布在700 hPa以下的中低层，占水汽总量的90%以上，且在300 hPa以上大气，水汽含量很小，可以忽略。

(2)不同气压层上：选择2015年湖南地区850、925 hPa 2个气压层数据进行分析，不同季节水汽含量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降，而不同季节水汽日变化春秋季最大、冬夏季最小。

(3)水平分布上：湖南地区大气可降水量空间分布总体趋势是从北向南增大，湘北地区年平均为31.0～32.0 kg/m2，湘中大部分地区年平均为32.0～32.5 kg/m2，湘南地区年平均为32.5～33.5 kg/m2，处于湘南的永州南部地区年平均最大，超过33.0 kg/m2。

(4)全省平均水汽总量在时间轴上：2015年湖南地区不同季节平均水汽总量夏秋季最大、冬春季最小，到秋季逐月下降；而不同季节水汽总量日变化春秋季最大、冬夏季最小，与湖南地区850、925 hPa气压层上水汽变化趋势基本一致。

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科技论文写作规范——工作单位

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