罗 雄，王 谨，张小娟，崔 蕾，李枚曼
（1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002；3.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550081）
贵州省地处我国西南部，属于典型的岩溶地区，其境内地势西高东低，属亚热带湿润季风气候，虽然大部分地区雨量充沛，但时空分布不均且大部分降水都转化为地下水，水资源利用难度较大，同时贵州省具有复杂的喀斯特地貌，这使得贵州省成为我国的干旱高发区[1]。由于贵州省以层积混合云降水居多，因此，通过开展云水资源特征研究，了解降水云系有多少水量及其时空变化特征，进而科学利用人工增雨技术提高空中云水资源的转化效率、补充生态用水，是遏制土地石漠化、河流干枯、湿地破坏、生态退化，保障生态环境建设、生态安全的迫切需求。
空中云水资源是指存在于云中，通过一定技术能被人类利用的水物质[2]，贵州地处乌江源地及珠江上游，在孟加拉湾和南海的水汽输送带上，空中水资源充沛[3]。过去对大气水循环和空中水资源的研究，都集中在对水汽的输送和收支与降水的关系，对空中水凝物资源状况研究较少。需要指出的是，水汽资源不能直接被开发利用，其抬升凝结的产物——云水才是可利用的资源，云水作为大气水循环的重要环节、云-辐射相变和水相变的主角，云水凝结以后到形成降水这一阶段是最有可能被利用来改变自然降水分布的[2]。近年来，甘肃、青海、广西、黑龙江和江苏等省份先后开展了空中云水资源评估及增雨潜力的研究，并取得了一定成果[4-14]；对于贵州省空中云水资源的研究，彭宇翔等[15]利用各地区云水资源人工增雨开发潜力评估方案中的CWR-PEP 评估方法计算得出2013 年3-9 月贵州省人工增雨量累计增加32 亿m3。
由于资料时空分辨率的局限性，对于省区云水资源评估，已有的研究大多是针对长时间序列的样本进行计算，对于降水个例的评估并不多见。因此，本文根据中国气象局人工影响天气中心下发的《云水资源评估技术指南（2016 版）》，利用ERA5 高分辨率再分析资料和卫星观测资料，对贵州省夏季1 次台风外围云系降水过程的降水场和三维云水场进行监测及云水资源计算，分析降水云系的云水资源特征及降水效率，以期为合理开发利用贵州省的空中云水资源，科学开展人工增雨作业提供依据。
1 资料与方法
1.1 资料
本文所选用的资料包括（时间均采用北京时）：（1）ERA5（Fifth generation ECMWF Re-Analysis data）高分辨率再分析资料（https：//cds.climate.copernicus.eu/），其时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向上共37 层（1 000～1 hPa）；（2）由国家卫星气象中心提供的水平分辨率为0.1°×0.1°的FY-2F 气象卫星反演得到的1 小时间隔的黑体亮温（Temperature of Brightness Blackbody，TBB），简称TBB 资料（http：//data.cma.cn）；（3）中国自动气象站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing Technique）融合的水平分辨率为0.1°×0.1°逐时降水资料（http：//data.cma.cn）。
1.2 方法
1.2.1 云水资源评估理论方法
本文采用中国气象局人工影响天气中心所建立的云水资源监测评估方法（Cloud water resource-monitoring and evaluation method，简称CWR-MEM）。该方法以大气水物质变化方程为基础，对于一定时段，一定区域，综合考虑大气水物质的变化，包括水汽和水凝物的瞬时变化和平流输送，水汽垂直方向的抬升、凝结成云，降水粒子落出及地面蒸发等过程，提出包括大气水物质收支平衡方程，及云水资源总量及其各种特征量的物理概念和计算方法，本文评估区域为24.5°-29.5°N，103.5°-109.5°E，包含贵州省全境。图1 为水物质变化过程，对于任意时段和区域，水物质的变化包括水汽和水凝物的瞬时变化和平流输送、水汽垂直方向的抬升凝结/凝华成云、云内粒子蒸发/升华为水汽、降水粒子的下落和地表蒸发等物理过程[16]。
图1 一定时段和区域的云水资源评估示意图（来源于《云水资源评估技术指南（2016 版）》）
1.2.2 相关概念
水汽（Atmospheric Water Vapor，简称Qv）：指气态的水物质。
水凝物（Atmospheric Hydrometeors，简称Qh）：指大气中液态和固态水物质。按粒子大小可分为云粒子（Qc）和存在于空中的液态和固态的降水粒子（Qp）。
降水（Precipitation，简称R）：指降落到地面的液态和固态水物质。降水是人类可用水资源的主要来源，它形成江河径流，补充湖泊、冰川、雪盖和地下水、土壤水等。
空中水物质（Atmospheric Material，简称Qm）：指存在于空中的水汽和水凝物。
云水资源（Cloud Water Resource，简称CWR）：指存在于空中，通过一定技术手段可以开发利用的水凝物。
2 个例概况与ERA5 资料适用性检验
2.1 个例概况
本文选取的台风外围云系降水个例为2019 年8月26 日07 时-27 日12 时的一次降水过程（降水时段共30 h）。此次过程主要受2019 年第11 号台风“白鹿”登陆后减弱的热带低压影响，在中低层贵州省主要受热带低压西侧的东北气流控制。受热低压外围云系影响，雨带主要分布在贵州省东南部，最大累计雨量在25 mm 以上，如图2 所示。
图2 2019 年8 月26 日07 时-27 日12 时COMRPH 融合降水量（单位：mm）
2.2 ERA5 资料适用性检验
资料的适用性往往影响评估结果，所以本节对计算云水资源主要用到的ERA5 再分析资料中的降水量（tp）与云水场（云水（clwc）+云冰（ciwc）+云里的雨滴（crwc）+云里的雪（cswc））分别与COMRPH 融合降水资料和风云2F 卫星TBB 资料进行对比分析，检验ERA5 再分析资料降水量和水凝物参量的适用性。
利用ERA5 再分析资料和CMORPH 融合降水资料计算评估区域内此次降水过程的逐小时的区域平均降水量，绘制时间变化曲线，如图3 所示；需要说明的是，图中横轴的时刻“1-30”对应着降水个例的起止时刻。从降水量的大小来看，ERA5 资料要大于CMORPH融合资料，降水量最大差值为0.39 mm，平均差值为0.19 mm，数值上差异不大；从变化趋势来看，CMORPH 融合降水量随时间呈多波动变化，整体呈增长的趋势，ERA5 资料降水量的变化趋势与其基本一致。虽然相对于CMORPH 融合降水资料，ERA5 资料的降水量在数值上偏大，但是降水演变趋势基本一致，说明ERA5 资料能够反映整个过程的降水特征，因此将ERA5 资料的降水量用于计算云水资源是可行的。
图3 ERA5 再分析资料与CMORPH 融合资料逐小时区域平均降水量变化曲线
将任意时次评估区域内所有格点的水凝物（Qh）进行垂直积分，得到该时刻的云水场空间分布，其在一定程度上能够反映降水云系的演变特征，可与卫星TBB 观测结果进行对比。需要说明的是，在做对比分析时为了能够涵盖降水过程的整个过程，分别选取了降水过程不同阶段的云水场和TBB 的空间分布，如图4所示。由图4a 可知，在2014 年8 月26 日10 时，降水云系主要在贵州东部，TBB 值为-20℃左右，西部为晴空区，结合云水场（图4d）可知贵州省东部为水凝物的聚集区，分布形态与TBB 基本一致，呈带状分布；8 月26 日20 时（图4b），位于贵州省东南部的云系发展增强，TBB 值降低，虽然对应的水凝物场（图4e）空间分布范围小于TBB 的分布，却较好地反映出了位于研究区域东南角的大值中心；在8 月27 日11 时，结合图4c 和图4f 可知，水凝物场的形态分布与云场基本吻合，云系主要分布在贵州省西南部。综上所述，ERA5资料的降水量和云水场能够反映整个过程的降水和云场演变特征，可将其用于云水资源的计算。
图4 降水过程典型时刻ERA5 再分析资料云水场（下）与风云2F 卫星资料云场（上）空间分布（其中云水场参量Qh 单位为10-3 g/kg，云场参量TBB 单位为℃）
3 云水资源评估分析
3.1 水汽、水凝物和降水的时空演变特征
根据水汽和水凝物瞬时值计算方法，本次过程的水汽和水凝物的瞬时存量及相对应的一小时降水量如图5 所示。由水汽的演变可见，此次降水过程贵州省境内柱水汽含量都在40 kg/m2以上（转换为最大可降水量，约80 mm），水汽主要呈带状分布，并且自东向西移动，水汽大值带在移动过程中逐渐扩展，在贵州省的中东部水汽较为充沛，柱水汽总量最大可达70 kg/m2。水凝物大值区与水汽充沛区的总体分布及演变趋势较为一致，但是水凝物的大值区范围较小，与水汽的大值区存在一定差异；随着系统的移动，云水场也逐渐西移加强，在27 日07 时最大柱水凝物含量可达4 kg/m2。对比地面降水场的演变可知，降水带自东向西南方向扩展，主要分布在贵州省东部和南部云水充沛的区域，各时次降水量级基本一致，为典型的台风外围云系的层状云降水特征；地面降水场的分布与水凝物场对应更好。
图5 水汽（左）、水凝物（中）和降水（右）的空间分布
为了进一步研究水汽、水凝物和地面降水的联系及变化特征，先将研究区域内所有格点的水汽和水凝物进行垂直积分，然后再计算逐小时的区域平均值，绘制水汽、水凝物和地面降水量时间变化曲线，如图6 所示。由图可知，本次降水过程水汽含量基本上随时间呈缓慢增长的趋势，说明有来自边界外的水汽不断进行补充；水凝物随时间呈多波动变化，整体为增加趋势，峰值出现在27 日05 时，水凝物含量为1.5 g/kg，水汽的值比水凝物大2～3 个量级；结合降水量可知，降水量与水凝物的变化趋势基本一致，说明降水与水凝物的对应关系比水汽更好，水凝物的变化对于降水具有指示意义。
图6 2019 年8 月26 日07 时-27 日12 时，水汽、水凝物和降水量区域平均值逐小时变化
结合三维水汽场诊断方法和水物质守恒方程与平衡方程，可计算此次降水过程中研究区域内各水物质瞬时值和平流输送量随时间的演变，结果如图7 所示。由图7a 可见，在此次降水过程中瞬时水汽存量变化较大，整体呈现增加的趋势，特别是在26 日07 时-27 日04 时这一阶段，水汽瞬时存量迅速增加至2.38×1013kg；水汽的输入和输出变化趋势比较平稳，说明水汽的输入和输出比较均匀，但水汽的输入量大于输出量，即水汽的净输入增加，水汽总量增加。水凝物的变化（图7 b）与水汽的变化略有差异，水凝物的瞬时存量呈多波动变化趋势，整体先增加后减小然后再增加，峰值出现在27 日05 时，最大存量约为2.1×1011kg，比水汽的存量小2 个量级，在27 日05-07 时水凝物存量开始减小；此外，整个降水过程水凝物的输入量总是大于输出量，并且输入量比较平稳，云水总体表现为平流输入。
图7 2019 年8 月26 日07 时-27 日12 时，水汽和水凝物的瞬时值和平流输送变化
3.2 云水资源评估结果
表1 给出了此次降水过程的各水物质量。由表可知，此次过程地面降水51.55 亿吨，水汽和水凝物的输入大于输出，总体表现为净输入，并且水汽的瞬时值和平流输送总是大于水凝物2 个量级。
表1 2019 年8 月26 日07 时-27 日12 时各水物质量（单位：1011 kg=亿吨）
表2 给出了此次降水过程的云水资源特征参量评估结果。由表可知，此次降水过程水凝物总量（云水资源总量）为108.84 亿吨，水汽总量为4 720.06 亿吨，云水资源总量远小于水汽总量，但水凝物的时空变化快，更新周期短（为0.7 小时），而水汽时空变化相对较慢，更新周期相对较长（为5.29 天），总水物质降水效率为1.07%，水汽降水效率为1.09%，水凝物降水效率为47.37%，可以看出水凝物的降水效率明显高于水汽降水效率，此次降水过程空中留存的云水总量为57.29亿吨，说明空中水凝物未完全转化为降水，具备一定的增雨开发潜力。
表2 层积混合云降水过程空中云水资源计算评估结果
4 结论
本文根据中国气象局人工影响天气中心下发的《云水资源评估技术指南（2016 版）》，利用ERA5 高分辨率再分析资料和卫星观测资料，对贵州省夏季1 次台风外围云系降水过程的云水资源进行计算，并分析了其云水特征及降水效率。得到以下结论：
（1）通过地面降水场与水汽场和水凝物场的时空演变特征分析可知，水汽含量一般比水凝物大1～2 个量级，但是地面降水场水凝物场对应关系比水汽场更好，水凝物的变化对于降水具有指示意义。
（2）此次过程地面降水51.55 亿吨，净凝结量为47.91 亿吨，水汽和水凝物的输入大于输出，总水物质为净输入。
（3）云水资源总量远小于水汽总量，但相较于水汽，水凝物的更新周期短，时空变化快；水凝物降水效为47.37%，明显高于水汽降水效率，空中留存的云水总量为57.29 亿吨，具备一定的增雨开发潜力。
