山西地区大气可降水量与实际降水量变化特征分析

摘要

利用2000～2013年NCEP/NCAR月平均再分析资料和实际降水量资料，分析了山西地区14年来整层大气可降水量以及实际降水量变化特征。结果表明，该地区全年大气可降水量月平均数值较低，其中，夏秋季节最多，春季次之，冬季最少，且秋季与春季基本呈反向变化趋势;实际降水量季节变化明显，春夏季节降水最多，秋季次之，冬季最少，实际降水量总体要多于大气可降水量;降水量年际变化明显，呈总体减少趋势，大气可降水量年变化与实际降水量年变化并不一致，但总体也为减少趋势。

关键词山西地区;大气可降水量;实际降水量;变化特征

中图分类号S161.6文献标识码A文章编号0517-6611（2015）01-171-03

Variation Characteristics of Precipitation Water and the Actual Precipitation over Shanxi

YU Li1，2， LI Jixiang3， SHANG Kezheng1 et al

（1. College of Atmospheric Sciences， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000; 2. Unit 63717 of PLA， Taiyuan， Shanxi 030031; 3. China Institute for Radiation Protection， Taiyuan， Shanxi 030006）

AbstractThe whole layer of precipitation water and the actual precipitation variation characteristics of the Shanxi over the past 14 years was analyzed with 2000-2013 NCEP/NCAR monthly mean reanalysis data and the actual precipitation data. The results showed that： the precipitation water of the region has a low value of year average， the value of summer and fall are higher than that of spring， and winter has the lowest value， and there shows an opposite change tendency in autumn and spring; the actual precipitation seasonal changes a lot over seasons， most precipitation are in spring and summer， followed by autumn and winter， generally the value of actual precipitation are higher than that of precipitation water; the actual precipitation has an obvious interannual change， and shows a negative trend， changes in annual precipitation water are not consistent with the actual annual precipitation， but also display a negative trend.

Key wordsShanxi region; Atmospheric precipitation water; Actual precipitation， Variation characteristics

作者简介

于立（1988-），女，山东潍坊人，助理工程师，在读硕士，从事现代天气预报技术与方法研究。

收稿日期20141120

随着极端气候事件的频发，近年来，世界各国对全球气候变化带来的影响越来越重视，气候变化已成为当今国际社会普遍关注的全球性问题。IPCC AR4报告曾指出自20世纪70年代以来人类影响已经促使全球朝着旱灾面积增加和强降水事件频率上升的趋势发展，大多数副热带大陆地区的降水量可能减少[1]。IPCC AR5指出上层海洋1971～2010年发生了变暖，由此引起的水循环的变化正是响应了全球变暖的结果[2]。中纬度地区和温带地区土壤湿度可能会减少10%[2]。所以在降水多地区和降水少地区之间的差异和季节上的差异会有所增加，这对气候变化以及对未来农业产量或生态系统的影响非常重要。

整层大气可降水量指不考虑外界水汽循环、输送的前提下，单位面积区域内垂直大气气柱内所含的水汽全部凝结为液态水时可积聚的液态水总量[3]。整层大气可降水量还是研究大气辐射和吸收以及全球热量输送的一个重要参量[4]。

山西位于黄土高原与华北平原交界处，在气候类型上属于温带大陆性季风气候。该地区位于气候脆弱带，对气候变化的响应极其敏感，地形复杂，水资源缺乏，素有“十年九旱”之说。最近几十年以来干旱化趋势日趋明显、水资源日益紧张，水资源紧缺已成为制约这一地区经济发展的瓶颈问题[5-7]。

因此，全面分析山西省大气可降水量变化特征，为制定山西地区经济、社会可持续发展规划提供指导意见，不仅具有科学意义，且具有十分重要的应用价值。

1资料与方法

1.1资料来源

计算大气可降水量数据来自2000～2013年NCEP/NCAR提供的2.5°×2.5°月平均再分析资料，实际降水量数据来自中国气象科学数据共享服务网提供的中国地面降水月值0.5°×0.5°格点数据集，研究区域取为108°～116°E、32°～42°N，纳入计算的高度层为1 000～300 hPa。季节划分采用气象学划分，即春季为3～5月、夏季为6～8月、秋季为9～11月、冬季为12月～次年2月。

1.2分析方法

计算方法采用权维俊等提出的方法[8]，即

RPW=1ρg∫pzpsqdp、

q=622ep-0.378e、E=RH·E、

lgE=10.795 74（1-T1T）-5.028 001gTT1+1.504 75×10-4[1-10-8.296 9（TT1-1）]+0.428 73×10-4[104.769 55（1-T1T）-1]+0.786 14，

其中，RPW为整层大气可降水量，ρ为液体水密度，g为重力加速度，pS为地面气压，pZ为Z高度气压，q为比湿，p为气压，e为实际水汽压，RH为相对湿度，E为饱和水汽压，T1为水的三相点温度，等于273.16 K，T为绝对温度;pS、pZ、RH、T的数据均由NCEP/NCAR资料给出。在计算时，将原始数据经过反距离加权法[9]插值为0.5°×0.5°的格点数据。

2 结果与分析

2.1大气可降水量变化特征分析

由相关分析得知，山西地区大气可降水量自东南到西北方向减少。从全年月平均值来看，该地区全年大气可降水量数值较小;春季平均数值在25～45 mm，冬季最少，为10～20 mm，夏秋季较多，分别为70～100、35～55 mm（图1）。从4个季节的年变化（图2）来看，大气可降水量冬季平均数值14年来一直处于低值，且呈缓慢减少趋势;春季、夏季的年变化趋势基本一致，而秋季与春季基本呈反向变化趋势。

注：a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季。

图1  2000～2013年山西地区大气可降水量季节平均

图22000～2013年山西地区大气可降水量各季节平均年变化

2.2实际降水量变化特征分析

从图3可以看出，山西地区实际降水量季节变化明显，14年来春季、夏季平均降水较多，冬季最少;山西地区西部偏南有一个降水的高值中心;降水空间分布的整体趋势为由东南到西北方向递减。另外，各个季节的降水量年变化比较明显，2003、2012年冬季降水有很明显的增高;春季降水在2000～2009年持续走低的大前提下，在2003年也是有个很明显的增高，2010～2013年春季降水起伏较大，且呈增高趋势;冬季降水与春季降水的趋势基本一致;14年来夏季降水呈缓慢增长趋势，增长过程中也出现了3次明显的起伏增大;秋季降水14年来也是有几个峰值，与夏季降水趋势基本一致，在春季降水少的年份，秋季降水会增多（图4）。

注：a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季。

图3   2000～2013年山西地区实际降水量季节平均

2.3 大气可降水量与实际降水量对比分析

大气可降水量的多少仅代表该地降水的潜力，与实际降水量并不相同。江晓滨等从云物理学角度出发，设E为大气垂直气柱中的雨水含量与大气中液态水总含量（取微波辐射计观测值）的比为降水转化率，l-E则表示增雨的潜力[10]。李霞等则从气候学角度定义了一种降水转化率，也得到了广泛的应用[11]。蔡英等指出全国大部分地区大气可降水量的转化率并不高，且降水本身就是一个复杂的过程，大气可降水量与实际降水量的关系比较复杂[12]。Adedokun在西非地区大气可降水量与实际降水量的研究中指出，实际降水量与大气可降水量大致呈函数关系式Y=axb（a、b均为常数）[13]。

经分析得知（图5），山西地区的大气可降水量在春季、夏季、秋季小于实际降水量，只有冬季时期由于降水量较少，才与大气可降水量有了交叉点。进一步分析发现，对山西地区降水量而言，2000年全年降水较多， 2001、2002年降水大幅减少; 2003年降水又有了大幅增长， 2004年降水骤减; 2005年降水较多， 2006年降水的减少之后2007年、2008年降水又开始增加，2009～2013年降水减少趋势明显，而从总体来看，2000～2013年降水量总体走低（图6）。

14年来山西地区大气可降水量总体呈减少趋势;除了2002年大气可降水量是较之前2001年增加之外，一直到2006年大气可降水量变化情况与实际降水量类似;之后自2006～2008年大气可降水量持续减少，虽然2007、2008年降水量比2006年增加，但大气可降水量并没有比2006年多。2009～2012年实际降水量趋于减少，但大气可降水量却有微幅的增加，在2013年才又开始减少（图6）。

3结论与讨论

（1）2000～2013年山西地区大气可降水量与实际降水量空间变化一致，均是从东南方向到西北方向递减。

图42000～2013年山西地区实际降水量各季节平均年变化

图52000～2013年山西地区大气可降水量与实际降水量季节平均年变化

图62000～2013年山西地区大气可降水量与实际降水量

（2）2000～2013年山西地区大气可降水量的季节分布由高到低依次为夏季、秋季、春季、冬季，年变化不明显;而实际降水量的季节分布由高到低依次为夏季、春季、秋季、冬季，年变化明显。

（3）2000～2006年大气可降水量与实际降水量变化趋势一致，但2007～2012年变化趋势却相反，山西地区大气可降水量与实际降水量总体呈减少趋势，抗旱减灾，已迫在眉睫。

（4）众多研究曾分析过山西地区降水的影响因子，如王文义曾指出太平洋海温、SOI指数、副高指数、经向纬向环流指数、极涡均对山西降水异常和干旱预测有一定的指示意义，且对每项指标均进行了详细分析[7];Wang等最新研究发现厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）能造成全球一些地区降水异常，但这种影响关系并不稳定，会受到北太平洋年代际涛动（PDO）调控[14];郭其蕴等研究发现东亚夏季风的减弱也是导致华北地区降水减少的原因之一[15]。另外，Gaffen等研究指出温带地区大气可降水量的变化与厄尔尼诺和南方涛动有一定的关系[16-17]。笔者期望在后续的研究中更加深入的进行探讨。

43卷1期

于 立等山西地区大气可降水量与实际降水量变化特征分析

参考文献

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