天津大氣水汽變化的特征和趨勢,大氣科學論文摘要：大氣中的水汽是大氣中重要的組成部分，水汽含量在人類日常生活中扮演重要的角色，大氣水汽含量探測工作對于水汽循環(huán)、水汽輸送、人工降水以及水資源評估等氣象研究具有重要意義。本文對高質(zhì)量的歐洲中期數(shù)值預報中心(ECMWF)再分析資料的進展進行了介紹，并且利用該資料對天津地區(qū)水汽含量的時空變化進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)水汽含量的變化具有明顯的季節(jié)性，受季風的影響顯著。在空間分布上，天津上空水汽含量呈現(xiàn)從東部沿海往西部內(nèi)陸地區(qū)逐步均勻減少的趨勢，并且其上空的水汽含量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，水汽含量的增加可能和溫室效應有關(guān)。本文關(guān)鍵詞語：天津地區(qū);水汽含量;時空分布;再分析資料;渤海灣;Abstract：Thewatervaporisanimportantcomponentoftheatmosphere.Thewatervaporcontentplaysanimportantroleinhumandailylife.Thedetectionofatmosphericwatervaporcontentisofgreatsignificanceformeteorologicalresearchsuchaswatervaporcirculation,watervaportransport,artificialprecipitation,andwaterresourcesassessment.Thispaperintroducestheprogressofhigh-qualityECMWFreanalysisdata,andusesthedatatoanalyzethetemporalandspatialvariationofwatervaporcontentinTianjin.Thestudyfoundthatthevariationofwatervaporcontenthasobviousseasonality,whichisaffectedbymonsoon.Intermsofspatialdistribution,thewatervaporcontentoverTianjingraduallydecreasedfromtheeasterncoastaltothewesterninland.Besides,thewatervaporcontentshowedanyearlyincreasingtrend,theincreaseofwatervaporcontentmayberelatedtothegreenhouseeffect.Keyword：Tianjin;watervaporcontent;temporalandspatialdistribution;reanalysisdata;BohaiGulf;0、引言常用的水汽探測手段有氣象遙感衛(wèi)星、雷達、無線電探空站、水汽輻射計和發(fā)展迅猛的GPS氣象等[6]。GPS技術(shù)的快速發(fā)展和成熟使其成為一種新的、愈加有力的對地觀測手段，在大氣探測、天氣變化監(jiān)測和數(shù)值天氣預報形式應用中具有一定的優(yōu)越性，成為該技術(shù)研究及應用的重要領(lǐng)域[3]。華而不實水汽的含量用可降水量來度量，可降水量就是單位面積氣柱中的水汽總量，一個地區(qū)的可降水量與該地區(qū)的緯度、海拔高度、距海洋遠近以及氣象條件等有關(guān)，同時可降水量與降水關(guān)系較為密切[5]?？山邓渴菢?gòu)成重要氣候環(huán)境的特征量，水汽多年的變化能夠反映氣候的演變經(jīng)過和變化[3,9]。20世紀90年代后，隨著再分析資料的產(chǎn)生，全球氣候變化研究得到了迅速發(fā)展，當前再分析數(shù)據(jù)在氣候變化、氣候診斷和分析、海洋氣候數(shù)值模等領(lǐng)域的研究中得到了廣泛的應用[2]。隨著技術(shù)的進步，再分析數(shù)據(jù)為氣象工作者研究提供了大量的高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。華北地區(qū)的干旱現(xiàn)象非常嚴重，十分是20世紀80年代以來華北地區(qū)夏季持續(xù)干旱，這對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活產(chǎn)生了重大影響，引起了諸多專家學者的關(guān)注[8]。天津市地處華北平原北部，海河的下游，具有獨特的氣候特性，素有九河下梢之稱[4]。研究水汽的變化特征和變化趨勢具有重要的意義。1、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)歐洲中期數(shù)值預報中心(EuropeanCentreforMediumRangeWeatherForecasts,ECMWF)全球再分析資料和美國國家環(huán)境預測中心/美國國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)全球再分析資料(NRA)，結(jié)合地面、探空、衛(wèi)星等觀測資料經(jīng)過形式同化，可提供時空連續(xù)的大氣、地表參數(shù)再分析資料，為研究天氣尺度和中尺度系統(tǒng)變化經(jīng)過提供了良好的條件，并能為中尺度數(shù)值形式及區(qū)域氣候形式提供初始場和邊界條件，對于區(qū)域及全球的氣候變化研究具有特別重要的作用[2]。ECMWF是一個包括24個歐盟成員國的國際性組織，是當今全球有影響力的國際性天氣預報研究和業(yè)務機構(gòu)，其前身為歐洲的一個科學與技術(shù)合作項目。該中心于1979年6月初次做出了實時的中期天氣預報。自1979年8月1日中心開場發(fā)布業(yè)務性中期天氣預報，為其成員國提供實時的天氣預報服務。ECMWF與世界各國氣象預報機構(gòu)在天氣預報領(lǐng)域有廣泛的聯(lián)絡，通過由世界氣象組織(WMO)維護的全球通信網(wǎng)絡向世界所有國家發(fā)送部分有用的中期數(shù)值預報產(chǎn)品。本文采用高質(zhì)量的再分析數(shù)據(jù)，ECMWF提供的水汽數(shù)據(jù)，對天津市水汽變化情況進行分析。ERA-Interim數(shù)據(jù)是ECMWF發(fā)布的1979年至今的全球氣象再分析數(shù)據(jù)集。ERA-Interim氣象模型和再分析系統(tǒng)使用了ECMWF的IFS(IntegratedForecastSystem)circle31r2，垂向分為60層，同化了衛(wèi)星數(shù)據(jù)、無線電探空儀的數(shù)據(jù)、氣象衛(wèi)星的風數(shù)據(jù)、衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)[2]。ERA-Interim數(shù)據(jù)提供天天4次的同化數(shù)據(jù)，并同時發(fā)布兩套為期10天的每3h間隔的預報數(shù)據(jù)[1]，供用戶使用。本文利用的ERA-Interim數(shù)據(jù)為0.1250.125分辨率的月平均數(shù)據(jù)，時間范圍為截取特征明顯且具有一定代表性的連續(xù)的48個月數(shù)據(jù)。本文分析中使用的資料為月均資料，數(shù)據(jù)的范圍為38N40N,116E118E。2、水汽含量的時空變化分析大氣中水汽含量是人工增水的重要基礎(chǔ)，對其深切進入研究為有效利用大氣水資源提供了理論根據(jù)[10]。華北地區(qū)大氣中水汽含量的時空分布，主要受大氣環(huán)流及下墊面因子的影響，具有明顯的季節(jié)變化特點。對天津地區(qū)的再分析數(shù)據(jù)進行處理就能夠得到該地區(qū)水汽含量的年平均分布，如此圖1、圖2所示。從圖能夠看出，天津地區(qū)的水汽含量分布不均，天津地區(qū)年均水汽含量平均在17mm左右，呈現(xiàn)顯著的從東部沿海渤海灣上空向西部內(nèi)陸逐步降低的趨勢。這也反映出在海洋上空的水汽含量要多于內(nèi)陸地區(qū)，東南部水汽含量最多，年平均值在19mm左右;西部為最小區(qū)，在14mm下面。天津地區(qū)各年水汽含量變化如此圖2所示，從圖2能夠看出，天津地區(qū)水汽含量呈現(xiàn)明顯的年周期特征，冬季水汽含量低，夏季水汽含量高，并且進行進一步的線性擬合發(fā)如今4四年水汽有微弱增加的趨勢。圖1天津地區(qū)20182020年水汽平均分布Fig.1AveragedistributionofwatervaporinTianjinfrom2018to2020圖2天津地區(qū)20182020年水汽含量變化Fig.2ChangesinwatervaporcontentinTianjinfrom2018to2020對于研究區(qū)域內(nèi)的各個網(wǎng)點的水汽含量進行統(tǒng)計分析，如此圖3所示。由于東部為渤海灣上空，水汽含量在19mm以上的有45個網(wǎng)格點。對天津地區(qū)的空間分布進行深切進入的分析，能夠研究天津地區(qū)上空水汽含量的空間分布變化。圖3水汽含量分布Fig.3Distributionofwatervaporcontent對各個網(wǎng)點的時間序列數(shù)據(jù)進行線性擬合(為0.05)，能夠得到整個空間這幾年的變化趨勢，如此圖4所示。根據(jù)圖4，能夠發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)呈現(xiàn)顯著的增大趨勢，尤其是中北部區(qū)域，其大范圍區(qū)域增加的趨勢在0.07mm/r左右。圖4天津地區(qū)水汽含量變化趨勢空間分布Fig.4SpatialdistributionofthechangetrendofwatervaporcontentinTianjin天津地區(qū)月平均水汽含量的變化如此圖5所示。能夠看出水汽主要集中在夏季，69月的水汽含量最高。根據(jù)圖5，各個季節(jié)分別分析如下:在華北地區(qū)，春季是冬夏季風的過渡時期，大陸反氣旋減弱，副熱帶反氣旋勢力開場加強西伸，同時西南氣流開場北進，上空大氣中水汽含量不斷增加，從3月的10mm左右到5月的18mm左右。在夏季時，亞洲大陸區(qū)域為暖性氣旋所控制，同時副熱帶高壓加強北移。在整個華北地區(qū)大氣中的水汽來源有3個，分別是西北、東南及西南方向上的氣流，尤其是東南方向和西南方向的氣流水汽含量尤為豐富，大氣中水汽含量也從不到20mm增加到40mm左右，增長了1倍。在夏季時，隨著氣流的向內(nèi)陸延伸時逐步減弱，水汽分布仍不平衡呈現(xiàn)東部多西部少的分布。在秋季，夏季風開場向冬季風過渡，導致大氣中水汽含量隨著時間的變化開場遞減，從30mm左右減少到10mm下面。在冬季，天津地區(qū)受西北加強的冷氣流控制，冬季水汽主要來自于北冰洋和大西洋，大氣中水汽含量基本平穩(wěn)，維持在5mm左右，能夠看出12月和1月是天津地區(qū)一年中水汽含量最少的月份。圖5天津地區(qū)水汽含量的月均變化Fig.5MonthlyaveragechangeofwatervaporcontentinTianjin3、結(jié)束語本文利用由歐洲中尺度氣候預報中心提供的高精度再分析數(shù)據(jù)，對天津地區(qū)上空水汽含量最近幾年的時空變化進行了分析。再分析數(shù)據(jù)的空間分辨率較高能夠較好地反映出天津地區(qū)水汽含量的分布狀況，有利于較好地把握整個區(qū)域的水汽含量變化趨勢。根據(jù)以上幾部分的分析，結(jié)論如下:天津地區(qū)年均水汽含量平均在17mm左右，呈現(xiàn)顯著的從東部沿海渤海灣上空向西部內(nèi)陸逐步降低的趨勢，東南部水汽含量最多，年平均值在19mm左右;西部為最小區(qū)，在14mm下面。天津地區(qū)的水汽含量在545mm之間，有逐年微弱增加的趨勢。天津地區(qū)大氣中水汽含量夏季最多，大氣中水汽含量從小于20mm增加到40mm左右，平均在30mm以上。天津地區(qū)大氣中水汽含量冬季最少，大氣中水汽含量基本在5mm左右，并且12月和1月是天津地區(qū)一年中水汽含量最少的月份。以下為參考文獻[1]高路，郝璐．ERA-Interim氣溫數(shù)據(jù)在中國區(qū)域的適用性評估[J]．亞熱帶資源與環(huán)境學報，2020,9(2):75-81.[2]高志剛，駱敬新，劉克修，等．ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)在中國沿海的質(zhì)量評估[J]．海洋科學，2021,39(5):92-105.[3]李國平，黃丁發(fā)．GPS氣象學研究及應用的進展與前景[J]．氣象科學，2005(6):651-661.[4]牛嬌．天津市濕地資源演變規(guī)律與退化風險研究[D]．天津:天津大學，2020.[5]張凱靜，戴新剛．再分析資料中可降水量與地面水汽壓關(guān)系檢驗[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學，2018(18):9665-9671.[6]趙海蘭，謝亞楠，于春艷，等．基于加權(quán)平均溫度模型改良的上海市GPS可降水量反演[J]．工程勘察，2020,42(2):73-77.[7]張京朋．中國區(qū)域大氣水