青海地区ERA5大气可降水量分布特征及性能分析.pdf

164青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY0 引言青藏高原占中国国土面积的 1/4，平均海拔高度超过 4500m，约达对流层高度的 1/3。由于地势高耸，素称“世界屋脊”和“地球第三极”，其地气作用，尤其是能量与水汽循环过程对高原本地甚至亚洲夏季风、东亚大气环流及全球气候变化均有十分重要的影响。因此，青藏高原既是我国气象工作者也是世界气象工作者重点关注的区域1。在各类高原气象科学问题中，高原大气可降水量是近年来的研究热点。大气可降水量是一项重要的气象参数，对降水的形成、辐射能的吸收和放射、气候的形成与变化都有重要的影响。方文维等2研究了我国大气可降水量变化特征，发现我国大气可降水量总体呈由东南沿海向西北内陆递减的趋势。蔡英等3指出高原及周围地区的气柱可降水量有显著的地区和季节变化，东亚和南亚季风区可降水量的冬夏季节变化最大，而华北区干湿季节的可降水量差异明显。赵思玉等4利用大气可降水量分析青藏高原大气水循环与高原涡持续时间的关系，表明高原涡持续时间与高原中南部的大气水循环因子为正相关。鲁同所等5分析近 30 年拉萨市大气可降水量变化特征，表明在过去 30 年中拉萨市的基金项目:青海省气象局面上项目(QXMS2022-26)；青海省气象台自立项目(STZL2023-03)。作者简介:梅成红(1996-),女,助理工程师,主要从事青藏高原灾害性天气预报技术研究和天气机理研究工作。E-mail:。*通信作者:管琴(1977-),女,正研级高级工程师,主要从事天气预报技术、灾害性天气机理分析、数值预报等方面的研究。E-mail:。青海地区 ERA5 大气可降水量分布特征及性能分析梅成红1 胡 垚1 管 琴2*尤桑杰1 牛海祯1 朱玉军1 曹晓敏1（1.青海省气象台，西宁 810000；2.青海省气象科学研究所，西宁 810000）摘 要：文章利用 2010-2020 年 ERA5 再分析资料比湿和地表气压数据计算得到青海地区大气可降水量及其时空分布特征，并将其与西宁站实测气压、露点温度数据计算得到的西宁大气可降水量进行对比分析。结果表明：青海省水汽分布呈现“南湿北干，东湿西干”特征，在垂直分布中水汽主要分布在 500hPa 以下，大气可降水量在青海东部河谷地区存在高值区，西南部唐古拉山区和北部高海拔山区存在低值中心。各季节大气可降水量分布中，夏季大气可降水量最高，冬季最小。大气可降水量年变化和日变化中差别不大，月变化中呈现单峰型分布，7 月大气可降水量最大，1 月和 12 月最小。ERA5 再分析资料对夏季大气可降水量是低估的，而对冬季大气可降水量则是高估的。通过相关性分析发现，ERA5 再分析资料和实测资料分别计算得到的西宁大气可降水量相关系数达 0.977，相关性较高，具有较好的一致性特征。关键词：大气可降水量；青海地区；ERA5；时空分布中图分类号：P426.6 文献标识码：A 文章编号：1005-9393(2023)03-0164-07165青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY大气可降水量总体呈现下降趋势，且季节性变化显著。诸多学者对青藏高原的大气可降水量在不同方面展开讨论，而青海省处于青藏高原东北麓，针对青海地区的大气可降水量研究较少。现有的研究中有强安丰等6研究了三江源区大气可降水量时空特征和降水的关系，表明近 38 年三江源区大气可降水量呈现微弱增加趋势，1979-1997 年大气可降水量呈下降趋势，1998 年后大气可降水量呈增加趋势，同期降水也在增加。唐仲涛等7对祁连山区的大气可降水量研究发现祁连山地区大气可降水量由西部向东部递增，且东部远大于西部。以上研究对青海地区总体大气可降水量没有做过多研究，但是青海省内地形、下垫面复杂多样，各区域大气可降水量分布特征也不同，考虑到青海站点稀少，高空观测站只有 7 站，空间分辨率满足不了研究全省大气可降水量分布特征的需求，所以采用 ERA5 再分析资料进行深入分析，同时利用西宁站实况进行对比，对 ERA5 再分析资料验证，从而进一步探索青海省大气可降水量分布特征。1 资料与方法1.1 资料本文所用数据为 2010-2020 年再分析数据和西宁站高空观测数据。再分析数据选择 ERA5 比湿、地表气压逐时数据、蒸发量月平均数据，范围为 89E-103.5E,31N-40N，逐时数据空间分辨率为 0.25，月平均数据空间分辨率为 0.1。西宁实测数据采用西宁探空站的各层气压和露点温度数据。1.2 方法利用各层比湿再分析数据计算大气可降水量，公式为：（1）式（1）中，为液态水密度，单位为 1g/cm3；q 为比湿，单位为 g/kg；p 为气压，ps为地面气压，单位为 hPa；g 为重力加速度，单位为 m/s-2。为计算方便将公式（1）进一步简化得到公式（2）：（2）利用西宁站探空数据计算大气可降水量，主要采用柯丽萍等8所用的方法：首先利用西宁站各层露点温度数据计算出各高度的水汽压 e，单位为 hPa。采用方文维等2使用的水汽压公式：（3）计算各高度上的比湿q，单位为g/kg。公式为:（4）用式（2）计算西宁站大气可降水量。2 结果与分析2.1 比湿垂直分布由图 1 可知，2010-2020 年青海地区水汽分布图 1 2010-2020 年青海地区平均经向（a）和纬向（b）比湿垂直分布166青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY呈现南湿北干、东湿西干的特征，在垂直分布中水汽主要分布在低层，300hPa 以上水汽几乎为 0，在计算大气可降水量时积分上限可选择 300hPa。另外，青海南部地区海拔较高，纬度低，平均海拔高度在 600hPa 左右，水汽主要集中在 600400hPa，且 500hPa 以下水汽占比较大，近地面多年平均水汽可达到 3.5g/kg；北部地区海拔较低，近地面多年平均水汽不足 3g/kg；东部地区水汽主要集中在 500hPa 以下，近地面多年平均水汽达到 4g/kg，较西北部水汽高 1.5g/kg 左右。2.2 大气可降水量空间分布通过公式（2）利用 ERA5 比湿数据计算得到大气可降水量。由图 2a 所示，在青海东部河谷地区存在大气可降水量高值区，多年平均大气可降水量达到 8mm 以上，青南南部地区和柴达木盆地多年平均大气可降水量在 57mm，而在西南部唐古拉山区和北部高海拔山区存在大气可降水量低值中心，青南北部高海拔地区大气可降水量也较小。青海地区大气可降水量总体趋势为自东向西减小，柴达木盆地较为特殊，年平均降水量不足 100mm，是全省降水最少的地区，但是从大气可降水量来看，柴达木盆地存在次高值中心。结合青海及周边潜在蒸发量空间分布可知（图 2b），潜在蒸发量在柴达木盆地存在大值中心，由此可见，柴达木盆地由于蒸发相对较大导致落到地面的降水偏少。除西藏自治区以外，青海北侧和东侧大气可降水量均在 8mm 以上，相比周围省份青海省大气可降水量总体偏小，可见青海地区大气可降水量受青藏高原大地形影响较大。图 2 2010-2020 年青海及周边地区多年平均大气可降水量和潜在蒸发量空间分布（b）潜在蒸发量（a）平均大气可降水量通过分析 2010-2020 年青海地区多年平均各季节大气可降水量特征得出，春季（3 月至 5 月）唐古拉山区、海西高海拔山区大气可降水量低值中心明显，在 3mm 以下；东部地区大气可降水量仍然为高值中心；东部河谷地区大气可降水量在58mm 之间；柴达木盆地和玉树南部、果洛南部、海北地区大气可降水量在 4mm 左右。春季大气可降水量分布情况与全年大气可降水量一致，但在数值上偏小（见图 3a）。夏季（6 月至 8 月）青海地区雨量充沛，在大气可降水量分布上东部河谷地区的高值中心更加明显，达到 16mm 以上；柴达木盆地、玉树南部、果洛南部大气可降水量达到 12mm；而在海西北部山区为低值区，大气可降水量达到 10mm；唐古拉山区存在低值中心，大气可降水量在 8mm 左右（见图 3b）。秋季（9 月至 11 月）青海地区大气可降水量迅速降低，东部河谷地区大气可降水量转为 710mm，较夏季低 10mm；柴达木盆地、玉树南部、果洛南部大气可降水量在 56mm，是夏季大气可降水量的 1/2；唐古拉山地区和海西北部山区仍然是低值中心，大气可降水量为 4mm 左右。秋季大气可降水量分布状况与全年平均相似（见图 3c）。冬季（12 月至翌年 2 月）青海地区大气可167青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY降水量分布趋势与平均态一致，东部河谷地区是高值中心，大气可降水量为 2.53mm 之间；唐古拉山区和海西北部山区为低值中心，大气可降水量为 1.5mm 左右（见图 3d）。总之，各季节青海地区大气可降水量分布趋势一致，东部河谷低海拔地区为大气可降水量高值中心，而在唐古拉山区和祁连山区等高海拔地区为大气可降水量低值中心。四季变化中，夏季大气可降水量较为突出，数值较大；秋季次之；冬季大气可降水量最低。2.3 大气可降水量时间分布2010-2020 年青海地区大气可降水量逐年变化（图 4a）中，大气可降水量较大的年份为 2010 年、2016 年和 2018 年，2010 年和 2016 年日平均大气可降水量为 6mm 左右，2018 年日平均大气可降水量在 6.5mm 左右；2015 年大气可降水量较低，为5.5mm 左右。11 年中大气可降水量略有逐年上升趋势，但是每年相差 1mm 左右，差别较小，整体分布较为均匀。青海地区大气可降水量月变化（图 4b）呈现单峰型分布，6 月、7 月、8 月和 9 月大气可降水量较大，其中 7 月大气可降水量最大，日平均能达到 13mm；而 1 月至 3 月、11 月至 12 月大气可降水量相对较小，日平均在 3mm 以下；4 月、5月和 10 月日平均大气可降水量在 56mm 左右。一年中大气可降水量最小的是 1 月和 12 月。青海地区大气可降水量日变化（图 4c）中，多年平均每小时大气可降水量在 6mm 左右，11 时左右大气可降水量略高，但整体上一天中每小时大气可降水量变化较为均匀，无明显日变化特征。（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季图 3 2010-2020 年青海及周边地区多年平均大气可降水量空间分布168青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图 4 2010-2020 年青海地区大气可降水量年变化（a）、月变化（b）和日变化（c）2.4 ERA5 与实测资料计算得出的大气可降水量对比分析从西宁站 2010-2018 年 ERA5 与实测资料计算得出的大气可降水量（图 5）可以看出：在大气可降水量时间序列上，两者具有一致性，ERA5 能很好地表现出每年夏季和秋季大气可降水量较高、春季和冬季大气可降水量低的特征。从 ERA5 和实况的偏差可以看到，偏差基本在 5mm169青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY对 ERA5 和实况大气可降水量进行线性回归分析（图 6），发现散点基本分布在对角线附近，满足线性关系。分析相关性得到相关系数高达0.977，两者相关性较高，所以用 ERA5 再分析资料分析青海地区大气可降水量分布特征是可行的。3 结论本文通过对青海地区大气可降水量时空分布特征、比湿垂直分布特征的分析和西宁站 ERA5与实况大气可降水量的对比分析，得到如下结论：（1）青海地区水汽分布呈现南湿北干、东湿西干的特征，在垂直分布中水汽主要分布在 500hPa以下；青海东部河谷地区存在大气可降水量高值区，唐古拉山区和青海北部高海拔山区存在大气可降水量低值中心，青南北部海拔较高地区大气可降水量也较小。（2）各季节大气可降水量分布趋势一致，四季变化中，夏季大气可降水量较为突出，数值较大；秋季次之；冬季大气可降水量最低。（3）大气可降水量年变化和日变化中分布较为均匀，月变化中呈现单峰型分布，6 月至 9 月大气可降水量较大，其中 7 月大气可降水量最大，一年中大气可降水量最小的是 1 月和 12 月。图 5 西宁站 2010-2018 年 08 时 ERA5 与实测资料计算得出的大气可降水量对比（上）和两者偏差（下）以内，且在夏秋季节偏差较大，冬春季节偏差较小，这主要是由于冬春季节大气可降水量基数较小导致的；另外从偏差可以看到，在夏季实况大气可降水量明显高于 ERA5，而在冬季则相反，实况略低于 ERA5。总之，ERA5 大气可降水量和实况具有较好的一致性特征，但是 ERA5 对夏季大气可降水量是低估的，而对冬季大气可降水量则是高估的。图 6 西宁站 08 时 ERA5 和实况大气可降水量散点图170青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYAnalysis of the Distribution Characteristics and Performance of ERA5 Atmospheric Precipitable Water in QinghaiMeiChenghong1,HuYao1,GuanQin2,YouSangjie1,NiuHaizhen1,ZhuYujun1,CaoXiaomin1（1.QinghaiMeteorologicalObservatory,Xining810000,China;2.QinghaiInstituteofMeteorologicalScience,Xining810000,China)Abstract:UsingthespecifichumidityandsurfacepressuredataoftheERA5reanalysisdatafrom2010to2020,thispapercalculatedtheatmosphericprecipitablewateranditsspatiotemporaldistributioncharacteristicsinQinghaiProvince,andcompareditwiththeatmosphericprecipitablewaterofXiningcalculatedbythemeasuredpressureanddewpointtemperaturedataofXiningStation.TheresultsshowedthatthedistributionofwatervaporinQinghaiProvinceshowedacharacteristicof“wetinthesouthanddryinthenorth,wetintheeastanddryinthewest”.Intheverticaldistribution,watervaporwasmainlydistributedbelow500hPa,andtherewerehighvalueareasofatmosphericprecipitablewaterintheeasternvalleyareaofQinghai.TherewerelowvaluecentersintheTanggulaMountainsandinthehigh-altitudemountainsofthenorthpartofQinghai.Inthedistributionofatmosphericprecipitablewaterinvariousseasons,therewerethehighestprecipitablewaterinsummerandthelowestprecipitablewaterinwinter.Itshowedlittledifferencebetweentheannualanddailyvariationsofatmosphericprecipitablewater,withasinglepeakdistributioninmonthlyvariations.ThemaximumatmosphericprecipitablewaterisinJuly,andtheminimumisinJanuaryandDecember.ERA5reanalysisdataunderestimatesatmosphericprecipitablewaterinsummer,whileoverestimatesatmosphericprecipitablewaterinwinter.ThecorrelationanalysisoftheatmosphericprecipitablewateratXiningStationwasconductedusingERA5reanalysisdataandmeasureddata,respectively.Thecorrelationcoefficientreached0.977,indicatingahighcorrelationandgoodconsistency.Keywords:Atmosphericprecipitablewater;Qinghairegion;ERA5;Spatiotemporaldistribution（4）ERA5 再分析资料对夏季大气可降水量是低估的，而对冬季大气可降水量则是高估的。（5）ERA5 和实况大气可降水量相关性较高，满足线性关系，具有较好的一致性特征。参考文献:1周长艳,唐信英,李跃清.青藏高原及周边地区水汽、水汽输送相关研究综述J.高原山地气象研究,2012,32(3):76-83.2方文维,朱紫云,林日新.我国大气可降水量变化特征分析J.海峡科学,2019(7):19-24+32.3蔡英,钱正安,吴统文,等.青藏高原及周围地区大气可降水量的分布、变化与各地多变的降水气候J.高原气象,2004,23(1):1-10.4赵思玉,范广洲.青藏高原大气水循环与高原涡持续时间的关系分析J.西南大学学报:自然科学版,2022,44(10):114-126.5鲁同所,舒善杰,廖偲含,等.近30年拉萨市大气可降水量变化特征研究J.昆明理工大学学报:自然科学版,2021,46(3):47-55.6强安丰,汪妮,解建仓,等.三江源区大气可降水量时空特征及其与降水关系J.干旱气象,2019,37(1):22-30.7唐仲涛,李甫,张青,等.1961年2020年祁连山地区大气可降水量变化分析J.青海科技,2021,28(6):113-118+124.8柯莉萍,张艳,陈银东,等.探空与地面露点温度两种资料反算大气可降水量间差异对比J.中低纬山地气象,2020,44(5):26-31.