祁连山区域人工增雨的适宜条件及影响因素分析

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祁连山地处我国西北干旱半干旱气候区,在人口和经济活动日益增长的条件下,生态环境遭到破坏,水资源紧缺问题日益突出,严重地阻碍了区域的经济及社会的可持续发展。解决好水资源的开发利用是实现西部大开发战略以及实现“一带一路”倡议的目标之关键。解决水资源短缺问题,在自然天气过程不能提供足够的降水的情况下,通过实施人工影响天气工程增加降水量是目前及未来有效的手段之一。本文利用1996-2016年ERA5资料、中国气象局国家气象信息中心提供的降水及探空资料,针对在祁连山区域进行人工增雨的适宜条件及影响因素进行了分析研究,包括降水量、大气可降水量、水汽通量、零度层高度、地表温度等,并研究了变量之间的相互关联。主要结果如下:(1)1996-2016年间祁连山降水量总体呈现增多的趋势。降水量的时间分布受雨带移动以及季风影响主要集中在夏季,降水量由大到小的顺序是夏季>秋季>春季>冬季;降水年际变化不均匀,同一个月的降水量在各年间相差可超过60 mm;降水的空间分布受地形及环流因素影响而呈现出不均匀。夏季降水最大区域位于祁连山区内部偏东南,最小区域位于研究区西南角的格尔木地区,最高最低降水量相差多达401 mm。(2)大气可降水量时间变化上由大到小的顺序是夏季>秋季>春季>冬季,其中7月份可达到95.6 mm;冬季最低,1月最低仅为14 mm。大气可降水量的空间分布区域不均匀,高值区主要位于研究区东北部,大气可降水量高值区与降水高值区并不一一对应。大气可降水量相对稳定,在不同降水类型下大气可降水量相差不超过1 mm,故大气可降水不宜作为是否可能降水的判断依据。(3)研究区域的水汽输送以纬向输送为主,其中西边界为主要水汽输入方向,且纬向水汽收支为负,经向水汽收支为正,总水汽收支为负,区域内水汽输入小于输出。区域100-103oE,36-37.5oN上空夏季水汽充沛,除了西风带来的水汽外还有季风带来的水汽。(4)夏季零度层多年平均高度总体呈波动上升趋势,但不同月的多年变化趋势的表现却不尽一致。部分峰值年份零度层高度的变化与El Nino事件相关。零度层高度存在各种时间尺度的变化,7月-8月达到全年的最大值,平均值在5100 m。上升幅度小于下降幅度。每个月内零度层高度的逐日变化也是波动式上升(春季)和波动式下降(秋季)。这种周而复始的变化形成了零度层高度的年变化周期。(5)零度层高度的空间分布受复杂地形的影响而不均匀,分布型与祁连山山脉走向相契合,即呈西北-东南走向,体现了地形的特点。绝对高度与地形海拔高度分布有很好的对应,而在高海拔地区相对高度低,低海拔地区相对高度高。零度层绝对高度在南坡由南至北逐渐上升,而在北坡变化与南坡相反,北坡变化梯度大于南坡。(6)地表温度、地面气压是影响零度层高度变化的主要因子。地表热状况对零度层高度的影响在零度层相对高度较低的区域(高海拔)更为直接,属于近程有限的影响。地表温度对零度层高度的影响有一定的滞后性,落后2小时相关系数可以达到0.8;地面气压场的分布也有关,主要体现在低海拔地区。将两者高相关区结合,相关系数总体可达0.5以上,故可以将两者共同作为预报因子预测零度层高度。(7)夏季零度层高度与地表风速的u、v分量存在一定的相关,u分量的作用主要体现在区域西端,v分量则对区域中部及中东段影响较大。与区域降水空间分布对比后发现,夏季影响零度层高度以及区域降水的主要是季风系统。利用研究区域的气象因子,如降水时空分布及演变、水汽输送、中尺度气压系统、温度场等信息,以及这些因素与零度层高度的相关性,可以构建确定适宜进行人工增雨作业时机的决策模型,为在祁连山区有序开展增雨作业提供科学参考。
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