大气科学论文
摘 要： 大气中的水汽是大气中重要的组成部分，水汽含量在人类日常生活中扮演重要的角色，大气水汽含量探测工作对于水汽循环、水汽输送、人工降水以及水资源评估等气象研究具有重要意义。本文对高质量的欧洲中期数值预报中心(ECMWF)再分析资料的进展进行了介绍，并且利用该资料对天津地区水汽含量的时空变化进行了分析，研究发现水汽含量的变化具有明显的季节性，受季风的影响显着。在空间分布上，天津上空水汽含量呈现从东部沿海往西部内陆地区逐步均匀减少的趋势，并且其上空的水汽含量呈现逐年增加的趋势，水汽含量的增加可能和温室效应有关。
关键词： 天津地区; 水汽含量; 时空分布; 再分析资料; 渤海湾;
Abstract： The water vapor is an important component of the atmosphere. The water vapor content plays an important role in human daily life. The detection of atmospheric water vapor content is of great significance for meteorological research such as water vapor circulation,water vapor transport,artificial precipitation,and water resources assessment. This paper introduces the progress of high-quality ECMWF reanalysis data,and uses the data to analyze the temporal and spatial variation of water vapor content in Tianjin. The study found that the variation of water vapor content has obvious seasonality,which is affected by monsoon. In terms of spatial distribution,the water vapor content over Tianjin gradually decreased from the eastern coastal to the western inland. Besides,the water vapor content showed an yearly increasing trend,the increase of water vapor content may be related to the greenhouse effect.
Keyword： Tianjin; water vapor content; temporal and spatial distribution; reanalysis data; Bohai Gulf;
0 、引言
常用的水汽探测手段有气象遥感卫星、雷达、无线电探空站、水汽辐射计和发展迅猛的GPS气象等[6]。GPS技术的快速发展和成熟使其成为一种新的、更加有力的对地观测手段，在大气探测、天气变化监测和数值天气预报模式应用中具有一定的优越性，成为该技术研究及应用的重要领域[3]。其中水汽的含量用可降水量来度量，可降水量就是单位面积气柱中的水汽总量，一个地区的可降水量与该地区的纬度、海拔高度、距海洋远近以及气象条件等有关，同时可降水量与降水关系较为密切[5]。可降水量是形成重要气候环境的特征量，水汽多年的变化可以反映气候的演变过程和变化[3,9]。
20世纪90年代后，随着再分析资料的产生，全球气候变化研究得到了迅速发展，目前再分析数据在气候变化、气候诊断和分析、海洋气候数值模等领域的研究中得到了广泛的应用[2]。随着技术的进步，再分析数据为气象工作者研究提供了大量的高质量的观测数据。
华北地区的干旱现象非常严重，特别是20世纪80年代以来华北地区夏季持续干旱，这对工农业生产和人民生活产生了重大影响，引起了众多专家学者的关注[8]。天津市地处华北平原北部，海河的下游，具有独特的气候特性，素有“九河下梢”之称[4]。研究水汽的变化特征和变化趋势具有重要的意义。
1 、数据基础
欧洲中期数值预报中心(European Centre for MediumRange Weather Forecasts,ECMWF)全球再分析资料和美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)全球再分析资料(NRA)，结合地面、探空、卫星等观测资料经过模式同化，可提供时空连续的大气、地表参数再分析资料，为研究天气尺度和中尺度系统变化过程提供了良好的条件，并能为中尺度数值模式及区域气候模式提供初始场和边界条件，对于区域及全球的气候变化研究具有十分重要的作用[2]。ECMWF是一个包括24个欧盟成员国的国际性组织，是当今全球有影响力的国际性天气预报研究和业务机构，其前身为欧洲的一个科学与技术合作项目。该中心于1979年6月首次做出了实时的中期天气预报。自1979年8月1日中心开始发布业务性中期天气预报，为其成员国提供实时的天气预报服务。ECMWF与世界各国气象预报机构在天气预报领域有广泛的联系，通过由世界气象组织(WMO)维护的全球通信网络向世界所有国家发送部分有用的中期数值预报产品。
本文采用高质量的再分析数据，ECMWF提供的水汽数据，对天津市水汽变化情况进行分析。ERA-Interim数据是ECMWF发布的1979年至今的全球气象再分析数据集。ERA-Interim气象模型和再分析系统使用了ECMWF的IFS(Integrated Forecast System) circle31r2，垂向分为60层，同化了卫星数据、无线电探空仪的数据、气象卫星的风数据、卫星高度计数据等数据[2]。ERA-Interim数据提供每天4次的同化数据，并同时发布两套为期10天的每3 h间隔的预报数据[1]，供用户使用。本文利用的ERA-Interim数据为0.125°×0.125°分辨率的月平均数据，时间范围为截取特征明显且具有一定代表性的连续的48个月数据。本文分析中使用的资料为月均资料，数据的范围为38°N—40°N,116°E—118°E。
2 、水汽含量的时空变化分析
大气中水汽含量是人工增水的重要基础，对其深入研究为有效利用大气水资源提供了理论依据[10]。华北地区大气中水汽含量的时空分布，主要受大气环流及下垫面因子的影响，具有明显的季节变化特点。对天津地区的再分析数据进行处理就可以得到该地区水汽含量的年平均分布，如图1、图2所示。从图可以看出，天津地区的水汽含量分布不均，天津地区年均水汽含量平均在17 mm左右，呈现显着的从东部沿海渤海湾上空向西部内陆逐渐降低的趋势。这也反映出在海洋上空的水汽含量要多于内陆地区，东南部水汽含量最多，年平均值在19 mm左右;西部为最小区，在14 mm以下。天津地区各年水汽含量变化如图2所示，从图2可以看出，天津地区水汽含量呈现明显的年周期特征，冬季水汽含量低，夏季水汽含量高，并且进行进一步的线性拟合发现在4四年水汽有微弱增加的趋势。
图1 天津地区2010—2013年水汽平均分布
Fig.1 Average distribution of water vapor in Tianjin from 2010 to 2013
图2 天津地区2010—2013年水汽含量变化
Fig.2 Changes in water vapor content in Tianjin from 2010 to 2013
对于研究区域内的各个网点的水汽含量进行统计分析，如图3所示。由于东部为渤海湾上空，水汽含量在19 mm以上的有45个网格点。对天津地区的空间分布进行深入的分析，可以研究天津地区上空水汽含量的空间分布变化。
图3 水汽含量分布
Fig.3 Distribution of water vapor content
对各个网点的时间序列数据进行线性拟合(α为0.05)，可以得到整个空间这几年的变化趋势，如图4所示。根据图4，可以发现天津地区呈现显着的增大趋势，尤其是中北部区域，其大范围区域增加的趋势在0.07 mm/r左右。
图4 天津地区水汽含量变化趋势空间分布
Fig.4 Spatial distribution of the change trend of water vapor content in Tianjin
天津地区月平均水汽含量的变化如图5所示。可以看出水汽主要集中在夏季，6—9月的水汽含量最高。根据图5，各个季节分别分析如下:在华北地区，春季是冬夏季风的过渡时期，大陆反气旋减弱，副热带反气旋势力开始加强西伸，同时西南气流开始北进，上空大气中水汽含量不断增加，从3月的10 mm左右到5月的18 mm左右。在夏季时，亚洲大陆区域为暖性气旋所控制，同时副热带高压加强北移。在整个华北地区大气中的水汽来源有3个，分别是西北、东南及西南方向上的气流，尤其是东南方向和西南方向的气流水汽含量尤为丰富，大气中水汽含量也从不到20 mm增加到40 mm左右，增长了1倍。在夏季时，随着气流的向内陆延伸时逐渐减弱，水汽分布仍不均衡呈现东部多西部少的分布。在秋季，夏季风开始向冬季风过渡，导致大气中水汽含量随着时间的变化开始递减，从30 mm左右减少到10 mm以下。在冬季，天津地区受西北增强的冷气流控制，冬季水汽主要来自于北冰洋和大西洋，大气中水汽含量基本平稳，维持在5 mm左右，可以看出12月和1月是天津地区一年中水汽含量最少的月份。
图5 天津地区水汽含量的月均变化
Fig.5 Monthly average change of water vapor content in Tianjin
3 、结束语
本文利用由欧洲中尺度气候预报中心提供的高精度再分析数据，对天津地区上空水汽含量近几年的时空变化进行了分析。再分析数据的空间分辨率较高可以较好地反映出天津地区水汽含量的分布状况，有利于较好地把握整个区域的水汽含量变化趋势。根据以上几部分的分析，结论如下:
天津地区年均水汽含量平均在17 mm左右，呈现显着的从东部沿海渤海湾上空向西部内陆逐渐降低的趋势，东南部水汽含量最多，年平均值在19 mm左右;西部为最小区，在14 mm以下。天津地区的水汽含量在5—45 mm之间，有逐年微弱增加的趋势。
天津地区大气中水汽含量夏季最多，大气中水汽含量从小于20 mm增加到40 mm左右，平均在30 mm以上。天津地区大气中水汽含量冬季最少，大气中水汽含量基本在5 mm左右，并且12月和1月是天津地区一年中水汽含量最少的月份。
参考文献
[1]高路，郝璐．ERA-Interim气温数据在中国区域的适用性评估[J]．亚热带资源与环境学报，2014,9(2):75-81.
[2]高志刚，骆敬新，刘克修，等．ERA-Interim再分析数据在中国沿海的质量评估[J]．海洋科学，2015,39(5):92-105.
[3]李国平，黄丁发．GPS气象学研究及应用的进展与前景[J]．气象科学，2005(6):651-661.
[4]牛娇．天津市湿地资源演变规律与退化风险研究[D]．天津:天津大学，2012.
[5]张凯静，戴新刚．再分析资料中可降水量与地面水汽压关系检验[J]．安徽农业科学，2010(18):9 665-9 671.
[6]赵海兰，谢亚楠，于春艳，等．基于加权平均温度模型改进的上海市GPS可降水量反演[J]．工程勘察，2014,42(2):73-77.
[7]张京朋．中国区域大气水汽变化的观测与模拟研究[C]//第34届中国气象学会年会S6东亚气候多时间尺度变异机理及气候预测论文集，北京:中国气象学会，2017.
[8]周晓霞，丁一汇，王盘兴．影响华北汛期降水的水汽输送过程[J]．大气科学，2008,32(2):345-357.
[9]邹进上，刘惠兰．我国平均水汽含量分布的基本特点及其控制因子[J]．地理学报，1981,36(4):377-391.
[10]曹丽青，余锦华，葛朝霞．华北地区大气水汽含量特征及其变化趋势[J]．水科学进展，2005,16(3):439-443．