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摘要利用滇池流域5个气象站1971～2009年的地面气象资料和昆明气象站2006～2009年探空数据，分析降雨量变化和大气水资源潜力。结果表明，滇池流域平均年降雨量为977.9 mm，2003年以来，降雨量10年滑动平均值呈下降趋势；滇池流域大气水资源潜力较大，5～10月大气水资源潜力在60%以上，11月～次年4月的干旱季节大气水资源潜力为23.8%～72.3%。
关键词滇池流域；降雨量；变化特征；水资源；潜力
中图分类号S161.6文献标识码A文章编号0517-6611（2015）06-227-03
滇池流域包括五华、盘龙、官渡、西山、呈贡、晋宁、嵩明7个县区，面积2 920 km2[1]，流域多年平均水资源量5.73亿m3[2]。流域自然降水是滇池的主要补水方式，降雨量时空分布及其变化直接影响流域内径流和水资源总量。近年来，随着昆明经济、社会发展和人口急剧增长，生产、生活用水不断增加，水资源供需矛盾突出，研究滇池流域降雨量时空分布和大气水资源潜力，对提高滇池流域水资源利用率具有重要意义。
在降雨量、水资源和大气水汽特征及分布研究中，郭利丹等采用降水量模比系数差积曲线，分析降雨量和水资源分布特征[3-4]；李帅等研究了降雨量、可降水量和大气水汽资源分布与演变[5-7]；张利平等用NCEP/NCAR格点资料，研究大气水汽含量和大气可降水量特征及其变化趋势[8-10]；达布希拉图等利用探空资料，分析空中水资源的分布及应用潜力[11-12]。近年来，随着GPS探测技术的发展，众多学者对GPS水汽数据反演大气可降水量进行了研究[13-15]。但在滇池流域降雨量和水资源利用研究中，主要是分析流域降雨量时间分布和流域内水资源可持续利用[3，16-17]。笔者利用昆明、呈贡、晋宁、太华山、嵩明5个气象站的降雨量资料，分析滇池流域降雨量年际变化和丰枯特征，并用探空数据研究大气可降水量和大气水资源潜力，为水资源规划和管理提供支持。
1资料和方法
1.1资料选取所用资料包括1971～2009年昆明、呈贡、晋宁、太华山、嵩明气象站的月降雨量、年降雨量和降雨日数资料，以及2006～2009年昆明气象站地面至高空22 000 m的月平均气压、相对湿度和温度等探空数据。
1.2分析方法
1.2.1降雨量变化。用5个气象站1971～2009年年降雨量，分年代计算5个站年降雨量变异系数，并分析降雨量年际变化和月变化。采用降雨量模比差积曲线，分析降雨量丰、枯变化，其计算公式为：
Kic=ni=1（ki-1）（1）
式中，Kic为降雨量模比差积；ki为模比值，ki=Ri，Ri为第i年降雨量，为1971～2009年降雨量平均值。
1.2.2大气可降水量计算。利用昆明站2006～2009年地面至高空22 000 m的月平均气压、相对湿度和温度探空资料计算整个大气柱的大气可降水量（PWV），PWV由下式计算：
PWV=∫∞0ρwdz=-1g∫0p0qdp（2）
式中，PWV为大气可降水量（mm）；g为重力加速度（9.8 m/s2），p为气圧 （Pa）；z为高度（m）；ρw为绝对湿度（kg/m3）；q为比湿（kg/kg）。用梯形公式对（3）进行化简，得PWV计算公式。
PWV=-100gni=1qi+qi-12（pi-pi-1）（3）
在（3）式中，q按公式q=0.622（e/p）1-0.378（e/p）≈0.622（e/p）计算，式中，p为气压（hPa），e为水气压（hPa），e=U×eSAT（T），其中，U为相对湿度，eSAT为饱和水汽压 （hPa），为气温T（℃）的函数，用Tetens近似式计算，即eSAT（T）=6.107 8×107.5T/（237.3+T）。
1.2.3大气水资源潜力计算。大气水资源潜力按下式计算：
S=（1-V）×100%（4）
式中，S为大气水资源潜力（%）；V为降水比率（%），V=R/RP×100%，其中，R为月平均实际降雨量（mm）；Rp为月可能降水量（mm），Rp=PWVm-max×D，式中，D为月平均降雨日数；PWVm-max为月平均最大可降水量（mm），PWVm-max=MAX（PWVi）（i=1，2，3，…，12），式中，PWVi为月平均大气可降水量（mm），按（3）式计算而得。
2结果与分析
2.1降雨量变化特征
2.1.1年际变化。1971～2009年滇池流域5个气象站平均年降雨量为977.9 mm，1999年平均年降雨量最多，为1 254.8 mm；1987年平均年降雨量最少，为722.7 mm，年际最大差幅为532.1 mm（图1），降雨量变异系数为0.16；降雨量10年滑动平均值显示，20世纪70～80年代平均年降雨量呈下降趋势，90年代平均年降雨量呈上升趋势；在80和90年代降雨量年际变化大，变异系数分别为0.19和0.17；从2003年起，平均年降雨量开始出现下降趋势，变异系数为0.15，至2009年降雨量10年滑动平均值下降至940.0 mm。
图11971～2009年滇池流域年降雨量及10年滑动平均2.1.2月变化。在滇池流域，雨季开始期平均为5月24日，雨季结束期平均为10月23日，在11月～次年4月的干季，降雨量差异较小，各月平均降雨量在15.9～41.5 mm，降雨量仅占全年降雨量的13.3%，自然降水补给量少；在5～10月的雨季期，降雨量差异显著，太华山降雨量最多，各月平均降雨量为95.1～241.3 mm；呈贡降雨量最少，各月平均降雨量为66.9～171.9 mm，少于其他各站；嵩明、昆明、晋宁各月平均降雨量在71.8～212.8 mm（图2）。 图21971～2009年滇池流域5个气象站月平均降雨量分析2.1.3丰、枯变化。由1971～2009年降雨量模比差积曲线和5年滑动平均曲线（图3）可知，滇池流域降雨量丰、枯变化明显，1971～1987年为丰水期，1988～1998年为枯水期，1999～2008年为丰水期；2005年以来，5年滑动平均曲线呈下降趋势，虽然仍处于丰水期，但已经呈现出枯水的趋势，尤其是2009年，滇池流域5个气象站的平均年降雨量为615.7 mm，仅占多年平均降雨量的63%，降雨量模比差积为-0.01，属枯水年份。因此，近5年自然降雨对滇池的补给量减少，水资源供需矛盾进一步突出。
图31971～2009年滇池流域年降雨量模比差积和5年滑动平均曲线2.2大气水资源潜力按（3）式计算地面至高空22 000 m整层大气柱的大气可降水量PWV，并按相应公式计算滇池流域月平均最大可能降水量、月平均可降水量、降水比率和大气水资源潜力。由表1可见，滇池流域在5～10月的汛期，最大可能降水量为66.0～77.8 mm，月平均降雨日数为4.2～8.1 d；而在干季，最大可能降水量为18.4～50.6 mm，月平均降雨日数仅有1.0～2.1 d。
表11971～2009年滇池流域月平均最大可能降水量和降雨日数
月份最大可降水量∥mm月平均降雨日数∥d118.41.0231.71.0331.41.2450.61.6566.04.2671.37.0777.88.1866.77.7969.55.41066.34.51141.82.11226.21.0
对比分析滇池流域月平均可降水量和实际降水量（图4和表2）发现，全年大气水资源潜力在23.8%～72.3%，与实际降雨量相比，可利用水资源较为丰富，特别在4～10月，大气水资源潜力均在60%以上；在汛期5～10月，大气可降水量为270～630 mm，实际降雨量为85～210 mm，此期间的降水比率为28.7%～38.8%，大气水资源潜力为61.2%～713%；在11月份～次年4月份大气可降水量为17.7～881 mm，实际降雨量为12.6～37.0 mm，大气水资源潜力为23.8%～72.3%，变化幅度大，其中，大气水资源潜力最大的是4月份，这是因为4月正值雨季开始前，大气水汽含量多。与雨季相比，虽然干季的大气水资源潜力要低得多，但可利用率大，如果通过人工增雨的方法，将大气水资源利用率提高1%，可增加降雨量22.3 mm，这对于滇池补水具有重要的作用。
图41971～2009年滇池流域月平均可降水量和实际降水量表11971～2009年滇池流域月平均降水比率和大气水资源潜力
月份降水比率∥%大气水资源潜力∥%176.223.8239.860.2343.356.7427.772.3533.067.0636.863.2733.067.0838.861.2931.968.11028.771.31142.058.01251.548.5
3结论与讨论
大气降水是滇池流域可利用水的主要来源，研究流域内降雨量时空分布和空中水资源潜力是合理利用水资源、保证社会和经济可持续发展的重要条件。通过对滇池流域降雨量分布和水资源潜力的研究表明，滇池流域降雨量年际变幅大，20世纪80和90年代降水集中而不稳定，年际变化剧烈，这对滇池水利资源利用和保护产生不利影响；从2003年起，平均年降雨量开始出现下降趋势；在降雨量丰年和枯年变化中，1988～1998年出现连续11年的枯水期，虽然近10年为丰水期，但5年滑动平均曲线已呈下降趋势；大气可降水量与实际降雨量相比，可利用水资源较为丰富，其中，在4和10月农业生产关键期，大气水资源丰富，可以通过人工增雨等方式，开发空中水资源，提高空中水资源利用率，增加滇池的自然降水布局量。
在研究中，用昆明气候基准站探空数据分析大气可降水量，同时昆明气候基准站已经积累了2年GPS水汽资料，今后可用GPS水汽资料，进一步分析大气水汽和大气可降水量的演变规律。
参考文献
[1] 李志杰.滇池流域资源环境人口承载力研究[J].昆明师范高等专科学校学报，2008，30（2）：41-44.
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[3] 郭利丹，夏自强，李捷，等.巴尔喀什湖流域气候变化特征分析[J].河海大学学报，2008，36（3）：316-321.
[4] 吴启侠，朱建强，耿显波.江汉平原四湖流域降水特征分析[J].中国农业气象，2008，29（2）：146-150.
[5] 李帅，谢国辉，何清，等.阿勒泰地区降水量、可降水量及降水转化率分析[J].冰川冻土，2008，30（4）：675-680.
[6] 张云海，杨洪斌，李法云.辽宁水资源与气候变化分析及对策研究[J].干旱区资源与环境，2007，21（4）：6-9.
[7] 王宝鉴，黄玉霞，王劲松，等. 祁连山云和空中水汽资源的季节分布与演变[J].地球科学进展，2006，21（9）：948-955.
[8] 张利平，夏军，林朝晖，等.海河流域大气水资源变化与输送特征研究[J].水利学报，2008，39（2）：206-211.
[9] 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.
[10] 戴莹，杨修群.我国大陆上空可降水量的时空变化特征[J].气象科学，2009，29（2）：143-149.
[11] 达布希拉图，朝伦巴根，苏立娟，等. 近二十年内蒙古地区空中水资源的分布及变化趋势[J].干旱区资源与环境，2008，22（7）：55-58.
[12] 周德平，宫福久，张淑杰，等.辽宁云水资源分布特征及开发潜力分析[J].自然资源学报，2005，20（5）：644-650.
[13] 吴建军，王鑫，吕达仁，等.北京可降水量变化特征的地基GPS观测与分析[J].南京气象学院学报，2007，30（3）：377-382.
[14] 王勇，柳林涛，梁洪有，等.基于GPS技术的高原与平原地区可降水量的研究[J].大地测量与地球动力学，2006，26（1）：88-91.
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[16] 姚平，赵付竹，夏红云.滇池流域气候特征研究[J].环境科学导刊，2009，28（S1）：8-10.
[17] 王志芸，贺彬，袁国林，等.滇池宝象河流域全面产流与降雨关系初步研究[J].环境科学导刊，2007，26（2）：10-11.43
关键词滇池流域；降雨量；变化特征；水资源；潜力
中图分类号S161.6文献标识码A文章编号0517-6611（2015）06-227-03
滇池流域包括五华、盘龙、官渡、西山、呈贡、晋宁、嵩明7个县区，面积2 920 km2[1]，流域多年平均水资源量5.73亿m3[2]。流域自然降水是滇池的主要补水方式，降雨量时空分布及其变化直接影响流域内径流和水资源总量。近年来，随着昆明经济、社会发展和人口急剧增长，生产、生活用水不断增加，水资源供需矛盾突出，研究滇池流域降雨量时空分布和大气水资源潜力，对提高滇池流域水资源利用率具有重要意义。
在降雨量、水资源和大气水汽特征及分布研究中，郭利丹等采用降水量模比系数差积曲线，分析降雨量和水资源分布特征[3-4]；李帅等研究了降雨量、可降水量和大气水汽资源分布与演变[5-7]；张利平等用NCEP/NCAR格点资料，研究大气水汽含量和大气可降水量特征及其变化趋势[8-10]；达布希拉图等利用探空资料，分析空中水资源的分布及应用潜力[11-12]。近年来，随着GPS探测技术的发展，众多学者对GPS水汽数据反演大气可降水量进行了研究[13-15]。但在滇池流域降雨量和水资源利用研究中，主要是分析流域降雨量时间分布和流域内水资源可持续利用[3，16-17]。笔者利用昆明、呈贡、晋宁、太华山、嵩明5个气象站的降雨量资料，分析滇池流域降雨量年际变化和丰枯特征，并用探空数据研究大气可降水量和大气水资源潜力，为水资源规划和管理提供支持。
1资料和方法
1.1资料选取所用资料包括1971～2009年昆明、呈贡、晋宁、太华山、嵩明气象站的月降雨量、年降雨量和降雨日数资料，以及2006～2009年昆明气象站地面至高空22 000 m的月平均气压、相对湿度和温度等探空数据。
1.2分析方法
1.2.1降雨量变化。用5个气象站1971～2009年年降雨量，分年代计算5个站年降雨量变异系数，并分析降雨量年际变化和月变化。采用降雨量模比差积曲线，分析降雨量丰、枯变化，其计算公式为：
Kic=ni=1（ki-1）（1）
式中，Kic为降雨量模比差积；ki为模比值，ki=Ri，Ri为第i年降雨量，为1971～2009年降雨量平均值。
1.2.2大气可降水量计算。利用昆明站2006～2009年地面至高空22 000 m的月平均气压、相对湿度和温度探空资料计算整个大气柱的大气可降水量（PWV），PWV由下式计算：
PWV=∫∞0ρwdz=-1g∫0p0qdp（2）
式中，PWV为大气可降水量（mm）；g为重力加速度（9.8 m/s2），p为气圧 （Pa）；z为高度（m）；ρw为绝对湿度（kg/m3）；q为比湿（kg/kg）。用梯形公式对（3）进行化简，得PWV计算公式。
PWV=-100gni=1qi+qi-12（pi-pi-1）（3）
在（3）式中，q按公式q=0.622（e/p）1-0.378（e/p）≈0.622（e/p）计算，式中，p为气压（hPa），e为水气压（hPa），e=U×eSAT（T），其中，U为相对湿度，eSAT为饱和水汽压 （hPa），为气温T（℃）的函数，用Tetens近似式计算，即eSAT（T）=6.107 8×107.5T/（237.3+T）。
1.2.3大气水资源潜力计算。大气水资源潜力按下式计算：
S=（1-V）×100%（4）
式中，S为大气水资源潜力（%）；V为降水比率（%），V=R/RP×100%，其中，R为月平均实际降雨量（mm）；Rp为月可能降水量（mm），Rp=PWVm-max×D，式中，D为月平均降雨日数；PWVm-max为月平均最大可降水量（mm），PWVm-max=MAX（PWVi）（i=1，2，3，…，12），式中，PWVi为月平均大气可降水量（mm），按（3）式计算而得。
2结果与分析
2.1降雨量变化特征
2.1.1年际变化。1971～2009年滇池流域5个气象站平均年降雨量为977.9 mm，1999年平均年降雨量最多，为1 254.8 mm；1987年平均年降雨量最少，为722.7 mm，年际最大差幅为532.1 mm（图1），降雨量变异系数为0.16；降雨量10年滑动平均值显示，20世纪70～80年代平均年降雨量呈下降趋势，90年代平均年降雨量呈上升趋势；在80和90年代降雨量年际变化大，变异系数分别为0.19和0.17；从2003年起，平均年降雨量开始出现下降趋势，变异系数为0.15，至2009年降雨量10年滑动平均值下降至940.0 mm。
图11971～2009年滇池流域年降雨量及10年滑动平均2.1.2月变化。在滇池流域，雨季开始期平均为5月24日，雨季结束期平均为10月23日，在11月～次年4月的干季，降雨量差异较小，各月平均降雨量在15.9～41.5 mm，降雨量仅占全年降雨量的13.3%，自然降水补给量少；在5～10月的雨季期，降雨量差异显著，太华山降雨量最多，各月平均降雨量为95.1～241.3 mm；呈贡降雨量最少，各月平均降雨量为66.9～171.9 mm，少于其他各站；嵩明、昆明、晋宁各月平均降雨量在71.8～212.8 mm（图2）。 图21971～2009年滇池流域5个气象站月平均降雨量分析2.1.3丰、枯变化。由1971～2009年降雨量模比差积曲线和5年滑动平均曲线（图3）可知，滇池流域降雨量丰、枯变化明显，1971～1987年为丰水期，1988～1998年为枯水期，1999～2008年为丰水期；2005年以来，5年滑动平均曲线呈下降趋势，虽然仍处于丰水期，但已经呈现出枯水的趋势，尤其是2009年，滇池流域5个气象站的平均年降雨量为615.7 mm，仅占多年平均降雨量的63%，降雨量模比差积为-0.01，属枯水年份。因此，近5年自然降雨对滇池的补给量减少，水资源供需矛盾进一步突出。
图31971～2009年滇池流域年降雨量模比差积和5年滑动平均曲线2.2大气水资源潜力按（3）式计算地面至高空22 000 m整层大气柱的大气可降水量PWV，并按相应公式计算滇池流域月平均最大可能降水量、月平均可降水量、降水比率和大气水资源潜力。由表1可见，滇池流域在5～10月的汛期，最大可能降水量为66.0～77.8 mm，月平均降雨日数为4.2～8.1 d；而在干季，最大可能降水量为18.4～50.6 mm，月平均降雨日数仅有1.0～2.1 d。
表11971～2009年滇池流域月平均最大可能降水量和降雨日数
月份最大可降水量∥mm月平均降雨日数∥d118.41.0231.71.0331.41.2450.61.6566.04.2671.37.0777.88.1866.77.7969.55.41066.34.51141.82.11226.21.0
对比分析滇池流域月平均可降水量和实际降水量（图4和表2）发现，全年大气水资源潜力在23.8%～72.3%，与实际降雨量相比，可利用水资源较为丰富，特别在4～10月，大气水资源潜力均在60%以上；在汛期5～10月，大气可降水量为270～630 mm，实际降雨量为85～210 mm，此期间的降水比率为28.7%～38.8%，大气水资源潜力为61.2%～713%；在11月份～次年4月份大气可降水量为17.7～881 mm，实际降雨量为12.6～37.0 mm，大气水资源潜力为23.8%～72.3%，变化幅度大，其中，大气水资源潜力最大的是4月份，这是因为4月正值雨季开始前，大气水汽含量多。与雨季相比，虽然干季的大气水资源潜力要低得多，但可利用率大，如果通过人工增雨的方法，将大气水资源利用率提高1%，可增加降雨量22.3 mm，这对于滇池补水具有重要的作用。
图41971～2009年滇池流域月平均可降水量和实际降水量表11971～2009年滇池流域月平均降水比率和大气水资源潜力
月份降水比率∥%大气水资源潜力∥%176.223.8239.860.2343.356.7427.772.3533.067.0636.863.2733.067.0838.861.2931.968.11028.771.31142.058.01251.548.5
3结论与讨论
大气降水是滇池流域可利用水的主要来源，研究流域内降雨量时空分布和空中水资源潜力是合理利用水资源、保证社会和经济可持续发展的重要条件。通过对滇池流域降雨量分布和水资源潜力的研究表明，滇池流域降雨量年际变幅大，20世纪80和90年代降水集中而不稳定，年际变化剧烈，这对滇池水利资源利用和保护产生不利影响；从2003年起，平均年降雨量开始出现下降趋势；在降雨量丰年和枯年变化中，1988～1998年出现连续11年的枯水期，虽然近10年为丰水期，但5年滑动平均曲线已呈下降趋势；大气可降水量与实际降雨量相比，可利用水资源较为丰富，其中，在4和10月农业生产关键期，大气水资源丰富，可以通过人工增雨等方式，开发空中水资源，提高空中水资源利用率，增加滇池的自然降水布局量。
在研究中，用昆明气候基准站探空数据分析大气可降水量，同时昆明气候基准站已经积累了2年GPS水汽资料，今后可用GPS水汽资料，进一步分析大气水汽和大气可降水量的演变规律。
参考文献
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