1. 引言
大气中的水物质以水汽、水凝物和降水三种形式存在。水汽在上升运动中膨胀冷却，达到并超过饱和的水汽会凝结形成直径约微米的细微云滴或冰晶，通过各种云物理过程，它们生长成的雨滴、雪、霰、冰雹等大的降水粒子，落到地面成为降水。虽然大气中水汽含量很高，但水汽本身不能直接形成降水，只有一小部分可以转化为水凝物，从而形成降水。从云水凝结到降水形成的阶段最有可能被用来改变降水的自然分布。通过某些技术改变这一过程的效率，它可以被人类开发和利用，这部分是空中云水资源。
在1980年以前，没有对云水含量的全球观测，使用的资料主要依靠外场观测，提供短期的时空范围有限的云水含量数据。由于获取云水数据困难，缺乏明确的定义和系统的研究方法，以往的研究主要集中在水汽输送、平衡和降水之间的关系上，而云水资源的研究相对缺乏，这阻碍了空中水资源的开发和利用。目前，对云水资源的研究大多基于卫星、遥感数据和再分析数据。卫星数据具有覆盖范围广，分辨率高，但反演算法的差异会导致云水含量反演结果存在一定的不确定性。而NCEP/NCAR的FNL再分析数据，结合了地面、探空、卫星等观测数据，并经过模式同化，可以提供时空连续的水汽、水凝物、相对湿度、温度和风场等要素，为空中水资源分析提供数据基础，对区域的云水资源研究发挥着非常重要的作用[1]-[15]。本文采用CWR-MEM (云水资源监测与评价方法)和GrADS (网格分析与显示系统)方法对FNL再分析数据进行解码和格式转换等方法，研究了2018年至2020年海南的云水资源，分析了其分布特征和变化趋势，为缓解水资源短缺和合理开发利用空中水资源提供科学依据。
2. 资料与方法
2.1. 大气再分析和降水资料
使用2018年至2020年的NCEP/NCAR数据，每天四次(00:00、06:00、12:00和18:00 UTC)提供FNL再分析数据，空间分辨率为1˚ × 1˚，共26个垂直层(从1000 hPa到10 hPa)。
为得到较连续的地面雨量资料，使用海南省的地面观测降水数据对地面降水进行逐小时监测。对评估区域，进行T时段的雨量求和，得到该区域T时段内的降水总量。
2.2. 平衡方程和云水资源评估量
根据大气水物质平衡理论[16] [17]：
水汽终值 − 水汽初值 = 水汽输入 − 水汽输出 + 蒸发 − 凝结 + 地面蒸发 (1)
水凝物终值 − 水凝物初值 = 水凝物输入 − 水凝物输出 + 凝结 − 蒸发 − 地面降水 (2)
由上面(1)、(2)和云水资源监测评估方法(CWR-MEM)，归纳得到：
评估时段T内和区域内，云水资源评估量包括三类(水物质总量、水物质更新周期和水物质转换效率)，共十个参量(水汽总量GQv、水凝物GQh、空中云水资源总量GCWR、降水总量GR、水汽更新周期Tv、水凝物更新周期Th、水汽凝结效率P、总水物质降水效率Em、水汽降水效率Ev、水凝物降水效率Eh)。
2.3. FNL数据处理方法
读取大气再分析数据GRIB2格式数据，获取格点化数据(柱云水量、柱水汽量、风速U/V分量)，计算参量(水汽输入和输出、水凝物输入和输出)，并生成格点数据。
2.3.1. 计算主要过程
a. 先计算可降水量(水汽、水凝物)；b. 再计算云水；c. 根据海南省、区域边界线、各边界u [m/s]、v [m/s]不同风向时，计算水汽、水凝物和云水的输入和输出；d. 计算各参量。
2.3.2. 物理量的空间和时间积分
使用NCEP/NCAR的FNL再分析数据中的Pwatclm和Cwatclm作为云水资源的水汽和云水，利用GrADS对其进行解码和格式转换。计算如下：
网格柱水汽含量：Pwatclm，网格柱沿垂直方向水汽含量的积分，单位为kg/m2 (或mm)。
水汽的输入和输出：在单位时间内流经某一单位面积的水汽质量，由水汽含量结合风场得到。
网格柱云水含量：Cwatclm，沿网格柱垂直方向云水含量的积分，单位为kg/m2 (或mm)。
云水的输入和输出：在单位时间内流经某一单位面积的云水质量，由云水含量结合风场得到。
1) 空间积分方法
物理量的初值和终值：初始和最终时刻，评估区域内所有格点的物理量累加。
物理量的输入和输出：对于单位时段，按边界处理方法，将评估区域内边界上每个格点对应的输入(输出)量累加。
2) 时间积分方法
对于上述任意评估区域，在对各物理量空间积分后；针对不同的评估时段，大气再分析数据为逐6小时的瞬时值，再对各物理量进行时间积分。
地面降水：对于单位时段，将评估区域内所有格点的降水量累加，即可得到该评估区域单位时段内的降水总量。
3. 降雨量概况
2018~2020年降雨量分别为2086.7 mm、1654.4 mm、1610.1 mm，1月~12月，月平均降水量分布特征，如图1所示。
Figure 1. Distribution characteristics of monthly average precipitation in Hainan from 2018 to 2020
图1. 海南2018~2020年月平均降水量分布特征
4. 云水资源评估
4.1. 海南云水资源评估
Table 1. Evaluation value of atmospheric cloud water resource in Hainan
表1. 海南空中云水资源评估值
| 特征参量 |
2018年 |
2019年 |
2020年 |
2018~2020年均 |
| 水汽总量GQv (亿吨，1011 kg) |
23044.0 |
22285.0 |
22624.0 |
22651.0 |
| 水凝物GQh (亿吨) |
741.3 |
584.4 |
592.7 |
639.5 |
| 水汽更新周期Tv (天) |
5.4 |
6.6 |
6.9 |
6.2 |
| 水凝物更新周期Th (小时) |
1.04 |
1.04 |
1.08 |
1.05 |
| 水汽凝结效率P (%) |
3.2 |
2.6 |
2.6 |
2.8 |
| 总水物质降水效率Em (%) |
2.9 |
2.4 |
2.3 |
2.5 |
| 水汽降水效率Ev (%) |
3.1 |
2.5 |
2.4 |
2.7 |
| 水凝物降水效率Eh (%) |
96.0 |
96.5 |
92.6 |
95.1 |
| 云水资源总量GCWR (亿吨) |
30.0 |
20.5 |
43.8 |
31.4 |
2018年至2020年，海南年均水汽总量为22651.0亿吨，年均水凝物总量为639.5亿吨。与水汽相比，水凝物总量明显小1到2个数量级，年均云水资源总量为31.4亿吨。年均水汽降水效率2.7%，年均水凝物降水效率95.1%。年均水汽更新周期为6.2天，年均水凝物更新周期为1.05小时，年均总降水效率为2.5%，年均水汽凝结效率为2.8%，评估结果如表1所示。
2018年至2020年，各边界年均水汽和年均水凝物输入量分别为45340.3亿吨和59.0亿吨，年均水汽和年均水凝物输出量分别为45559.3亿吨和60.3亿吨，年均水汽净输入−219.0亿吨，年均凝结水净输入−1.3亿吨；水汽和水凝物通过边界向外流出，见于表2。
Table 2. Evaluation value of atmospheric water vapor and atmospheric hydrometeors of input and output from the boundary in Hainan
表2. 海南从边界输入和输出的水汽和水凝物评估值
|
输入量 |
输出量 |
净输入量 |
|
2018年 |
2019年 |
2020年 |
2018~2020
年均 |
2018年 |
2019年 |
2020年 |
2018~2020
年均 |
2018~2020
年均 |
| 水汽Qv (亿吨，1011 kg) |
46263.8 |
44248.0 |
45509.0 |
45340.3 |
46426.9 |
44613.0 |
45637.9 |
45559.3 |
−219.0 |
水凝物Qh
(亿吨) |
66.5 |
40.5 |
70.2 |
59.0 |
72.8 |
42.9 |
65.1 |
60.3 |
−1.3 |
4.2. 海南不同区域云水资源评估
海南分5个区域：东部面积5979 km2 (文昌、琼海和万宁)，西部面积3825 km2 (昌江和东方)，北部面积10,144 km2 (海口、定安、澄迈、临高和儋州)，南部面积6955 km2 (乐东、保亭、陵水和三亚)，中部面积7184 km2 (屯昌、白沙、琼中和五指山)，不同区域评估分别见于表3~表4。
2018年至2020年，北方的水汽总量最高，为6718.2亿吨，而西部的水汽总量最低，为2315.8亿吨。然而，在平均单位面积的水汽后，南部的平均水汽总量最高，为66967.7亿吨，中部的平均水汽总量最低，为60306.6亿吨；水汽更新周期，需要5到8天；水汽降水效率，约为2.7%。
2018年至2020年，北部和中部地区的水凝物总量比较丰富，分别为188.1亿吨和157.7亿吨，而西部地区的最小，为50.5亿吨。然而，在平均单位面积的水凝物后，中部地区的水凝物最高，为2194.6亿吨，西部地区的水凝物最低，为1320.6亿吨；水凝物更新周期，大约1小时。各地区水凝物降水效率相对较高，约为95%。
Table 3. Evaluation value of atmospheric material in different regions of Hainan
表3. 海南不同区域空中水物质的评估值
|
区域 |
水汽量Qv |
水凝物量Qh |
降水量R |
云水资源量CWR |
| (亿吨) |
(mm) |
(亿吨) |
(mm) |
(亿吨) |
(mm) |
(亿吨) |
(mm) |
| 2018年 |
东部 |
4052.4 |
67776.9 |
118.2 |
1976.6 |
112.7 |
1885.1 |
5.5 |
91.4 |
| 西部 |
2389.9 |
62480.4 |
75.6 |
1977.2 |
72.3 |
1891.2 |
3.3 |
86.1 |
| 北部 |
6848.2 |
67510.0 |
243.8 |
2403.3 |
235.5 |
2321.2 |
8.3 |
82.1 |
| 南部 |
4748.1 |
68268.8 |
130.7 |
1879.0 |
125.5 |
1804.5 |
5.2 |
74.5 |
| 中部 |
4437.8 |
61773.5 |
175.9 |
2448.2 |
167.0 |
2324.5 |
8.9 |
123.7 |
| 2019年 |
东部 |
3842.5 |
64267.0 |
119.2 |
1994.4 |
116.0 |
1939.8 |
3.3 |
54.6 |
| 西部 |
2232.3 |
58360.3 |
40.6 |
1060.8 |
38.3 |
1002.1 |
2.2 |
58.7 |
| 北部 |
6554.2 |
64611.8 |
175.4 |
1728.9 |
169.5 |
1671.4 |
5.8 |
57.5 |
| 南部 |
4510.9 |
64858.4 |
101.2 |
1454.5 |
97.6 |
1403.1 |
3.6 |
51.4 |
| 中部 |
4200.6 |
58471.1 |
150.9 |
2100.6 |
143.4 |
1996.3 |
7.5 |
104.3 |
| 2020年 |
东部 |
4003.1 |
66952.2 |
118.8 |
1987.3 |
112.1 |
1874.6 |
6.7 |
112.7 |
| 西部 |
2325.2 |
60789.3 |
35.3 |
923.9 |
30.5 |
796.7 |
4.9 |
127.3 |
| 北部 |
6752.3 |
66564.6 |
145.0 |
1429.7 |
133.3 |
1314.0 |
11.7 |
115.7 |
| 南部 |
4713.8 |
67776.1 |
147.5 |
2120.7 |
139.1 |
2000.5 |
8.4 |
120.2 |
| 中部 |
4358.9 |
60675.2 |
146.2 |
2035.0 |
129.2 |
1798.1 |
17.0 |
237.0 |
| 2018~2020年均 |
东部 |
3966.0 |
66332.0 |
118.7 |
1986.1 |
113.6 |
1899.8 |
5.2 |
86.2 |
| 西部 |
2315.8 |
60543.3 |
50.5 |
1320.6 |
47.0 |
1230.0 |
3.5 |
90.7 |
| 北部 |
6718.2 |
66228.8 |
188.1 |
1854.0 |
179.4 |
1768.9 |
8.6 |
85.1 |
| 南部 |
4657.6 |
66967.7 |
126.4 |
1818.1 |
120.7 |
1736.0 |
5.7 |
82.1 |
| 中部 |
4332.4 |
60306.6 |
157.7 |
2194.6 |
146.5 |
2039.6 |
11.1 |
155.0 |
2018年至2020年，海南云水资源中部和北部地区相对丰富，分别为11.1亿吨和8.6亿吨，中部云系降水效率较高，西部地区云水资源总量最低，为3.5亿吨，大部分云水资源都可供开发利用。
Table 4. Evaluation value of update cycle and conversion efficiency of atmospheric material in different regions of Hainan
表4. 海南不同区域水物质更新周期和转换效率评估值
| 年 |
区域 |
水汽更新周期Tv (天) |
水凝物更新周期Th (小时) |
水汽凝结效率P (%) |
水汽降水效率Ev (%) |
水凝物降水效率Eh (%) |
| 2018年 |
东部 |
6.0 |
1.0 |
2.9 |
2.8 |
95.4 |
| 西部 |
5.5 |
1.0 |
3.2 |
3.0 |
95.6 |
| 北部 |
4.8 |
1.0 |
3.6 |
3.4 |
96.6 |
| 南部 |
6.3 |
1.0 |
2.8 |
2.6 |
96.0 |
| 中部 |
4.4 |
1.1 |
4.0 |
3.8 |
94.9 |
| 2019年 |
东部 |
5.5 |
1.0 |
3.1 |
3.0 |
97.3 |
| 西部 |
9.7 |
1.1 |
1.8 |
1.7 |
94.5 |
| 北部 |
6.4 |
1.0 |
2.7 |
2.6 |
96.7 |
| 南部 |
7.7 |
1.0 |
2.2 |
2.2 |
96.5 |
| 中部 |
4.9 |
1.1 |
3.6 |
3.4 |
95.0 |
| 2020年 |
东部 |
6.0 |
1.1 |
3.0 |
2.8 |
94.4 |
| 西部 |
12.7 |
1.2 |
1.5 |
1.3 |
86.2 |
| 北部 |
8.4 |
1.1 |
2.1 |
2.0 |
91.9 |
| 南部 |
5.6 |
1.1 |
3.1 |
3.0 |
94.3 |
| 中部 |
5.6 |
1.1 |
3.4 |
3.0 |
88.4 |
| 2018~2020年均 |
东部 |
5.8 |
1.0 |
3.0 |
2.9 |
95.7 |
| 西部 |
8.2 |
1.1 |
2.2 |
2.0 |
93.1 |
| 北部 |
6.2 |
1.0 |
2.8 |
2.7 |
95.4 |
| 南部 |
6.4 |
1.0 |
2.7 |
2.6 |
95.5 |
| 中部 |
4.9 |
1.1 |
3.6 |
3.4 |
92.9 |
5. 不同区域分布特征
5.1. 海南不同区域云水资源分布特征
2018年、2019年和2020年，云水资源总量的空间分布极不均匀，北部和中部地区最为丰富，西部地区相对较低；有大量的云水资源可供开发利用，如图2所示。
2018年
2019年
2020年
Figure 2. The distribution feature of atmospheric cloud water resources in different regions of Hainan [1011 kg]
图2. 海南不同区域空中云水资源的分布特征[亿吨]
5.2. 海南不同区域水汽和水凝物分布特征
(a)
(b)
Figure 3. The distribution feature of Hainan (a) atmospheric water vapor, (b) atmospheric hydrometeors [1011 kg]
图3. 海南分布特征(a)水汽，(b)水凝物[亿吨]
如图3所示，海南的水汽分布在2018年、2019年和2020年北部最高，西部最低。
水凝物的分布与降水相类似，2018年和2019年北部和中部地区水凝物总量最丰富，2020年南部和中部地区总水凝物也丰富；水凝物总量最小的区域位于西部地区。与水汽相比，凝结水明显小于水汽1到2个数量级。
5.3. 海南水汽和水凝物更新周期
如图4所示，2018年水汽更新周期，4到6天；2019年，中部地区的水汽更新周期相对较快，持续5天，而西部的更新周期慢，持续约10天；2020年，中部、南部和东部地区的水汽更新周期，大约需要6天，而西部地区的更新周期较慢，需要13天。2018年至2020年水凝物的更新周期约为1小时。
(a)
(b)
Figure 4. The update cycle of Hainan (a) Atmospheric Water Vapor [day], (b) Atmospheric Hydrometeors [hour]
图4. 海南更新周期(a)水汽[天]，(b)水凝物[小时]
6. 海南2018~2020年对比
海南2018~2020年主要特征对比，如下表5；
Table 5. Comparison of main features of Hainan from 2018 to 2020
表5. 海南2018~2020年主要特征对比
| 特征量 |
2018年 |
2019年 |
2020年 |
| 水汽 |
北方最多6848.2亿吨，西方最少2389.9亿吨；平均每单位面积，南部地区最大68268.8 mm，中部地区最小61773.5 mm。 |
北方最多6554.2亿吨，西方最少2232.3亿吨；平均每单位面积，南部地区最大64858.4 mm，西部地区最小58360.3 mm。 |
北部最多6752.3亿吨，西部最少2325.2亿吨；平均每单位面积，南部最大67776.1 mm，中部最小60675.2 mm。 |
| 水汽更新周期 |
4至6天。 |
中部更新较快5天，西部较慢10天 |
中部、南部和东部更新较快6天，西部较慢13天。 |
| 水汽凝结效率 |
约3%，其中最高中部4.0%，最少南部2.8%。 |
约2.5%，其中最高中部3.6%，最少南部1.8%。 |
约2%，其中最高中部和南部3.0%，最少西部1.3%。 |
| 水汽降水效率 |
约3% |
约2.5% |
约2.5% |
| 水凝物 |
北部和中部较为丰富，分别为243.8和175.9亿吨，西部最小为75.6亿吨；平均每单位面积，中部最大2448.2 mm，南部最小1879.0 mm。 |
北部和中部较为丰富，分别为175.4和150.9亿吨，西部最小为40.6亿吨；平均每单位面积，中部最大2100.6 mm，西部最小1060.8 mm。 |
南部和中部较为丰富，分别为147.5和146.2亿吨，西部最小35.3亿吨；平均每单位面积，南部最大2120.7 mm，西部最小923.9 mm。 |
| 水凝物更新周期 |
约1小时 |
约1小时 |
约1小时 |
| 水凝物降水效率 |
95% |
94%以上 |
94%以上 |
| 总水物质降水效率 |
2.9% |
约2.4% |
约2.3% |
| 云水资源总量 |
北部和中部较为丰富，分别为8.9和8.3亿吨，而西部最小为3.3亿吨；平均每单位面积，中部最大123.7 mm，南部最小74.5 mm。 |
中部和北部较为丰富，分别为7.5和5.8亿吨，西部最小2.2亿吨；平均每单位面积，中部最大104.3 mm，南部最小51.4 mm。 |
中部和北部较为丰富，分别为17.0和11.7亿吨，西部最小4.9亿吨；平均每单位面积，中部最大237.0 mm，东部最小112.7 mm。 |
| 降水量 |
平均每单位面积，中部最大2324.5 mm，南部最小1804.5 mm。 |
平均每单位面积，中部最大1996.3 mm，西部最小1002.1 mm。 |
平均每单位面积，南部最大2000.5 mm，西部最小796.7 mm。 |
7. 结语
1. 2018年至2020年，海南年均降水量1783.7毫米，年均水汽总量、年均水凝物总量和年均云水资源总量，分别为22651.0亿吨，639.5亿吨，31.4亿吨。
2. 从2018年到2020年，每个边界的年均水汽和年均水凝物净输入量，分别为−219.0亿吨和−1.3亿吨；水汽和水凝物都从岛内区域通过边界向外流出。
3. 2018年至2020年，海南云水资源总量中北部较为丰富，西部最小；平均每单位面积，中部最大，东南部最小；很大部分云水资源可供开发利用。
4. 2018~2020年海南水汽总量北部最高，西部最低；平均每单位面积，水汽总量南部最大，中西部最小。水汽的凝结效率和降水效率相差不大，为2%至3%。水汽更新周期为5至8天。
5. 2018~2020年海南水凝物总量北中部或中南部较为丰富，西部最小。平均每单位面积，水凝物总量中南部最大，西南部最小；水凝物更新周期约1小时；水凝物降水效率95%。
6. 水凝物的分布与降水分布相类似；与水汽相比，水凝物总量明显小于水汽1至2个数量级，其空间分布不均匀。
基金项目
海南省气象局科研项目：海南云水资源评估技术方法研究(hnqxZC202107)。