甘肃深处内陆，降雨稀少，蒸发量大，水资源严重匮乏^［1-3］，干旱是最主要的气象灾害^［4-6］。特别是20世纪90年代以来，受全球气候变化的影响，干旱发生更加频繁，水资源短缺更趋严重，生态环境进一步恶化，严重制约着甘肃经济的发展，尤其是农业生产的发展^［7-9］。因此，迫切需要研究大气可降水量、降水效率、水汽水凝物输送和更新以及与降水空间分布的关系，这对于水资源安全和可持续发展具有重要科学价值和战略意义^［10-13］。

20世纪中期国外就开始利用探空资料等对大气中的水汽资源进行分析研究^［14-17］，20世纪末国内利用探空资料对区域尺度水汽输送的研究越来越丰富^［18-21］。探空资料分析是研究水汽输送特征的重要手段，但探空资料存在间隔时间长、时空分辨率低和计算结果误差大等不足；欧洲中期数值预报中心（ECMWF）全球再分析资料融合了地面站点资料、探空资料、卫星资料等，并经过了模式同化，可提供时空连续的相对湿度、温度和风场等要素，时空分辨率高，为水汽资源的精细化分析提供了数据基础^［22-24］；利用ECMWF再分析资料时空精细化的优势，得到甘肃省水汽源主要位于河西走廊中西部，水汽汇位于甘肃省南部^［25］，青藏高原东部大气中年均可降水量和总水汽收入呈减少趋势^［26］，揭示出祁连山地区大气降水转化率的空间变化^［27］。ECMWF再分析资料分析对水汽时空精细化提供了很好辅助作用，但对于区域大气含水时空多尺度关系及影响方面研究不足。本文利用0.5°×0.5°分辨率的ECMWF再分析资料，结合国家气象信息中心下发的0.1°×0.1°气象卫星与地面降水观测的融合产品和相关长序列气候资料，研究了典型干旱代表区甘肃省的大气水资源多尺度演变特征，尤其是对水汽、水凝物更新与地面降水空间分布关系及其大气系统影响予以深入分析，给出了甘肃省大气水资源气候和常态储量，水汽、水凝物输送更新等特征，为人工增雨提供科技支撑。

甘肃区域内分布比较均匀的45个气象站的1960—2019年逐月实测水汽压资料（单位：hPa，单位空气柱中所含水汽的质量，描述大气水汽的绝对含量物理量）、2013—2019年ECWMF0.5°×0.5°再分析资料（ERA5，时间分辨率为6 h，分别为世界时00:00、06:00、12:00和18:00，垂直方向从1 000 hPa到1 hPa，分为31层）和国家气象信息中心下发的0.1°×0.1°气象卫星与地面降水观测的融合产品（CMPA-Hourly，V1.0，时间分辨率为1 h）。

为提取水汽场变化时空特征函数，采用了EOF（经验正交分解函数）和REOF（旋转经验正交分解函数）^［28-32］分解方法；分析水汽的气候序列的演变特征采用了Morlet小波分析技术^［33］。

水汽评估计算中采用CWR-MEM方案（Cloud water resource-monitoring and evaluation method，中国气象局人工影响天气中心在此基础上建立云水资源监测评估方法^［34-35］）。

大气含水简称大气水，包括大气水汽和水凝物。利用月水汽压序列与大气水月总量的相关关系，建立拟合方程，利用地面水汽压扩展大气水总量的1960—2019年逐月长序列资料，进行气候特征分析。

2013—2019年84个月ECWMF再分析资料与同期水汽压（网格化）序列相关系数表明：各网格点月地面水汽压与同期水凝物在α=0.1信度水平上相关显著，与空中水汽在α=0.01信度水平上相关显著，与同期大气水总量（水汽和水凝物两项的逐日累计量）在α=0.05信度水平上相关显著。

1960—2019年甘肃大气水年总量（年内逐日累计）约4×10¹⁵ kg，其中水凝物约4.5×10¹⁴ kg、空中云水含量约3×10¹⁴ kg。

甘肃地区大气水月总量（储量）空间分布最显著特征是，由西北向东南依次递增，月储量600~900 mm，河西西部相对枯少，储量大值区在河东地区，是甘肃的大气水相对丰沛带，为大气水资源开发潜力区（图1）。

用EOF对1960—2019年大气水年总量标准化网格序列进行分解分析，发现第一空间型解释了60.3%方差，已概括了该区域大气含水年际变化主要信息。大气水年总量EOF1空间分布场内数值符号一致，数值从东南到西北递减明显，大值区（>0.80）在河东地区（图2）。甘肃大气水储量年际变化是同向增加或减少，即全省变化呈一致的上升或下降；西部沙漠年际变幅较小，河东地区年际变幅大，河东变化也快于河西地区。空间变化上，演变的区域一致性是甘肃大气水储量的主要气候特点，但也由东向西存在局地差异。

大气水年总量EOF1的时间序列PC1与其三阶主旨函数间相关系数为0.448，在α=0.01 水平上两者相关显著。三阶主旨函数曲线在1988年附近存在转折，以此为分界点前后两段序列，通过0.002信度滑动t检验，表明在1987—1988年发生了明显突变，阶段性很明显，界点之前大气含水以负距平为主，之后以正距平为主；2013—2015年在0线附近小幅正负振荡，具有相对稳定的特点。

由大气水年总量EOF1的时间序列（PC1）小波分析可知，在60 a的变化中，3 a左右振荡周期贯穿始终（信度在95%水平上显著），20世纪80年代之前以短周期振荡为主，2~4 a周期较为普遍，振幅较大；20世纪80年代之后振幅明显减弱，短周期减弱，长周期明显，由之前准7 a衰变为8~10 a振荡周期，水汽转向偏丰。

甘肃地区大气水气候演变的主要特征是区域一致性、周期阶段和相对稳定，为空中云水开发利用提供一定的保证。

1960—2019年，甘肃大气水年总量距平百分率-11%~8%，62.7%的年份变化小于1个标准差（σ=3.88%），只有3.8%大于2个σ。这表明甘肃区域年总大气水量年际变化幅度较小，大气水资源量相对稳定。

1960—2019年，1—12月逐月偏多的f（频次）为31.6%~42.1%，平均值为36.7%，偏少的f为60.3%，甘肃地区偏少概率明显多于偏多，说明该区域大气存在着局地爆发性增湿（大气水上升）；3、6月偏多情况少， 2、8月偏多情况较多，反映出3月和6月是甘肃地区大气水的最枯月份，气候上相对大气水丰沛在2月和8月。这可能与南海季风、高原季风爆发以及3~4波环流转换有关。

根据甘肃区域大气水年际振荡幅度小、变化相对稳定，以及振荡的2 a主周期等主要性质，发现气候长序列分析中2013—2015年具有较好的基态代表性，可作进一步分析。

2013—2015年甘肃地区水汽单年总量（大气年内累计量）约为3.83631×10¹⁵ kg，水凝物为4.4454×10¹⁴ kg，空中云水含量为2.9042×10¹⁴ kg。

甘肃省水凝物从河西内陆干旱区向东部季风区由1.5 mm增加到近5 mm；在河西走廊由祁连山区域向隔壁沙漠区由3.5 mm减少到1.5 mm，递减明显（图3A）。

甘肃省水汽分布走势比水凝物复杂，西少东多与水凝物分布类似，还存在局地不均，陇南西秦岭山区、六盘山区丰富，祁连山区较丰富，河西西北部的近天山区域相对高于周边；水汽最大的区域在甘肃东南部，超过15 mm，祁连山区约11 mm。与水凝物相比，水汽的瞬时存量明显大于水汽（图3B）。

2013—2019年，年度水汽输入为3.79364×10¹⁵ kg，输出为3.89132×10¹⁵ kg，净输出9.768×10¹³ kg；水凝物输入为1.2427×10¹⁴ kg，输出为1.3898×10¹⁴ kg，净输出1.471×10¹³ kg。

2013—2019年，年内逐日水汽输入与输出变化较一致（序列长度365 d，相关系数0.9997），其六阶拟合函数与逐日实际变化十分逼近（相关系数为0.962，在α=0.001 水平上两者相关显著）。甘肃水汽年内逐日输送强度呈明显的单峰形式（图4A），单日最大输送与最小之间相差10倍以上；高输送阶段集中在6—9月，输送量占全年55.4%，期间准周期振荡显著；极高峰值在6月中下旬7月上旬，输送量占全年16.6%，期间8 d左右准周期振荡突出；次峰值在9月中下旬，输送量占全年9.9%，期间4 d左右准周期振荡突出。12月至翌年2月中旬时段输送最弱，输送量不及全年9%，振荡周期不明显；年内其余过度时段存在15 d左右准周期振动（图4B）。

甘肃水汽与水凝物年度净输送空间分布特征类似，都是西多东少，祁连山区较丰富，水汽输送最大的区域在东南部，超过15 mm，祁连山区约11 mm（图5）。

全省水汽净输送为正的区域主要在河西西部、祁连山区、甘南高原及甘肃东南部，输出最大的区域在陇东黄土高原一带，整体上全省大部区域净输送值为负值，表明输出大于输入；水凝物净输送除祁连山区有弱正值外，甘肃其他区域都为负值。

2013-2015，甘肃省水汽和水凝物更新周期由河西向东递减，河西西部水汽循环最慢，可达50 d，甘肃东部及南部水汽循环较快，为8 d左右（图6A）。水凝物的更新速度明显快于水汽，空间变化趋势和水汽非常相似，都是河西地区循环慢而甘肃南部及东部循环快，最慢河西西部达到50 h左右，甘肃南部及东部最快在4 h左右（图6B）。平均状况水汽为24.9 d，水凝物为17.3 h。

用REOF对1960—2019年大气水月总量标准化网格序列分解分析，根据North理论^［36］，截取前4 个主分量做方差最大REOF分解，空间模累积方差贡献达83.9%，已概括了场空间分布主要特征。

REOF1（第一空间模）解释总方差（43.1%）最高，空间分布最显著特征是符号全区一致，数值由东南向西北依次递减，河东地区数值最大（图7A）；可见，甘肃大气水变化以全区一致为主，变幅最大在河东地区。

REOF2（第二空间模）占总方差的24.5%，由东南向西北依次递减，最小值区河西西部地区（图7B），说明河西西部地方是甘肃大气汽水异常的第二敏感区。

REOF3（第三空间模）解释总方差（8.9%）明显小于前两个空间型，主要揭示局地特点；在黄河附近绝对值较大（图7C），可见此区域存在着局地异常。

REOF4（第四空间模）总方差（7.4%）解释能力接近第三空间模，体现局地性，绝对值大值在祁连山脉中部地带（图7D），反映出特殊地形引起局地大气水异常。

河东地区为REOF1高相关次区域，相关程度由东南向西北迅速下降；河西中西部为REOF2高相关次区域，相关程度向东南下降；REOF3中黄河近地带水汽为局地高相关地带；REOF4反映出祁连山脉中部地带为局地高相关区。

依据相关度高低做区划，该4个空间模态等值线基本重合于绝对值0.6处，等值线将甘肃分成4个空间型，将以上4个空间模对应的高相关区简称1、2、3、4区，得到1960—2019年甘肃大气水月总量异常的格局（图8）。

对同期甘肃月降水序列做REOF分解分区，得到1960—2019年甘肃月降水异常的空间格局（图9）。

对照图8—9发现，大气水月总量与地面降水场空间格局十分相似，基本由西北到东南4区依次分布，西部内陆干旱区大气水偏低、降水少，东南部季风区大气水偏丰、降水多，河西走廊东部及黄河地带介于二者之间；存在次区域边界不一致，看到降水场1区、4区较大气水对应的范围明显缩小，西部多沙漠戈壁下垫面与东南部六盘山、秦岭山地下垫面热力动力属性差异较大，反映在地面降水分布上更趋向同一性，表现在1、4区降水次区域缩小与下垫面差异的局地特点。

2013—2015年，甘肃每年空中云水资源总量（图10A）与年降水量空间分布（图10B）极其相似，东多西少，由河西走廊向东递增，祁连山区、陇东及甘肃东南部较为丰沛，甘肃河西西部最少。全省东西差距仍然较大，基本以36°N为分界线，以北大部分区域年降水量不足300 mm；以南大部分区域在300 mm以上，其中甘南、陇南降水量最多，普遍在450 mm以上，个别区域可以达到700 mm左右；祁连山区是相对降水量较多区域，年降水量350~500 mm。

年度总降水量为1.5756×10¹⁴ kg，水汽凝结效率为11.8%，总水物质降水效率为4.1%，水汽降水效率为4.0%，水凝物降水效率为35.1%。

1960—2018年大气水年总量EOF1时间系数与青藏高压廓线（16 760 gpm）东端经度之间的相关系数表明：两者夏季在α=0.01信度水平上显著正相关，全年在α=0.05信度水平上显著正相关。甘肃大气含水总量变化与青藏高压东西位置关系密切，夏季青藏高压位置偏东甘肃区域大气水储量偏多，反之下降。

1960—2018年大气水年总量EOF1时间系数与赤道北太平洋（10°S—50°N、120°E—110°W）月海温距平EOF1时间系数间的相关系数表明：9月海温异常与大气水年总量、秋季总量在α=0.01信度水平上显著负相关；2、4月海温异常与大气水年度、夏季总量在α=0.05信度水平上显著正相关；赤道北太平洋地区9月海温异常冷的时期，甘肃区域大气含水年度和秋季总量以增多的状态为主，反之海温异常暖的时期以偏少为主；2、4月海温偏暖时甘肃大气水年度和夏季总量以增多为主，反之亦然。

1960—2018年大气水年总量EOF1时间系数与南海季风指数间的相关系数表明：3—9月南海季风与年、夏秋季大气水总量在α=0.01信度以上水平显著正相关，其中3、5月相关系数最大。南海季风的爆发和强弱与甘肃地区大气水含量异常关系最为密切。

1960—2018年大气水年总量EOF1时间系数与中纬度西风带指数间的相关系数表明：冬季西风带指数与同期大气水总量存在一定的相关，其中11、2月在α=0.1信度水平显著正相关。中高纬西风带强时甘肃地区大气水含量偏多，反之亦然。

1960—2018年大气水年总量EOF1时间系数与西太平洋副热带高压廓线（5 860 gpm）西端经度之间的相关系数表明：西太平洋副热带高压东西位置与其相关不显著。

总之，甘肃地区大气水储量变化受南海季风影响最为突出，赤道北太平洋海温和青藏高压次之，中高纬西风带异常强弱对甘肃地区大气水含量存在正向影响，西太平洋副高影响不够明显。

甘肃地区1960—2019年大气水年总量约4×10¹⁵ kg，其中水凝物约4.5×10¹⁴ kg，空中云水含量约3×10¹⁴ kg，月储量600~900 mm。空间分布由西北向东南依次递增，河西西部相对枯少，河东地区大值区是甘肃的大气水相对丰沛带，也是大气水资源开发潜力区。年际变化以区域一致为主，也存在局地差异，西部沙漠变幅较小、河东地区变幅较大。大气水年总量振荡变化中存在明显阶段性，1987—1988年突变明显，由以负距平为主转为正距平为主，3 a左右振荡周期贯穿始终；20世纪80年代之前以短周期振荡为主，2~4 a周期较为普遍，振幅较大；20世纪80年代之后振幅明显减弱，短周期减弱，长周期明显，由之前准7 a衰变为8~10 a振荡周期，水汽转向偏丰。月储量异常存在不对称分布，偏少概率明显多于偏多，3、6月偏多情况少， 2、8月偏多情况较多，这可能与南海季风、高原季风爆发以及3~4波环流转换有关。

水凝物瞬间存量空间分布，从河西内陆干旱区向东部季风区由1.5 mm增加到近5 mm，由祁连山区域向戈壁沙漠区由3.5 mm减少到1.5 mm；水汽分布西少东多与水凝物分布类似，局地不均较水凝物复杂，陇南西秦岭山区、六盘山区丰富，祁连山区较丰富，河西西北部的近天山区域相对高于周边；水汽最多的区域在甘肃东南部，最大达到15 mm以上，祁连山区约11 mm。水汽的瞬时存量明显大于水凝物。

在典型年份（2013—2015年）年度水汽输入为3.79364×10¹⁵ kg，输出为3.89132×10¹⁵ kg，净输出9.768×10¹³ kg；水凝物输入为1.2427×10¹⁴ kg，输出为1.3898×10¹⁴ kg，净输出1.471×10¹³ kg；年内逐日水汽输入与输出变化较一致，输送强度都呈现出明显的单峰形式；高输送阶段集中在6—9月（占全年输送量的55.4%），期间准周期振荡显著；极高峰值在6月中下旬7月上旬，输送量占全年16.6%，期间8 d左右准周期振荡突出；次峰值在9月中下旬，输送量占全年9.9%，期间4 d左右准周期振荡突出。12月至翌年2月中旬时段输送最弱，输送量不及全年9%，振荡周期不明显；年内其余过渡时段存在15 d左右准周期振动；日输送最大与最小之间相差10倍以上。

水汽与水凝物年度净输送空间分布都是西多东少，祁连山区较丰富，水汽输送最大的区域在东南部，最大在15 mm以上，祁连山区约11 mm。水汽净输送为正的区域主要在河西西部、祁连山区、甘南高原及甘肃东南部，输出最大的区域在陇东黄土高原一带，整体上全省净输送值大部区域为负值，表明输出大于输入；水凝物净输送除祁连山区有弱正值外，甘肃其他区域均为负。

水汽和水凝物更新周期由河西向东递减，河西西部水汽循环最慢，超过50 d。甘肃东部及南部水汽循环较快，为8 d左右。水凝物的更新速度明显快于水汽，空间变化趋势和水汽非常相似，都是河西地区循环慢而甘肃南部及东部循环快，最慢河西西部达到50 h左右，甘肃南部及东部最快在4 h左右。平均状况水汽为24.9 d，水凝物为17.3 h。

大气水月储量与地面降水场空间十分相似，基本由西北到东南依次分布4区，西部内陆干旱区大气水偏低、降水少，东南部季风区大气水偏丰、降水多，河西走廊东部及黄河地带介于二者之间；次区域边界不一致，西部多沙漠戈壁下垫面与东南部六盘山、秦岭山地下垫面热力动力属性差异较大，降水场特征区范围明显小于大气含水对应区。年度大气含水总量，由河西走廊向东递增，甘肃河西西部最少，祁连山区、陇东及甘肃东南部较为丰沛；东西差距仍然较大，基本以36°N为分界线。年度水汽凝结效率为11.8%，总水物质降水效率为4.1%，水汽降水效率为4.0%，水凝物降水效率为35.1%。

主要大气系统影响突出。大气水储量变化与青藏高压东西位置关系密切，尤其夏季青藏高压位置偏东，甘肃区域大气水储量偏多，反之下降；赤道北太平洋地区9月海温异常冷（暖）时期，大气含水年度和秋季储量以增多（减少）为主，反之亦然；2、4月海温偏暖（冷）时甘肃大气水年度和夏季储量以增多（减少）为主；3—9月南海季风与年、夏秋季大气水储量显著正相关，其中3、5月相关系数最大，南海季风的爆发和强弱对甘肃地区大气水含量异常关系最为密切；冬季西风带指数与同期大气水储量存在一定的相关，其中11、2月显著正相关，中高纬西风带强（弱）时大气水含量偏向多（少）；西太平洋副热带高压东西位置与其相关不显著。甘肃地区大气水储量变化受南海季风最为突出，赤道北太平洋海温和青藏高压次之，中高纬西风带异常强弱对甘肃地区大气水含量存在正向影响。

年度水汽和水凝物输出均超过了输入，亏损的这部分水汽可能来自下垫面蒸发（如祁连山冰川及内陆河蒸发），在全球气候变暖的大背景下，近60年甘肃河西内流区冰川数量减少556条，面积减少417.85 km²，冰储量损失20.16 km³。面积0.1~0.5 km²的冰川数量与面积减少最多（457条和117.49 km²），海拔4 400~5 400 m是冰川面积集中退缩的区域（98.55%），北朝向冰川面积减少最多（219.92 km²）且冰川退缩速率最快（3.61 km²·a^-1），1956—2017年河西内流区各流域冰川面积均呈退缩态势，气温升高是该区域冰川退缩的主要原因^［37］。大气与下垫面的相互作用中局地水汽的收支不平衡，可能会导致局地气候暖干恶化。