秦嶺南北近地面水汽時空變化特征

蔣 沖，王 飛，喻小勇，穆興民，楊旺明，劉思潔

(1.西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100;3.北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京100875;4.北京大學遙感與地理信息系統研究所，北京 100871)

大氣中的水汽直接影響降水，水汽含量和水汽輸送與大氣環流有著密切的內在聯系，而且是全球能量平衡和水分循環的重要組成部分，其變化深刻影響著全球氣候和水資源系統的格局和演變［1-4］。近年來，眾多學者使用不同數據源和分析方法［1-20］從全球變化和水文水資源的角度對水汽含量(水汽壓)的空間分布和時空變化及其可能成因進行了廣泛而深入的研究，研究區域包括中國全境［1-4］、季風濕潤區［5］、西北干旱區［7］、華北平原區［8］、黃河流域［9-11］、黑河流域［12］、金沙江［13-14］、青藏高原［15］、天山［16-17］、祁連山［18］、重慶［19］和云南［20］等。研究方法概括起來主要分為3類，其一是以NCEP和ERA40等再分析資料為基礎逐層積分計算，該方法目前應用較多，研究區遍布全國［7-12］。此方法資料相對容易獲取且計算簡單，但更多的研究是關注高空水資源(高空水汽)變化，對近地面水汽變化關注不足，也并非實際觀測數據;其二是基于探空觀測資料建立適用于全國和區域尺度的經驗計算公式［17-20］，但該方法局限性較強，在某一地區(或時空尺度)建立的經驗公式并不一定適用于其他區域(或時空尺度)，推廣潛力有限。其三是以遙感數據為基礎，利用影像的光譜信息和大氣可降水量與地面水汽壓的函數關系反演空中水汽含量，該方法在我國不同地區已有應用［2-3］，也同樣是估算結果。由于我國探空觀測站點較少，空間分布嚴重不均，基于探空觀測資料和再分析數據建立的經驗公式的時空代表性有限，經過不同時空尺度升降轉換后的準確性還有待提高。遙感衛星雖然具有觀測周期短，覆蓋范圍廣的特點，但由于數據空間分辨率較粗，使得該方法并不適用于區域水汽含量的精細化模擬［2-3］。也正是由于上述原因，目前多數有關水汽資源的研究還局限于站點尺度(個別探空站)，較少涉及到區域乃至全國尺度的水汽時空分布格局和變化趨勢。對于其突變和周期特征以及影響因素的的研究較少，對于重要地理界線南北差異、氣候過渡區域和生態環境敏感區關注度相對不足。

秦嶺地處暖溫帶與北亞熱帶過渡區，是中國氣候上的南北分界線，本區動(植)物資源極為豐富，也是南水北調中線工程水源地，在地理和生態等相關學科研究中具有極其重要的地位［21］。關于這一地區生態系統多樣性、水土保持等相關研究已經逐漸成為本領域的熱點問題，但對于秦嶺南北氣候演變特別是水汽含量的研究相對較少。已經開展的研究也大多局限于氣溫、降水和徑流等常規水文氣象要素的單因子分析，對于水汽壓的時空變化和突變特征研究極少，研究區域也大多局限于陜西境內的秦嶺山脈(關中—陜南一帶)，研究深度不夠，代表性不足，覆蓋面有限［21-23］。基于此，本研究在前人工作基礎上采用秦嶺南北47個站1960—2011年的水汽壓實測數據而非再分析資料，一方面消除了經驗公式法時空尺度推移的不確定性，另一方面克服了遙感反演法尺度過粗的不足。借助Spline空間插值、Pettitt突變點檢驗、Morlet小波分析等方法對秦嶺南北地區近地面水汽的空間分布、時空演變、突變特征和周期特征及其可能影響因素進行分析，為進一步研究該地區水文水資源演變情勢和氣候變化提供依據。

1 研究區概況

秦嶺南北主要包括秦嶺北坡及其以北的暖溫帶、秦嶺南坡及其以南的北亞熱帶、秦嶺以南的巴山、巫山谷地及江漢平原西北部(圖1)［21］。該區地處暖溫帶與北亞熱帶過渡區，是中國氣候上的南北分界線。年均氣溫12—17℃，≥10℃的年積溫為3700—4900℃，年均降水量600—1200 mm，降水變率大，季節分配不均勻，汛期6—9月的降雨量占全年的60%左右。本區植物資源極為豐富，地帶性植被為常綠-落葉闊葉混交林，植被垂直分布顯著。

圖1 研究區范圍及氣象觀測站點分布［21］Fig.1 Location of the study area and meteorological stations［21］

2 數據與方法

2.1 數據來源

水汽壓描述了空氣中水汽的絕對含量，是單位空氣柱中所含水汽的質量，物理單位為hPa。本文選用秦嶺南北47個氣象站1960—2011年間逐月近地面水汽壓實測資料。為進行不同緯度和地域單元水汽變化的比較，自北向南將研究區分為4個子區域:(1)秦嶺北坡及其以北的暖溫帶地區(以下簡稱“秦嶺以北”);(2)秦嶺南坡，包括伏牛山及其以東平原(因大部分區域屬秦嶺南坡山地，下簡稱“秦嶺南坡”);(3)秦嶺以南的漢水谷地、巴山、涢水谷地及淮河上游北亞熱帶地區(因大部分區域屬漢水流域，下簡稱“漢水流域”);(4)巴山南麓、巫山谷地及江漢平原西北部(下簡稱“巴巫谷地”)［21］。

2.2 研究方法

為研究水汽的空間分布特征，采用GIS地統計插值法對站點水汽壓進行空間插值。為了保證插值的精度，在研究區選取站點總數的50%(23個站)對IDW法、Kriging法和Spline法的插值精度進行驗證。研究表明IDW法、Kriging法和Spline法的插值結果與計算值都有較好的相關性，分別為IDW法(R=0.971，P＜0.01)、Kriging法(R=0.972，P＜0.01)、Spline法(R=0.977，P＜0.01)，Spline 法相關性最好，可用作本研究的插值方法。但是Spline法插值結果與實測值相比仍有一定誤差，通過線性回歸方程修正后最大誤差為5%，平均絕對誤差為2%，誤差較小［24］。

為了揭示水汽的突變和周期特征，選用在水文氣象領域廣為應用的Pettitt變點檢測法和Morlet復小波分析法研究水汽的突變和周期變化。Pettitt變點檢測和Morlet復小波分析參見文獻［25-27］。

3 結果與分析

3.1 水汽空間分布

秦嶺南北近地面水汽呈南高北低、東高西低的空間分布格局，具有較好的海拔地帶性和緯度地帶性，即隨海拔和緯度的上升(下降)而相應減少(增加)(圖2)，各子區按水汽大小排序依次為巴巫谷地(16.2 hPa)＞漢水流域(14.3 hPa)＞秦嶺南北(13.5 hPa)＞秦嶺南坡(12.3 hPa)＞秦嶺以北(11.2 hPa)。各子區水汽相對較高的站點依次為萬州(18.0 hPa)＞鐘祥(15.9 hPa)＞西華(14.1 hPa)＞開封(13.2 hPa)，相對較小的站點依次為廣元(13.8 hPa)＞佛坪(11.3 hPa)＞武都(10.9 hPa)＞華山(7.1 hPa)。季節尺度上水汽的分布規律與年尺度具有基本相同的特點，也表現出明顯的緯度地帶性和海拔地帶性(圖3)，季節平均水汽含量排序為夏季(23.1 hPa)＞秋季(13.2 hPa)＞春季(12.1 hPa)＞冬季(5.7 hPa)。

上述空間分布格局主要是由于秦嶺南北的大部分地區受季風影響，冬季風來自高緯度大陸，水汽較少，而夏季風來自低緯度海洋，高溫而潮濕，造成了水汽的年內變化。事實上全球尺度上的變化規律亦是如此，冬季赤道是一個水汽壓較大的地區，一般在30 hPa以上，因為赤道附近有廣闊的海洋，具有極大的蒸發能力。從赤道向兩極水汽壓遞減，亞洲東北部幾乎為零，主要是受低緯低氣溫的影響。而在夏季，雖然赤道地區仍是水汽壓最大的地帶，但赤道與北極之間的水汽壓差已大大減少［1-3］。

圖2 水汽的海拔地帶性和緯度地帶性Fig.2 The altitudinal and latitudinal zonality of water vapor pressure

圖3 年度和夏季平均水汽空間分布Fig.3 Spatial distribution of yearly and summer averaged water vapor

3.2 水汽時空變化

3.2.1 水汽年際變化

秦嶺南北整體和各子區水汽變化趨勢基本一致，除巴巫谷地(-0.02 hPa/10a)不顯著下降外均呈現出增加趨勢(圖4)，增加速率排序依次為秦嶺南坡(0.15 hPa/10a)＞漢水流域(0.07 hPa/10a)＞秦嶺南北(0.06 hPa/10a)＞秦嶺以北(0.05 hPa/10a)，且均通過95%的顯著性檢驗。由累積距平曲線(圖4)可知，1986年是秦嶺南北整體和各子區水汽變化的轉折點，1986年以前微弱下降，此后震蕩上升，變化步調基本保持一致。

3.2.2 水汽十年尺度變化

圖4 年平均水汽距平和累積距平Fig.4 Anomaly and accumulative anomaly of yearly averaged water vapor

由表1可知，秦嶺南北整體年平均水汽壓在1960—1989年均為負距平，以19660—1969年距平值最大(-0.11 hPa)，說明1960—1969年是最為干旱的10a。1990—2009年為正距平，其中1990—1999年是最為濕潤的10a，各子區變化規律與秦嶺南北整體基本一致;春季，秦嶺南北整體經歷了“干—干—濕—濕—干”的變化過程，1960—1969年各子區處于偏干旱狀態，1990—1999年偏濕潤，其余年代各子區干濕變化無明顯規律;夏季，1960—1969年和1990—1999年偏濕潤，1960—1969年最濕潤。1970—1989年和2000—2009年偏干旱，1980—1989最干;秋季，1960—1969年和2000—2009年偏濕潤，除漢水流域外均以2000—2009年最濕。1970—1999偏干，1970—1979年最干;冬季，各子區1960—1969年干旱最嚴重，2000—2009年最濕潤。

表1 年和季節平均水汽年代際距平Table 1 Decadal anomaly of yearly and seasonally averaged water vapor

3.2.3 水汽變化的空間分布

空間分布特征方面(圖5)，77%(36個)的站點年平均水汽壓呈上升趨勢，其中38%(18個)的站點達到95%及以上的顯著水平，只有23%的站點下降，且大部分未達到顯著水平。各子區水汽壓上升站點所占比例排序為秦嶺南坡(100%)＞漢水流域(86%)＞秦嶺以北(79%)＞巴巫谷地(40%)。傾向率分別為秦嶺南坡0.15 hPa/10a、漢水流域0.07 hPa/10a、秦嶺南北0.06 hPa/10a、秦嶺以北0.05 hPa/10a、巴巫谷地-0.02 hPa/10a。秦嶺南坡和漢水流域上升速率更快，覆蓋面積較秦嶺以北而言更廣，巴巫谷地則呈下降趨勢;

春季水汽壓整體微弱上升(0.06 hPa/10 a)，傾向率分別為秦嶺南坡0.23 hPa/10 a、漢水流域0.14 hPa/10 a、秦嶺南北0.06 hPa/10 a、秦嶺以北-0.04 hPa/10 a、巴巫谷地-0.07 hPa/10 a。上升和下降的站點各占約49%和51%，其中僅有23%(11個)的站點達到95%及以上的顯著水平。各子區水汽壓下降站點所占比例排序為巴巫谷地(80%)＞秦嶺以北(50%)＞漢水流域(43%)＞秦嶺南坡(33%)(圖5)。

夏季水汽壓整體微弱下降(-0.05 hPa/10 a)，傾向率排序為巴巫谷地(-0.14 hPa/10 a)＞漢水流域(-0.10 hPa/10 a)＞秦嶺南坡(-0.08 hPa/10 a)＞秦嶺南北(-0.05 hPa/10 a)，秦嶺以北呈上升趨勢(0.11 hPa/10 a)。上升和下降的站點各占約60%和40%，其中僅有30%(14個)的站點達到95%及以上的顯著水平。各子區水汽壓下降站點所占比例排序為巴巫谷地(90%)＞漢水流域(36%)＞秦嶺以北(29%)＞秦嶺南坡(11%)，除秦嶺以北以外的各子區均呈下降趨勢，下降速率由南向北遞減(圖5)。

秋季水汽壓整體微弱上升(0.03 hPa/10 a)，傾向率排序為秦嶺南坡(0.05 hPa/10 a)＞巴巫谷地(0.03 hPa/10 a)=秦嶺南北(0.03 hPa/10 a)=秦嶺以北(0.03 hPa/10 a)＞漢水流域(0.01 hPa/10 a)。上升和下降的站點各占約66%和34%，其中僅有23%(11個)的站點達到95%及以上的顯著水平。各子區水汽壓上升站點所占比例排序為秦嶺南坡(78%)＞漢水流域(71%)＞巴巫谷地(60%)＞秦嶺以北(43%)，秦嶺以南地區上升速率更快，代表范圍較秦嶺以北而言更廣(圖5)。

冬季98%(46個)的站點水汽壓呈上升趨勢，傾向率排序為秦嶺南坡(0.37 hPa/10 a)＞漢水流域(0.22 hPa/10 a)＞秦嶺南北(0.18 hPa/10 a)＞巴巫谷地(0.07 hPa/10 a)= 秦嶺以北(0.07 hPa/10 a)，秦嶺以南地區的上升趨勢更為明顯(圖5)。

3.3 水汽突變特征

除冬季以外的各季節和年平均水汽壓突變站點都比較少，均未超過站點總數的15%，空間分布上零星分布于各子區，無明顯規律。冬季水汽壓(圖6)突變站點所占比例達53%(25個)，空間分布上集中于秦嶺以南的部分地區，突變集中發生在1985—1988年的4年間，占到突變站點總數的88%(22個)。

1986年是冬季水汽壓升降變化的轉折點，這一時間與冬季氣溫的轉折時間基本一致。1960—1986年間冬季氣溫以負距平居多，但卻呈波動上升趨勢，1987—2011年間以正距平居多，呈微弱下降趨勢。對比前后兩個時段的各站冬季均溫發現，后期(1987—2011年)多數站點的冬季均溫顯著高于前期(以顯著水平高于95%為標準)，且以秦嶺以北最為顯著，并自北向南逐漸遞減。其中秦嶺以北兩個時段冬季溫差0.92℃，為4個區域之最，有85%的站點前后差異達到了95%的顯著水平;秦嶺南坡、漢水流域及巴巫谷地溫差分別為0.77 ℃、0.70 ℃、0.61 ℃，顯著差異站點所占比例分別為60%、71%、55%。

圖6 冬季水汽突變的空間分布Fig.6 Spatial distribution of water vapor's mutation in winter

3.4 水汽變化的周期特征

年尺度水汽的Morlet小波系數實部時頻變化(圖7)表現出低頻部分稀疏，高頻部分密集的特點。圖中正值區域表示水汽偏多，負值區域表示水汽偏少，存在21a的震蕩主周期。在21a尺度上主要存在5個時間段的交替變化，正負位相以10a的時間震蕩，1960—1970年、1980—1990年和2000—2010年時段為正位相，表示這些年份水汽偏多，而1970—1980年和1990—2000年為負位相，意味著水汽偏少。夏季水汽的小波系數實部時頻變化特征與年尺度基本一致，在此不再贅述。年平均水汽的小波方差圖(圖8)表明水汽序列有2個主要峰值，分別對應21a和36a的時間尺度。36a對應的方差值最大，但是數據序列長度只有52a，因此36a并非主周期，21a才是主周期。同理，夏季水汽序列的主周期也為21a，其它各季節水汽變化也與年尺度基本一致。根據小波方差分析所確定主周期可進一步繪制主周期的小波系數實部過程線，以反映其正負位相結構和干濕變化特征。過程線反映出秦嶺南北地區經歷了相同的干濕交替演變規律，在21 a時間尺度下經歷了4次干濕交替變化。值得注意的是，在21a過程線上2005年以后水汽雖然還是偏多，但呈現下降趨勢，因此可以預計未來一段時間該地區仍然處于相對干旱狀態。

3.5 水汽影響要素分析

圖7 年平均水汽的小波系數Fig.7 Wavelet coefficients of yearly averaged water vapor

圖8 年平均水汽小波方差Fig.8 Wavelet variance of yearly averaged water vapor

表2 水汽與其它氣象要素相關系數Table 2 Correlation coefficient between water vapor and other meteorological factors

由表2可知，絕大部分站點水汽壓與降水量、氣溫、相對濕度和日照時數呈正相關關系，與風速呈負相關，正相關系數排序依次為氣溫＞降水量＞日照時數＞相對濕度。上述分析結果符合氣象學相關理論，水汽壓與溫度呈99%顯著水平的正相關關系，其大小與蒸發的快慢有密切關系，而蒸發的快慢在水分供應一定的條件下，主要受溫度控制。白天溫度高，蒸發快，進入大氣的水汽多，水汽壓就大;夜間出現相反的情況，基本上由溫度決定。而地球上熱量(以溫度表示)的主要來源是太陽輻射(因太陽輻射觀測站點有限，常以日照時數替代)，因此水汽壓與日照時數也有較好的相關性。此外，水汽壓與相對濕度緊密相關。相對濕度是表示空氣接近飽和的程度，其大小不僅與大氣中水汽含量有關，還隨氣溫升高而降低。氣溫升高時，雖然地面蒸發加快，水汽壓增大，但這時飽和水汽壓隨溫度升高而增大得更多些，使相對濕度反而減小。反之，氣溫降低時水汽壓減小，但是飽和水汽壓隨溫度下降得更多些，使相對濕度反而增大，但從年尺度上看，水汽壓還是與相對濕度呈正相關關系。另一方面，風速的增大加快了空氣中水汽分子的運動速率，使得氣象站觀測得到的水汽壓下降，因此兩者呈負相關關系。

4 結論與討論

(1)秦嶺南北近地面水汽呈南高北低、東高西低的空間分布格局，各子區水汽由南向北遞減，季節分布規律與年尺度基本一致，以夏季最大，冬季最小。

(2)秦嶺南北大部分地區年平均水汽壓呈上升趨勢，秦嶺南坡上升速率最快，巴巫谷地則呈下降趨勢;春季整體微弱上升，巴巫谷地和秦嶺以北下降;夏季整體微弱下降，秦嶺以北上升;秋季整體上升，秦嶺以南地區上升速率更快;冬季絕大部分地區上升，秦嶺以南更為明顯。

(3)年尺度和冬季以外的各季節水汽壓突變站點較少，空間分布上無明顯規律。冬季突變站點所占比例達53%，集中分布于秦嶺以南的部分地區，突變集中發生在1985—1988年間。

(4)近52年水汽在21a時間尺度下經歷了4次干濕交替變化，各季節水汽變化規律與年尺度基本一致，未來一段時間該地區仍然處于相對干旱狀態。

(5)水汽壓受到包括氣溫、風速、日照在內的多種氣象因素的綜合作用，影響力大小排序為氣溫＞降水量＞日照時數＞相對濕度，除巴巫谷地以外的各區水汽壓和氣溫基本呈同向變化趨勢。

1960—2011年秦嶺南北所有站點呈升溫趨勢，升溫速率排序依次為秦嶺以北(0.25℃/10 a)＞秦嶺南北(0.18 ℃ /10 a)＞秦嶺南坡(0.17 ℃ /10 a)＞漢水流域(0.16 ℃ /10 a)＞巴巫谷地(0.14 ℃ /10 a)，升溫趨勢均通過了99%的顯著性檢驗。由上述分析可知秦嶺南北整體和巴巫谷地以外的各個子區水汽壓和氣溫基本呈同向變化趨勢，即水汽壓隨溫度的增加而不斷上升。水汽壓和氣溫的變化速率排序并不完全一致，這主要是由于水汽壓同時受到包括氣溫、風速、日照在內的多種氣象因素的綜合作用，溫度起到主導作用，但并不是唯一決定作用，其他因素都有可能對其造成影響，例如巴巫谷地氣溫顯著上升但水汽卻微弱下降，其具體原因值得進一步研究。

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