1960-2015年西北干旱區相對濕度時空變化與氣候要素的定量關系

徐榮潞, 李寶富, 廉麗姝

(曲阜師范大學 地理與旅游學院, 山東 日照 276826)

空氣相對濕度是指在相同溫度下實際水汽壓和飽和水汽壓的比值，用以表征大氣中水汽的飽和程度[1]。相對濕度是調節地表水分和能量平衡的重要因素，能夠反映出氣溫、降水等氣候要素的綜合影響[2]。同時，相對濕度的變化與當地的大氣能見度、自然生態環境以及人類生產活動都息息相關。因此，研究典型區域相對濕度的時空變化特征，有利于加深對區域氣候變化的認識，對區域可持續發展和生態環境評價等方面具有重要的理論指導意義。

近年來，國內外一些學者開展了有關空氣相對濕度的變化趨勢以及時空差異等方面的研究工作，并取得了一定成果[3]。國外研究表明，不同區域的相對濕度存在明顯的時空差異性[4]：全球范圍內相對濕度的最高值分布在赤道地區，最低值主要處于南北緯30°附近的亞熱帶干燥地區。Akinbode等[5]分析表明1980—2001年尼日利亞相對濕度呈顯著下降趨勢；Vincent等[6]發現加拿大西部和南部地區顯著變暖，而相對濕度表現為下降趨勢。此外，Song等[7]指出1961—2010年我國東部絕大多數地區相對濕度呈顯著下降趨勢。盧愛剛[8]研究發現中國相對濕度在秦嶺—淮河一線以北減小態勢變化明顯，而秦淮以南無明顯變化。在影響因素方面，Vicente等[9]發現西班牙地區的降水和氣溫是影響相對濕度變化的主要因素。Wang等[10]指出中國1961—1990年相對濕度的季節變化在夏季最大，冬季最小，主要受到東亞季風的影響。諸多學者對天山南北坡[11]、武威[12]、青藏高原[13]、西南地區[14]等地方的相對濕度變化狀況進行了分析，但對于西北干旱區整體相對濕度時空變化特征的研究尚待加強。近50 a來，作為對全球變化響應的敏感區[15]，我國西北干旱區氣溫持續升高，蒸發和降水明顯增加[16]。在此背景下，西北干旱區相對濕度變化趨勢及其與氣溫、降水的定量關系還需進一步研究和認識。

因此，本文基于多種統計方法，對西北干旱區1960—2015年相對濕度時空變化特征進行分析，重點探討相對濕度與氣候要素的關系。同時，利用敏感性分析定量揭示氣溫和降水對相對濕度的影響程度，并且預估未來不同氣候變化情景下，相對濕度的變化狀況。其研究目的在于理解全球氣候變化下的生態脆弱區干旱化問題，加強對西北干旱區氣候變化的認識，為協調區域社會經濟與生態環境發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

中國西北干旱區地理位置介于73°—106°E，35°—50°N，該區主要有天山、昆侖山、阿爾金山、阿爾泰山及祁連山等高大山脈，包圍著塔里木盆地、準格爾盆地和河西走廊，總面積為235.2 km2，約占全國國土面積的24.5%[17]。該區深居內陸，常年受大陸氣團控制，屬于典型的溫帶大陸性氣候，干燥少雨，自然條件惡劣，植被稀疏，生態系統極為脆弱。

1.2 數據來源

本文所用的數據均來源于中國氣象數據中心，選取研究區內時間序列完整、連續性較好的74個氣象站的1960—2015年逐月氣象數據，并采用算術平均值[18]對個別站點的缺失時段數據進行插補，其分布范圍基本可以覆蓋整個西北干旱地區(圖1)。對于季節的劃分方法是:冬季取上年12月—本年2月，春季取3—5月,夏季取6—8月,秋季為9—11月。

圖1 西北干旱區74個氣象站點分布

1.3 研究方法

運用Mann-Kendall非參數統計檢驗法，對西北干旱區的相對濕度序列進行趨勢顯著性分析。該方法利用線性擬合得出趨勢方程，定量分析序列在某一時間段內的趨勢特征，從而反映該序列是上升趨勢還是下降趨勢[19]，常用于氣候時間序列的變化趨勢的顯著性檢驗[20]。對于時間序列X={x1,x2,…,xn}，構造一秩序列[17]:

(1)

這里,

(2)

(3)

(4)

式中：xi和xj為連續的數據值；n為數據集合的長度；對于樣本大于10的集合，檢驗統計量S接近于正態分布。var(S)為統計量S的方差；t為“結”的寬度；∑為所有“結”的總合。

為確定某一季平均相對濕度變化對年均相對濕度變化所做的貢獻率，計算了季節貢獻率[17]。公式如下：

(5)

為定量探討相對濕度和氣溫、降水量等氣象要素的關聯性，采用統計擬合方法建立多元線性回歸方程，并進行相關關系統計顯著性檢驗。

采用Zheng等[21]提出的敏感性計算方法，分析西北干旱區相對濕度對氣候要素變化的敏感性。該方法能定量、簡便地評價氣候變化對相對濕度的影響程度。計算公式如下：

(6)

2 結果與分析

2.1 時間變化特征

2.1.1 年際變化 1960—2015年，中國西北干旱區的年均相對濕度為50.33%，線性變化速率為-0.125%/10 a，經Mann-Kendall檢驗，下降趨勢未通過p<0.05的顯著性檢驗。在不同時間段，相對濕度變化存在明顯差異。20世紀60年代(50.43%)—80年代(49.46%)中期，年均相對濕度變化不大(圖2)，波動中略有下降。1986—1996年，相對濕度呈明顯增加趨勢(1.76%/10 a)，平均相對濕度達51.47%；而90年代末以來，年相對濕度的波動幅度較大，且呈明顯下降趨勢(-2.041%/10 a)。其中，1997年、2009年、2014年的相對濕度均低于47.5%；2003年出現了50多年來的相對濕度最大值，為54.38%。

2.1.2 季節變化 冬季平均相對濕度最大，為59.47%，其次是秋季(52.98%)，而夏季和春季的相對濕度較小，分別為46.44%，42.30%。通過計算季節貢獻率可知，夏季平均相對濕度變化對年變化的貢獻率最大，為35.16%；其次是秋季和春季，分別為26.17%，21.09%；而冬季的貢獻率僅為17.58%。可見夏季變化是引起相對濕度年變化的重要原因。

圖2 1960-2015年西北干旱區相對濕度年均變化趨勢

從變化速率來看(圖3)，春季相對濕度降低趨勢最明顯，線性速率為-0.554%/10 a，但未通過顯著性檢驗(p<0.05)。20世紀60年代相對濕度波動較大，且呈增加趨勢，在1964年相對濕度出現了50多年的最大值，為50.20%。70年代呈平穩下降趨勢。80年代—90年代中期，相對濕度主要呈增加趨勢。而進入21世紀后，春季相對濕度開始明顯減少，2014年出現了最小值，為35.68%。

夏季，相對濕度的變化波動較大，速率為-0.014%/10 a，未達到顯著性水平(p<0.05)。60—80年代中期，夏季相對濕度變化波動不明顯；1985—1995年呈增加趨勢，其中在1993年出現最大值，為52.22%。1995—2010年，相對濕度明顯下降，并在2009年出現了最小值(40.85%)；而2010年以后，相對濕度又呈增加態勢。

秋季，相對濕度變幅較小，呈微弱增加態勢(0.087%/10 a)。60—70年代中期為下降趨勢。1975—2000年，相對濕度在波動變化中略增。在進入21世紀后，秋季相對濕度主要呈減少趨勢，并在2012年出現最小值(47.20%)。

冬季，相對濕度平均值明顯高于其他季節，總體上在波動中略有減少(-0.03%/10 a)。80年代中期以后相對濕度變化波動較大，1997年出現最小值(53.04%)。2005年以后，呈明顯下降趨勢。

2.2 空間變化特征

2.2.1 年變化 1960—2015年，西北干旱區有60.8%的氣象站點相對濕度減少，且22.9%的站點達到p<0.05的顯著性檢驗(圖4)。其中，北疆地區的多年平均相對濕度最大，為56.33%；其次為南疆(47.87%)，而河西走廊的平均相對濕度最小，為45.95%。從空間上看，相對濕度呈現由東向西、由南向北逐漸增大的分布特點。

在變化速率方面，各區域相對濕度具有一定的差異。其中，南疆相對濕度整體呈顯著(p<0.05)增加趨勢，線性速率為0.228%/10 a，比如庫車(2.356%/10 a)增加趨勢最為明顯，通過了p<0.001的極顯著性水平檢驗。北疆與河西走廊相對濕度都呈不顯著下降趨勢，線性速率分別為-0.238%/10 a，-0.349%/10 a，只有巴里坤(-1.578%/10 a)和阿拉善右旗(-1.203%/10 a)變化極顯著(p<0.001)。

圖3 1960-2015年西北干旱區相對濕度各季節變化趨勢

圖4 1960-2015年西北干旱區相對濕度空間變化

2.2.2 季節變化 春季，西北干旱區有78.4%的氣象站相對濕度減少，28.4%的站點達到p<0.05的顯著性檢驗(圖5)；而僅有9.5%的站點呈顯著(p<0.05)增加趨勢。在空間上各區域相對濕度都呈降低趨勢。其中，河西走廊的降低速率最明顯，為-0.726%/10 a；其次是北疆地區和南疆地區，降低速率分別為-0.6%/10 a，-0.317%/10 a。另外，各區域平均相對濕度變化趨勢均未達到顯著性水平。

夏季，研究區有54.1%的氣象站點相對濕度減少，12.2%的站點達p<0.05的顯著性檢驗；而24.3%站點呈顯著(p<0.05)增加趨勢。其中，河西走廊的相對濕度主要呈減少趨勢，速率為-0.339%/10 a；北疆地區為-0.056%/10 a。而南疆地區大部分呈現出顯著(p<0.05)增加趨勢，速率為0.341%/10 a。

秋季，研究區有48.6%氣象站點相對濕度增加，且28.4%的站點達到p<0.05的顯著性檢驗；而14.9%的站點呈顯著(p<0.05)下降趨勢。南疆地區的相對濕度呈顯著(p<0.01)增加趨勢，速率為0.523%/10 a；而北疆地區和河西走廊仍呈不顯著降低趨勢，速率分別是-0.087%/10 a和-0.146%/10 a。

冬季，研究區有54.1%的氣象站點的相對濕度增加，20.3%的站點達到p<0.05的顯著性檢驗；而僅有13.5%站點下降趨勢顯著(p<0.05)。在空間上，各區域變化狀況與夏季和秋季相似，仍然南疆地區為不顯著增加趨勢(0.318%/10 a)，在北疆地區和河西走廊為不顯著降低趨勢，變化速率分別為-0.186%/10 a，-0.182%/10 a。

以上結果表明，北疆地區和河西走廊各季節相對濕度都呈不顯著下降趨勢，且春季的減少速率最大。而南疆除春季外，其他季節都呈增加態勢，特別是夏、秋季節，通過了顯著性水平檢驗(p<0.05)。

2.3 相對濕度變化與氣候要素的定性關系

近50多年來，西北干旱區降水量與相對濕度呈正相關，而氣溫、風速與相對濕度呈負相關，線性關系如下：

y=54.526+0.046x1-0.911x2-0.022x3

(7)

式中：y為相對濕度；x1為降水量；x2為氣溫；x3為風速。

回歸方程的線性擬合相關系數R=0.837，且通過了α=0.01的F檢驗，表明回歸效果顯著。在對影響因子的回歸系數進行t檢驗時發現，降水量、氣溫的回歸系數通過了t檢驗，而風速未通過，這表明降水和氣溫是影響相對濕度變化的主要因素。

圖5 1960-2015年各季節相對濕度空間變化

近50多年來，相對濕度經歷了平緩期(1960—1986年)、上升期(1987—1996年)和下降期(1997—2015年)；而降水和氣溫經歷了平緩期(1960—1986年)和上升期(1987—2015年)。在降水和氣溫的相互影響下，年均相對濕度呈微弱下降趨勢。值得注意的是，2000年以來，由于西北干旱區的降水量增幅下降，且有將近1/2站點的降水量表現為減少態勢，而氣溫持續升高，導致全區相對濕度顯著降低(-2.771%/10 a)(圖6)。

圖6 1960-2015年相對濕度與氣溫、降水量的關系

在西北干旱區，受地形分割作用導致區域氣候具有明顯的差異性。1960—2015年，北疆、南疆與河西走廊的降水變化速率分別為9.143 mm/10 a，6.28 mm/10 a，4.31 mm/10 a，均通過了p<0.05的顯著性檢驗；而氣溫變化速率分別為0.366℃/10 a，0.258℃/10 a，0.345℃/10 a (p<0.001)，表明50多年來，西北干旱區的降水和氣溫變化顯著。

從相關系數來看(表1)，除北疆地區的冬季相對濕度與降水的相關性通過了p<0.05的顯著性水平檢驗，其他地區各季相關系數都介于0.7～0.85，且均達到p<0.01的顯著性水平，表明二者之間的相關性較高。同時，相對濕度與氣溫的相關系數存在明顯的區域和季節差異。各區域的春、夏季以及南疆、河西走廊地區的冬季相關系數都通過了p<0.01的顯著性水平；北疆的冬季和河西走廊的秋季未通過顯著性檢驗；而南疆的秋季，相對濕度與氣溫則呈不顯著正相關關系。可見，相對濕度與降水的相關性高于氣溫。

2.4 相對濕度與氣候要素的定量關系

通過計算得出，西北干旱區年相對濕度對降水量、氣溫的敏感系數分別為0.122，-0.096，這表明若降水量增加10%，可誘發相對濕度增加1.22%；若氣溫升高10%，可誘發相對濕度減少0.96%；因此，在氣溫上升10%(與多年平均值相比，增加0.71℃)的情景下，降水增加的閾值為7.87%(增加11.67 mm)，使得相對濕度恰好可以保持不變。另外，不同季節中各氣溫與降水對相對濕度的影響程度也不同。各季節相對濕度對降水量的敏感系數分別為0.208，0.229，0.129，0.042；而相對濕度對氣溫的敏感系數分別為-0.312，-0.6，0.014，0.074。這顯示出在春、夏、冬季相對濕度對氣溫的敏感性均強于降水。特別是夏季，氣溫和降水度相對濕度變化的影響程度是最大的：若降水量增加10%，可使相對濕度增加2.29%；若氣溫上升10%，可使相對濕度降低6%。

表1 西北干旱區各季節相對濕度與降水、氣溫的相關系數

目前，我國西北干旱區處于氣溫升高、降水增加的“暖濕化”趨勢。自1987年以來，相對濕度增加了0.18%。其中，實際氣溫上升了7.57%，引起相對濕度減少率為0.71%；實際降水量增加率為7.26%，引起相對濕度增加了0.88%。

同時，基于相對濕度對氣候要素的敏感性，可以預估未來不同的氣候變化情景下，相對濕度的變化狀況。如果氣溫分別升高0.5，1.0，1.5，2.0℃，降水至少需要各增加8.18，16.36，24.55，32.72 mm，相對濕度才能基本不變。同理，如果降水保持穩定，氣溫分別升高0.5，1.0，1.5，2.0℃，將會導致相對濕度分別降低0.34%，0.67%，1.01%，1.35%。

3 討論與結論

3.1 討 論

受全球氣候變化的影響，近幾十年來西北地區呈暖濕化的趨勢，但變化幅度存在季節與區域的明顯差異。氣溫和降水的顯著變化，必然引起空氣濕度的響應和調整。因此，本文研究了西北干旱區空氣相對濕度的時空變化特征及其與氣溫、降水的定量關系。

研究顯示，西北干旱區相對濕度總體呈微弱下降態勢。自20世紀80年代中期以來，相對濕度變化幅度較大。特別是進入21世紀，相對濕度顯著減少。Li[22]、Wang[23]等認為西北干旱區氣溫和降水在1987年發生過“突變型”升高，但21世紀以來增加趨勢減弱。Yao等[24]利用多尺度干旱指數對干旱區進行評估，發現自1997年后轉為干燥趨勢。可見，氣溫、降水是影響相對濕度變化的重要因素。隨著氣溫逐漸升高，空氣中可容納的水汽含量增加。但在2000年之后，降水量增幅下降，導致空氣中實際存在的水汽含量也逐漸減少，最終造成2000年以來相對濕度明顯減少的現象。另外，在本文研究中，冬季相對濕度最大，主要是由于該時期氣溫較低，飽和水汽壓較小，且多雨雪天氣。而春季氣溫回升，但降水稀少，風速較大，整體氣候條件干燥，相對濕度為全年最低。

通過研究發現，北疆平均相對濕度較大，而南疆與河西走廊相對濕度較小。但南疆的相對濕度呈顯著增加趨勢，北疆和河西走廊呈不顯著下降趨勢。本研究和張雪芹等[25]發現，北疆地區升溫幅度最大，其次是河西走廊，而南疆升溫相對較慢。可見，由于南疆氣溫的升高速率相對較低，而降水增加速率高于河西走廊，使得空氣相對濕度呈微弱增加態勢；而北疆和河西走廊地區，在氣溫顯著上升、降水增加的共同作用下，相對濕度呈微弱下降趨勢。張彥龍等[26]研究表示北疆地區濕度較高，但南疆有局部濕潤化的趨勢。這與本文的研究結果相一致。另外，各區域的相對濕度變化差異還可能與大氣環流、局地自然條件(地形、潛在蒸散發等)和人類活動等因素有關[27]。

基于西北干旱區氣候變化的客觀事實，以下幾個現象值得關注：(1) 雖然西北干旱區冬季氣溫上升速率最快[28]，但是冬季的相對濕度增加速率并不大；而植被生長發育期的春、夏季相對濕度降低幅度較大，可能會造成植被退化、土壤水分流失增加，從而加劇沙漠化程度[29]。(2) 受復雜地形及其他氣候因素的影響，北疆降水增加速率明顯高于南疆和河西走廊，但是相對濕度卻呈減少態勢。(3) 近年來，干旱區降水增加趨勢有所降低，而氣溫卻持續升高[30]，地表及大氣水汽蒸發加強，這些變化增加了生態干旱的風險[24]，從而加劇了區域水資源短缺，降低農業資源的有效利用[31]。以上事實一方面表明在全球氣候變化的背景下，西北干旱區的相對濕度具有進一步下降的趨勢；另一方面，相對濕度的時空變化差異，可能對干旱區生態系統穩定和農業長遠發展產生潛在的不利影響。

3.2 結 論

(1) 1960—2015年，西北干旱區平均相對濕度值為50.34%，整體呈不顯著下降趨勢，速率為-0.125%/10 a的。其中在1960—1985年相對濕度呈微弱下降態勢；而后經歷了10年上升期，在1995年以后，相對濕度在波動中有較大幅度的降低。

(2) 西北干旱區相對濕度變化存在明顯的季節差異。除秋季的相對濕度變化速率呈微弱上升，其他季節速率都呈不顯著下降趨勢，且春季的下降速率最大(-0.554%/10 a)。相對濕度季節變化對年變化的貢獻率大小依次為：夏季>秋季>春季>冬季。

(3) 西北干旱區不同區域的相對濕度變化具有一定的空間差異。北疆和河西走廊各季節相對濕度都呈不顯著下降趨勢。而南疆除春季外，其他季節都呈增加態勢，特別是夏、秋季節，通過了顯著性水平檢驗(p<0.05)。

(4) 相對濕度變化與降水和氣溫的相關性也存在明顯的時空差異。不同區域各季節相對濕度與降水均呈顯著(p<0.05)正相關性，而北疆的冬季和南疆、河西走廊的秋季相對濕度與氣溫相關性不顯著。

(5) 敏感性分析結果表明，若降水量增加10%，可誘發相對濕度增加1.22%；若氣溫升高10%，可誘發相對濕度減少0.96%。因此，在西北干旱區氣候暖濕化背景下，若氣溫增加10%，降水增加的閾值為7.87%，相對濕度恰好可以保持不變。