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(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100;3.北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875;4.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)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(huán)流有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，而且是全球能量平衡和水分循環(huán)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(tǒng)的格局和演變［1-4］。近年來，眾多學(xué)者使用不同數(shù)據(jù)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(jìn)行了廣泛而深入的研究，研究區(qū)域包括中國全境［1-4］、季風(fēng)濕潤區(qū)［5］、西北干旱區(qū)［7］、華北平原區(qū)［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(chǔ)逐層積分計算，該方法目前應(yīng)用較多，研究區(qū)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(guān)注高空水資源(高空水汽)變化，對近地面水汽變化關(guān)注不足，也并非實(shí)際觀測數(shù)據(jù);其二是基于探空觀測資料建立適用于全國和區(qū)域尺度的經(jīng)驗(yàn)計算公式［17-20］，但該方法局限性較強(qiáng)，在某一地區(qū)(或時空尺度)建立的經(jīng)驗(yàn)公式并不一定適用于其他區(qū)域(或時空尺度)，推廣潛力有限。其三是以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(shù)關(guān)系反演空中水汽含量，該方法在我國不同地區(qū)已有應(yīng)用［2-3］，也同樣是估算結(jié)果。由于我國探空觀測站點(diǎn)較少，空間分布嚴(yán)重不均，基于探空觀測資料和再分析數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)公式的時空代表性有限，經(jīng)過不同時空尺度升降轉(zhuǎn)換后的準(zhǔn)確性還有待提高。遙感衛(wèi)星雖然具有觀測周期短，覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，但由于數(shù)據(jù)空間分辨率較粗，使得該方法并不適用于區(qū)域水汽含量的精細(xì)化模擬［2-3］。也正是由于上述原因，目前多數(shù)有關(guān)水汽資源的研究還局限于站點(diǎn)尺度(個別探空站)，較少涉及到區(qū)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(qū)域和生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)關(guān)注度相對不足。

秦嶺地處暖溫帶與北亞熱帶過渡區(qū)，是中國氣候上的南北分界線，本區(qū)動(植)物資源極為豐富，也是南水北調(diào)中線工程水源地，在地理和生態(tài)等相關(guān)學(xué)科研究中具有極其重要的地位［21］。關(guān)于這一地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多樣性、水土保持等相關(guān)研究已經(jīng)逐漸成為本領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(jīng)開展的研究也大多局限于氣溫、降水和徑流等常規(guī)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(qū)域也大多局限于陜西境內(nèi)的秦嶺山脈(關(guān)中—陜南一帶)，研究深度不夠，代表性不足，覆蓋面有限［21-23］?；诖耍狙芯吭谇叭斯ぷ骰A(chǔ)上采用秦嶺南北47個站1960—2011年的水汽壓實(shí)測數(shù)據(jù)而非再分析資料，一方面消除了經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)檢驗(yàn)、Morlet小波分析等方法對秦嶺南北地區(qū)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(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究該地區(qū)水文水資源演變情勢和氣候變化提供依據(jù)。

1 研究區(qū)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(qū)地處暖溫帶與北亞熱帶過渡區(qū)，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(jié)分配不均勻，汛期6—9月的降雨量占全年的60%左右。本區(qū)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(qū)范圍及氣象觀測站點(diǎn)分布［21］Fig.1 Location of the study area and meteorological stations［21］

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)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(zhì)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(shí)測資料。為進(jìn)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(qū)分為4個子區(qū)域:(1)秦嶺北坡及其以北的暖溫帶地區(qū)(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(qū)域?qū)偾貛X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(qū)(因大部分區(qū)域?qū)贊h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(tǒng)計插值法對站點(diǎn)水汽壓進(jìn)行空間插值。為了保證插值的精度，在研究區(qū)選取站點(diǎn)總數(shù)的50%(23個站)對IDW法、Kriging法和Spline法的插值精度進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明IDW法、Kriging法和Spline法的插值結(jié)果與計算值都有較好的相關(guān)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(guān)性最好，可用作本研究的插值方法。但是Spline法插值結(jié)果與實(shí)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(lǐng)域廣為應(yīng)用的Pettitt變點(diǎn)檢測法和Morlet復(fù)小波分析法研究水汽的突變和周期變化。Pettitt變點(diǎn)檢測和Morlet復(fù)小波分析參見文獻(xiàn)［25-27］。

3 結(jié)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(yīng)減少(增加)(圖2)，各子區(qū)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(qū)水汽相對較高的站點(diǎn)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(diǎn)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(jié)尺度上水汽的分布規(guī)律與年尺度具有基本相同的特點(diǎn)，也表現(xiàn)出明顯的緯度地帶性和海拔地帶性(圖3)，季節(jié)平均水汽含量排序?yàn)橄募?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(qū)受季風(fēng)影響，冬季風(fēng)來自高緯度大陸，水汽較少，而夏季風(fēng)來自低緯度海洋，高溫而潮濕，造成了水汽的年內(nèi)變化。事實(shí)上全球尺度上的變化規(guī)律亦是如此，冬季赤道是一個水汽壓較大的地區(qū)，一般在30 hPa以上，因?yàn)槌嗟栏浇袕V闊的海洋，具有極大的蒸發(fā)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(qū)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(qū)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(xiàn)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(yàn)。由累積距平曲線(圖4)可知，1986年是秦嶺南北整體和各子區(qū)水汽變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1986年以前微弱下降，此后震蕩上升，變化步調(diào)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(fù)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(qū)變化規(guī)律與秦嶺南北整體基本一致;春季，秦嶺南北整體經(jīng)歷了“干—干—濕—濕—干”的變化過程，1960—1969年各子區(qū)處于偏干旱狀態(tài)，1990—1999年偏濕潤，其余年代各子區(qū)干濕變化無明顯規(guī)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(qū)1960—1969年干旱最嚴(yán)重，2000—2009年最濕潤。

表1 年和季節(jié)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(diǎn)年平均水汽壓呈上升趨勢，其中38%(18個)的站點(diǎn)達(dá)到95%及以上的顯著水平，只有23%的站點(diǎn)下降，且大部分未達(dá)到顯著水平。各子區(qū)水汽壓上升站點(diǎn)所占比例排序?yàn)榍貛X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(diǎn)各占約49%和51%，其中僅有23%(11個)的站點(diǎn)達(dá)到95%及以上的顯著水平。各子區(qū)水汽壓下降站點(diǎn)所占比例排序?yàn)榘臀坠鹊?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?yàn)榘臀坠鹊?-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(diǎn)各占約60%和40%，其中僅有30%(14個)的站點(diǎn)達(dá)到95%及以上的顯著水平。各子區(qū)水汽壓下降站點(diǎn)所占比例排序?yàn)榘臀坠鹊?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(qū)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?yàn)榍貛X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(diǎn)各占約66%和34%，其中僅有23%(11個)的站點(diǎn)達(dá)到95%及以上的顯著水平。各子區(qū)水汽壓上升站點(diǎn)所占比例排序?yàn)榍貛X南坡(78%)＞漢水流域(71%)＞巴巫谷地(60%)＞秦嶺以北(43%)，秦嶺以南地區(qū)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(diǎn)水汽壓呈上升趨勢，傾向率排序?yàn)榍貛X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(qū)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(jié)和年平均水汽壓突變站點(diǎn)都比較少，均未超過站點(diǎn)總數(shù)的15%，空間分布上零星分布于各子區(qū)，無明顯規(guī)律。冬季水汽壓(圖6)突變站點(diǎn)所占比例達(dá)53%(25個)，空間分布上集中于秦嶺以南的部分地區(qū)，突變集中發(fā)生在1985—1988年的4年間，占到突變站點(diǎn)總數(shù)的88%(22個)。

1986年是冬季水汽壓升降變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這一時間與冬季氣溫的轉(zhuǎn)折時間基本一致。1960—1986年間冬季氣溫以負(fù)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(fā)現(xiàn)，后期(1987—2011年)多數(shù)站點(diǎn)的冬季均溫顯著高于前期(以顯著水平高于95%為標(biāo)準(zhǔn))，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(qū)域之最，有85%的站點(diǎn)前后差異達(dá)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(diǎn)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(shù)實(shí)部時頻變化(圖7)表現(xiàn)出低頻部分稀疏，高頻部分密集的特點(diǎn)。圖中正值區(qū)域表示水汽偏多，負(fù)值區(qū)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(fù)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(fù)位相，意味著水汽偏少。夏季水汽的小波系數(shù)實(shí)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(yīng)21a和36a的時間尺度。36a對應(yīng)的方差值最大，但是數(shù)據(jù)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(jié)水汽變化也與年尺度基本一致。根據(jù)小波方差分析所確定主周期可進(jìn)一步繪制主周期的小波系數(shù)實(shí)部過程線，以反映其正負(fù)位相結(jié)構(gòu)和干濕變化特征。過程線反映出秦嶺南北地區(qū)經(jīng)歷了相同的干濕交替演變規(guī)律，在21 a時間尺度下經(jīng)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(xiàn)下降趨勢，因此可以預(yù)計未來一段時間該地區(qū)仍然處于相對干旱狀態(tài)。

3.5 水汽影響要素分析

圖7 年平均水汽的小波系數(shù)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(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between water vapor and other meteorological factors

由表2可知，絕大部分站點(diǎn)水汽壓與降水量、氣溫、相對濕度和日照時數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，正相關(guān)系數(shù)排序依次為氣溫＞降水量＞日照時數(shù)＞相對濕度。上述分析結(jié)果符合氣象學(xué)相關(guān)理論，水汽壓與溫度呈99%顯著水平的正相關(guān)關(guān)系，其大小與蒸發(fā)的快慢有密切關(guān)系，而蒸發(fā)的快慢在水分供應(yīng)一定的條件下，主要受溫度控制。白天溫度高，蒸發(fā)快，進(jìn)入大氣的水汽多，水汽壓就大;夜間出現(xiàn)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(diǎn)有限，常以日照時數(shù)替代)，因此水汽壓與日照時數(shù)也有較好的相關(guān)性。此外，水汽壓與相對濕度緊密相關(guān)。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(guān)，還隨氣溫升高而降低。氣溫升高時，雖然地面蒸發(fā)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(guān)關(guān)系。另一方面，風(fēng)速的增大加快了空氣中水汽分子的運(yùn)動速率，使得氣象站觀測得到的水汽壓下降，因此兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)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(qū)水汽由南向北遞減，季節(jié)分布規(guī)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(qū)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(qū)上升速率更快;冬季絕大部分地區(qū)上升，秦嶺以南更為明顯。

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

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

(5)水汽壓受到包括氣溫、風(fēng)速、日照在內(nèi)的多種氣象因素的綜合作用，影響力大小排序?yàn)闅鉁兀窘邓浚救照諘r數(shù)＞相對濕度，除巴巫谷地以外的各區(qū)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(diǎn)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(yàn)。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(qū)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(fēng)速、日照在內(nèi)的多種氣象因素的綜合作用，溫度起到主導(dǎo)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(jìn)一步研究。

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