中國(guó)水汽變化與氣溫日較差變化的特征及其相互聯(lián)系

李漢菁 高曉丹

摘要 利用中國(guó)1961—2010年氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同區(qū)域氣溫日較差變化和水汽變化趨勢(shì)以及兩者間關(guān)系。結(jié)果表明：（1）各地區(qū)氣溫日較差均顯著增加，北方較南方趨勢(shì)更為明顯;除內(nèi)蒙古和以兩廣地區(qū)為主的部分南方地區(qū)，水汽基本呈增長(zhǎng)變化，氣溫日較差變化趨勢(shì)顯著于水汽;（2）氣溫日較差和水汽變化在冬季均表現(xiàn)出較強(qiáng)變化特點(diǎn)，其他季節(jié)變化區(qū)別不大;（3）氣溫日較差與水汽壓基本表現(xiàn)出反向變化情況，且在內(nèi)陸地區(qū)體現(xiàn)更明顯。

關(guān)鍵詞 水汽;氣溫日較差;相關(guān)性

中圖分類號(hào)：P423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2020）04-0-02

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.04.044

中國(guó)幅員遼闊，跨緯度較廣，距海遠(yuǎn)近差距較大，地形多樣，從而使氣溫降水組合多樣，形成復(fù)雜的氣候類型。水汽在大氣中占比僅為0.1%～3%，卻是大氣中最活躍成分，不均勻且富于變化，對(duì)天氣演變和氣候變化有重要影響。大氣中水分主要源于自由水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)及植物表面蒸騰等，隨著溫度升高，蒸發(fā)進(jìn)入大氣中水汽相應(yīng)增加[1]。同時(shí)水汽作為重要溫室氣體，會(huì)加劇溫室效應(yīng)，導(dǎo)致氣溫繼續(xù)升高。因此在不考慮其他因素影響下，水汽與氣溫變化存在正反饋機(jī)制。中國(guó)對(duì)于影響氣溫日較差變化原因的研究有很多，但大多數(shù)是對(duì)區(qū)域分析。大氣水汽變化對(duì)于氣溫日較差變化研究不容忽視，水汽變化和氣溫日較差變化聯(lián)系在全球變暖大趨勢(shì)下愈加密不可分。

1 資料

1.1 區(qū)域劃分

為研究不同地區(qū)變化特征，參考王澄海等劃分標(biāo)準(zhǔn)將中國(guó)大陸分成8個(gè)氣候區(qū)，分別為西北干旱半干旱區(qū)（WA）、青藏高原區(qū)（TP）、東部干旱區(qū)（EA）、中國(guó)東北部（NE）、中國(guó)北部（NC）、中國(guó)中部（CC）、中國(guó)西南部（SW）和中國(guó)南部（SC）。在每個(gè)氣候區(qū)，選擇若干個(gè)代表站點(diǎn)的長(zhǎng)期觀測(cè)資料，分析研究氣溫日較差變化和水汽變化特征及聯(lián)系，以此分析水汽變化對(duì)該地區(qū)氣溫日較差影響程度。

1.2 資料來源

數(shù)據(jù)選自國(guó)家氣象信息中心制作的“中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)（V3.0）”，數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制，各要素項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)有率普遍在99%以上，數(shù)據(jù)正確率均接近100%。

1.3 參量選擇及研究方法

1.3.1 參量選擇 氣溫日較差（DTR）表示一天中最高溫度與最低溫度之差，這里氣溫指距地面1.25～2.0 m處大氣溫度。采用比濕和水汽壓這兩個(gè)物理量作為水汽資料研究，比濕q為水汽與濕空氣質(zhì)量比，是衡量水汽含量最基本濕度參量。

公式為：

式（1）中r表示1.5 m處相對(duì)濕度大小。

水汽壓e為大氣中水汽分壓強(qiáng)，描述單位空氣柱中所含水汽質(zhì)量，直接表示空氣中水汽含量大小，表示水汽絕對(duì)含量。公式為：

式（2）中為水汽和干空氣的摩爾數(shù)比，約等于0.622，p為該地氣壓值，r表示約1.5m處相對(duì)濕度。

1.3.2 研究方法 線性趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)：各區(qū)域年均氣溫日較差和水汽變化及兩者四季變化均采用線性趨勢(shì)法。線性趨勢(shì)法：將氣象要素寫成時(shí)間t線性函數(shù)。

線性趨勢(shì)分析方法結(jié)果，通過方差分析使用統(tǒng)計(jì)量F進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

其中分別代表要素原始值、要素回歸值、要素平均值和樣本數(shù)。

相關(guān)程度及顯著性檢驗(yàn)。

其中為兩個(gè)要素序列之間相關(guān)系數(shù)，n為樣本數(shù)。

2 四季氣溫日較差和水汽變化特征比較分析

首先，分析各地區(qū)四季平均氣溫日較差變化情況，春秋季變化幅度不大，夏冬季變化趨勢(shì)更顯著。不同地區(qū)變化程度大小也存在較大差異，其中西北干旱半干旱地區(qū)和西南地區(qū)各季節(jié)變化均不顯著，大體呈微弱減小趨勢(shì)，西南地區(qū)秋季日較差微弱上升狀態(tài);東部干旱地區(qū)四季日較差均緩慢下降，這可能與該地區(qū)氣溶膠含量季節(jié)變化不明顯有關(guān);其余地區(qū)基本各季均為下降趨勢(shì)，夏冬兩季變化更加明顯，尤以夏季更甚。

分析各地區(qū)水汽季節(jié)變化情況（以比濕為例）。由于水汽受到各氣象要素及季風(fēng)環(huán)流等多重影響，變化較日較差更復(fù)雜。西北干旱地區(qū)、青藏高原地區(qū)、東部干旱地區(qū)變化較一致，春夏秋季變化不大，冬季呈較顯著增長(zhǎng);東北地區(qū)四季變化均不明顯，其中夏季處于微弱減小狀態(tài)，這可能與來自歐亞大陸水汽明顯減少有關(guān);北方地區(qū)春冬季均顯著上升，但自2005年起各季均大幅度下降;中部春季變化較微弱，其余季節(jié)變化明顯;西南地區(qū)和南方大部分地區(qū)增加趨勢(shì)不明顯，冬季稍強(qiáng)。

氣溫日較差整體來看呈減小狀態(tài)，其中北方變化較南方更顯著，幅度大且較為一致，除北部地區(qū)均通過95%顯著性檢驗(yàn)。季節(jié)分布上冬季變化更顯著，其次為春季，夏秋季變化較微弱。水汽變化情況較復(fù)雜，且幅度不大。冬季逐步增加變化情況較為明顯，除南方部分地區(qū)（SW和SC）外均通過95%顯著性檢驗(yàn)（表1）。

3 中國(guó)各地區(qū)氣溫日較差和水汽的相互聯(lián)系

西北干旱半干旱區(qū)（WA）氣溫日較差和水汽含量均變化顯著，其中水汽壓變化程度高于比濕。1961—1984年氣溫日較差呈較強(qiáng)波動(dòng)下降，比濕呈較強(qiáng)波動(dòng)上升，且波動(dòng)趨勢(shì)相反。1985年氣溫日較差出現(xiàn)較小增長(zhǎng)突變，比濕突然降低將近0.5 g/kg，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)較小突變。1985—1988年日較差直線下降，水汽壓直線上升，表現(xiàn)出相反變化趨勢(shì)。接下來近十年氣溫日較差和水汽壓變化不明顯，1998年氣溫日較差降低到近幾年最低值，水汽壓急劇上升，基本與近五十年最大值持平。2009—2010年又出現(xiàn)明顯反向變化，氣溫日較差下降，水汽壓上升。比濕和水汽壓變化趨勢(shì)一致，僅水汽壓變化趨勢(shì)略大于比濕，根據(jù)比濕和水汽壓關(guān)系式，氣壓升高，伴隨溫度升高，干空氣密度由于水汽增加而減小，顯然由于空氣中水汽增加程度不足以將密度減小到抵消溫度的增加值，使得氣壓最終還是呈升高趨勢(shì)。因此，伴隨西北干旱半干旱區(qū)溫度升高，氣溫日較差減小，水汽含量對(duì)于本身而言處于顯著增加狀態(tài)，但與其相比變化不夠顯著。

青藏高原地區(qū)（TP）氣溫日較差變化更明顯，水汽具有一定上升趨勢(shì)，效果并不明顯，兩者基本呈相反變化。1967年左右氣溫日較差達(dá)到近幾年最高值，比濕和水汽壓基本都處于最低值附近。1976—1979年可看出明顯反向變化特點(diǎn)，但在1997年附近兩者基本一致，到2004年反向變化特征重新出現(xiàn)。在水汽變化中比濕變化趨勢(shì)略高于水汽壓，氣壓降低，伴隨溫度升高，干空氣密度顯著減小，可看出青藏高原地區(qū)水汽變化較快，水汽急劇增多。

東部干旱區(qū)（EA）氣溫日較差變化異常顯著，水汽變化微弱，處于緩慢下降狀態(tài)，兩者變化基本符合反向變化。以氣溫日較差和水汽壓變化為例，1967年以前氣溫日較差和水汽壓明顯反向變化，后各自波動(dòng)下降，出現(xiàn)不規(guī)則變化，1990年左右又開始出現(xiàn)明顯反向變化，尤其2000年開始，兩者反向變化極顯著，日較差在2004年下降到今年最低值，比濕突增到今年最高值。

東北地區(qū)（NE）、中國(guó)北部（NC）、中部（CC）和西南部（SW）基本符合中國(guó)大部分地區(qū)變化趨勢(shì)，氣溫日較差減小，水汽增加。而中國(guó)中部和西南部變化程度略低，這可能與本身水汽含量較充沛、日較差沒有西北等地凸顯有關(guān)，大部分年份氣溫日較差和水汽變化趨勢(shì)處于相反狀態(tài)。

中國(guó)南部（SC）變化趨勢(shì)基本與東部干旱區(qū)相一致。氣溫日較差和水汽相反變化特點(diǎn)更明顯，除1963、1967等個(gè)別年份外，均表現(xiàn)出相反變化趨勢(shì)。南部地區(qū)原本水汽充沛，對(duì)該地區(qū)1951—2009年統(tǒng)計(jì)分析后得出，其降水量呈微弱增加趨勢(shì)，水汽減少成因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)果與分析

（1）中國(guó)氣溫日較差整體呈減小趨勢(shì)，北方更顯著，尤其是東北地區(qū)和華北北部;水汽除內(nèi)蒙古和兩廣外基本呈緩慢增加變化，水汽壓增長(zhǎng)幅度略高于比濕，水汽整體不斷增加[2]。

（2）冬季氣溫日較差變化趨勢(shì)最顯著，春季次之;水汽變化情況較復(fù)雜，冬季變化最顯著，其余季節(jié)除南方部分地區(qū)外緩慢上升。

（3）中國(guó)大部分地區(qū)都處于氣溫日較差減小、水汽增加情況，具有良好反向變化特征;東部干旱區(qū)和中國(guó)南部氣溫日較差與水汽均呈減小趨勢(shì)，但氣溫日較差減小趨勢(shì)遠(yuǎn)高于水汽，且氣溫日較差和水汽整體呈相反變化趨勢(shì)。因此，無論氣溫日較差和水汽變化情況如何，都呈現(xiàn)出良好的反向變化特征。

初步得出一些結(jié)論，但尚存很多不足，有待深入分析特殊區(qū)域，探討影響該地區(qū)溫度及水汽的主要因素及變化情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇濤，封國(guó)林.基于不同再分析資料的全球蒸發(fā)量時(shí)空變化特征分析[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，2015，45（3）：351-365.

[2] 汪秀清，陳長(zhǎng)勝，張智勇，等.東北地區(qū)夏季旱澇的區(qū)域特征及水汽異常輸送[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2006（4）：53-58.

責(zé)任編輯：黃艷飛