中國北方干旱區(qū)降雨與相對濕度變化趨勢的非一致性研究

徐麗君，衛(wèi) 琦，徐俊增，龍上敏，薛 璟，戴惠東

(1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 海洋學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.昆山市城市水系調(diào)度與信息管理處，江蘇 昆山 215300)

1 研究背景

20世紀(jì)中期以來，全球變暖加劇，不同地區(qū)(尤其是干旱區(qū))的干濕狀況發(fā)生了顯著的變化[1-6]，掌握氣候變暖背景下干旱區(qū)干濕變化趨勢及區(qū)域間差異，對于了解不同干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化、制定相應(yīng)對策具有重要指導(dǎo)意義。降雨量(P)作為最常用的氣象因子，其長期變化趨勢通常被用于反映氣候的干濕變化[7-9]。例如，馬柱國等[10]利用1951-2004年的月P資料研究了中國北方地區(qū)過去54年的干濕變化，結(jié)果表明北方地區(qū)的P整體上呈逐漸減少趨勢、干旱化趨勢不斷加劇。陳潔等[11]基于1961-2010年的月P資料分析了中國大陸過去50年的干濕變化狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)華北和東北地區(qū)P呈減少趨勢，干旱化趨勢加劇，而西北和青藏高原地區(qū)的P呈增加趨勢，氣候呈濕潤化趨勢。

除降雨量外，相對濕度(RH)是一個從空氣水蒸氣含量變化的角度來反映區(qū)域干濕變化的變量[12-14]。例如，盧愛剛等[15]基于1958-2007年的月RH資料研究了中國近50年的空氣濕度變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中國西部地區(qū)RH呈增大的 “暖濕化”趨勢；而東部地區(qū)RH呈減小的“暖干化”趨勢。李瀚等[16]利用1966-2013年的月RH資料研究了中國西南地區(qū)的RH變化特征，結(jié)果顯示該地區(qū)1966-2000年RH的值呈輕微上升趨勢, 而2000-2013年呈快速下降趨勢。在以往研究中，已有一些學(xué)者同時關(guān)注了P和RH的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)年P(guān)和RH存在變化趨勢的不一致性。例如，李東等[17]發(fā)現(xiàn)烏魯木齊地區(qū)1962-2011 年的P呈增加趨勢，而RH卻基本保持穩(wěn)定。鄭然等[18]發(fā)現(xiàn)青藏高原1971-2011年內(nèi)年P(guān)呈增大趨勢，而RH自1990年后呈減小趨勢。然而，上述研究都是在個別站點發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，且缺乏系統(tǒng)性的分析?？紤]到P和RH均為表征全球干濕變化趨勢的重要因子，且干旱區(qū)分布范圍較廣、年內(nèi)降雨量分布極不均勻，因此，針對干旱區(qū)不同區(qū)域的站點，區(qū)分雨季與非雨季時段，對研判P和RH的變化趨勢及其非一致性規(guī)律尤為重要，但相關(guān)方面的研究還鮮有報道。

隨著氣候變暖，氣溫的升高將改變?nèi)蚪涤甑母窬郑⑦M(jìn)一步影響空氣實際水汽含量的變化，因此，基于P和RH的變化趨勢開展干旱區(qū)在不同時段、不同區(qū)域的干濕變化狀況研究，對于認(rèn)識氣候變暖背景下干旱區(qū)的干濕變化狀況具有一定的重要性。以此為背景，本研究擬選擇中國北方從新疆到黑龍江不同區(qū)域的干旱區(qū)多個典型的氣象站點，基于1951-2018年的日P值和RH值資料，研究各站點P和RH在全年、雨季和非雨季時段的變化趨勢，分析討論兩者在指示干濕變化趨勢中的一致性，旨在了解氣候變暖背景下不同指標(biāo)(P和RH)表征北方干旱區(qū)干濕變化狀況及其非一致性規(guī)律，研究結(jié)果對于評價指標(biāo)的合理選擇以及干旱區(qū)干濕變化狀況的準(zhǔn)確評估具有重要參考意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的氣象資料由國家氣象科學(xué)中心(http://www.nmic.cn/)提供?？紤]到資料的完整性和代表性，在遴選代表性氣象站點的過程中，所采用的主要原則如下：(1)氣象資料序列長且年份不斷檔，即所選擇站點1951-2018年的日P和RH資料中不存在異常數(shù)據(jù)且具有連續(xù)性；(2)站點覆蓋整個北方干旱區(qū)，根據(jù)經(jīng)緯度進(jìn)行區(qū)域劃分，考慮到中國干旱區(qū)橫向分布范圍遼闊，站點緯度密度應(yīng)大于經(jīng)度密度，經(jīng)緯度范圍分別選擇在30°～50°N和75°～130°E之間，挑選了空間分布均勻且具有明顯差異性和較強(qiáng)代表性的站點。通過篩選，選取了中國北方干旱區(qū)20個常規(guī)氣象站點近68年(1951-2018年)的日氣象數(shù)據(jù)，主要包括日降雨量(P，mm)和日相對濕度(RH，%)，對干旱區(qū)降雨和相對濕度變化的特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。各氣象站點的基本信息如表1所示。

2.2 統(tǒng)計方法

采用SPSS(statistical product and service solutions)對不同時段(全年、雨季和非雨季)的P和RH進(jìn)行了統(tǒng)計分析，其中全年、雨季和非雨季時段分別代表1-12月、4-10月和11-次年3月。采用Mann-Kendall趨勢檢驗法[19]對P和RH的趨勢變化進(jìn)行了分析，在反映干濕變化狀況時，兩者出現(xiàn)增加趨勢表明變濕潤，反之則變干旱。

表1 所選中國北方干旱區(qū)典型氣象站點的基本信息

為了定量評價P和RH的變化趨勢，基于其多年變化斜率，利用統(tǒng)計排序進(jìn)行歸一化處理得到各自變化趨勢的相對數(shù)值。對P和RH的增加幅度按降序進(jìn)行0～1的賦分排序，并將各自站點的兩個變量賦分值進(jìn)行相加用于定量表征兩者變化趨勢的反向差異度。此外，采用Pearson相關(guān)系數(shù)法[20]分析了不同時段P和RH值與其歸一化賦分值、反向差異度等指標(biāo)的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時段P變化趨勢

各典型氣象站點P在不同時段的變化趨勢如表2所示。分析表2可知，全年時段P呈增大趨勢的站點個數(shù)占總站點個數(shù)的95%，增幅為0.02～4.42 mm/a；且該時段內(nèi)60%站點(12個)的降雨量P呈顯著性增大(p<0.05)。非雨季時段所有站點的P均呈增大趨勢，增幅為0.03～0.84 mm/a，且其在95%的站點呈顯著性增加(p<0.05)；與全年和非雨季時段相比，雨季時段P呈減少趨勢的站點個數(shù)(6個)顯著增加，減幅為0.01～1.00 mm/a，且均未達(dá)到顯著性水平(p>0.1)。此外，通過分析各站點多年平均累積降雨量與降雨變化量的回歸關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)降雨量越大的站點，其在不同時段內(nèi)的降雨增加量也相對越大。

對比表2中的不同時段，非雨季時段內(nèi)各站點P的增大幅度(0.03～0.84 mm/a)相對穩(wěn)定；其中在固原、西寧、玉樹等站點的增幅較大(0.41～0.61 mm/a)，而在吐魯番等站點的增幅較小(< 0.05 mm/a)。與非雨季時段不同，雨季和全年時段各站點P的增大趨勢較為明顯，其中在青?！鞑匾粠У默敹?、那曲等站點的增大趨勢較為顯著(1.52～4.42 mm/a)，在新疆—甘肅一帶的西北內(nèi)陸干旱區(qū)站點(吐魯番、張掖、民勤等)的增大幅度較小(0.02～0.47 mm/a)。而對于寧夏—陜西—山西—河北一帶的站點來說，其降雨量變化趨勢并不穩(wěn)定，雨季降雨量多為減少趨勢。

表2 各典型氣象站點在不同時段P變化趨勢

3.2 不同時段RH變化趨勢

各典型氣象站點RH在不同時段的變化趨勢如表3所示。由表3可知，就全年時段而言，僅有3個站點的RH呈增大趨勢，增幅為0～0.04%/a；而其余站點均呈減小趨勢，降幅為0.01%/a～0.19%/a，且88.2%的站點呈顯著性減小(p<0.05)。與全年時段相比，雨季時段RH呈增加趨勢的站點個數(shù)保持相同，但其增加幅度略有所增大，為0.02%/a～0.06%/a；非雨季時段RH呈增加趨勢的站點個數(shù)(2個)有所減少，且其增加幅度均未通過顯著性檢驗水平(p>0.1)?？傮w而言，全年、雨季和非雨季時段所選典型站點的RH變化趨勢基本相似，呈減小趨勢的站點個數(shù)基本相同。

表3 各典型氣象站點在不同時段RH變化趨勢

對比不同站點，可以發(fā)現(xiàn)其RH的變化趨勢均較為相似，除河北承德RH始終呈增大趨勢外，大多數(shù)站點均呈明顯的減小趨勢；其中在陜甘寧干旱區(qū)的榆林、銀川、張掖等站點的RH減小幅度較為顯著，而在青?！拭C—西藏一帶的站點變化趨勢則缺乏一致性規(guī)律，即全年和雨季時段的西寧、酒泉站點RH呈增大趨勢、那曲站點RH呈減小趨勢，而非雨季時段則正好相反。

3.3 P與RH變化趨勢的非一致性

不同時段各典型氣象站點P和RH變化趨勢的一致性如表4所示。

由表4可見，P和RH呈非一致性規(guī)律較多的站點發(fā)生在全年和非雨季時段，而呈一致性規(guī)律較多的站點主要發(fā)生在雨季時段。具體表現(xiàn)為：P和RH在全年和非雨季時段呈非一致性規(guī)律的站點個數(shù)高達(dá)18個，占總站點個數(shù)的90%；而二者在雨季時段呈非一致性規(guī)律的站點個數(shù)為13個，較全年和非雨季時段減少了27.8%。

表4 各典型氣象站點P和RH在不同時段變化趨勢的非一致性

結(jié)合各站點P和RH在不同時段的變化趨勢，可以看出，對于P和RH呈非一致性規(guī)律的大多數(shù)站點來說，其共同的特征是P呈增加趨勢、RH呈降低趨勢；而對于P和RH呈一致性規(guī)律的站點來說，其P和RH大多呈增加趨勢，且P的增加量遠(yuǎn)大于RH。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同時段內(nèi)P和RH呈非一致性變化的站點主要集中在阿克蘇、和田、喀什、瑪多、民勤、張掖、玉樹、銀川等新疆—青?！拭C地區(qū)；而P和RH呈非一致規(guī)律不穩(wěn)定的地區(qū)主要發(fā)生在那曲、太原、承德等西藏—山西—河北—甘肅地區(qū)。

此外，通過分析P、RH與其變化量(ΔP、ΔRH)以及反向差異度(ΔRH+ΔP)的線性回歸關(guān)系(表5)可以得出，各時段P與RH、ΔT均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，且其相關(guān)系數(shù)(R2)在雨季更大，分別為0.74和0.68；而RH僅在雨季與T、ΔT呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.28和0.30。

表5 不同時段P、RH與其歸一化賦分值、反向差異度的相關(guān)系數(shù)

對于ΔP賦分值來說，其在全年和雨季時段內(nèi)與T呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，而在非雨季時段與氣溫增量ΔT呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。對于ΔRH賦分值而言，其在各時段內(nèi)與各氣象因子及其變量的相關(guān)性均未達(dá)到顯著性水平(p>0.1)。對于(ΔRH+ΔP)反向差異度來說，其在全年和雨季時段內(nèi)與T、ΔP賦分值以及ΔRH賦分值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，且其與T和ΔRH賦分值的相關(guān)系數(shù)在雨季更大。而在非雨季時段，(ΔRH+ΔP)反向差異度與氣溫增量ΔT、ΔP賦分值以及ΔRH賦分值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

4 討 論

降雨和相對濕度作為最重要的氣象因子，是最常用的評價空氣長期干濕狀況的指標(biāo)[21-25]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)基于P和RH開展了一些研究工作[26-31]，已有研究發(fā)現(xiàn)長江流域[32]和淮河流域[33]的P和RH均呈不同程度的增大趨勢，氣候呈“暖濕化”趨勢，而在中國干旱區(qū)的研究結(jié)果則傾向于氣候呈“暖干化”特征。例如，賈恪等[34]研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古吉力吐地區(qū)的P和RH呈逐年下降趨勢，氣候呈“暖干化”特征。本研究中，不同時段內(nèi)P在絕大部分站點呈現(xiàn)增大趨勢，表明大多數(shù)干旱區(qū)呈“濕潤化”趨勢，與上述大多數(shù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果較為相似。但RH多呈現(xiàn)減小趨勢，空氣干燥程度增加又表明中國干旱區(qū)呈“干旱化”趨勢。上述結(jié)果意味著我國干旱區(qū)正在經(jīng)歷一個降雨量微弱增加、空氣變得更干燥的時期。這也似乎表明未來氣候變化背景下干旱區(qū)可利用水量、可蒸發(fā)水量以及大氣蒸發(fā)能力將協(xié)同增加，干旱區(qū)降水—蒸發(fā)過程呈加劇趨勢，且雨季和非雨季的對比結(jié)果表明這一問題在雨季時段表現(xiàn)的更為突出。

此外，本研究結(jié)果表明，T、ΔP以及ΔRH賦分值與全年和雨季時段(ΔRH+ΔP)反向差異度具有顯著的相關(guān)性，而ΔT、ΔP以及ΔRH賦分值與非雨季時段(ΔRH+ΔP)反向差異度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。鑒于全年和雨季ΔP賦分值與T以及非雨季ΔP賦分值與氣溫增量ΔT呈顯著相關(guān)，ΔRH受其他因子的影響很小，因此可以推斷，氣溫T(全年和雨季)及其增量ΔT(非雨季)可能是導(dǎo)致P與RH呈非一致性規(guī)律的關(guān)鍵影響因子。另外，與全年和非雨季時段相比，雨季時段P呈增大趨勢的站點個數(shù)在減少(減幅為25%～30%)、增加幅度在降低；既然氣溫主導(dǎo)了全年(尤其是雨季)降雨量的變化趨勢，這就意味著升溫將加劇雨季的降雨和蒸散發(fā)過程而影響全年的降雨—蒸散發(fā)格局，且這一現(xiàn)象將覆蓋越來越多的干旱區(qū)站點。

本文主要基于中國北方干旱區(qū)20個典型氣象站點1951-2018年的氣象資料，研究了P和RH在不同時段的變化趨勢及其非一致性規(guī)律。研究結(jié)果顯示，不同時段P在大多數(shù)站點呈增加趨勢，而RH呈減小趨勢；且與全年和非雨季相比，雨季時段P和RH的一致性更為明顯。這些結(jié)果表明了未來全球變暖背景下氣溫的升高將增加降雨量和蒸發(fā)蒸騰量，可在一定程度上緩解農(nóng)業(yè)缺水、促進(jìn)生物系統(tǒng)的恢復(fù)。然而，干旱區(qū)P的時空分布不均勻(主要集中在雨季)以及RH減小導(dǎo)致的空氣變干又將會加劇區(qū)域間干旱化的發(fā)展趨勢，甚至打破全球生態(tài)系統(tǒng)的平衡。因此，未來需結(jié)合全國甚至全球更多干旱區(qū)站點，研究不同氣象因子綜合影響下P和RH的非一致性及其對評價氣候干濕變化狀況的影響，研究結(jié)果對于應(yīng)對未來氣候變化背景下的農(nóng)業(yè)用水危機(jī)以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要的現(xiàn)實意義。

5 結(jié) 論

(1)不同時段P在所選的大部分氣象站點呈增加趨勢，與全年和非雨季時段相比，雨季時段P呈增加趨勢的站點個數(shù)分別減少了25%和30%。

(2)所選各氣象站點在不同時段的RH幾乎均呈減小趨勢，且呈減小趨勢的站點個數(shù)在不同時段基本相同。

(3)與雨季時段相比，全年和非雨季時段P和RH的非一致性的站點個數(shù)增加了25%。

(4)氣溫T(全年和雨季)及其增量ΔT(非雨季)是干旱區(qū)站點P與RH呈非一致性的關(guān)鍵因子。

(5)氣候變暖背景下，氣溫的升高將加劇干旱區(qū)的降雨—蒸散發(fā)過程，且這一現(xiàn)象在雨季表現(xiàn)的更為突出。