雅安地區(qū)近50 年濕度變化特征分析

胡瑤，李尚錦，周學云，吳燕琴

（1.四川省雅安市氣象局，四川雅安 625000；2.四川省滎經(jīng)縣氣象局，四川雅安 625200）

空氣濕度是重要的氣象要素，是表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下，在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕。在此意義下，常用絕對濕度、相對濕度、比濕、混合比、飽和差及露點溫度等物理量來表示。其中，比濕是指包含在同一容積中的水汽質(zhì)量與該空氣團的總質(zhì)量的比值，與氣溫和氣壓密切相關(guān)，它不因濕空氣體積的膨脹或壓縮而改變，它是一個保守量，故對比濕分布的分析對空氣濕度的研究很有意義。

現(xiàn)有研究人員對各地的水汽壓和相對濕度進行了詳細分析。全國各地年均水汽壓呈增大趨勢的站點占全部站點的90.3%，除春夏兩季的黃土高原至云貴高原一帶和長江下游地區(qū)、秋季的華南地區(qū)有所減小外，各季節(jié)全國水汽壓普遍呈增大趨勢[1-2]；中國東部地區(qū)冬季相對濕度的低值區(qū)集中在黃淮北部、華北和東北南部，夏季相對濕度較冬季明顯增大[3]；青海全省及4個生態(tài)功能區(qū)年際和逐月絕對濕度變化特征明顯，且具有較好的經(jīng)度地帶性和海拔地帶性[4]；西南地區(qū)年平均相對濕度值為66.44%，其中1966—2000 年呈微弱上升態(tài)勢，2000—2013 年下降較快[5]；長江中下游地區(qū)年平均相對濕度在65%～85%之間，除個別站點外年平均相對濕度及年高濕日天數(shù)均有減小的趨勢，大部分站點6—8 月的相對濕度比其他月份要高，且與其他月份相對濕度的差值有增加趨勢[6]；烏魯木齊四季及年相對濕度均呈增加趨勢[7]。針對比濕的研究分析極少，包慧濛等[8]分析了南方比濕特征及其暴雨的關(guān)系，南方暴雨發(fā)生時和發(fā)生前，中層比濕增加的概率為90%左右，低層比濕增加的概率為75%左右。25.5°N以南區(qū)域各層暴雨日增值以0～1.0 g/kg 出現(xiàn)最多，25.5°N 以北區(qū)域3—6 月比濕增值超過2.0 g/kg 的概率達35%～55%。顧天紅等[9]研究發(fā)現(xiàn)，對流層中低層飽和的大氣和比濕高值是西南區(qū)域暴雨發(fā)生的有利條件之一。

以上研究表明，比濕可以用來衡量暴雨發(fā)生的水汽條件，不同地區(qū)不同季節(jié)甚至不同月份，滿足暴雨發(fā)生水汽條件的比濕值不一樣。在日常業(yè)務預報中，雅安市氣象臺預報員通常將15 g/kg 作為暴雨出現(xiàn)時850 hPa 的比濕閾值，故利用比濕分布特征來分析空氣濕度很有意義。雅安是成都平原與青藏高原的過渡帶，因其獨具特色的降雨特征，在氣象學上享有著名的“雅安天漏”[10]之稱，也稱為“雨城”。夏季雅安市暴雨天氣多發(fā)、頻發(fā)，易致災，是四川省三大暴雨中心之一，故對雅安地區(qū)比濕分布特征的研究更具有十分重要的意義。

本文利用多種統(tǒng)計方法[10-13]對雅安地區(qū)8 個國家站的比濕年、季分布進行分析研究，為雅安暴雨預報提供水汽條件方面的數(shù)據(jù)支撐，同時也為當?shù)厣鷳B(tài)變化研究、旅游開發(fā)和政府相關(guān)職能部門制定應對氣候變化的措施提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

以雅安地區(qū)為研究區(qū)域，研究8 個國家氣象觀測站1971—2020 年的逐月平均氣溫、平均氣壓和平均相對濕度，資料來源于雅安市地面資料查詢系統(tǒng)（http://10.201.130.10/）。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于所用資料氣象站中有4 個站（滎經(jīng)、蘆山、天全、漢源）在不同時期進行過遷站，且遷站前后海拔高度相差較大，氣壓和氣溫有明顯差異，在進行氣候分析時，氣壓和氣溫均需進行遷站數(shù)據(jù)訂正。4 個國家氣象觀測站的具體遷站情況如表1 所示。根據(jù)《氣象學》[14]所述：對流層氣溫的垂直遞減率平均值為每100 m 約0.65 ℃，將各站遷站后的氣溫資料訂正到遷站前進行分析研究。

表1 國家氣象觀測站遷站情況

1.3 主要研究方法

1.3.1 氣壓高度差訂正

根據(jù)《氣象學》[14]所述，氣壓隨高度的增加是按指數(shù)規(guī)律降低的，利用簡化的拉普拉斯壓高公式，將各站遷站后的氣壓資料訂正到遷站前進行分析研究。

式中：Z2為較高層次海拔高度的數(shù)值，單位m；Z1為較低層次海拔高度的數(shù)值，單位m；α=1/273；tm=（t1+t2）/2；P1為較低層次氣壓的數(shù)值，單位hPa；P2為較高層次的氣壓的數(shù)值，單位hPa。

1.3.2 計算水汽壓和比濕

根據(jù)氣壓、氣溫、相對濕度，計算水汽壓，公式為：

式中：f為相對濕度的數(shù)值，單位%；e為水汽壓的數(shù)值，單位hPa；E為飽和水汽壓的數(shù)值，單位hPa。

再根據(jù)水汽壓、氣壓計算比濕，公式為：

式中：q為比濕的數(shù)值，單位g/kg；P為氣壓的數(shù)值，單位hPa。

1.3.3 算術(shù)平均法

將雅安地區(qū)月平均比濕利用算術(shù)平均法進行四季平均，參照《四川省氣候業(yè)務技術(shù)手冊》[15]，定義3—5月為春季、6—8 月為夏季、9—11 月為秋季、12 月—次年2 月為冬季。

1.3.4 一元線性回歸法

一元線性回歸法是采用線性傾向估計與相關(guān)系數(shù)檢驗法，公式如下：

式中：a為常數(shù)；b為比濕線性傾向率，為回歸系數(shù)。

a和b用最小二乘法估計計算得到，公式為：

趨勢系數(shù)是表示比濕數(shù)列相關(guān)性程度的系數(shù)，利用相關(guān)系數(shù)的檢驗方法來檢驗趨勢系數(shù)的顯著性，顯著性檢驗水平均設置為10%（檢驗是否通過90%的信度）。

2 結(jié)果與分析

由于雅安地區(qū)地形復雜，海拔高度差異大，平均比濕所表現(xiàn)出的時空特性也有很大的差異。把雅安地區(qū)分成南部、北部和中部3 個地區(qū)來進行分析。位于北部的是寶興，其次雅安南部是漢源、石棉，其余縣區(qū)（雨城、名山、天全、蘆山、滎經(jīng)）位于雅安中部。

2.1 近50 年雅安地區(qū)比濕總體變化基本特征

1971—2020 年雅安地區(qū)各臺站年平均比濕和四季比濕數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 1971—2020 年雅安地區(qū)各臺站年平均比濕和四季比濕 單位：g/kg

由表2 可得，近50 年雅安地區(qū)中部蘆山、名山、天全、雨城、滎經(jīng)平均比濕較高，蘆山最高，達10.8 g/kg；北部寶興平均比濕最低，為9.6 g/kg；南部漢源比濕較高，為10.5 g/kg；石棉次低，為10.0 g/kg。雅安地區(qū)比濕季節(jié)變化特征明顯，夏季比濕最大，秋季、春季次之，約為夏季的2/3；冬季最小，約為夏季的1/3。

2.2 雅安地區(qū)各臺站四季比濕變化差異分析

根據(jù)1971—2020 年雅安地區(qū)所轄8 個臺站四季比濕逐年變化曲線，進行比濕變化分析，結(jié)果如圖1—圖4 所示。

圖1 雅安地區(qū)所轄8 個臺站1971—2020 年逐年春季平均比濕變化曲線

從圖1—圖4 中可以看出，雅安地區(qū)8 個臺站四季比濕均呈上升趨勢，且變化曲線呈不規(guī)則波動變化，線性相關(guān)為弱正相關(guān)。其中，從圖1 中可以看出，雅安地區(qū)春季平均比濕最大值為10.4 g/kg，不滿足雅安暴雨形成的水汽條件；春季比濕波動上升幅度不大。8個臺站比濕最高值均出現(xiàn)在2018 年，南部漢源最低值出現(xiàn)在1982 年；石棉最低值出現(xiàn)了2 次，分別在1996年和2011 年；北部寶興最低值出現(xiàn)在1982 年；中部天全、名山、雨城最低值出現(xiàn)在1976 年；蘆山、滎經(jīng)最低值出現(xiàn)在1996 年。

從圖2 中可以看出，雅安地區(qū)夏季平均比濕大多在15.0 g/kg 以上，空氣中水汽含量很高，大部分滿足了形成暴雨的水汽條件。夏季比濕波動上升幅度較大，1971—2003 年波動變化比較小，2004—2020 年波動起伏較大。比濕最大值幾乎集中在2016、2018、2020 年，這3 年雅安暴雨出現(xiàn)的頻次和強度也較大，災害也較多；比濕最小值出現(xiàn)比較分散，寶興、漢源、滎經(jīng)最小值出現(xiàn)在1974 年，天全最小值出現(xiàn)在2015 年，蘆山最小值出現(xiàn)在2003 年，名山和雨城最小值出現(xiàn)在2008 年，石棉最小值出現(xiàn)在2011 年，滎經(jīng)最小值出現(xiàn)在1974 年。

圖2 雅安地區(qū)所轄8 個臺站1971—2020 年逐年夏季平均比濕變化曲線

從圖3 中可以看出，雅安地區(qū)秋季平均比濕最大值為11.9 g/kg，比春季稍高一些，但不滿足雅安暴雨形成的水汽條件。秋季比濕波動上升幅度較大，波動起伏也較大。比濕最大值與最小值出現(xiàn)年份也比較分散，最大值主要集中在近10 年（1998—2020 年），最小值主要集中在1971 年、1972 年和1981 年。

圖3 雅安地區(qū)所轄8 個臺站1971—2020 年逐年秋季平均比濕變化曲線

從圖4 中可以看出，雅安地區(qū)冬季平均比濕最大值為6.3 g/kg，是一年中最小的，不滿足雅安暴雨形成的水汽條件。冬季比濕波動上升幅度較小，波動變化平穩(wěn)。比濕最小值除石棉出現(xiàn)在2012 年外，其余7 個臺站比濕最小值均出現(xiàn)在1977 年；比濕最大值除蘆山出現(xiàn)在1987 年，漢源出現(xiàn)在2007 年外，其余6 個臺站均出現(xiàn)在2020 年。

圖4 雅安地區(qū)所轄8 個臺站1971—2020 年逐年冬季平均比濕變化曲線

3 結(jié)論

近50 年雅安地區(qū)濕度呈增加趨勢，春季和冬季比濕增加輻度不大，夏季和秋季增加明顯，比濕變化波動明顯，春季和冬季波動變化稍小，且比濕值小，水汽含量偏少。夏季和秋季波動變化明顯，且比濕值較大，水汽含量偏多。特別是夏季比濕大多在15.0 g/kg以上，空氣中水汽含量很高，大部分滿足了形成暴雨的水汽條件；秋季比濕較大，水汽含量適中，如遇合適的熱力不穩(wěn)定條件和動力條件，也有可能形成暴雨。雅安地區(qū)南北濕度分布存在較大空間差異性，中部和南部較高，北部較低。

大氣的水氣含量、垂直分布、飽和程度等都是影響降水強度和效率的重要因素，且不同地區(qū)不同季節(jié)甚至不同月份，滿足暴雨發(fā)生水汽條件的比濕值也不一樣。本研究對暴雨預報提供了水汽條件的思路和著眼點，但對于暴雨形成的具體比濕和其他氣象要素的大小關(guān)系值未進行分析，還需要結(jié)合熱力不穩(wěn)定條件和動力條件進一步細化分析。