蔣 沖，穆興民，馬文勇，于新洋，劉憲鋒，李建國(guó)，劉思潔，王 飛,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100 2 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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101 4 北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875 5 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000 6 北京大學(xué)遙感與地理信息研究所，北京 100871

秦嶺南北地區(qū)絕對(duì)濕度的時(shí)空變化及其與潛在蒸發(fā)量的關(guān)系

蔣 沖1, 2，穆興民1，馬文勇3，于新洋3，劉憲鋒4，李建國(guó)5，劉思潔6，王 飛1,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100 2 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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101 4 北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875 5 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000 6 北京大學(xué)遙感與地理信息研究所，北京 100871

基于秦嶺南北地區(qū)1960—2011年的氣象觀測(cè)資料，分別利用絕對(duì)濕度計(jì)算公式和Penman-Monteith公式估算大氣絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量，并進(jìn)一步分析了絕對(duì)濕度的空間分布規(guī)律、時(shí)空變化特征及其與潛在蒸發(fā)量變化的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：(1)秦嶺南北地區(qū)絕對(duì)濕度由南向北順次遞減，具有較好的海拔地帶性和緯度地帶性。季節(jié)平均濕度以夏季為最大，冬季最小。(2)近52年絕對(duì)濕度除巴巫谷地表現(xiàn)出不顯著下降趨勢(shì)外，其它子區(qū)均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。1986年和1998年是濕度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1960—1986年以微弱下降為主，此后直至1998年震蕩上升，1998年以后呈下降趨勢(shì)。(3)年尺度和春、秋兩季，除巴巫谷地外，濕度和潛在蒸發(fā)量均表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；而在夏季和冬季，除漢水流域和巴巫谷地不顯著正相關(guān)以外，其它區(qū)域也均為負(fù)相關(guān)。年度和春、秋兩季兩個(gè)指標(biāo)負(fù)相關(guān)的緊密程度隨著區(qū)域的南移而逐漸減弱。1960—2011年間，年度和季節(jié)尺度潛在蒸發(fā)和絕對(duì)濕度呈反向變化趨勢(shì)；而在1960—1989年間，兩者同向變化；1990—2011年間，年度和春、冬兩季潛在蒸發(fā)上升，而同期的絕對(duì)濕度則是先上升再下降。(4)實(shí)際蒸發(fā)量的增加導(dǎo)致空氣中水汽含量(濕度)增加，反過來抑制了水面蒸發(fā)(潛在蒸發(fā)量)。秦嶺以北、秦嶺南坡、漢水流域和巴巫谷地部分地區(qū)絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量為互補(bǔ)關(guān)系，由北向南隨著水分限制作用的不斷減弱兩者逐漸轉(zhuǎn)化為不顯著的正相關(guān)關(guān)系。

秦嶺南北；絕對(duì)濕度；時(shí)空變化；潛在蒸發(fā)量；互補(bǔ)關(guān)系

全球變暖已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)[1]。近年來，眾多學(xué)者使用歷史氣象數(shù)據(jù)對(duì)全國(guó)和區(qū)域尺度氣溫的變化情況進(jìn)行了廣泛而深入的研究，研究區(qū)域包括中國(guó)全境[2]、青藏高原[3]、黃土高原[4]、華北平原[5]、黃河流域[6]、長(zhǎng)江流域[7]、渭河流域[8]、漢江流域[9]、陜西關(guān)中[10]、和陜南地區(qū)[10]等。研究結(jié)果表明我國(guó)大部分地區(qū)存在顯著升溫趨勢(shì)，但升溫的快慢程度存在明顯區(qū)域差異。根據(jù)氣象學(xué)有關(guān)理論，氣溫升高會(huì)加速空氣中水汽分子運(yùn)動(dòng)速度從而加速自然氣候的蒸發(fā)能力[11- 13]。但事實(shí)卻不盡如此，在全國(guó)尺度[2,14]、干旱半干旱地區(qū)[15]、黃土高原[4]、黃河流域[6]、長(zhǎng)江流域[7]、渭河流域[8]、漢江流域[9]、陜西關(guān)中[10]等地，無論是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量還是根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算得到的潛在蒸發(fā)量都表現(xiàn)出了波動(dòng)下降的趨勢(shì)即所謂的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。部分學(xué)者還對(duì)蒸發(fā)下降的可能成因進(jìn)行了探討，他們發(fā)現(xiàn)與蒸發(fā)密切相關(guān)的氣象要素的變化(風(fēng)速減小和太陽輻射減少[2- 16]等)和人類活動(dòng)(農(nóng)業(yè)灌溉和下墊面變化[9- 16]等)可以導(dǎo)致蒸發(fā)量的變化。目前，關(guān)于“蒸發(fā)悖論”的機(jī)理尚無定論，對(duì)于蒸發(fā)下降的原因歸納起來主要包括：云量和氣溶膠等污染物的增加引起的太陽輻射下降[2- 16]，空氣濕度的增加導(dǎo)致的水汽壓差減小[5- 16]，夏季風(fēng)變化引起的風(fēng)速下降等[2- 16]。但從全球范圍來看，云量和氣溶膠增加引起的輻射量(潛熱通量)下降是蒸發(fā)減少的主要原因[12- 13]。

蒸發(fā)是大氣中水汽的重要來源，而絕對(duì)濕度則是衡量大氣干濕程度(水汽含量)的物理量，具體是指單位體積空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量，即水汽密度(g/m3)，絕對(duì)濕度的變化可以從側(cè)面反映蒸發(fā)能力的變化。土壤水分蒸發(fā)理論表明，地表的蒸發(fā)能力與蒸發(fā)皿的蒸發(fā)能力成正比，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的情況下，地表的蒸發(fā)量也應(yīng)相應(yīng)減小，而地表蒸發(fā)又是大氣水汽的重要來源[17]，進(jìn)而造成大氣絕對(duì)水汽含量的下降。秦嶺南北地區(qū)主體位于我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)西緣，與青藏高原氣候區(qū)和西北干旱區(qū)交匯，氣候條件較為復(fù)雜。該區(qū)整體和各子區(qū)在1960—2011年間經(jīng)歷了明顯的升溫過程[18]，而潛在蒸發(fā)量卻表現(xiàn)出了明顯的下降趨勢(shì)，即“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象[10]。此外，該區(qū)干旱事件發(fā)生頻率較高，氣候、農(nóng)業(yè)和水文干旱也日趨嚴(yán)重。過去52年間降水量微弱減少，以干旱指數(shù)(降水量比上蒸發(fā)量)度量的干旱程度有加重趨勢(shì)，區(qū)域整體特別是秦嶺以北地區(qū)有向暖干化發(fā)展的態(tài)勢(shì)[19]。到目前為止，關(guān)于秦嶺南北地區(qū)蒸發(fā)量的已有研究[7, 9- 10, 16,19]更多地是考慮多個(gè)氣象要素對(duì)蒸發(fā)過程的共同作用。通過相關(guān)分析、偏相關(guān)分析、敏感性分析、歸因分析等方法探究蒸發(fā)下降的主導(dǎo)因子，所選用的指標(biāo)也大多是降水、相對(duì)濕度和水汽壓等，較少涉及到絕對(duì)濕度。絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和水汽壓3個(gè)指標(biāo)并不相同，所代表的含義也不一致。相對(duì)濕度與絕對(duì)濕度相比，前者只是表征空氣中水汽的相對(duì)含量并不能反映出水汽密度的具體值，而且受溫度影響較大。而絕對(duì)濕度則不然，其不受溫度影響，可以較好地量化水汽密度的變化?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，本研究利用秦嶺南北地區(qū)的歷史氣象觀測(cè)資料，分別計(jì)算了絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量，并分析了絕對(duì)濕度的變化趨勢(shì)。重點(diǎn)探討氣候變暖和蒸發(fā)下降(“蒸發(fā)悖論”)背景下大氣水汽資源(絕對(duì)濕度)的變化趨勢(shì)，絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)究竟是同向變化還是逆向變化，細(xì)節(jié)特征又如何，并嘗試?yán)谜舭l(fā)互補(bǔ)理論對(duì)其變化的可能成因給出了初步的說明和解釋。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)范圍及氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布 Fig.1 Location of the study area and distribution of meteorological stations

秦嶺橫亙于于我國(guó)中部，東西走向，山脈以北屬黃河流域，氣候較為干旱；山脈以南為長(zhǎng)江流域，氣候溫暖濕潤(rùn)。在氣候、植被和土壤分布上，山脈南北存在明顯差異，因而，秦嶺一直被認(rèn)為是我國(guó)境內(nèi)的一條重要地理分界線。秦嶺的范圍有廣義和狹義之分，狹義的秦嶺只限于陜西南部、渭河與漢江之間的山區(qū)；而廣義的秦嶺東西長(zhǎng)約1500km，西接昆侖山，起自岷山以北，向東延伸經(jīng)由甘肅境內(nèi)、陜西南部到達(dá)河南境內(nèi)伏牛山一帶。本研究參考周旗等[18]的研究成果，將研究區(qū)域劃分成4個(gè)子區(qū)，以研究絕對(duì)濕度變化的區(qū)域分異特點(diǎn)。分別是秦嶺北坡及其以北的暖溫帶地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“秦嶺以北”)；伏牛山及其以東平原(因大部分區(qū)域?qū)偾貛X南坡山地，以下簡(jiǎn)稱“秦嶺南坡”)；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(jiǎn)稱“漢水流域”)；巴山南麓、巫山谷地及江漢平原西北部(下簡(jiǎn)稱“巴巫谷地”)，研究區(qū)域和氣象站點(diǎn)的空間分布如圖1。秦嶺地區(qū)具有大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)，年均氣溫12—17℃，≥10℃的年積溫為3700—4900℃，年均降水量600—1200mm，降水變率大，季節(jié)分配不均勻，無霜期200—250d[18- 19]。

2 數(shù)據(jù)及方法

基于氣象觀測(cè)資料的可獲取性(比濕和露點(diǎn)溫度資料不可得)，選用逐日平均氣溫和水汽壓實(shí)測(cè)資料推算絕對(duì)濕度。數(shù)據(jù)獲取自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，主要包括1960—2011年間秦嶺南北地區(qū)45個(gè)氣象臺(tái)站的逐日最高溫度、最低溫度、平均氣溫、相對(duì)濕度、水汽壓、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速數(shù)據(jù)。1960—2001年20cm口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量逐日觀測(cè)資料用于檢驗(yàn)Penman-Monteith公式估算結(jié)果的準(zhǔn)確性，獲取自黃土高原地區(qū)氣候數(shù)據(jù)庫(http://www.loess.csdb.cn/pdmp/foreground/viewMetadata.action?id=8)。上述觀測(cè)資料在整編發(fā)布過程中經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，本研究在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中剔除了缺測(cè)年份大于10a的站點(diǎn)，并用線性回歸法和臨近站點(diǎn)插補(bǔ)法對(duì)漏測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了完善。

依據(jù)上述方法分別計(jì)算各臺(tái)站日均絕對(duì)濕度，采用算術(shù)平均值法分別統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)絕對(duì)濕度在不同時(shí)間尺度的平均值，并進(jìn)一步求均值獲得不同子區(qū)和區(qū)域整體絕對(duì)濕度的長(zhǎng)期變化序列。季節(jié)劃分按照慣例，以3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。為了揭示絕對(duì)濕度和蒸發(fā)量的時(shí)變特征和響應(yīng)關(guān)系，采用目前被廣泛認(rèn)可，準(zhǔn)確性較高，由世界糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式估算潛在蒸發(fā)量，估算結(jié)果與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，以檢驗(yàn)其估算準(zhǔn)確性。Penman-Monteith公式的具體計(jì)算過程和結(jié)果檢驗(yàn)參見文獻(xiàn)[10, 19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 絕對(duì)濕度的空間分布特征

秦嶺南北地區(qū)年尺度和不同季節(jié)絕對(duì)濕度呈現(xiàn)南高北低的空間分布格局，具有較好的海拔地帶性和緯度地帶性，即隨著海拔和緯度的上升(下降)而相應(yīng)減少(增加)(圖2,圖3)。各子區(qū)濕度大小排序?yàn)榘臀坠鹊?12.0 g/m3)>漢水流域(10.6 g/m3)>秦嶺南北(10.0 g/m3)>秦嶺南坡(9.2 g/m3)>秦嶺以北(8.3 g/m3)，各子區(qū)濕度相對(duì)較高的站點(diǎn)依次為萬州(13.3 g/m3)>鐘祥(11.8 g/m3)>西華(10.4 g/m3)>開封(9.7 g/m3)，相對(duì)較小的站點(diǎn)依次為廣元(10.3 g/m3)>欒川(8.3 g/m3)>武都(8.1 g/m3)>洛川(6.7 g/m3)；季節(jié)尺度上濕度的分布規(guī)律與年尺度基本相同(圖略)，排序?yàn)橄募?17.3 g/m3)>秋季(10.1 g/m3)>春季(8.8 g/m3)>冬季(4.1 g/m3)。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，造成了濕度的年內(nèi)變化[21- 23]。

圖2 年平均絕對(duì)濕度的海拔地帶性和緯度地帶性Fig.2 The altitudinal and latitudinal zonality of yearly averaged absolute humidity

圖3 年度和夏季平均絕對(duì)濕度空間分布Fig.3 Spatial distribution of yearly and summer averaged absolute humidity

圖4 年平均絕對(duì)濕度和累積距平變化時(shí)間序列Fig.4 Time series of yearly averaged absolute humidity and its accumulative anomaly

3.2 絕對(duì)濕度的時(shí)空變化

3.2.1 年平均絕對(duì)濕度年際變化

秦嶺南北整體和各子區(qū)濕度變化趨勢(shì)基本一致，除巴巫谷地(-0.04 g m-310a-1)不顯著下降外，其它子區(qū)均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)(圖4)，增加速率排序?yàn)榍貛X南坡(0.080 g m-310a-1)>秦嶺以北(0.028 g m-310a-1)>漢水流域(0.026 g m-310a-1)>秦嶺南北(0.023 g m-310a-1)。由時(shí)間變化曲線(圖4)和累積距平曲線(圖4)可知，研究區(qū)整體和各子區(qū)濕度呈現(xiàn)波動(dòng)變化，各站點(diǎn)變差系數(shù)介于0.05(長(zhǎng)武)和0.02(梁平)之間，區(qū)域平均變差系數(shù)分別為秦嶺以北0.033、秦嶺南坡0.034、漢水流域0.025、巴巫谷地0.019和秦嶺南北0.024，其中以巴巫谷地的波動(dòng)幅度最小。近52年間，絕對(duì)濕度最大值出現(xiàn)在1998年，最小值出現(xiàn)在1966年，1986年和1998年是變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1960—1986年以微弱下降為主，此后直至1998年震蕩上升，1998年以后各子區(qū)變化步調(diào)基本保持一致，呈同步下降趨勢(shì)。

年尺度上，分別有51%、30%和13%的站點(diǎn)達(dá)到95%、99%和99.9%的顯著水平(圖5)。秦嶺以北上升速率為0.03 g m-310a-1，上升和下降的站點(diǎn)分別占到58%和42%，以武功的上升速度最快；秦嶺南坡上升速率為0.08 g m-310a-1，所有站點(diǎn)濕度都上升，以鎮(zhèn)安的上升速度最快；漢水流域上升速率為0.03 g m-310a-1，上升和下降的站點(diǎn)分別占到86%和14%，以石泉的上升速度最快；巴巫谷地的下降速率為-0.04 g m-310a-1，上升和下降的站點(diǎn)分別占到30%和70%，以閬中的上升速度最快，巴中的下降速度最快。

3.2.2 季平均絕對(duì)濕度的年際變化

春季，區(qū)域整體和秦嶺南坡(0.041 g m-310a-1)以外的各子區(qū)絕對(duì)濕度均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，下降速率排序?yàn)榘臀坠鹊?-0.070 g m-310a-1)>秦嶺以北(-0.034 g m-310a-1)>漢水流域(-0.026 g m-310a-1)>秦嶺南北(-0.022 g m-310a-1)，其中巴巫谷地的下降趨勢(shì)通過了95%的顯著性檢驗(yàn)。各子區(qū)濕度下降站點(diǎn)所占比例排序?yàn)榘臀坠鹊?80%)>漢水流域(71%)>秦嶺南北(62%)>秦嶺以北(58%)>秦嶺南坡(33%)，其中16%站點(diǎn)的下降趨勢(shì)達(dá)到95%及以上顯著水平(圖5)；

夏季，區(qū)域整體和巴巫谷地(-0.112 g m-310a-1)以外的各子區(qū)絕對(duì)濕度均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，上升速率排序?yàn)榍貛X南坡(0.151 g m-310a-1)>漢水流域(0.037 g m-310a-1)>秦嶺南北(0.020 g m-310a-1)>秦嶺以北(0.005 g m-310a-1)，其中秦嶺南坡的上升趨勢(shì)通過了95%的顯著性檢驗(yàn)。各子區(qū)濕度上升站點(diǎn)所占比例排序?yàn)榍貛X南坡(100%)>漢水流域(79%)>秦嶺南北(62%)>秦嶺以北(58%)>巴巫谷地(10%)，其中22%站點(diǎn)的上升趨勢(shì)達(dá)到95%及以上顯著水平(圖5)；

秋季，各子區(qū)絕對(duì)濕度呈上升趨勢(shì)，上升速率排序?yàn)榍貛X南坡(0.115 g m-310a-1)>漢水流域(0.059 g m-310a-1)>秦嶺南北(0.051 g m-310a-1)>秦嶺以北(0.017 g m-310a-1)>巴巫谷地(0.015 g m-310a-1)，其中秦嶺南坡的上升趨勢(shì)通過了95%的顯著性檢驗(yàn)。各子區(qū)濕度上升站點(diǎn)所占比例排序?yàn)榍貛X南坡(89%)>漢水流域(79%)>秦嶺南北(64%)>巴巫谷地(50%)=秦嶺以北(50%)，其中18%站點(diǎn)的上升趨勢(shì)達(dá)到95%及以上顯著水平(圖5)；

冬季，各子區(qū)絕對(duì)濕度均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，上升速率排序?yàn)榍貛X南坡(0.093 g m-310a-1)>秦嶺南北(0.060 g m-310a-1)>漢水流域(0.056 g m-310a-1)>秦嶺以北(0.048 g m-310a-1)>巴巫谷地(0.042 g m-310a-1)，其中秦嶺南坡和秦嶺南北整體的上升趨勢(shì)通過了95%的顯著性檢驗(yàn)。各子區(qū)濕度上升站點(diǎn)所占比例排序?yàn)榍貛X以北(100%)=秦嶺南坡(100%)>秦嶺南北(93%)>巴巫谷地(90%)>漢水流域(86%)，其中44%站點(diǎn)的上升趨勢(shì)達(dá)到95%及以上顯著水平(圖5)。

圖5 近52年年度和季節(jié)平均絕對(duì)濕度變化的空間分布Fig.5 Spatial distribution of yearly and seasonal averaged absolute humidity variation in recent 52a

3.3 絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量變化的比較分析

蒸發(fā)是大氣中水汽的重要來源，而絕對(duì)濕度則是衡量大氣干濕程度(水汽含量)的物理量，因此，絕對(duì)濕度的變化可以從側(cè)面反映蒸發(fā)能力的變化。在存在明顯“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象的背景下，本研究試圖從絕對(duì)濕度角度分析大氣水汽資源的變化趨勢(shì)，以及絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)變化的響應(yīng)關(guān)系。參考3.2.1小節(jié)的分析結(jié)果將絕對(duì)濕度變化劃分為3個(gè)時(shí)間段，即1960—1986年、1987—1998年和1999—2011年。同理根據(jù)潛在蒸發(fā)量累積距平曲線將其劃分為1960—1989年和1990—2011年兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析。區(qū)域整體和各子區(qū)潛在蒸發(fā)量和絕對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)見表1，兩者不同時(shí)段氣候傾向率及其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表2。由表1可知，年尺度上，除巴巫谷地外，絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量均表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即反向變化趨勢(shì)；季節(jié)尺度上，春季和秋季的相關(guān)系數(shù)都是負(fù)值，各子區(qū)無一例外，且大部分達(dá)到顯著水平；夏季和冬季的規(guī)律較為接近，漢水流域和巴巫谷地呈不顯著正相關(guān)，其它區(qū)域均為負(fù)相關(guān)。此外，年度、春季和秋季兩個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)都表現(xiàn)出由北向南順次遞減的變化規(guī)律，說明濕度和蒸發(fā)的緊密程度有明顯地域差異，隨著子區(qū)的南移而順次減弱。

表1 潛在蒸發(fā)量與絕對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients between potential evaporation and absolute humidity

**0.01顯著水平0.01 significant level; *0.1顯著水平0.1 significant level

NRQ: northern regions of Qinling Mountains; SSQ: southern slope of Qinling Mountains; HRB: Han River Basin; BWV: Bawu Valley; NSQ: northern and southern regions of Qinling Mountains

由表2可知，1960—2011年間，年度、春季和冬季的潛在蒸發(fā)量經(jīng)歷了先降后升的變化階段，1960—1989年下降，1990—2011年上升。年尺度上，前30a蒸發(fā)量的下降速率要明顯大于后22a的上升速率；春季則剛好相反，后22a的速率大于前30a；冬季蒸發(fā)變化在這兩個(gè)時(shí)段的差異相對(duì)較?。幌募竞颓锛镜恼舭l(fā)量變化與年尺度不同，兩個(gè)時(shí)段和52a整體都表現(xiàn)出了下降趨勢(shì)。對(duì)于夏季而言，前30a的下降速率要大于52a整體和后22a；秋季，不同時(shí)段間速率變化差異不大。絕對(duì)濕度方面，近52年經(jīng)歷了“降—升—降”的變化過程，除春季外，其他季節(jié)和年尺度的傾向率均為正值，1960—1986年和1999—2011年下降，而1986—1998年增加。其中，后13a的下降速度要明顯大于前27a，各季節(jié)和子區(qū)的變化規(guī)律基本一致。

表2 年度和季節(jié)潛在蒸發(fā)量和絕對(duì)濕度變化傾向率Table 2 The slope ratio of annual and seasonal potential evaporation and absolute humidity

***0.001顯著水平; **0.01顯著水平; *0.1顯著水平

近52年年度和季節(jié)潛在蒸發(fā)和絕對(duì)濕度呈反向變化趨勢(shì)，區(qū)域整體和各子區(qū)基本一致。其中，年度和春季以外的其它季節(jié)濕度上升，蒸發(fā)下降，而春季表現(xiàn)出來的規(guī)律則相反，濕度下降而蒸發(fā)上升；1960—1989年間，年度和季節(jié)尺度的蒸發(fā)都在下降，同期的濕度也在下降(個(gè)別區(qū)域上升)，兩者基本保持同向變化趨勢(shì)；1990—2011年間，年度和春、冬兩季的蒸發(fā)都在上升，而同期的濕度則是先同向變化(上升)再反向變化(下降)，區(qū)域整體和各子區(qū)的規(guī)律基本一致?？臻g分布特征方面(圖6)，52a整體兩者呈反向變化趨勢(shì)的站點(diǎn)所占比例分別為年度69%、春季80%、夏季62%、秋季67%和冬季78%。春季、秋季和冬季的濕度和蒸發(fā)反向變化站點(diǎn)均勻分布，沒有明顯的區(qū)域聚集特征；而在年尺度上，同向變化的站點(diǎn)主要集中于巴巫谷地；在夏季，濕度和蒸發(fā)同時(shí)下降的站點(diǎn)也集中于這一區(qū)域。

3.4 絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量反向變化的成因分析

1960—2011年間，潛在蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，而絕對(duì)濕度表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。潛在蒸發(fā)與絕對(duì)濕度負(fù)相關(guān)關(guān)系明顯的現(xiàn)象，反映出了蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和潛在蒸發(fā)量的代表性問題。事實(shí)上，蒸發(fā)皿蒸發(fā)只是有限水面的自由蒸發(fā)，嚴(yán)格意義上它只代表一個(gè)地區(qū)接受太陽能量多少，而不能代表實(shí)際蒸發(fā)量，這一點(diǎn)在干旱和半干旱地區(qū)體現(xiàn)得尤為明顯。絕對(duì)濕度反映了空氣中的實(shí)際水汽含量，而水汽含量的高低又直接取決于地表實(shí)際蒸發(fā)量，換言之，絕對(duì)濕度反映了地面實(shí)際蒸發(fā)量。蒸發(fā)互補(bǔ)理論假定(圖7)，在給定的輻射條件下，當(dāng)充分供水時(shí)實(shí)際蒸散發(fā)量與潛在蒸散發(fā)量相等；當(dāng)下墊面供水量減少時(shí)，實(shí)際蒸散發(fā)量會(huì)減少，從而釋放出更多的能量成為顯熱，從而導(dǎo)致潛在蒸散發(fā)增加[24- 30]。實(shí)際蒸發(fā)量受水分與能量條件的控制。如果能量條件固定，互補(bǔ)關(guān)系成立；如果能量條件變化不大，互補(bǔ)關(guān)系仍然成立；如果能量條件變化較大，互補(bǔ)關(guān)系可能發(fā)生改變[28- 30]。

圖6 近52年年度和季節(jié)絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of absolute humidity and potential evaporation change trend in recent 52a and seasons

就全國(guó)而言，在以干旱為主的區(qū)域決定實(shí)際蒸發(fā)最重要的因子是水分，而在以濕潤(rùn)為主的區(qū)域，則是能量[24]。王艷君等[7]分析了長(zhǎng)江流域?qū)嶋H蒸發(fā)量和潛在蒸發(fā)量的關(guān)系，并利用干燥度指數(shù)R(潛在蒸發(fā)量與降水的比值)來判定研究區(qū)域的干濕條件。當(dāng)R<0.8時(shí)，實(shí)際蒸發(fā)量與潛在蒸發(fā)量為明顯的正相關(guān)關(guān)系，此時(shí)氣候?yàn)闈駶?rùn)條件，實(shí)際蒸發(fā)量主要受制于其它氣象要素的變化，與降水關(guān)系不大；當(dāng)R>1.0時(shí)，即干旱環(huán)境，實(shí)際蒸發(fā)量與潛在蒸發(fā)量為明顯的互補(bǔ)關(guān)系，實(shí)際蒸發(fā)量主要受降水控制。Golubev等[25]通過對(duì)美國(guó)和前蘇聯(lián)8個(gè)區(qū)域的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和實(shí)際蒸發(fā)量的變化研究得到類似的結(jié)論，認(rèn)為當(dāng)R<0.7時(shí)，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與實(shí)際蒸發(fā)量的變化表現(xiàn)為一致趨勢(shì)；當(dāng)R≥0.8時(shí)，兩者為互補(bǔ)關(guān)系。Cong等[26]對(duì)中國(guó)十大流域水文變化趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，在我國(guó)北方干旱區(qū)實(shí)際蒸發(fā)量的下降主要由降水變化引起，南方濕潤(rùn)區(qū)實(shí)際蒸發(fā)量的下降主要受潛在蒸發(fā)量的影響。Teuling等[27]和Roderick等[11]指出，在能量受限條件下，下降的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量通常意味著實(shí)際蒸發(fā)量的下降；在水分受限條件下，即干旱缺水地區(qū)，下降的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量常常意味著實(shí)際蒸發(fā)量的增加。

圖7 蒸發(fā)互補(bǔ)關(guān)系曲線Fig.7 Curve of evaporation complementary relationship

本研究所關(guān)注的秦嶺南北地區(qū)地跨兩個(gè)氣候帶，秦嶺以北的黃河流域(黃土高原)屬于典型的干旱半干旱地帶，而秦嶺以南和漢水流域?yàn)榘敫珊蛋霛駶?rùn)地區(qū)，巴巫谷地嚴(yán)格意義上講屬于濕潤(rùn)易旱地區(qū)(降水充沛但季節(jié)性干旱頻發(fā))。參考蔣沖等[19]的研究成果和王艷君等[7]對(duì)區(qū)域干濕條件的劃分標(biāo)準(zhǔn)，界定當(dāng)R<0.8時(shí)為濕潤(rùn)條件，而R>1.0時(shí)為干旱環(huán)境，由此可知巴巫谷地(R=0.86)為濕潤(rùn)區(qū)，而漢水流域(1.06)、秦嶺南坡(1.25)和秦嶺以北(1.64)為干旱環(huán)境，各子區(qū)由北向南潛在蒸發(fā)量受水分的限制作用不斷減弱，能量限制不斷加強(qiáng)。結(jié)合干旱指數(shù)和表1可知，秦嶺以北、秦嶺南坡、漢水流域和巴巫谷地部分站點(diǎn)絕對(duì)濕度(實(shí)際蒸發(fā)量)和潛在蒸發(fā)量為互補(bǔ)關(guān)系(顯著負(fù)相關(guān))，由北向南隨著水分限制作用的不斷減弱兩者的負(fù)相關(guān)關(guān)系也逐漸減弱，直至巴巫谷地的正相關(guān)，各子區(qū)潛在蒸發(fā)和絕對(duì)濕度變化趨勢(shì)相反的站點(diǎn)個(gè)數(shù)也隨著區(qū)域的南移而逐漸減少；季節(jié)尺度上，干燥度指數(shù)由北向南順次遞減，蒸發(fā)和濕度的相關(guān)關(guān)系也基本上由(顯著)負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)或不顯著負(fù)相關(guān)。上述結(jié)果符合蒸發(fā)互補(bǔ)理論，也和王艷君等[7]和Cong等[26]的研究結(jié)果趨勢(shì)上基本一致。

4 結(jié)論

(1)秦嶺南北地區(qū)年尺度和不同季節(jié)絕對(duì)濕度由南向北順次遞減，具有較好的海拔地帶性和緯度地帶性，各子區(qū)按濕度大小排序?yàn)榘臀坠鹊?漢水流域>秦嶺南北>秦嶺南坡>秦嶺以北。季節(jié)平均濕度以夏季為最大，冬季最小。

(2)秦嶺南北整體和各子區(qū)絕對(duì)濕度變化趨勢(shì)基本一致，除巴巫谷地表現(xiàn)出不顯著的下降趨勢(shì)外，其它子區(qū)均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，增加速率排序?yàn)榍貛X南坡>秦嶺以北>漢水流域>秦嶺南北。1986年和1998年是絕對(duì)濕度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1960—1986年以微弱下降為主，此后直至1998年震蕩上升，1998年以后呈下降趨勢(shì)。

(3)年尺度和春、秋兩季，除巴巫谷地外，絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量均表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在夏季和冬季，除漢水流域和巴巫谷地呈不顯著正相關(guān)以外，其它區(qū)域均為負(fù)相關(guān)。年度和春、秋兩季兩個(gè)指標(biāo)負(fù)相關(guān)的緊密程度隨著區(qū)域的南移而逐漸減弱。

(4)1960—2011年間，年度和季節(jié)尺度潛在蒸發(fā)和絕對(duì)濕度反向變化；而在1960—1989年間，兩者同向變化；1990—2011年間，年度和春、冬兩季潛在蒸發(fā)上升，而同期的絕對(duì)濕度則是先上升再下降。

(5)潛在蒸發(fā)和絕對(duì)濕度變化的相反趨勢(shì)驗(yàn)證了“蒸發(fā)悖論”的普遍存在，可以用蒸發(fā)互補(bǔ)理論來解釋。實(shí)際蒸發(fā)量的增加導(dǎo)致空氣中水汽含量增加，反過來抑制了水面蒸發(fā)(潛在蒸發(fā)量)。秦嶺以北、秦嶺南坡、漢水流域和巴巫谷地部分地區(qū)絕對(duì)濕度和潛在蒸發(fā)量為互補(bǔ)關(guān)系，由北向南隨著水分限制作用的不斷減弱兩者逐漸轉(zhuǎn)化為不顯著的正相關(guān)關(guān)系；季節(jié)尺度上，潛在蒸發(fā)和絕對(duì)濕度的相關(guān)關(guān)系也基本上由(顯著)負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)或不顯著負(fù)相關(guān)。

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Spatial and temporal variation of absolute humidity and its relationship with potential evaporation in the northern and southern regions of Qinling Mountains

JIANG Chong1,2, MU Xingmin1, MA Wenyong3, YU Xinyang3, LIU Xianfeng4, LI Jianguo5, LIU Sijie6, WANG Fei1,*

1InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China2TheStateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,CollegeofGlobalChangeandEarthSystemScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4CollegeofResourceScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China5ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China6InstituteofRSandGIS,PekingUniversity,Beijing100871,China

Based on the meteorological data from weather stations in the northern and southern regions of Qinling Mountains (NSQ), we used absolute humidity estimating formula and Penman-Monteith equation to estimate absolute humidity and potential evaporation, respectively. Furthermore, we analyzed the spatial and temporal distribution and variation of absolute humidity, and tried to give the possible explanations for the reciprocal feedback between absolute humidity and potential evaporation, the result are as following. (1) Absolute humidity presented a clear pattern that high in south and low in north, the order of it was Bawu Valley (BWV), Han River Basin (HRB), northern and southern regions of Qinling Mountains(NSQ), southern slope of Qinling Mountains (SSQ) and northern regions of Qinling Mountains (NRQ), the order of seasonal absolute humidity was summer, autumn, spring and winter. (2) In the past 52a, absolute humidity in most regions, except for BWV, had increasing trend. 1986 and 1998 are the change point, in the period of 1960—1986, it had insignificant decreasing trend, and then increased significantly until 1998, and decreased since 1998. (3) On the annual scale, spring and autumn, in most regions, except for BWV, absolute humidity negatively correlated with potential evaporation, meanwhile, in summer and winter, except for HRB and BWV, absolute humidity and potential evaporation also had the similar correlation relationship. Beside from this, the correlation coefficients on the annual scale, spring and autumn became smaller with the latitude decreased. In the period of 1960—2011, on the annual and seasonal scale, absolute humidity and potential evaporation had contrary change trend, however, in the period of 1960—1989, they showed same change trend. From 1990 to 2011, potential evaporation in year, spring and winter increased significantly, meanwhile, absolute humidity increased initially and then decreased. (4) The contrary change trend of absolute humidity and potential evapotranspiration can be explained by the evaporation complementary theory. The actual evaporation increasing will lead to the increase of water vapor content in the air, also for the absolute humidity, which will inhibit water evaporation. Absolute humidity and potential evaporation had complementary relationship in NRQ, SSQ, HRB, and part of BWV, and the correlation relationship decreased with water limitation reducing, ranging from negative correlation to insignificant positive correlation.

the northern and southern regions of Qinling Mountains; absolute humidity; spatial and temporal variation; potential evaporation; complementary relationship

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重點(diǎn)部屬項(xiàng)目(KZZD-EW- 04);中國(guó)-荷蘭政府間聯(lián)合主題研究項(xiàng)目(中國(guó)科學(xué)院對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目，GJHZ1018和NOW，OND1339291); 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41171420);中國(guó)科學(xué)院西部之光人才培養(yǎng)計(jì)劃聯(lián)合學(xué)者項(xiàng)目([2013]165)

2014- 01- 19;

2014- 10- 27

10.5846/stxb201401190145

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wafe@ms.iswc.ac.cn

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