中国水汽变化与气温日较差变化的特征及其相互联系

李汉菁 高晓丹

摘要 利用中国1961—2010年气候观测数据，分析不同区域气温日较差变化和水汽变化趋势以及两者间关系。结果表明：（1）各地区气温日较差均显著增加，北方较南方趋势更为明显;除内蒙古和以两广地区为主的部分南方地区，水汽基本呈增长变化，气温日较差变化趋势显著于水汽;（2）气温日较差和水汽变化在冬季均表现出较强变化特点，其他季节变化区别不大;（3）气温日较差与水汽压基本表现出反向变化情况，且在内陆地区体现更明显。

关键词 水汽;氣温日较差;相关性

中图分类号：P423 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）04-0-02

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.04.044

中国幅员辽阔，跨纬度较广，距海远近差距较大，地形多样，从而使气温降水组合多样，形成复杂的气候类型。水汽在大气中占比仅为0.1%～3%，却是大气中最活跃成分，不均匀且富于变化，对天气演变和气候变化有重要影响。大气中水分主要源于自由水面蒸发、土壤蒸发及植物表面蒸腾等，随着温度升高，蒸发进入大气中水汽相应增加[1]。同时水汽作为重要温室气体，会加剧温室效应，导致气温继续升高。因此在不考虑其他因素影响下，水汽与气温变化存在正反馈机制。中国对于影响气温日较差变化原因的研究有很多，但大多数是对区域分析。大气水汽变化对于气温日较差变化研究不容忽视，水汽变化和气温日较差变化联系在全球变暖大趋势下愈加密不可分。

1 资料

1.1 区域划分

为研究不同地区变化特征，参考王澄海等划分标准将中国大陆分成8个气候区，分别为西北干旱半干旱区（WA）、青藏高原区（TP）、东部干旱区（EA）、中国东北部（NE）、中国北部（NC）、中国中部（CC）、中国西南部（SW）和中国南部（SC）。在每个气候区，选择若干个代表站点的长期观测资料，分析研究气温日较差变化和水汽变化特征及联系，以此分析水汽变化对该地区气温日较差影响程度。

1.2 资料来源

数据选自国家气象信息中心制作的“中国地面气候资料日值数据（V3.0）”，数据经过质量控制，各要素项数据实有率普遍在99%以上，数据正确率均接近100%。

1.3 参量选择及研究方法

1.3.1 参量选择 气温日较差（DTR）表示一天中最高温度与最低温度之差，这里气温指距地面1.25～2.0 m处大气温度。采用比湿和水汽压这两个物理量作为水汽资料研究，比湿q为水汽与湿空气质量比，是衡量水汽含量最基本湿度参量。

公式为：

式（1）中r表示1.5 m处相对湿度大小。

水汽压e为大气中水汽分压强，描述单位空气柱中所含水汽质量，直接表示空气中水汽含量大小，表示水汽绝对含量。公式为：

式（2）中为水汽和干空气的摩尔数比，约等于0.622，p为该地气压值，r表示约1.5m处相对湿度。

1.3.2 研究方法 线性趋势及显著性检验：各区域年均气温日较差和水汽变化及两者四季变化均采用线性趋势法。线性趋势法：将气象要素写成时间t线性函数。

线性趋势分析方法结果，通过方差分析使用统计量F进行显著性检验。

其中分别代表要素原始值、要素回归值、要素平均值和样本数。

相关程度及显著性检验。

其中为两个要素序列之间相关系数，n为样本数。

2 四季气温日较差和水汽变化特征比较分析

首先，分析各地区四季平均气温日较差变化情况，春秋季变化幅度不大，夏冬季变化趋势更显著。不同地区变化程度大小也存在较大差异，其中西北干旱半干旱地区和西南地区各季节变化均不显著，大体呈微弱减小趋势，西南地区秋季日较差微弱上升状态;东部干旱地区四季日较差均缓慢下降，这可能与该地区气溶胶含量季节变化不明显有关;其余地区基本各季均为下降趋势，夏冬两季变化更加明显，尤以夏季更甚。

分析各地区水汽季节变化情况（以比湿为例）。由于水汽受到各气象要素及季风环流等多重影响，变化较日较差更复杂。西北干旱地区、青藏高原地区、东部干旱地区变化较一致，春夏秋季变化不大，冬季呈较显著增长;东北地区四季变化均不明显，其中夏季处于微弱减小状态，这可能与来自欧亚大陆水汽明显减少有关;北方地区春冬季均显著上升，但自2005年起各季均大幅度下降;中部春季变化较微弱，其余季节变化明显;西南地区和南方大部分地区增加趋势不明显，冬季稍强。

气温日较差整体来看呈减小状态，其中北方变化较南方更显著，幅度大且较为一致，除北部地区均通过95%显著性检验。季节分布上冬季变化更显著，其次为春季，夏秋季变化较微弱。水汽变化情况较复杂，且幅度不大。冬季逐步增加变化情况较为明显，除南方部分地区（SW和SC）外均通过95%显著性检验（表1）。

3 中国各地区气温日较差和水汽的相互联系

西北干旱半干旱区（WA）气温日较差和水汽含量均变化显著，其中水汽压变化程度高于比湿。1961—1984年气温日较差呈较强波动下降，比湿呈较强波动上升，且波动趋势相反。1985年气温日较差出现较小增长突变，比湿突然降低将近0.5 g/kg，同时出现一个较小突变。1985—1988年日较差直线下降，水汽压直线上升，表现出相反变化趋势。接下来近十年气温日较差和水汽压变化不明显，1998年气温日较差降低到近几年最低值，水汽压急剧上升，基本与近五十年最大值持平。2009—2010年又出现明显反向变化，气温日较差下降，水汽压上升。比湿和水汽压变化趋势一致，仅水汽压变化趋势略大于比湿，根据比湿和水汽压关系式，气压升高，伴随温度升高，干空气密度由于水汽增加而减小，显然由于空气中水汽增加程度不足以将密度减小到抵消温度的增加值，使得气压最终还是呈升高趋势。因此，伴随西北干旱半干旱区温度升高，气温日较差减小，水汽含量对于本身而言处于显著增加状态，但与其相比变化不够显著。

青藏高原地区（TP）气温日较差变化更明显，水汽具有一定上升趋势，效果并不明显，两者基本呈相反变化。1967年左右气温日较差达到近几年最高值，比湿和水汽压基本都处于最低值附近。1976—1979年可看出明显反向變化特点，但在1997年附近两者基本一致，到2004年反向变化特征重新出现。在水汽变化中比湿变化趋势略高于水汽压，气压降低，伴随温度升高，干空气密度显著减小，可看出青藏高原地区水汽变化较快，水汽急剧增多。

东部干旱区（EA）气温日较差变化异常显著，水汽变化微弱，处于缓慢下降状态，两者变化基本符合反向变化。以气温日较差和水汽压变化为例，1967年以前气温日较差和水汽压明显反向变化，后各自波动下降，出现不规则变化，1990年左右又开始出现明显反向变化，尤其2000年开始，两者反向变化极显著，日较差在2004年下降到今年最低值，比湿突增到今年最高值。

东北地区（NE）、中国北部（NC）、中部（CC）和西南部（SW）基本符合中国大部分地区变化趋势，气温日较差减小，水汽增加。而中国中部和西南部变化程度略低，这可能与本身水汽含量较充沛、日较差没有西北等地凸显有关，大部分年份气温日较差和水汽变化趋势处于相反状态。

中国南部（SC）变化趋势基本与东部干旱区相一致。气温日较差和水汽相反变化特点更明显，除1963、1967等个别年份外，均表现出相反变化趋势。南部地区原本水汽充沛，对该地区1951—2009年统计分析后得出，其降水量呈微弱增加趋势，水汽减少成因有待进一步研究。

4 结果与分析

（1）中国气温日较差整体呈减小趋势，北方更显著，尤其是东北地区和华北北部;水汽除内蒙古和两广外基本呈缓慢增加变化，水汽压增长幅度略高于比湿，水汽整体不断增加[2]。

（2）冬季气温日较差变化趋势最显著，春季次之;水汽变化情况较复杂，冬季变化最显著，其余季节除南方部分地区外缓慢上升。

（3）中国大部分地区都处于气温日较差减小、水汽增加情况，具有良好反向变化特征;东部干旱区和中国南部气温日较差与水汽均呈减小趋势，但气温日较差减小趋势远高于水汽，且气温日较差和水汽整体呈相反变化趋势。因此，无论气温日较差和水汽变化情况如何，都呈现出良好的反向变化特征。

初步得出一些结论，但尚存很多不足，有待深入分析特殊区域，探讨影响该地区温度及水汽的主要因素及变化情况。

参考文献

[1] 苏涛，封国林.基于不同再分析资料的全球蒸发量时空变化特征分析[J].中国科学：地球科学，2015，45（3）：351-365.

[2] 汪秀清，陈长胜，张智勇，等.东北地区夏季旱涝的区域特征及水汽异常输送[J].自然灾害学报，2006（4）：53-58.

责任编辑：黄艳飞