1971—2017 年青海省绝对湿度时空变化特征

晁红艳，张 娟，袁志强，祁栋林*

（1.海北州气象局，青海 西海 810299；2.成都信息工程大学，四川 成都610000；3.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001；4.青海省气象科学研究所，青海 西宁810001）

绝对湿度是单位体积空气中所含水蒸气的质量，即水汽密度（g/m3），它是衡量大气干湿程度（水汽含量）的物理量，通常以1 m3空气内所含水蒸气的克数来表示。研究绝对湿度变化也可间接反映蒸发能力变化。以往进行蒸发研究所用指标大多都是降水、相对湿度和水汽压等，而很少涉及到绝对湿度。绝对湿度较相对湿度而言，不仅能表征空气中水汽的含量，而且能反映水汽密度的变化，绝对湿度的高低对降水的形成、农作物生长及疾病传播等有重要影响。因此，研究绝对湿度变化规律对农作物种植、疾病预防、气候预报等方面具有重要意义。

目前，国内外的部分学者也针对绝对湿度对农作物生产、动植物生存及疾病传播等方面做了相关研究。P Q Thai 等[1]通过分析不同季节绝对湿度的变化对流感的影响，表明在热带地区绝对湿度的升高与流感增加呈正相关。罗维钢等[2]分析了甘蔗需水量与气候因素的相关性，认为甘蔗生长的需水量与绝对湿度存在正相关。谢付莹等[3]研究海河流域平原地区绝对湿度变化趋势和跃升现象，指出海河流域大气绝对湿度呈逐年代增加的趋势，且自20 世纪80 年代中期以来，该流域的大气绝对湿度出现一个显著跃升的现象。蒋冲等[4]利用绝对湿度和Penman-Monteith 公式估算大气绝对湿度和潜在蒸发量，分析了秦岭南北地区绝对湿度的空间分布规律、时空变化特征及其与潜在蒸发量变化的响应关系。韩会庆等[5]通过研究贵州省绝对湿度的变化规律以及与降水量的关系，指出降水量时空变化是影响贵州省绝对湿度变化的主要因素，绝对湿度下降使得该地区空气中的水蒸气减少，从而加剧农作物干旱的程度。

然而，涉及我国青藏高原地区以及划分不同生态功能区进行绝对湿度的研究还未有开展，且其他省份已有的相关绝对湿度研究数据序列较短。因此，本研究基于青海省43 个地面气象观测站常规观测资料，划分4 个不同生态功能区，利用绝对湿度公式计算相应的绝对湿度，重点探讨气候变暖和“蒸发悖论”背景下青海省大气绝对湿度的变化趋势及时空分布特征，以期为青藏高原东北部农作物种植、农业生产布局及农业区划等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

青海省位于青藏高原东北部（89°35′～103°04′E，31°39′～39°19′N），平均海拔 3000 m 以上，是“世界屋脊”青藏高原的一部分。境内包括昆仑山、祁连山和唐古拉山等众多山脉，也是长江、黄河、澜沧江的发源地。全省地形是盆地、高山和河谷相间分布，地形差异显著。气候类型属典型的高原大陆性气候[6]，具有干旱少雨、太阳辐射强、气温日较差较大[7]、降水比较集中和风速较大且沙尘天气多发等特点。

依据地理位置和地貌特征将青海省划分为4 个生态功能区[8]：荒漠生态系统——柴达木盆地（包括9 个站）、农田生态系统——东部农业区（包括12 个站）、高寒草原生态系统——环青海湖区（包括8 个站）、高寒草甸生态系统——三江源区（包括14 个站）。环青海湖区和三江源区为天然草场区，主要分布着高寒草甸和草原草场，牧草生长季为4—9 月，三江源区的植被状况稍好于环青海湖区；东部农业区主要以农作物为主，作物生长季地面植物覆盖度较好；柴达木盆地以荒漠区为主，气候干燥，年降水量较少，沙化严重，主要分布着一些灌木类植物[9]。研究区域气象站点分布及生态功能区划分如图1。

图1 研究区气象站点分布及生态功能区划分

1.2 资料来源

依据气象数据的可获取性（未能获得全省各站点的比湿和露点温度资料），本文利用相对湿度和温度数据推算绝对湿度。考虑到气象台站的搬迁等因素影响，为确保气象数据的连续性、均一性和可靠性，选取能反映4 个生态功能区地理、地貌及植被差异特征的青海省43 个地面气象观测站1971—2017年相对湿度和温度数据的日均值资料，分析近47 a青海省绝对湿度变化趋势及时空变化特征。所用数据取自青海省气象信息中心。

1.3 研究方法

依据王名才等[10]编著的《大气科学常用公式》，可由相对湿度和温度推算绝对湿度。计算公式为：

式中，a 为绝对湿度，即湿空气的水汽密度/（g/m3）；e为实际水汽压；A 为常数，取为217；T 为温度/K。

水汽压e 可利用相对湿度和饱和水汽压来推算，公式为：

饱和水汽压可利用马格努斯经验公式[11-12]进行计算，公式为：

式（2）中，RH 为相对湿度，e 为湿空气水汽压，ES为水面或冰面温度为t 时的饱和水汽压/hPa。式（3）中E0为水面或冰面温度为0 ℃时的饱和水汽压，通常取6.11 hPa；a、b 为常数，按地面气象观测规范要求取值[13]，水面条件下 a=7.69，b=243.92；冰面情况下 a=9.5，b=265.5。

依据上述方法分别计算各站日均绝对湿度，并进一步计算各站绝对湿度月、年均值。为了分析不同季节青海省绝对湿度的分布特点，本研究依据气象惯例[14]，将季节划分为春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11 月）和冬季（12 月—翌年 2 月），分别建立年、季和月的时间数据序列。对青海省、4 个功能区及各站绝对湿度时间序列分别进行线性拟合，分析绝对湿度线性变化趋势[15]。气候平均值采用1981—2010 年30 a 平均值。运用反距离权重法进行绝对湿度的空间插值，分析绝对湿度时空分布特征。采用Excel 和SPSS 17.0 软件进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 绝对湿度年际、四季及逐月变化趋势

图2 为青海省及4 个生态功能区绝对湿度年际变化趋势，图中折线为绝对湿度值，斜线为绝对湿度线性趋势，虚线为9 次滑动平均（下同）。图2a 分析结果表明，1971—2017 年全省绝对湿度呈显著增加趋势，增加速率为0.052 g/（m3·10 a）（R2=0.187 7，α=0.01），多年平均绝对湿度4.4 g/m3，最高为4.7 g/m3（1989 年），最低为4.0 g/m3（1980 年），两者相差0.7 g/m3。从9 a 滑动平均曲线可看出，青海省绝对湿度变化大致可划分为 3 个阶段：1971—1986 年绝对湿度呈显著减小趋势（α=0.05），减小速率为0.105 g/（m3·10 a）；1987—2005 年呈显著增加趋势（α=0.10），增加速率为0.072 g/（m3·10 a）；2006—2015 年呈显著减小趋势（α=0.05），减小速率为0.079 g/（m3·10 a）。

从4 个生态功能区绝对湿度年际变化（图2b~2e）可看出，近47 a 来4 个生态功能区绝对湿度均呈线性增加趋势，柴达木盆地和环青海湖区的倾向率分别为0.089 、0.081 g/（m3·10 a），α=0.001，上升趋势最显著；其次为三江源区，倾向率为0.054 g/（m3·10 a），α=0.01；变化趋势最小的为东部农业区，未通过显著性检验，倾向率为0.004 g/（m3·10 a）。柴达木盆地多年平均绝对湿度为3.1 g/m3，最大绝对湿度3.1 g/m3（2001 年），最小绝对湿度2.6 g/m3（1984 年），两者之差占多年平均值的16%；环青海湖区平均绝对湿度为4.1 g/m3，最大绝对湿度4.5 g/m3（1989 年），最小绝对湿度3.7 g/m3（1979 年和1980年），两者之差占多年平均值的19.5%；三江源区平均绝对湿度为4.0 g/m3，最大绝对湿度4.3 g/m3（1989 年），最小绝对湿度3.6 g/m（31984 年），两者之差占多年平均值的17.5%；东部农业区平均绝对湿度为5.9 g/m3，最大绝对湿度6.4 g/m3（1989 年和1998 年），最小绝对湿度5.5 g/m（31980 年），两者之差占多年平均值的15.3%。

4 个生态功能区中环青海湖区、三江源区和东部农业区的阶段变化与全省相一致，均表现出3 个阶段：20 世纪70 年代初到80 年代中期波动下降阶段，80 年代中期后进入上升阶段，2000 年代初转入下降阶段。柴达木盆地略有不同，表现为2 个阶段：1971—1984 年呈下降趋势，α=0.01，倾向率为0.184 g（/m3·10 a）；1985 年后进入上升阶段，α=0.001，倾向率为0.1 g（/m·310 a）。

青海省及4 个生态功能区绝对湿度存在明显的季节变化特征（图3a），整体而言，夏季的绝对湿度最大，其次为秋季和春季，冬季最小，表明夏、秋季绝对湿度对4 个生态功能区的水循环有重要作用。此外，东部农业区的绝对湿度远大于全省及其他3 个功能区，这可能与东部农业区充沛的降水条件有关。柴达木盆地的绝对湿度变化最小，可能与当地干旱少雨的气候有关。

图2 1971—2017 年青海省及4 个生态功能区绝对湿度年际变化趋势

青海省及4 个生态功能区绝对湿度月际变化均表现为显著的单峰型（图3b），1—6 月绝对湿度持续增加，7 月达到最大值后，8 月起持续下降，其中东部农业区绝对湿度峰值最大（11.6 g/m3），柴达木盆地绝对湿度峰值最小（6.8 g/m3）；除三江源区最小值出现在1 月和12 月，全省及其他3 个功能区最小值均出现在1 月，其中环青海湖区绝对湿度月际变化最大值是最小值的8.7 倍，其他3 个功能区及全省绝对湿度最大值是最小值的6.2～7.4 倍。各气象站绝对湿度月际变化与全省及4 个功能区一致，均表现为显著的单峰型，峰值均出现在7 月，而最小值出现在 1 月或 12 月。

表1 是青海省及4 个生态功能区四季绝对湿度气候趋势和相关系数。可以看出，近47 a 来，东部农业区春、夏季绝对湿度不显著下降（气候倾向率分别为-0.062 g/（m3·10 a）和-0.047 g/（m3·10 a），秋、冬季显著上升（气候倾向率分别为0.087 g/（m3·10 a）和0.037 g/（m3·10 a）），上升趋势分别通过了α=0.10、α=0.05 的显著性检验；全省及其他3 个生态功能区四季绝对湿度均呈上升趋势，其中全省夏、秋季绝对湿度通过了α=0.05 的显著性水平检验，冬季通过了α=0.10 的显著性水平检验；柴达木盆地秋、夏、冬季绝对湿度分别通过了α=0.001、α=0.01、α=0.05的显著性水平检验；环青海湖区夏、冬季通过了α=0.01 的显著性水平检验，秋季通过了α=0.05 的显著性水平检验；三江源区夏、秋、春季分别通过了α=0.01、α=0.05、α=0.10 的显著性水平检验。除东部农业区以外的3 个功能区夏、秋季绝对湿度大幅上升造成全省绝对湿度显著上升。

从青海省及4 个生态功能区逐月绝对湿度变化趋势来看（表2），全省及柴达木盆地绝对湿度除3月为下降趋势外，其他月份均为上升趋势，全省仅9月通过了α=0.05 的显著性检验，而柴达木盆地6—11 月的上升趋势均通过了α=0.05 的显著性水平检验，其中9 月增幅最大，为0.229 g/（m3·10 a），通过了α=0.01 的显著性水平检验；东部农业区3—7 月为下降趋势，其他月份为上升趋势，仅9 月和2 月分别通过了α=0.05、α=0.10 的显著性水平检验；环青海湖区各月绝对湿度均呈上升趋势，线性倾向率在-0.013～0.181 g/（m3·10 a），增幅最大的是9 月，最小的是 3 月，2 月和 6—9 月通过了 α=0.05 的显著性水平检验；三江源区除1 月、12 月为下降趋势外，其余均呈上升趋势，6 月、9 月、4 月的上升分别通过了 α=0.01、α=0.05、α=0.10 的显著性水平检验。以上结果表明，三江源区6 月绝对湿度变化最显著，而全省及其他3 个生态功能区9 月变化趋势最显著。

绝对湿度反映了空气中的实际水汽含量，而水汽含量的高低又直接取决于地表实际蒸发量，即绝对湿度反映了地面实际蒸发量[4]。在以干旱缺水环境为主的区域，实际蒸发量变化主要受降水变化控制[16-17]。所以，对地处干旱地区的青海省而言，在月际和季节尺度上，绝对湿度的变化主要受降水变化的控制，从而导致不同月份和季节绝对湿度变化的差异。

图3 1971—2017 年青海省及4 个生态功能区绝对湿度季节（a）及月际（b）变化

表1 1971—2017 年青海省及4 个生态功能区四季绝对湿度气候倾向率/（g/（m3·10 a））和相关系数

表2 1971—2017 年青海省及4 个生态功能区逐月绝对湿度气候倾向率/（g/（m3·10 a））及相关系数

2.2 绝对湿度空间分布特征

从图4 可看出，青海省绝对湿度与海拔高度呈显著的负相关（r=0.64，P＜0.001），与经度呈显著的正相关（r=0.83，P＜0.001），具有较好的经度地带性和海拔地带性，即随着经度的上升和海拔的下降，绝对湿度增加，与纬度的相关性不显著。

图4 年平均绝对湿度的海拔（a）及经度（b）地带性

图5 给出了1971—2017 年青海省绝对湿度及倾向率的空间分布。由图5a 可看出，青海省绝对湿度呈现出东高西低的空间分布格局，绝对湿度大约在2.4～6.9 g/m3。最大值出现在东部农业区的民和站，达到6.9 g/m3，最小值在柴达木盆地的冷湖站，为2.4 g/m3。4 个功能区绝对湿度由高到低依次为东部农业区（5.9 g/m3）＞环青海湖区（4.1 g/m3）＞三江源区（4.0 g/m3）＞柴达木盆地（3.1 g/m3）。各站年均绝对湿度相对较高的站点依次为民和（6.9 g/m3）＞循化（6.6 g/m3）＞乐都（6.4 g/m3）＞尖扎（6.0 g/m3）＞互助、西宁（5.8 g/m3）＞大通、同仁（5.7 g/m3），相对较小的站点依次为沱沱河（3.0 g/m3）＞五道梁、小灶火（2.9 g/m3）＞大柴旦（2.8 g/m3）＞茫崖（2.5 g/m3）＞冷湖（2.4 g/m3）。上述空间分布格局可看出绝对湿度较高的站点主要分布在东部农业区，而较低的站点主要分布在柴达木盆地，这与4 个功能区的绝对湿度分布特点一致。造成上述空间分布格局的原因可能与青海省的降水分布不均衡有关。

近47 a 来，青海省各区域绝对湿度变化趋势不同，由图5b 可看出，气候倾向率在-0.081～0.121 g（/m·310 a），空间分布为自西北向东南逐渐减小，东部的民和、同仁、大通、乐都、循化、尖扎及南部的玉树表现为下降趋势。

图5 1971—2017 年青海省绝对湿度（a）及倾向率（b）空间分布

从青海省生态功能区内各站点绝对湿度变化趋势而言（表3），柴达木盆地9 个代表站中有8 个站呈显著上升趋势，1 个站上升趋势不显著，其中上升最显著的是冷湖站，上升幅度最大的是茫崖站；东部农业区12 个代表站中分别有6 个呈下降和上升趋势，其中乐都下降趋势最为显著，气候倾向率为-0.081 g（/m3·10 a），通过0.01 的显著性水平检验，上升趋势最显著的是化隆站，上升幅度最大的为西宁站，气候倾向率为0.072 g（/m3·10 a），通过0.01的显著性水平检验；环青海湖区8 个代表站均呈显著上升趋势，上升趋势最显著的是野牛沟，增幅最大的为天峻站，气候倾向率为0.118 g（/m·310 a），通过0.01 的显著性水平检验；三江源区14 个代表站中只有玉树呈不显著下降趋势，而其余13 个代表站中有11 个呈显著上升趋势，上升趋势最显著的是曲麻莱，增幅最大的为同德，气候倾向率为0.109 g（/m·310 a），通过0.01 的显著性水平检验。

表3 1971—2017 年青海省4 个生态功能区年绝对湿度变化趋势统计

3 讨论

地表蒸发是大气中水汽的主要来源，研究绝对湿度变化可间接反映蒸发能力变化。传统土壤水分蒸发理论表明，蒸发皿的蒸发能力与地表的蒸发能力成正比，地表蒸发量随着蒸发皿蒸发量的下降相应减小。徐彦伟等[18]在进行夏季纳木错湖水蒸发对大气水汽贡献的方法研究时指出，地表蒸发下降继而造成大气绝对水汽含量下降。本文研究结果显示除东部农业区绝对湿度上升趋势不明显以外，青海省及其他3 个生态功能区均呈显著上升趋势，这与刘蓓[19]、祁栋林等[20]研究所得出的青海省蒸发量呈下降趋势等结论相反。可能原因是影响绝对湿度的因子主要为水汽压、气温及相对湿度，而影响各区域蒸发量的因素既有非气象要素也有日照、降水、风速等气象因子。

IPCC 第五次报告指出，全球平均地表气温上升，全球降水会增加，全球平均降水的增长率低于大气水汽的增长率[21]，气温每升高1 ℃，降水可能增加1%～3%。白淑英[22]等研究近50 a 青海降水时空格局变化得出青海省年降水量总体呈现小幅增加趋势。降水的增长率低于大气水汽的增长率也可能是青海省绝对湿度上升的原因。鉴于水汽在天气气候和水循环中的重要作用，有必要对青藏高原地区大气绝对湿度增加原因及其气候环境效应等作进一步研究。

4 结论

本文对1971—2017 年青海省及4 个生态功能区绝对湿度变化趋势、时空特征等作了分析，主要结论如下：

（1）近47 a 来，青海省和4 个生态功能区绝对湿度年平均值均呈增加趋势，增加速率分别为0.052、0.089、0.081、0.054 和0.004 g/（m3·10 a）。青海省、柴达木盆地、环青海湖区和三江源区通过0.01的显著性水平检验，东部农业区未通过显著性水平检验；就季节和各月变化而言，除东部农业区春、夏季绝对湿度不显著下降，秋、冬季显著上升以外，全省及其他3 个生态功能区四季绝对湿度均呈上升趋势；全省及柴达木盆地逐月绝对湿度除3 月为下降趋势外，其他月份均为上升趋势；东部农业区3—7月为下降趋势，其他月份为上升趋势；环青海湖区各月绝对湿度均呈上升趋势；三江源区除1 月、12 月为下降趋势外，其余均呈上升趋势。

（2）青海省及4 个生态功能区绝对湿度季节、月际变化特征显著。整体而言，月季变化均表现为显著的单峰型，峰值均出现在7 月，而最小值除三江源区出现在1 月和12 月，全省及其他3 个功能区均出现在1 月；季节变化表现为夏季绝对湿度最大，其次为秋季和春季，冬季最小。

（3）青海省绝对湿度与海拔呈显著的负相关（P＜0.001），与经度呈显著的正相关（P＜0.001），具有较好的经度地带性和海拔地带性，与纬度的相关性不显著；绝对湿度空间表现为东高西低的分布格局，变化趋势存在较大的空间差异性。