网络出版时间：2015-03-02 11:33
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第35卷第2期2015年1月
ACTA ECOLOGICA SINICA
生态学报
Vol.35,No.2Jan.,2015
DOI :10.5846/stxb[1**********]5
蒋冲, 穆兴民, 马文勇, 于新洋, 刘宪锋, 李建国, 刘思洁, 王飞. 秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系. 生态学报,2015,35(2):378⁃388.
Jiang C, Mu X M, Ma W Y, Yu X Y, Liu X F, Li J G, Liu S J, Wang F.Spatial and temporal variation of absolute humidity and its relationship with potential evaporation in the northern and southern regions of Qinling Mountains.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):378⁃388.
秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系
蒋 冲1, 2, 穆兴民1, 马文勇3, 于新洋3, 刘宪锋4, 李建国5, 6, 王 飞1, *
1西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌 7121003中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 1001014北京师范大学资源学院, 北京 100875
2北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院地表过程与资源生态国家重点实验室, 5中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 兰州 7300006北京大学遥感与地理信息研究所, 北京 100871
摘要:基于秦岭南北地区1960 2011 年的气象观测资料, Penman⁃Monteith 公式估算大气绝对湿度和潜在蒸发量, ㊁ ㊂ 结果表明:(1)秦岭南北地区绝对湿度由南向北顺次递减㊂ 季节平均湿度以夏季为最大, 冬季最小㊂ (2)近52, ㊂ 1986年和1998年是湿度变化的转折点,1960 1986 年以微弱下降为主㊂ (3)年尺度和春㊁ 秋两季, 除巴巫谷地外, , 除汉水流域和巴巫谷地不显著正相关以外, 其它区域也均为负相关㊂ 年度和春㊁ ㊂ 1960 2011 年间, 年度和季节; 而在年间, 两者同向变化;1990 2011 年间, 年度和春㊁ 冬两季潜在蒸发上升, ㊂ (4)(湿度) 增加, 反过来抑制了水面蒸发(潜在蒸发量)㊂ , 由北向南随着水分限㊂ 关键词:秦岭南北; ; ; 互补关系
Spatial and variation of absolute humidity and its relationship with potential evaporation in the northern and southern regions of Qinling Mountains
WANG Fei 1,*
JIANG Chong 1,2, MU Xingmin 1, MA Wenyong 3, YU Xinyang 3, LIU Xianfeng 4, LI Jianguo 5, LIU Sijie 6,
1Institute of Soil and Water Conservation , Northwest A&FUniversity , Yangling 712100, China Beijing 100875, China
2The State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology , College of Global Change and Earth System Science , Beijing Normal University , 3Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100101, China College of Resource Science and Technology , Beijing Normal University , Beijing 100875, China
基金项目:中国科学院知识创新工程重点部属项目(KZZD⁃EW⁃ 04); 中国⁃ 荷兰政府间联合主题研究项目(中国科学院对外合作重点项目, GJHZ1018和NOW,OND1339291); 国家自然科学基金面上项目(41171420);中国科学院西部之光人才培养计划联合学者项目([2013]165)收稿日期:2014⁃ 01⁃ 19; 修订日期:2014⁃ 10⁃ 27
*通讯作者Corresponding author.E⁃mail: [email protected]
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5Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute , Chinese Academy of Sciences , Lanzhou 730000, China 6Institute of RS and GIS , Peking University , Beijing 100871, China
Abstract :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 humidity, and tried to give the possible explanations for the reciprocal feedback between absolute humidity and potential potential evaporation, respectively. Furthermore, we analyzed the spatial and temporal distribution and variation of absolute 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)past 52a, absolute humidity in most regions, except for BWV, had increasing trend. 1986and 1998are the period of 1960 1986, it annual scale, spring and autumn, in most regions, except for BWV, with potential
had insignificant decreasing trend, and then increased significantly until 1998. (3) On the evaporation, meanwhile, in summer and winter, except for HRB evaporation also had the similar correlation relationship. Beside from this, scale, spring and absolute humidity and potential evaporation had contrary of 1960 1989, they showed autumn became smaller with the latitude decreased. In the annual and seasonal scale, same change trend. From 1990to 2011, and winter increased significantly, meanwhile, absolute humidity increased initially change trend of absolute humidity and potential evapotranspiration can be theory. The actual evaporation evaporation. Absolute humidity and relationship in NRQ, SSQ, HRB, and part of insignificant positive increasing will lead to the increase of absolute humidity, which will inhibit water BWV, and the correlation reducing, ranging from negative correlation to
Key Words :the and of Qinling Mountains; absolute humidity; spatial and temporal variation; potential 情况进行了广泛而深入的研究, 研究区域包括中国全境[2]㊁ 青藏高原[3]㊁ 黄土高原[4]㊁ 华北平原[5]㊁ 黄河流域[6]㊁ 长江流域[7]㊁ 渭河流域[8]㊁ 汉江流域[9]㊁ 陕西关中[10]㊁ 和陕南地区[10]等㊂ 研究结果表明我国大部分地区存在显著升温趋势, 但升温的快慢程度存在明显区域差异㊂ 根据气象学有关理论, 气温升高会加速空气中水汽分子运动速度从而加速自然气候的蒸发能力[11⁃13]㊂ 但事实却不尽如此, 在全国尺度[2,14]㊁ 干旱半干旱地区[15]㊁ 黄土高原[4]㊁ 黄河流域[6]㊁ 长江流域[7]㊁ 渭河流域[8]㊁ 汉江流域[9]㊁ 陕西关中[10]等地, 无论是蒸发皿蒸发量还是根据Penman⁃Monteith 公式计算得到的潜在蒸发量都表现出了波动下降的趋势即所谓的 蒸发悖论” 现象㊂ 部分学者还对蒸发下降的可能成因进行了探讨, 他们发现与蒸发密切相关的气象要素的变化(风速减小和太阳辐射减少[2⁃16]等) 和人类活动(农业灌溉和下垫面变化[9⁃16]等) 可以导致蒸发量的变化㊂ 目前, 关于 蒸发悖论” 的机理尚无定论, 对于蒸发下降的原因归纳起来主要包括:云量和气溶胶等污染物的增加引起的太阳辐射下降[2⁃16], 空气湿度的增加导致的水汽压差减小[5⁃16], 夏季风变化引起的风速下降等[2⁃16]㊂ 但从全球范围来看, 云量和气溶胶增加引起的辐射量(潜热通量) 下降是蒸发减少的主要原因[12⁃13]㊂
蒸发是大气中水汽的重要来源, 而绝对湿度则是衡量大气干湿程度(水汽含量) 的物理量, 具体是指单位
近年来, 众多学者使用历史气象数据对全国和区域尺度气温的变化
体积空气中所含水蒸汽的质量, 即水汽密度(g/m 3), 绝对湿度的变化可以从侧面反映蒸发能力的变化㊂ 土壤
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水分蒸发理论表明, 地表的蒸发能力与蒸发皿的蒸发能力成正比, 蒸发皿蒸发量下降的情况下, 地表的蒸发量也应相应减小, 而地表蒸发又是大气水汽的重要来源[17], 进而造成大气绝对水汽含量的下降㊂ 秦岭南北地区主体位于我国东部季风区西缘, 与青藏高原气候区和西北干旱区交汇, 气候条件较为复杂㊂ 该区整体和各子区在1960 2011 年间经历了明显的升温过程[18], 而潜在蒸发量却表现出了明显的下降趋势, 即 蒸发悖论” 现象[10]㊂ 此外, 该区干旱事件发生频率较高, 气候㊁ 农业和水文干旱也日趋严重㊂ 过去52年间降水量微弱减少, 以干旱指数(降水量比上蒸发量) 度量的干旱程度有加重趋势, 区域整体特别是秦岭以北地区有向暖干化发展的态势[19]㊂ 到目前为止, 关于秦岭南北地区蒸发量的已有研究[7,9⁃10, 16,19]更多地是考虑多个气象要素对所选用的指标也大多是降水㊁ 相对湿度和水汽压等, 较少涉及到绝对湿度㊂ 绝对湿度㊁ 相对湿度和水汽压3个指标并不相同,
所代表的含义也不一致㊂ 相对湿度与绝对湿度相比, 不能反映出水汽密度的具体值, 而且受温度影响较大㊂ 而绝对湿度则不然, , 可以较好地量化水汽密度的变化㊂ 基于上述认识, 在蒸发量, 并分析了绝对湿度的变化趋势㊂ 源(绝对湿度) 的变化趋势, , 并尝试利1 研究区概况
秦岭横亘于于我国中部, 东西走向, ; 山脉以南为长江流域, 气候温暖湿润㊂ 在气候㊁ 植被和土壤分布上, 理分界线㊂ ㊁ 渭河与汉江之间的山区; 而广义的秦岭东西长约1500km, 西接昆仑山, ㊁ 陕西南部到达河南境内伏牛山一带㊂ 本研究参考周旗等[18], 以研究绝对湿度变化的区域分异特点㊂ ”); 伏牛山及其以东平原(因大部分区域属秦岭南坡山地, 以下简称 ㊁ 巴山㊁ 涢水谷地及淮河上游北亚热带地区(因大部分区域属汉水流域, ㊁ 巫山谷地及江汉平原西北部(下简称 巴巫谷地”), 研究区, 年均气温12 17℃ ,≥10℃ 的年积温为3700 4900℃ , 降水变率大, 季节分配不均匀, 无霜期200 250d [18⁃19]㊂ 2 数据及方法
基于气象观测资料的可获取性(比湿和露点温度资料不可得), 选用逐日平均气温和水汽压实测资料推算绝对湿度㊂ 数据获取自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma. gov. cn /home. do), 主要包括1960 2011年间秦岭南北地区45个气象台站的逐日最高温度㊁ 最低温度㊁ 平均气温㊁ 相对湿度㊁ 水汽压㊁ 日照时数和平均风速数据㊂ 1960 2001 年20cm 口径蒸发皿蒸发量逐日观测资料用于检验Penman⁃Monteith 公式估算结果的准确性, 获取自黄土高原地区气候数据库(http://www. loess. csdb. cn /pdmp /foreground /viewMetadata.
图1 研究区范围及气象观测站点分布
Fig.1 Location
of
the
study
area
and
distribution
of
meteorological stations
蒸发过程的共同作用㊂ 通过相关分析㊁ 偏相关分析㊁ 敏感性分析㊁ 归因分析等方法探究蒸发下降的主导因子,
action? id =8)㊂ 上述观测资料在整编发布过程中经过了严格的质量控制, 本研究在数据预处理过程中剔除了
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缺测年份大于10a 的站点, 并用线性回归法和临近站点插补法对漏测数据进行了完善㊂
根据实际水汽压与温度的关系式[20]计算绝对湿度, 公式为a =A 密度(g/m 3); e 为实际水汽压; A 为常数, 取为217; T 为温度(K)㊂
e
, 式中a 为绝对湿度, 即湿空气的水汽T
依据上述方法分别计算各台站日均绝对湿度, 采用算术平均值法分别统计各站点绝对湿度在不同时间尺
度的平均值, 并进一步求均值获得不同子区和区域整体绝对湿度的长期变化序列㊂ 季节划分按照惯例, 以3 5 月为春季,6 8 月为夏季,9 11 月为秋季,12月至次年2月为冬季㊂ 为了揭示绝对湿度和蒸发量的时变特征和响应关系, 采用目前被广泛认可, 准确性较高, 由世界粮农组织(FAO) 推荐的Penman⁃Monteith 公式估算潜在蒸发量, 估算结果与蒸发皿蒸发量观测数据进行了对比, 以检验其估算准确性㊂ Penman⁃Monteith 公式的具体计算过程和结果检验参见文献[10,19]㊂ 3 结果与分析
3. 1 绝对湿度的空间分布特征
地带性, 即随着海拔和纬度的上升(下降) 而相应减少(增加(图(12.0g /m 3) >汉水流域(10.6g /m 3) >秦岭南北(10.0g /m 3g (8.3g /m 3), 各子区湿度相对较高的站点依次为万州(13.3g /m 3) >m 34g /m 3) >开封(9.7g /m 3), 相对较小的站点依次为广元(10.3g /m 3) >栾川/3m (6.7g /m 3); 季节尺度上湿度的分布规律与年尺度基本相同(图略), g /m 3/m 3) >春季(8.8g /m 3) >冬季(4.1少, 而夏季风来自低纬度海洋, , [21⁃23]㊂
g /m 3)㊂ , 冬季风来自高纬度大陆, 水汽较
图2 年平均绝对湿度的海拔地带性和纬度地带性
Fig.2 The altitudinal and latitudinal zonality of yearly averaged absolute humidity
3. 2 绝对湿度的时空变化3. 2. 1 年平均绝对湿度年际变化
均呈现出增加趋势(图4), 增加速率排序为秦岭南坡(0.080g m -310a -1) >秦岭以北(0.028g m -310a -1) >汉水研究区整体和各子区湿度呈现波动变化, 各站点变差系数介于0.05(长武) 和0.02(梁平) 之间, 区域平均变差系数分别为秦岭以北0.033㊁ 秦岭南坡0.034㊁ 汉水流域0.025㊁ 巴巫谷地0.019和秦岭南北0. 024, 其中以巴巫谷地的波动幅度最小㊂ 近52年间, 绝对湿度最大值出现在1998年, 最小值出现在1966年,1986年和1998年是变化的转折点,1960 1986 年以微弱下降为主, 此后直至1998年震荡上升,1998年以后各子区变化步调基本保持一致, 呈同步下降趋势㊂
秦岭南北整体和各子区湿度变化趋势基本一致, 除巴巫谷地(-0.04g m -310a -1) 不显著下降外, 其它子区
流域(0.026g m -310a -1) >秦岭南北(0.023g m -310a -1)㊂ 由时间变化曲线(图4) 和累积距平曲线(图4) 可知,
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图3 年度和夏季平均绝对湿度空间分布
Fig.3 Spatial distribution of yearly and summer averaged 4 Fig.4 Time of and its accumulative anomaly
年尺度上, 分别有和13%95%㊁99%和99.9%的显著水平(图5)㊂ 秦岭以北上升速0.08g m -310a -1, ; 汉水流域上升速率为0.03g m -310a -1, 上升和; 巴巫谷地的下降速率为-0.04g m -310a -1, 上升, 巴中的下降速度最快㊂ 3. 2. 2 为巴巫谷地(-0.070g m -310a -1) >秦岭以北(-0.034g m -310a -1) >汉水流域(-0.026g m -310a -1) >秦岭南北(-0.022g m -310a -1), 其中巴巫谷地的下降趋势通过了95%的显著性检验㊂ 各子区湿度下降站点所占比例排序为巴巫谷地(80%)>汉水流域(71%)>秦岭南北(62%)>秦岭以北(58%)>秦岭南坡(33%),其中16%站点的下降趋势达到95%及以上显著水平(图5);
序为秦岭南坡(0.151g m -310a -1) >汉水流域(0.037g m -310a -1) >秦岭南北(0.020g m -310a -1) >秦岭以北(0.005g m -310a -1), 其中秦岭南坡的上升趋势通过了95%的显著性检验㊂ 各子区湿度上升站点所占比例排序为秦岭南坡(100%)>汉水流域(79%)>秦岭南北(62%)>秦岭以北(58%)>巴巫谷地(10%),其中22%站点的上升趋势达到95%及以上显著水平(图5);
10a -1) >秦岭南北(0.051g m -310a -1) >秦岭以北(0.017g m -310a -1) >巴巫谷地(0.015g m -310a -1), 其中秦岭
秋季, 各子区绝对湿度呈上升趋势, 上升速率排序为秦岭南坡(0.115g m -310a -1) >汉水流域(0.059g m -3夏季, 区域整体和巴巫谷地(-0.112g m -310a -1) 以外的各子区绝对湿度均表现出上升趋势, 上升速率排春季, 区域整体和秦岭南坡(0.041g m -310a -1) 以外的各子区绝对湿度均表现出下降趋势, 下降速率排序率为0.03g m -310a -158%和42%,以武功的上升速度最快; 秦岭南坡上升速率为
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南坡的上升趋势通过了95%的显著性检验㊂ 各子区湿度上升站点所占比例排序为秦岭南坡(89%)>汉水流域(79%)>秦岭南北(64%)>巴巫谷地(50%)=秦岭以北(50%),其中18%站点的上升趋势达到95%及以上显著水平(图5);
(0.060g m -310a -1) >汉水流域(0.056g m -310a -1) >秦岭以北(0.048g m -310a -1) >巴巫谷地(0.042g m -3
冬季, 各子区绝对湿度均表现出上升趋势, 上升速率排序为秦岭南坡(0. 093g m -310a -1) >秦岭南北
10a -1), 其中秦岭南坡和秦岭南北整体的上升趋势通过了95%的显著性检验㊂ 各子区湿度上升站点所占比例排序为秦岭以北(100%)=秦岭南坡(100%)>秦岭南北(93%)>巴巫谷地(90%)>汉水流域(86%),其中44%站点的上升趋势达到95%及以上显著水平(图
5)㊂
图5 近52年年度和季节平均绝对湿度变化的空间分布
Fig.5 Spatial distribution of yearly and seasonal averaged absolute humidity variation in recent 52a
3. 3 绝对湿度和潜在蒸发量变化的比较分析
蒸发是大气中水汽的重要来源, 而绝对湿度则是衡量大气干湿程度(水汽含量) 的物理量, 因此, 绝对湿度的变化可以从侧面反映蒸发能力的变化㊂ 在存在明显 蒸发悖论” 现象的背景下, 本研究试图从绝对湿度角度分析大气水汽资源的变化趋势, 以及绝对湿度和潜在蒸发变化的响应关系㊂ 参考3.2.1小节的分析结果
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将绝对湿度变化划分为3个时间段, 即1960 1986 年㊁1987 1998 年和1999 2011 年㊂ 同理根据潜在蒸发量累积距平曲线将其划分为1960 1989 年和1990 2011 年两个时间段进行分析㊂ 区域整体和各子区潜在蒸发量和绝对湿度相关系数见表1, 两者不同时段气候倾向率及其显著性检验结果见表2㊂ 由表1可知, 年尺度上, 除巴巫谷地外, 绝对湿度和潜在蒸发量均表现出显著的负相关关系, 即反向变化趋势; 季节尺度上, 春季和秋季的相关系数都是负值, 各子区无一例外, 且大部分达到显著水平; 夏季和冬季的规律较为接近, 汉水流域和巴巫谷地呈不显著正相关, 其它区域均为负相关㊂ 此外, 年度㊁ 春季和秋季两个指标的相关系数都表现出由北向南顺次递减的变化规律, 说明湿度和蒸发的紧密程度有明显地域差异, 随着子区的南移而顺次减弱㊂
表1 潜在蒸发量与绝对湿度相关系数
Table 1 Correlation coefficients between potential evaporation and absolute humidity
研究区域Research area 秦岭以北NRQ 秦岭南坡SSQ 汉水流域HRB 巴巫谷地BWV 秦岭南北NSQ
年度Year
春季Spring
夏季Summer -0.080.02-0.37*
冬季Winter -0.09-0.100.010.09-0.02
*
-0.60*
-0.44*-0.24*0.04-0.33*
*
-0.72**
-0.62*
-0.44*-0.07-0.52*
**0.01显著水平0.01significant level; *0.1显著水平0.1significant northern and southern regions of Qinling Mountains
NRQ:northern regions of Qinling Mountains; SSQ:southern of Han Basin; BWV:Bawu Valley; NSQ:
由表2可知,1960 2011 年间, 年度㊁ ,1960 1989 年下降,1990 2011 年上升㊂ 22a 的上升速率; 春季则刚好相反, 后22a 的速率大于前30a; ; 夏季和秋季的蒸发量变化与年尺度不同, 两个时段和52a , 前30a 的下降速率要大于52a 整体和后22a; 秋季, , 近52年经历了 降 升 降” 的变化过程, 除春季外, 年和1999 2011 年下降, 而1986 1998 年增加㊂ 其中, 后13a 27a, ㊂
The slope annual and seasonal potential evaporation and absolute humidity
潜在蒸发量Potential evaporation /(mm/10a)
尺度Scale 年度Year
时段Period
秦岭以北NRQ -28.13*-6.63-4.38
*
28.09**
-22.06***
-10.56*
1960 1989 1990 2011 1960 2011 1960 1989 1990 2011 1960 2011 1960 1989 1990 2011 1960 2011 1960 1989 1990 2011 1960 2011 1960 1989 1990 2011 1960 2011
22.83
*
-40.65*
秦岭南坡SSQ -3.47-6.350.54
*
-38.45*
汉水流域HRB 22.30
*
-26.67**
-9.87*
巴巫谷地BWV 13.96
秦岭南北NSQ
*
-33.47**
-10.71*
春季Spring
**
-16.74*-9.62*-3.16
*
22.40**
-27.24***
-11.81*
13.90
-1.050.99
-3.742.34
夏季Summer
4.12
16.08*
*
-26.68*
3.71*
12.64*
*
-18.04*
*
19.80**
-23.50***
-11.12*
-8.18-5.47-4.85-1.364.020.522.47
-10.94-1.64-2.01-5.52-1.930.91
秋季Autumn
**
-12.47*
-1.67-3.44-4.45-0.53-0.525.22
-3.47-3.90-0.19-0.682.720.24
**
-9.66*
-6.06-1.63-5.17-0.55-1.123.22
-11.02*
冬季Winter
-4.74*
-2.94*-4.51*
2期
续表
尺度Scale 年度Year
蒋冲 等:秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系
绝对湿度Absolute humidity /(gm -310a -1)
秦岭南坡SSQ -0.01-0.200.01-0.530.030.07-0.260.010.160.13**
*
385
1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011 1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011 1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011 1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011 1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011
时段Period 秦岭以北NRQ 0.020.130.030.03-0.90*-0.04-0.08-0.67*-0.06-0.140.020.01-0.04-0.190.080.010.300.18
汉水流域HRB -0.08-0.25-0.12-0.60-0.03-0.12--0.06-0.40*0.030.34
巴巫谷地BWV -0.13*0.31
秦岭南北NSQ -0.050.250.020.34
*
-0.49*
0.22
*
0.08*
*
-0.44*
春季Spring
-0.04-0.16
-0.35*-0.06-0.65*-0.03-0.07-0.48-0.050.190.010.050.01-0.140.03
*
0.08*
0.29
-0.55*0.07*0.49*
夏季Summer
0.43
*
0.15*
--0.03-0.170.010.07*0.020.450.02
秋季Autumn
冬季Winter
*
***0.001显著水平; **0.01*
近52, 区域整体和各子区基本一致㊂ 其中, 年度和春季以外的其它季节湿度上升, , 湿度下降而蒸发上升;1960 1989 年间, , (个别区域上升), 两者基本保持同向变化趋势; 1990 2011 年间, ㊁ , 而同期的湿度则是先同向变化(上升) 再反向变化(下降), (图6),52a 整体两者呈反向变化趋势的站点所占比例分别为年度62%㊁秋季67%和冬季78%㊂春季㊁ 秋季和冬季的湿度和蒸发反向变化站点均匀分布, ; 而在年尺度上, 同向变化的站点主要集中于巴巫谷地; 在夏季, 湿度和蒸发同时下降的站点也集中于这一区域㊂ 3. 4 绝对湿度和潜在蒸发量反向变化的成因分析
1960 2011 年间, 潜在蒸发量呈下降趋势, 而绝对湿度表现出上升趋势㊂ 潜在蒸发与绝对湿度负相关关
系明显的现象, 反映出了蒸发皿蒸发量和潜在蒸发量的代表性问题㊂ 事实上, 蒸发皿蒸发只是有限水面的自由蒸发, 严格意义上它只代表一个地区接受太阳能量多少, 而不能代表实际蒸发量, 这一点在干旱和半干旱地区体现得尤为明显㊂ 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, 换言之, 绝对湿度反映了地面实际蒸发量㊂ 蒸发互补理论假定(图7), 在给定的辐射条件下, 当充分供水时实际蒸散发量与潜在蒸散发量相等; 当下垫面供水量减少时, 实际蒸散发量会减少, 从而释放出更多的能量成为显热, 从而导致潜在蒸散发增加[24⁃30]㊂ 实际蒸发量受水分与能量条件的控制㊂ 如果能量条件固定, 互补关系成立; 如果能量条件变化不大, 互补关系仍然成立; 如果能量条件变化较大, 互补关系可能发生改变[28⁃30]㊂
就全国而言, 在以干旱为主的区域决定实际蒸发最重要的因子是水分, 而在以湿润为主的区域, 则是能
量[24]㊂ 王艳君等[7]分析了长江流域实际蒸发量和潜在蒸发量的关系, 并利用干燥度指数R (潜在蒸发量与降
386 生 态 学 报 35卷
6 Fig.6 Spatial of absolute humidity and potential evaporation change trend in recent 52a and seasons
水的比值) 来判定研究区域的干湿条件㊂ 当R 1.0时, 即干旱环境, 实际蒸发量与潜在蒸发量为明显的互补关系, 实际蒸发量主要受降水控制㊂ Golubev 等[25]通过对美国和前苏联8个区域的蒸发皿蒸发量和实际蒸发量的变化研究得到类似的结论, 认为当R
本研究所关注的秦岭南北地区地跨两个气候带, 秦岭以北的黄河流域(黄土高原) 属于典型的干旱半干旱地带, 而秦岭以南和汉水流域为半干旱半湿润地区, 巴巫谷地严格意义上讲属于湿润易旱地区(降水充沛但季节性干旱频发)㊂ 参考蒋冲等[19]的研究成果和王艳君等[7]对区域干湿条件的划分标准, 界定当R
2期 蒋冲 等:秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系 387
为湿润条件, 而R >1.0时为干旱环境, 由此可知巴巫谷地(R =0.86) 为湿润区, 而汉水流域(1.06)㊁秦岭南坡(1.25)和秦岭以北(1.64)为干旱环境, 各子区由北向南潜在蒸发量受水分的限制作用不断减弱, 能量限制不断加强㊂ 结合干旱指数和表1可知, 秦岭以北㊁ 秦岭南坡㊁ 汉水流域和巴巫谷地部分站点绝对湿度(实际蒸发量) 和潜在蒸发量为互补关系(显著负相关), 由北向南随着水分限制作用的不断减弱两者的负相关关系也逐渐减弱, 直至巴巫谷地的正相关, 各子区潜在蒸发和绝对湿度变化趋势相反的站点个数也随着区域的南移而逐渐减少; 季节尺度上, 干燥度指数由北向南顺次递减, 蒸发和湿度的相关关系也基本上由(显著) 负相关转变为
正相关或不显著负相关㊂ 上述结果符合蒸发互补理论, 一致㊂ 4 结论
(1)(2), 其它(3)年尺度和春㊁ 秋两季, 而在夏季, ; 而在1960 1989 年间, 两者同向(5) 蒸发悖论” 的普遍存在, 可以用蒸发互补理论来解释㊂
图Fig.7 Curve complementary relationship
性, 各子区按湿度大小排序为巴巫谷地>㊂ 季节平均湿度以夏季为最大, 冬季最小㊂
子区均呈现出增加趋势, >秦岭南北㊂ 1986年和1998年是绝对湿度变化的转折点,1960 1986 1998年震荡上升,1998年以后呈下降趋势㊂
和冬季, , 其它区域均为负相关㊂ 年度和春㊁ 秋两季两个指标负相㊂
变化;1990 2011 ㊁ , 而同期的绝对湿度则是先上升再下降㊂
, 反过来抑制了水面蒸发(潜在蒸发量)㊂ 秦岭以北㊁ 秦岭南坡㊁ 汉水流域和巴巫谷地部分地区绝对湿度和潜在蒸发量为互补关系, 由北向南随着水分限制作用的不断减弱两者逐渐转化为不显著的正相关关系; 季节尺度上, 潜在蒸发和绝对湿度的相关关系也基本上由(显著) 负相关转变为正相关或不显著负相关㊂
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http://www.ecologica.cn
网络出版时间：2015-03-02 11:33
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2031.Q.20150302.1133.001.html
第35卷第2期2015年1月
ACTA ECOLOGICA SINICA
生态学报
Vol.35,No.2Jan.,2015
DOI :10.5846/stxb[1**********]5
蒋冲, 穆兴民, 马文勇, 于新洋, 刘宪锋, 李建国, 刘思洁, 王飞. 秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系. 生态学报,2015,35(2):378⁃388.
Jiang C, Mu X M, Ma W Y, Yu X Y, Liu X F, Li J G, Liu S J, Wang F.Spatial and temporal variation of absolute humidity and its relationship with potential evaporation in the northern and southern regions of Qinling Mountains.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):378⁃388.
秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系
蒋 冲1, 2, 穆兴民1, 马文勇3, 于新洋3, 刘宪锋4, 李建国5, 6, 王 飞1, *
1西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌 7121003中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 1001014北京师范大学资源学院, 北京 100875
2北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院地表过程与资源生态国家重点实验室, 5中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 兰州 7300006北京大学遥感与地理信息研究所, 北京 100871
摘要:基于秦岭南北地区1960 2011 年的气象观测资料, Penman⁃Monteith 公式估算大气绝对湿度和潜在蒸发量, ㊁ ㊂ 结果表明:(1)秦岭南北地区绝对湿度由南向北顺次递减㊂ 季节平均湿度以夏季为最大, 冬季最小㊂ (2)近52, ㊂ 1986年和1998年是湿度变化的转折点,1960 1986 年以微弱下降为主㊂ (3)年尺度和春㊁ 秋两季, 除巴巫谷地外, , 除汉水流域和巴巫谷地不显著正相关以外, 其它区域也均为负相关㊂ 年度和春㊁ ㊂ 1960 2011 年间, 年度和季节; 而在年间, 两者同向变化;1990 2011 年间, 年度和春㊁ 冬两季潜在蒸发上升, ㊂ (4)(湿度) 增加, 反过来抑制了水面蒸发(潜在蒸发量)㊂ , 由北向南随着水分限㊂ 关键词:秦岭南北; ; ; 互补关系
Spatial and variation of absolute humidity and its relationship with potential evaporation in the northern and southern regions of Qinling Mountains
WANG Fei 1,*
JIANG Chong 1,2, MU Xingmin 1, MA Wenyong 3, YU Xinyang 3, LIU Xianfeng 4, LI Jianguo 5, LIU Sijie 6,
1Institute of Soil and Water Conservation , Northwest A&FUniversity , Yangling 712100, China Beijing 100875, China
2The State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology , College of Global Change and Earth System Science , Beijing Normal University , 3Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100101, China College of Resource Science and Technology , Beijing Normal University , Beijing 100875, China
基金项目:中国科学院知识创新工程重点部属项目(KZZD⁃EW⁃ 04); 中国⁃ 荷兰政府间联合主题研究项目(中国科学院对外合作重点项目, GJHZ1018和NOW,OND1339291); 国家自然科学基金面上项目(41171420);中国科学院西部之光人才培养计划联合学者项目([2013]165)收稿日期:2014⁃ 01⁃ 19; 修订日期:2014⁃ 10⁃ 27
*通讯作者Corresponding author.E⁃mail: [email protected]
2期 蒋冲 等:秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系 379
5Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute , Chinese Academy of Sciences , Lanzhou 730000, China 6Institute of RS and GIS , Peking University , Beijing 100871, China
Abstract :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 humidity, and tried to give the possible explanations for the reciprocal feedback between absolute humidity and potential potential evaporation, respectively. Furthermore, we analyzed the spatial and temporal distribution and variation of absolute 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)past 52a, absolute humidity in most regions, except for BWV, had increasing trend. 1986and 1998are the period of 1960 1986, it annual scale, spring and autumn, in most regions, except for BWV, with potential
had insignificant decreasing trend, and then increased significantly until 1998. (3) On the evaporation, meanwhile, in summer and winter, except for HRB evaporation also had the similar correlation relationship. Beside from this, scale, spring and absolute humidity and potential evaporation had contrary of 1960 1989, they showed autumn became smaller with the latitude decreased. In the annual and seasonal scale, same change trend. From 1990to 2011, and winter increased significantly, meanwhile, absolute humidity increased initially change trend of absolute humidity and potential evapotranspiration can be theory. The actual evaporation evaporation. Absolute humidity and relationship in NRQ, SSQ, HRB, and part of insignificant positive increasing will lead to the increase of absolute humidity, which will inhibit water BWV, and the correlation reducing, ranging from negative correlation to
Key Words :the and of Qinling Mountains; absolute humidity; spatial and temporal variation; potential 情况进行了广泛而深入的研究, 研究区域包括中国全境[2]㊁ 青藏高原[3]㊁ 黄土高原[4]㊁ 华北平原[5]㊁ 黄河流域[6]㊁ 长江流域[7]㊁ 渭河流域[8]㊁ 汉江流域[9]㊁ 陕西关中[10]㊁ 和陕南地区[10]等㊂ 研究结果表明我国大部分地区存在显著升温趋势, 但升温的快慢程度存在明显区域差异㊂ 根据气象学有关理论, 气温升高会加速空气中水汽分子运动速度从而加速自然气候的蒸发能力[11⁃13]㊂ 但事实却不尽如此, 在全国尺度[2,14]㊁ 干旱半干旱地区[15]㊁ 黄土高原[4]㊁ 黄河流域[6]㊁ 长江流域[7]㊁ 渭河流域[8]㊁ 汉江流域[9]㊁ 陕西关中[10]等地, 无论是蒸发皿蒸发量还是根据Penman⁃Monteith 公式计算得到的潜在蒸发量都表现出了波动下降的趋势即所谓的 蒸发悖论” 现象㊂ 部分学者还对蒸发下降的可能成因进行了探讨, 他们发现与蒸发密切相关的气象要素的变化(风速减小和太阳辐射减少[2⁃16]等) 和人类活动(农业灌溉和下垫面变化[9⁃16]等) 可以导致蒸发量的变化㊂ 目前, 关于 蒸发悖论” 的机理尚无定论, 对于蒸发下降的原因归纳起来主要包括:云量和气溶胶等污染物的增加引起的太阳辐射下降[2⁃16], 空气湿度的增加导致的水汽压差减小[5⁃16], 夏季风变化引起的风速下降等[2⁃16]㊂ 但从全球范围来看, 云量和气溶胶增加引起的辐射量(潜热通量) 下降是蒸发减少的主要原因[12⁃13]㊂
蒸发是大气中水汽的重要来源, 而绝对湿度则是衡量大气干湿程度(水汽含量) 的物理量, 具体是指单位
近年来, 众多学者使用历史气象数据对全国和区域尺度气温的变化
体积空气中所含水蒸汽的质量, 即水汽密度(g/m 3), 绝对湿度的变化可以从侧面反映蒸发能力的变化㊂ 土壤
380 生 态 学 报 35卷
水分蒸发理论表明, 地表的蒸发能力与蒸发皿的蒸发能力成正比, 蒸发皿蒸发量下降的情况下, 地表的蒸发量也应相应减小, 而地表蒸发又是大气水汽的重要来源[17], 进而造成大气绝对水汽含量的下降㊂ 秦岭南北地区主体位于我国东部季风区西缘, 与青藏高原气候区和西北干旱区交汇, 气候条件较为复杂㊂ 该区整体和各子区在1960 2011 年间经历了明显的升温过程[18], 而潜在蒸发量却表现出了明显的下降趋势, 即 蒸发悖论” 现象[10]㊂ 此外, 该区干旱事件发生频率较高, 气候㊁ 农业和水文干旱也日趋严重㊂ 过去52年间降水量微弱减少, 以干旱指数(降水量比上蒸发量) 度量的干旱程度有加重趋势, 区域整体特别是秦岭以北地区有向暖干化发展的态势[19]㊂ 到目前为止, 关于秦岭南北地区蒸发量的已有研究[7,9⁃10, 16,19]更多地是考虑多个气象要素对所选用的指标也大多是降水㊁ 相对湿度和水汽压等, 较少涉及到绝对湿度㊂ 绝对湿度㊁ 相对湿度和水汽压3个指标并不相同,
所代表的含义也不一致㊂ 相对湿度与绝对湿度相比, 不能反映出水汽密度的具体值, 而且受温度影响较大㊂ 而绝对湿度则不然, , 可以较好地量化水汽密度的变化㊂ 基于上述认识, 在蒸发量, 并分析了绝对湿度的变化趋势㊂ 源(绝对湿度) 的变化趋势, , 并尝试利1 研究区概况
秦岭横亘于于我国中部, 东西走向, ; 山脉以南为长江流域, 气候温暖湿润㊂ 在气候㊁ 植被和土壤分布上, 理分界线㊂ ㊁ 渭河与汉江之间的山区; 而广义的秦岭东西长约1500km, 西接昆仑山, ㊁ 陕西南部到达河南境内伏牛山一带㊂ 本研究参考周旗等[18], 以研究绝对湿度变化的区域分异特点㊂ ”); 伏牛山及其以东平原(因大部分区域属秦岭南坡山地, 以下简称 ㊁ 巴山㊁ 涢水谷地及淮河上游北亚热带地区(因大部分区域属汉水流域, ㊁ 巫山谷地及江汉平原西北部(下简称 巴巫谷地”), 研究区, 年均气温12 17℃ ,≥10℃ 的年积温为3700 4900℃ , 降水变率大, 季节分配不均匀, 无霜期200 250d [18⁃19]㊂ 2 数据及方法
基于气象观测资料的可获取性(比湿和露点温度资料不可得), 选用逐日平均气温和水汽压实测资料推算绝对湿度㊂ 数据获取自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma. gov. cn /home. do), 主要包括1960 2011年间秦岭南北地区45个气象台站的逐日最高温度㊁ 最低温度㊁ 平均气温㊁ 相对湿度㊁ 水汽压㊁ 日照时数和平均风速数据㊂ 1960 2001 年20cm 口径蒸发皿蒸发量逐日观测资料用于检验Penman⁃Monteith 公式估算结果的准确性, 获取自黄土高原地区气候数据库(http://www. loess. csdb. cn /pdmp /foreground /viewMetadata.
图1 研究区范围及气象观测站点分布
Fig.1 Location
of
the
study
area
and
distribution
of
meteorological stations
蒸发过程的共同作用㊂ 通过相关分析㊁ 偏相关分析㊁ 敏感性分析㊁ 归因分析等方法探究蒸发下降的主导因子,
action? id =8)㊂ 上述观测资料在整编发布过程中经过了严格的质量控制, 本研究在数据预处理过程中剔除了
2期 蒋冲 等:秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系 381
缺测年份大于10a 的站点, 并用线性回归法和临近站点插补法对漏测数据进行了完善㊂
根据实际水汽压与温度的关系式[20]计算绝对湿度, 公式为a =A 密度(g/m 3); e 为实际水汽压; A 为常数, 取为217; T 为温度(K)㊂
e
, 式中a 为绝对湿度, 即湿空气的水汽T
依据上述方法分别计算各台站日均绝对湿度, 采用算术平均值法分别统计各站点绝对湿度在不同时间尺
度的平均值, 并进一步求均值获得不同子区和区域整体绝对湿度的长期变化序列㊂ 季节划分按照惯例, 以3 5 月为春季,6 8 月为夏季,9 11 月为秋季,12月至次年2月为冬季㊂ 为了揭示绝对湿度和蒸发量的时变特征和响应关系, 采用目前被广泛认可, 准确性较高, 由世界粮农组织(FAO) 推荐的Penman⁃Monteith 公式估算潜在蒸发量, 估算结果与蒸发皿蒸发量观测数据进行了对比, 以检验其估算准确性㊂ Penman⁃Monteith 公式的具体计算过程和结果检验参见文献[10,19]㊂ 3 结果与分析
3. 1 绝对湿度的空间分布特征
地带性, 即随着海拔和纬度的上升(下降) 而相应减少(增加(图(12.0g /m 3) >汉水流域(10.6g /m 3) >秦岭南北(10.0g /m 3g (8.3g /m 3), 各子区湿度相对较高的站点依次为万州(13.3g /m 3) >m 34g /m 3) >开封(9.7g /m 3), 相对较小的站点依次为广元(10.3g /m 3) >栾川/3m (6.7g /m 3); 季节尺度上湿度的分布规律与年尺度基本相同(图略), g /m 3/m 3) >春季(8.8g /m 3) >冬季(4.1少, 而夏季风来自低纬度海洋, , [21⁃23]㊂
g /m 3)㊂ , 冬季风来自高纬度大陆, 水汽较
图2 年平均绝对湿度的海拔地带性和纬度地带性
Fig.2 The altitudinal and latitudinal zonality of yearly averaged absolute humidity
3. 2 绝对湿度的时空变化3. 2. 1 年平均绝对湿度年际变化
均呈现出增加趋势(图4), 增加速率排序为秦岭南坡(0.080g m -310a -1) >秦岭以北(0.028g m -310a -1) >汉水研究区整体和各子区湿度呈现波动变化, 各站点变差系数介于0.05(长武) 和0.02(梁平) 之间, 区域平均变差系数分别为秦岭以北0.033㊁ 秦岭南坡0.034㊁ 汉水流域0.025㊁ 巴巫谷地0.019和秦岭南北0. 024, 其中以巴巫谷地的波动幅度最小㊂ 近52年间, 绝对湿度最大值出现在1998年, 最小值出现在1966年,1986年和1998年是变化的转折点,1960 1986 年以微弱下降为主, 此后直至1998年震荡上升,1998年以后各子区变化步调基本保持一致, 呈同步下降趋势㊂
秦岭南北整体和各子区湿度变化趋势基本一致, 除巴巫谷地(-0.04g m -310a -1) 不显著下降外, 其它子区
流域(0.026g m -310a -1) >秦岭南北(0.023g m -310a -1)㊂ 由时间变化曲线(图4) 和累积距平曲线(图4) 可知,
382 生 态 学 报 35卷
图3 年度和夏季平均绝对湿度空间分布
Fig.3 Spatial distribution of yearly and summer averaged 4 Fig.4 Time of and its accumulative anomaly
年尺度上, 分别有和13%95%㊁99%和99.9%的显著水平(图5)㊂ 秦岭以北上升速0.08g m -310a -1, ; 汉水流域上升速率为0.03g m -310a -1, 上升和; 巴巫谷地的下降速率为-0.04g m -310a -1, 上升, 巴中的下降速度最快㊂ 3. 2. 2 为巴巫谷地(-0.070g m -310a -1) >秦岭以北(-0.034g m -310a -1) >汉水流域(-0.026g m -310a -1) >秦岭南北(-0.022g m -310a -1), 其中巴巫谷地的下降趋势通过了95%的显著性检验㊂ 各子区湿度下降站点所占比例排序为巴巫谷地(80%)>汉水流域(71%)>秦岭南北(62%)>秦岭以北(58%)>秦岭南坡(33%),其中16%站点的下降趋势达到95%及以上显著水平(图5);
序为秦岭南坡(0.151g m -310a -1) >汉水流域(0.037g m -310a -1) >秦岭南北(0.020g m -310a -1) >秦岭以北(0.005g m -310a -1), 其中秦岭南坡的上升趋势通过了95%的显著性检验㊂ 各子区湿度上升站点所占比例排序为秦岭南坡(100%)>汉水流域(79%)>秦岭南北(62%)>秦岭以北(58%)>巴巫谷地(10%),其中22%站点的上升趋势达到95%及以上显著水平(图5);
10a -1) >秦岭南北(0.051g m -310a -1) >秦岭以北(0.017g m -310a -1) >巴巫谷地(0.015g m -310a -1), 其中秦岭
秋季, 各子区绝对湿度呈上升趋势, 上升速率排序为秦岭南坡(0.115g m -310a -1) >汉水流域(0.059g m -3夏季, 区域整体和巴巫谷地(-0.112g m -310a -1) 以外的各子区绝对湿度均表现出上升趋势, 上升速率排春季, 区域整体和秦岭南坡(0.041g m -310a -1) 以外的各子区绝对湿度均表现出下降趋势, 下降速率排序率为0.03g m -310a -158%和42%,以武功的上升速度最快; 秦岭南坡上升速率为
2期 蒋冲 等:秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系 383
南坡的上升趋势通过了95%的显著性检验㊂ 各子区湿度上升站点所占比例排序为秦岭南坡(89%)>汉水流域(79%)>秦岭南北(64%)>巴巫谷地(50%)=秦岭以北(50%),其中18%站点的上升趋势达到95%及以上显著水平(图5);
(0.060g m -310a -1) >汉水流域(0.056g m -310a -1) >秦岭以北(0.048g m -310a -1) >巴巫谷地(0.042g m -3
冬季, 各子区绝对湿度均表现出上升趋势, 上升速率排序为秦岭南坡(0. 093g m -310a -1) >秦岭南北
10a -1), 其中秦岭南坡和秦岭南北整体的上升趋势通过了95%的显著性检验㊂ 各子区湿度上升站点所占比例排序为秦岭以北(100%)=秦岭南坡(100%)>秦岭南北(93%)>巴巫谷地(90%)>汉水流域(86%),其中44%站点的上升趋势达到95%及以上显著水平(图
5)㊂
图5 近52年年度和季节平均绝对湿度变化的空间分布
Fig.5 Spatial distribution of yearly and seasonal averaged absolute humidity variation in recent 52a
3. 3 绝对湿度和潜在蒸发量变化的比较分析
蒸发是大气中水汽的重要来源, 而绝对湿度则是衡量大气干湿程度(水汽含量) 的物理量, 因此, 绝对湿度的变化可以从侧面反映蒸发能力的变化㊂ 在存在明显 蒸发悖论” 现象的背景下, 本研究试图从绝对湿度角度分析大气水汽资源的变化趋势, 以及绝对湿度和潜在蒸发变化的响应关系㊂ 参考3.2.1小节的分析结果
384 生 态 学 报 35卷
将绝对湿度变化划分为3个时间段, 即1960 1986 年㊁1987 1998 年和1999 2011 年㊂ 同理根据潜在蒸发量累积距平曲线将其划分为1960 1989 年和1990 2011 年两个时间段进行分析㊂ 区域整体和各子区潜在蒸发量和绝对湿度相关系数见表1, 两者不同时段气候倾向率及其显著性检验结果见表2㊂ 由表1可知, 年尺度上, 除巴巫谷地外, 绝对湿度和潜在蒸发量均表现出显著的负相关关系, 即反向变化趋势; 季节尺度上, 春季和秋季的相关系数都是负值, 各子区无一例外, 且大部分达到显著水平; 夏季和冬季的规律较为接近, 汉水流域和巴巫谷地呈不显著正相关, 其它区域均为负相关㊂ 此外, 年度㊁ 春季和秋季两个指标的相关系数都表现出由北向南顺次递减的变化规律, 说明湿度和蒸发的紧密程度有明显地域差异, 随着子区的南移而顺次减弱㊂
表1 潜在蒸发量与绝对湿度相关系数
Table 1 Correlation coefficients between potential evaporation and absolute humidity
研究区域Research area 秦岭以北NRQ 秦岭南坡SSQ 汉水流域HRB 巴巫谷地BWV 秦岭南北NSQ
年度Year
春季Spring
夏季Summer -0.080.02-0.37*
冬季Winter -0.09-0.100.010.09-0.02
*
-0.60*
-0.44*-0.24*0.04-0.33*
*
-0.72**
-0.62*
-0.44*-0.07-0.52*
**0.01显著水平0.01significant level; *0.1显著水平0.1significant northern and southern regions of Qinling Mountains
NRQ:northern regions of Qinling Mountains; SSQ:southern of Han Basin; BWV:Bawu Valley; NSQ:
由表2可知,1960 2011 年间, 年度㊁ ,1960 1989 年下降,1990 2011 年上升㊂ 22a 的上升速率; 春季则刚好相反, 后22a 的速率大于前30a; ; 夏季和秋季的蒸发量变化与年尺度不同, 两个时段和52a , 前30a 的下降速率要大于52a 整体和后22a; 秋季, , 近52年经历了 降 升 降” 的变化过程, 除春季外, 年和1999 2011 年下降, 而1986 1998 年增加㊂ 其中, 后13a 27a, ㊂
The slope annual and seasonal potential evaporation and absolute humidity
潜在蒸发量Potential evaporation /(mm/10a)
尺度Scale 年度Year
时段Period
秦岭以北NRQ -28.13*-6.63-4.38
*
28.09**
-22.06***
-10.56*
1960 1989 1990 2011 1960 2011 1960 1989 1990 2011 1960 2011 1960 1989 1990 2011 1960 2011 1960 1989 1990 2011 1960 2011 1960 1989 1990 2011 1960 2011
22.83
*
-40.65*
秦岭南坡SSQ -3.47-6.350.54
*
-38.45*
汉水流域HRB 22.30
*
-26.67**
-9.87*
巴巫谷地BWV 13.96
秦岭南北NSQ
*
-33.47**
-10.71*
春季Spring
**
-16.74*-9.62*-3.16
*
22.40**
-27.24***
-11.81*
13.90
-1.050.99
-3.742.34
夏季Summer
4.12
16.08*
*
-26.68*
3.71*
12.64*
*
-18.04*
*
19.80**
-23.50***
-11.12*
-8.18-5.47-4.85-1.364.020.522.47
-10.94-1.64-2.01-5.52-1.930.91
秋季Autumn
**
-12.47*
-1.67-3.44-4.45-0.53-0.525.22
-3.47-3.90-0.19-0.682.720.24
**
-9.66*
-6.06-1.63-5.17-0.55-1.123.22
-11.02*
冬季Winter
-4.74*
-2.94*-4.51*
2期
续表
尺度Scale 年度Year
蒋冲 等:秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系
绝对湿度Absolute humidity /(gm -310a -1)
秦岭南坡SSQ -0.01-0.200.01-0.530.030.07-0.260.010.160.13**
*
385
1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011 1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011 1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011 1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011 1960 1986 1987 1998 1999 2011 1960 2011
时段Period 秦岭以北NRQ 0.020.130.030.03-0.90*-0.04-0.08-0.67*-0.06-0.140.020.01-0.04-0.190.080.010.300.18
汉水流域HRB -0.08-0.25-0.12-0.60-0.03-0.12--0.06-0.40*0.030.34
巴巫谷地BWV -0.13*0.31
秦岭南北NSQ -0.050.250.020.34
*
-0.49*
0.22
*
0.08*
*
-0.44*
春季Spring
-0.04-0.16
-0.35*-0.06-0.65*-0.03-0.07-0.48-0.050.190.010.050.01-0.140.03
*
0.08*
0.29
-0.55*0.07*0.49*
夏季Summer
0.43
*
0.15*
--0.03-0.170.010.07*0.020.450.02
秋季Autumn
冬季Winter
*
***0.001显著水平; **0.01*
近52, 区域整体和各子区基本一致㊂ 其中, 年度和春季以外的其它季节湿度上升, , 湿度下降而蒸发上升;1960 1989 年间, , (个别区域上升), 两者基本保持同向变化趋势; 1990 2011 年间, ㊁ , 而同期的湿度则是先同向变化(上升) 再反向变化(下降), (图6),52a 整体两者呈反向变化趋势的站点所占比例分别为年度62%㊁秋季67%和冬季78%㊂春季㊁ 秋季和冬季的湿度和蒸发反向变化站点均匀分布, ; 而在年尺度上, 同向变化的站点主要集中于巴巫谷地; 在夏季, 湿度和蒸发同时下降的站点也集中于这一区域㊂ 3. 4 绝对湿度和潜在蒸发量反向变化的成因分析
1960 2011 年间, 潜在蒸发量呈下降趋势, 而绝对湿度表现出上升趋势㊂ 潜在蒸发与绝对湿度负相关关
系明显的现象, 反映出了蒸发皿蒸发量和潜在蒸发量的代表性问题㊂ 事实上, 蒸发皿蒸发只是有限水面的自由蒸发, 严格意义上它只代表一个地区接受太阳能量多少, 而不能代表实际蒸发量, 这一点在干旱和半干旱地区体现得尤为明显㊂ 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, 换言之, 绝对湿度反映了地面实际蒸发量㊂ 蒸发互补理论假定(图7), 在给定的辐射条件下, 当充分供水时实际蒸散发量与潜在蒸散发量相等; 当下垫面供水量减少时, 实际蒸散发量会减少, 从而释放出更多的能量成为显热, 从而导致潜在蒸散发增加[24⁃30]㊂ 实际蒸发量受水分与能量条件的控制㊂ 如果能量条件固定, 互补关系成立; 如果能量条件变化不大, 互补关系仍然成立; 如果能量条件变化较大, 互补关系可能发生改变[28⁃30]㊂
就全国而言, 在以干旱为主的区域决定实际蒸发最重要的因子是水分, 而在以湿润为主的区域, 则是能
量[24]㊂ 王艳君等[7]分析了长江流域实际蒸发量和潜在蒸发量的关系, 并利用干燥度指数R (潜在蒸发量与降
386 生 态 学 报 35卷
6 Fig.6 Spatial of absolute humidity and potential evaporation change trend in recent 52a and seasons
水的比值) 来判定研究区域的干湿条件㊂ 当R 1.0时, 即干旱环境, 实际蒸发量与潜在蒸发量为明显的互补关系, 实际蒸发量主要受降水控制㊂ Golubev 等[25]通过对美国和前苏联8个区域的蒸发皿蒸发量和实际蒸发量的变化研究得到类似的结论, 认为当R
本研究所关注的秦岭南北地区地跨两个气候带, 秦岭以北的黄河流域(黄土高原) 属于典型的干旱半干旱地带, 而秦岭以南和汉水流域为半干旱半湿润地区, 巴巫谷地严格意义上讲属于湿润易旱地区(降水充沛但季节性干旱频发)㊂ 参考蒋冲等[19]的研究成果和王艳君等[7]对区域干湿条件的划分标准, 界定当R
2期 蒋冲 等:秦岭南北地区绝对湿度的时空变化及其与潜在蒸发量的关系 387
为湿润条件, 而R >1.0时为干旱环境, 由此可知巴巫谷地(R =0.86) 为湿润区, 而汉水流域(1.06)㊁秦岭南坡(1.25)和秦岭以北(1.64)为干旱环境, 各子区由北向南潜在蒸发量受水分的限制作用不断减弱, 能量限制不断加强㊂ 结合干旱指数和表1可知, 秦岭以北㊁ 秦岭南坡㊁ 汉水流域和巴巫谷地部分站点绝对湿度(实际蒸发量) 和潜在蒸发量为互补关系(显著负相关), 由北向南随着水分限制作用的不断减弱两者的负相关关系也逐渐减弱, 直至巴巫谷地的正相关, 各子区潜在蒸发和绝对湿度变化趋势相反的站点个数也随着区域的南移而逐渐减少; 季节尺度上, 干燥度指数由北向南顺次递减, 蒸发和湿度的相关关系也基本上由(显著) 负相关转变为
正相关或不显著负相关㊂ 上述结果符合蒸发互补理论, 一致㊂ 4 结论
(1)(2), 其它(3)年尺度和春㊁ 秋两季, 而在夏季, ; 而在1960 1989 年间, 两者同向(5) 蒸发悖论” 的普遍存在, 可以用蒸发互补理论来解释㊂
图Fig.7 Curve complementary relationship
性, 各子区按湿度大小排序为巴巫谷地>㊂ 季节平均湿度以夏季为最大, 冬季最小㊂
子区均呈现出增加趋势, >秦岭南北㊂ 1986年和1998年是绝对湿度变化的转折点,1960 1986 1998年震荡上升,1998年以后呈下降趋势㊂
和冬季, , 其它区域均为负相关㊂ 年度和春㊁ 秋两季两个指标负相㊂
变化;1990 2011 ㊁ , 而同期的绝对湿度则是先上升再下降㊂
, 反过来抑制了水面蒸发(潜在蒸发量)㊂ 秦岭以北㊁ 秦岭南坡㊁ 汉水流域和巴巫谷地部分地区绝对湿度和潜在蒸发量为互补关系, 由北向南随着水分限制作用的不断减弱两者逐渐转化为不显著的正相关关系; 季节尺度上, 潜在蒸发和绝对湿度的相关关系也基本上由(显著) 负相关转变为正相关或不显著负相关㊂
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