晁紅艷，張 娟，袁志強，祁棟林*

（1.海北州氣象局，青海 西海 810299；2.成都信息工程大學，四川 成都610000；3.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001；4.青海省氣象科學研究所，青海 西寧810001）

絕對濕度是單位體積空氣中所含水蒸氣的質量，即水汽密度（g/m3），它是衡量大氣干濕程度（水汽含量）的物理量，通常以1 m3空氣內所含水蒸氣的克數(shù)來表示。研究絕對濕度變化也可間接反映蒸發(fā)能力變化。以往進行蒸發(fā)研究所用指標大多都是降水、相對濕度和水汽壓等，而很少涉及到絕對濕度。絕對濕度較相對濕度而言，不僅能表征空氣中水汽的含量，而且能反映水汽密度的變化，絕對濕度的高低對降水的形成、農作物生長及疾病傳播等有重要影響。因此，研究絕對濕度變化規(guī)律對農作物種植、疾病預防、氣候預報等方面具有重要意義。

目前，國內外的部分學者也針對絕對濕度對農作物生產、動植物生存及疾病傳播等方面做了相關研究。P Q Thai 等[1]通過分析不同季節(jié)絕對濕度的變化對流感的影響，表明在熱帶地區(qū)絕對濕度的升高與流感增加呈正相關。羅維鋼等[2]分析了甘蔗需水量與氣候因素的相關性，認為甘蔗生長的需水量與絕對濕度存在正相關。謝付瑩等[3]研究海河流域平原地區(qū)絕對濕度變化趨勢和躍升現(xiàn)象，指出海河流域大氣絕對濕度呈逐年代增加的趨勢，且自20 世紀80 年代中期以來，該流域的大氣絕對濕度出現(xiàn)一個顯著躍升的現(xiàn)象。蔣沖等[4]利用絕對濕度和Penman-Monteith 公式估算大氣絕對濕度和潛在蒸發(fā)量，分析了秦嶺南北地區(qū)絕對濕度的空間分布規(guī)律、時空變化特征及其與潛在蒸發(fā)量變化的響應關系。韓會慶等[5]通過研究貴州省絕對濕度的變化規(guī)律以及與降水量的關系，指出降水量時空變化是影響貴州省絕對濕度變化的主要因素，絕對濕度下降使得該地區(qū)空氣中的水蒸氣減少，從而加劇農作物干旱的程度。

然而，涉及我國青藏高原地區(qū)以及劃分不同生態(tài)功能區(qū)進行絕對濕度的研究還未有開展，且其他省份已有的相關絕對濕度研究數(shù)據序列較短。因此，本研究基于青海省43 個地面氣象觀測站常規(guī)觀測資料，劃分4 個不同生態(tài)功能區(qū)，利用絕對濕度公式計算相應的絕對濕度，重點探討氣候變暖和“蒸發(fā)悖論”背景下青海省大氣絕對濕度的變化趨勢及時空分布特征，以期為青藏高原東北部農作物種植、農業(yè)生產布局及農業(yè)區(qū)劃等提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省位于青藏高原東北部（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。境內包括昆侖山、祁連山和唐古拉山等眾多山脈，也是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地。全省地形是盆地、高山和河谷相間分布，地形差異顯著。氣候類型屬典型的高原大陸性氣候[6]，具有干旱少雨、太陽輻射強、氣溫日較差較大[7]、降水比較集中和風速較大且沙塵天氣多發(fā)等特點。

依據地理位置和地貌特征將青海省劃分為4 個生態(tài)功能區(qū)[8]：荒漠生態(tài)系統(tǒng)——柴達木盆地（包括9 個站）、農田生態(tài)系統(tǒng)——東部農業(yè)區(qū)（包括12 個站）、高寒草原生態(tài)系統(tǒng)——環(huán)青海湖區(qū)（包括8 個站）、高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)——三江源區(qū)（包括14 個站）。環(huán)青海湖區(qū)和三江源區(qū)為天然草場區(qū)，主要分布著高寒草甸和草原草場，牧草生長季為4—9 月，三江源區(qū)的植被狀況稍好于環(huán)青海湖區(qū)；東部農業(yè)區(qū)主要以農作物為主，作物生長季地面植物覆蓋度較好；柴達木盆地以荒漠區(qū)為主，氣候干燥，年降水量較少，沙化嚴重，主要分布著一些灌木類植物[9]。研究區(qū)域氣象站點分布及生態(tài)功能區(qū)劃分如圖1。

圖1 研究區(qū)氣象站點分布及生態(tài)功能區(qū)劃分

1.2 資料來源

依據氣象數(shù)據的可獲取性（未能獲得全省各站點的比濕和露點溫度資料），本文利用相對濕度和溫度數(shù)據推算絕對濕度。考慮到氣象臺站的搬遷等因素影響，為確保氣象數(shù)據的連續(xù)性、均一性和可靠性，選取能反映4 個生態(tài)功能區(qū)地理、地貌及植被差異特征的青海省43 個地面氣象觀測站1971—2017年相對濕度和溫度數(shù)據的日均值資料，分析近47 a青海省絕對濕度變化趨勢及時空變化特征。所用數(shù)據取自青海省氣象信息中心。

1.3 研究方法

依據王名才等[10]編著的《大氣科學常用公式》，可由相對濕度和溫度推算絕對濕度。計算公式為：

式中，a 為絕對濕度，即濕空氣的水汽密度/（g/m3）；e為實際水汽壓；A 為常數(shù)，取為217；T 為溫度/K。

水汽壓e 可利用相對濕度和飽和水汽壓來推算，公式為：

飽和水汽壓可利用馬格努斯經驗公式[11-12]進行計算，公式為：

式（2）中，RH 為相對濕度，e 為濕空氣水汽壓，ES為水面或冰面溫度為t 時的飽和水汽壓/hPa。式（3）中E0為水面或冰面溫度為0 ℃時的飽和水汽壓，通常取6.11 hPa；a、b 為常數(shù)，按地面氣象觀測規(guī)范要求取值[13]，水面條件下 a=7.69，b=243.92；冰面情況下 a=9.5，b=265.5。

依據上述方法分別計算各站日均絕對濕度，并進一步計算各站絕對濕度月、年均值。為了分析不同季節(jié)青海省絕對濕度的分布特點，本研究依據氣象慣例[14]，將季節(jié)劃分為春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11 月）和冬季（12 月—翌年 2 月），分別建立年、季和月的時間數(shù)據序列。對青海省、4 個功能區(qū)及各站絕對濕度時間序列分別進行線性擬合，分析絕對濕度線性變化趨勢[15]。氣候平均值采用1981—2010 年30 a 平均值。運用反距離權重法進行絕對濕度的空間插值，分析絕對濕度時空分布特征。采用Excel 和SPSS 17.0 軟件進行數(shù)據處理與統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 絕對濕度年際、四季及逐月變化趨勢

圖2 為青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度年際變化趨勢，圖中折線為絕對濕度值，斜線為絕對濕度線性趨勢，虛線為9 次滑動平均（下同）。圖2a 分析結果表明，1971—2017 年全省絕對濕度呈顯著增加趨勢，增加速率為0.052 g/（m3·10 a）（R2=0.187 7，α=0.01），多年平均絕對濕度4.4 g/m3，最高為4.7 g/m3（1989 年），最低為4.0 g/m3（1980 年），兩者相差0.7 g/m3。從9 a 滑動平均曲線可看出，青海省絕對濕度變化大致可劃分為 3 個階段：1971—1986 年絕對濕度呈顯著減小趨勢（α=0.05），減小速率為0.105 g/（m3·10 a）；1987—2005 年呈顯著增加趨勢（α=0.10），增加速率為0.072 g/（m3·10 a）；2006—2015 年呈顯著減小趨勢（α=0.05），減小速率為0.079 g/（m3·10 a）。

從4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度年際變化（圖2b~2e）可看出，近47 a 來4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度均呈線性增加趨勢，柴達木盆地和環(huán)青海湖區(qū)的傾向率分別為0.089 、0.081 g/（m3·10 a），α=0.001，上升趨勢最顯著；其次為三江源區(qū)，傾向率為0.054 g/（m3·10 a），α=0.01；變化趨勢最小的為東部農業(yè)區(qū)，未通過顯著性檢驗，傾向率為0.004 g/（m3·10 a）。柴達木盆地多年平均絕對濕度為3.1 g/m3，最大絕對濕度3.1 g/m3（2001 年），最小絕對濕度2.6 g/m3（1984 年），兩者之差占多年平均值的16%；環(huán)青海湖區(qū)平均絕對濕度為4.1 g/m3，最大絕對濕度4.5 g/m3（1989 年），最小絕對濕度3.7 g/m3（1979 年和1980年），兩者之差占多年平均值的19.5%；三江源區(qū)平均絕對濕度為4.0 g/m3，最大絕對濕度4.3 g/m3（1989 年），最小絕對濕度3.6 g/m（31984 年），兩者之差占多年平均值的17.5%；東部農業(yè)區(qū)平均絕對濕度為5.9 g/m3，最大絕對濕度6.4 g/m3（1989 年和1998 年），最小絕對濕度5.5 g/m（31980 年），兩者之差占多年平均值的15.3%。

4 個生態(tài)功能區(qū)中環(huán)青海湖區(qū)、三江源區(qū)和東部農業(yè)區(qū)的階段變化與全省相一致，均表現(xiàn)出3 個階段：20 世紀70 年代初到80 年代中期波動下降階段，80 年代中期后進入上升階段，2000 年代初轉入下降階段。柴達木盆地略有不同，表現(xiàn)為2 個階段：1971—1984 年呈下降趨勢，α=0.01，傾向率為0.184 g（/m3·10 a）；1985 年后進入上升階段，α=0.001，傾向率為0.1 g（/m·310 a）。

青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度存在明顯的季節(jié)變化特征（圖3a），整體而言，夏季的絕對濕度最大，其次為秋季和春季，冬季最小，表明夏、秋季絕對濕度對4 個生態(tài)功能區(qū)的水循環(huán)有重要作用。此外，東部農業(yè)區(qū)的絕對濕度遠大于全省及其他3 個功能區(qū)，這可能與東部農業(yè)區(qū)充沛的降水條件有關。柴達木盆地的絕對濕度變化最小，可能與當?shù)馗珊瞪儆甑臍夂蛴嘘P。

圖2 1971—2017 年青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度年際變化趨勢

青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度月際變化均表現(xiàn)為顯著的單峰型（圖3b），1—6 月絕對濕度持續(xù)增加，7 月達到最大值后，8 月起持續(xù)下降，其中東部農業(yè)區(qū)絕對濕度峰值最大（11.6 g/m3），柴達木盆地絕對濕度峰值最?。?.8 g/m3）；除三江源區(qū)最小值出現(xiàn)在1 月和12 月，全省及其他3 個功能區(qū)最小值均出現(xiàn)在1 月，其中環(huán)青海湖區(qū)絕對濕度月際變化最大值是最小值的8.7 倍，其他3 個功能區(qū)及全省絕對濕度最大值是最小值的6.2～7.4 倍。各氣象站絕對濕度月際變化與全省及4 個功能區(qū)一致，均表現(xiàn)為顯著的單峰型，峰值均出現(xiàn)在7 月，而最小值出現(xiàn)在 1 月或 12 月。

表1 是青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)四季絕對濕度氣候趨勢和相關系數(shù)?？梢钥闯?，近47 a 來，東部農業(yè)區(qū)春、夏季絕對濕度不顯著下降（氣候傾向率分別為-0.062 g/（m3·10 a）和-0.047 g/（m3·10 a），秋、冬季顯著上升（氣候傾向率分別為0.087 g/（m3·10 a）和0.037 g/（m3·10 a）），上升趨勢分別通過了α=0.10、α=0.05 的顯著性檢驗；全省及其他3 個生態(tài)功能區(qū)四季絕對濕度均呈上升趨勢，其中全省夏、秋季絕對濕度通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗，冬季通過了α=0.10 的顯著性水平檢驗；柴達木盆地秋、夏、冬季絕對濕度分別通過了α=0.001、α=0.01、α=0.05的顯著性水平檢驗；環(huán)青海湖區(qū)夏、冬季通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，秋季通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗；三江源區(qū)夏、秋、春季分別通過了α=0.01、α=0.05、α=0.10 的顯著性水平檢驗。除東部農業(yè)區(qū)以外的3 個功能區(qū)夏、秋季絕對濕度大幅上升造成全省絕對濕度顯著上升。

從青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)逐月絕對濕度變化趨勢來看（表2），全省及柴達木盆地絕對濕度除3月為下降趨勢外，其他月份均為上升趨勢，全省僅9月通過了α=0.05 的顯著性檢驗，而柴達木盆地6—11 月的上升趨勢均通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗，其中9 月增幅最大，為0.229 g/（m3·10 a），通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗；東部農業(yè)區(qū)3—7 月為下降趨勢，其他月份為上升趨勢，僅9 月和2 月分別通過了α=0.05、α=0.10 的顯著性水平檢驗；環(huán)青海湖區(qū)各月絕對濕度均呈上升趨勢，線性傾向率在-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 月通過了 α=0.05 的顯著性水平檢驗；三江源區(qū)除1 月、12 月為下降趨勢外，其余均呈上升趨勢，6 月、9 月、4 月的上升分別通過了 α=0.01、α=0.05、α=0.10 的顯著性水平檢驗。以上結果表明，三江源區(qū)6 月絕對濕度變化最顯著，而全省及其他3 個生態(tài)功能區(qū)9 月變化趨勢最顯著。

絕對濕度反映了空氣中的實際水汽含量，而水汽含量的高低又直接取決于地表實際蒸發(fā)量，即絕對濕度反映了地面實際蒸發(fā)量[4]。在以干旱缺水環(huán)境為主的區(qū)域，實際蒸發(fā)量變化主要受降水變化控制[16-17]。所以，對地處干旱地區(qū)的青海省而言，在月際和季節(jié)尺度上，絕對濕度的變化主要受降水變化的控制，從而導致不同月份和季節(jié)絕對濕度變化的差異。

圖3 1971—2017 年青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度季節(jié)（a）及月際（b）變化

表1 1971—2017 年青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)四季絕對濕度氣候傾向率/（g/（m3·10 a））和相關系數(shù)

表2 1971—2017 年青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)逐月絕對濕度氣候傾向率/（g/（m3·10 a））及相關系數(shù)

2.2 絕對濕度空間分布特征

從圖4 可看出，青海省絕對濕度與海拔高度呈顯著的負相關（r=0.64，P＜0.001），與經度呈顯著的正相關（r=0.83，P＜0.001），具有較好的經度地帶性和海拔地帶性，即隨著經度的上升和海拔的下降，絕對濕度增加，與緯度的相關性不顯著。

圖4 年平均絕對濕度的海拔（a）及經度（b）地帶性

圖5 給出了1971—2017 年青海省絕對濕度及傾向率的空間分布。由圖5a 可看出，青海省絕對濕度呈現(xiàn)出東高西低的空間分布格局，絕對濕度大約在2.4～6.9 g/m3。最大值出現(xiàn)在東部農業(yè)區(qū)的民和站，達到6.9 g/m3，最小值在柴達木盆地的冷湖站，為2.4 g/m3。4 個功能區(qū)絕對濕度由高到低依次為東部農業(yè)區(qū)（5.9 g/m3）＞環(huán)青海湖區(qū)（4.1 g/m3）＞三江源區(qū)（4.0 g/m3）＞柴達木盆地（3.1 g/m3）。各站年均絕對濕度相對較高的站點依次為民和（6.9 g/m3）＞循化（6.6 g/m3）＞樂都（6.4 g/m3）＞尖扎（6.0 g/m3）＞互助、西寧（5.8 g/m3）＞大通、同仁（5.7 g/m3），相對較小的站點依次為沱沱河（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）。上述空間分布格局可看出絕對濕度較高的站點主要分布在東部農業(yè)區(qū)，而較低的站點主要分布在柴達木盆地，這與4 個功能區(qū)的絕對濕度分布特點一致。造成上述空間分布格局的原因可能與青海省的降水分布不均衡有關。

近47 a 來，青海省各區(qū)域絕對濕度變化趨勢不同，由圖5b 可看出，氣候傾向率在-0.081～0.121 g（/m·310 a），空間分布為自西北向東南逐漸減小，東部的民和、同仁、大通、樂都、循化、尖扎及南部的玉樹表現(xiàn)為下降趨勢。

圖5 1971—2017 年青海省絕對濕度（a）及傾向率（b）空間分布

從青海省生態(tài)功能區(qū)內各站點絕對濕度變化趨勢而言（表3），柴達木盆地9 個代表站中有8 個站呈顯著上升趨勢，1 個站上升趨勢不顯著，其中上升最顯著的是冷湖站，上升幅度最大的是茫崖站；東部農業(yè)區(qū)12 個代表站中分別有6 個呈下降和上升趨勢，其中樂都下降趨勢最為顯著，氣候傾向率為-0.081 g（/m3·10 a），通過0.01 的顯著性水平檢驗，上升趨勢最顯著的是化隆站，上升幅度最大的為西寧站，氣候傾向率為0.072 g（/m3·10 a），通過0.01的顯著性水平檢驗；環(huán)青海湖區(qū)8 個代表站均呈顯著上升趨勢，上升趨勢最顯著的是野牛溝，增幅最大的為天峻站，氣候傾向率為0.118 g（/m·310 a），通過0.01 的顯著性水平檢驗；三江源區(qū)14 個代表站中只有玉樹呈不顯著下降趨勢，而其余13 個代表站中有11 個呈顯著上升趨勢，上升趨勢最顯著的是曲麻萊，增幅最大的為同德，氣候傾向率為0.109 g（/m·310 a），通過0.01 的顯著性水平檢驗。

表3 1971—2017 年青海省4 個生態(tài)功能區(qū)年絕對濕度變化趨勢統(tǒng)計

3 討論

地表蒸發(fā)是大氣中水汽的主要來源，研究絕對濕度變化可間接反映蒸發(fā)能力變化。傳統(tǒng)土壤水分蒸發(fā)理論表明，蒸發(fā)皿的蒸發(fā)能力與地表的蒸發(fā)能力成正比，地表蒸發(fā)量隨著蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降相應減小。徐彥偉等[18]在進行夏季納木錯湖水蒸發(fā)對大氣水汽貢獻的方法研究時指出，地表蒸發(fā)下降繼而造成大氣絕對水汽含量下降。本文研究結果顯示除東部農業(yè)區(qū)絕對濕度上升趨勢不明顯以外，青海省及其他3 個生態(tài)功能區(qū)均呈顯著上升趨勢，這與劉蓓[19]、祁棟林等[20]研究所得出的青海省蒸發(fā)量呈下降趨勢等結論相反。可能原因是影響絕對濕度的因子主要為水汽壓、氣溫及相對濕度，而影響各區(qū)域蒸發(fā)量的因素既有非氣象要素也有日照、降水、風速等氣象因子。

IPCC 第五次報告指出，全球平均地表氣溫上升，全球降水會增加，全球平均降水的增長率低于大氣水汽的增長率[21]，氣溫每升高1 ℃，降水可能增加1%～3%。白淑英[22]等研究近50 a 青海降水時空格局變化得出青海省年降水量總體呈現(xiàn)小幅增加趨勢。降水的增長率低于大氣水汽的增長率也可能是青海省絕對濕度上升的原因。鑒于水汽在天氣氣候和水循環(huán)中的重要作用，有必要對青藏高原地區(qū)大氣絕對濕度增加原因及其氣候環(huán)境效應等作進一步研究。

4 結論

本文對1971—2017 年青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度變化趨勢、時空特征等作了分析，主要結論如下：

（1）近47 a 來，青海省和4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度年平均值均呈增加趨勢，增加速率分別為0.052、0.089、0.081、0.054 和0.004 g/（m3·10 a）。青海省、柴達木盆地、環(huán)青海湖區(qū)和三江源區(qū)通過0.01的顯著性水平檢驗，東部農業(yè)區(qū)未通過顯著性水平檢驗；就季節(jié)和各月變化而言，除東部農業(yè)區(qū)春、夏季絕對濕度不顯著下降，秋、冬季顯著上升以外，全省及其他3 個生態(tài)功能區(qū)四季絕對濕度均呈上升趨勢；全省及柴達木盆地逐月絕對濕度除3 月為下降趨勢外，其他月份均為上升趨勢；東部農業(yè)區(qū)3—7月為下降趨勢，其他月份為上升趨勢；環(huán)青海湖區(qū)各月絕對濕度均呈上升趨勢；三江源區(qū)除1 月、12 月為下降趨勢外，其余均呈上升趨勢。

（2）青海省及4 個生態(tài)功能區(qū)絕對濕度季節(jié)、月際變化特征顯著。整體而言，月季變化均表現(xiàn)為顯著的單峰型，峰值均出現(xiàn)在7 月，而最小值除三江源區(qū)出現(xiàn)在1 月和12 月，全省及其他3 個功能區(qū)均出現(xiàn)在1 月；季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季絕對濕度最大，其次為秋季和春季，冬季最小。

（3）青海省絕對濕度與海拔呈顯著的負相關（P＜0.001），與經度呈顯著的正相關（P＜0.001），具有較好的經度地帶性和海拔地帶性，與緯度的相關性不顯著；絕對濕度空間表現(xiàn)為東高西低的分布格局，變化趨勢存在較大的空間差異性。