全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 员圆期摇 摇 圆园员猿年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
森林低温霜冻灾害干扰研究综述 李秀芬袁朱教君袁王庆礼袁等 渊猿缘远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
碱蓬属植物耐盐机理研究进展 张爱琴袁庞秋颖袁阎秀峰 渊猿缘苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
中国东部暖温带刺槐花期空间格局的模拟与预测 徐摇 琳袁陈效逑袁杜摇 星 渊猿缘愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长白山林线树种岳桦幼树叶功能型性状随海拔梯度的变化 胡启鹏袁郭志华袁孙玲玲袁等 渊猿缘怨源冤噎噎噎噎噎噎
油松天然次生林居群遗传多样性及与产地地理气候因子的关联分析 李摇 明袁王树香袁高宝嘉 渊猿远园圆冤噎噎噎
施氮对木荷 猿 个种源幼苗根系发育和氮磷效率的影响 张摇 蕊袁王摇 艺袁金国庆袁等 渊猿远员员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
围封对内蒙古大针茅草地土壤碳矿化及其激发效应的影响 王若梦袁董宽虎袁何念鹏袁等 渊猿远圆圆冤噎噎噎噎噎噎
干热河谷主要造林树种气体交换特性的坡位效应 段爱国袁张建国袁何彩云袁等 渊猿远猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物降解对黑碳及土壤上苯酚脱附行为的影响 黄杰勋袁莫建民袁李非里袁等 渊猿远猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
猿 个树种对不同程度土壤干旱的生理生化响应 吴摇 芹袁张光灿袁裴摇 斌袁等 渊猿远源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
冬小麦节水栽培群体野穗叶比冶及其与产量和水分利用的关系 张永平袁张英华袁黄摇 琴袁等 渊猿远缘苑冤噎噎噎噎
不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对水稻光合作用尧物质生产和产量的影响
彭摇 斌袁李潘林袁周摇 楠袁等 渊猿远远愿冤
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根域限制下水氮供应对膜下滴灌棉花叶片光合生理特性的影响 陶先萍袁罗宏海袁张亚黎袁等 渊猿远苑远冤噎噎噎噎
光照和生长阶段对菖蒲根系泌氧的影响 王文林袁王国祥袁万寅婧袁等 渊猿远愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
植物病原菌拮抗性野生艾蒿内生菌的分离尧筛选和鉴定 徐亚军袁赵龙飞袁陈摇 普袁等 渊猿远怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎
不同生物型棉蚜对夏寄主葫芦科作物的选择 肖云丽袁印象初袁刘同先 渊猿苑园远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
性别和温度对中华秋沙鸭越冬行为的影响 曾宾宾袁邵明勤袁赖宏清袁等 渊猿苑员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
基于干扰的汪清林区森林生态系统健康评价 袁摇 菲袁张星耀袁梁摇 军 渊猿苑圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
洞庭湖森林生态系统空间结构均质性评价 李建军袁刘摇 帅袁张会儒袁等 渊猿苑猿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
川西米亚罗林区不同海拔岷江冷杉生长对气候变化的响应 徐摇 宁袁王晓春袁张远东袁等 渊猿苑源圆冤噎噎噎噎噎噎
圆园园员要圆园员园 年内蒙古植被净初级生产力的时空格局及其与气候的关系
穆少杰袁李建龙袁周摇 伟袁等 渊猿苑缘圆冤
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地形因子对盐城滨海湿地景观分布与演变的影响 侯明行袁刘红玉袁张华兵袁等 渊猿苑远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
毛乌素沙地南缘植被景观格局演变与空间分布特征 周淑琴袁荆耀栋袁张青峰袁等 渊猿苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
贵州白鹇湖沉积物中孢粉记录的 缘援 缘 噪葬月援 孕援以来的气候变化 杜荣荣袁陈敬安袁曾摇 艳袁等 渊猿苑愿猿冤噎噎噎噎
典型河谷型城市春季温湿场特征及其生态环境效应 李国栋袁张俊华袁王乃昂袁等 渊猿苑怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
秦岭南北近地面水汽时空变化特征 蒋摇 冲袁王摇 飞袁喻小勇袁等 渊猿愿园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
露天矿区景观生态风险空间分异 吴健生袁乔摇 娜袁彭摇 建袁等 渊猿愿员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 匀燥造凿则蚤凿早藻和 悦悦粤分析的中国生态地理分区的比较 孔摇 艳袁江摇 洪袁张秀英袁等 渊猿愿圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
中国农业生态效率评价方法与实证要要要基于非期望产出的 杂月酝模型分析 潘摇 丹袁 应瑞瑶 渊猿愿猿苑冤噎噎噎噎
舟山市东极大黄鱼养殖系统能值评估 宋摇 科袁赵摇 晟袁蔡慧文袁等 渊猿愿源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同基因型玉米间混作优势带型配置 赵亚丽袁康摇 杰袁刘天学袁等 渊猿愿缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
气候与土壤对烤后烟叶类胡萝卜素和表面提取物含量的影响 陈摇 伟袁熊摇 晶袁陈摇 懿袁等 渊猿愿远缘冤噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
成都市沙河主要绿化树种固碳释氧和降温增湿效益 张艳丽袁 费世民袁李智勇袁等 渊猿愿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄园远
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封面图说院 长白山南坡的岳桦林要要要长白山岳桦林位于海拔约 员苑园园要圆园园园皂之间的山坡遥 这种阔叶林分布在针叶林带的上
面袁成为山地森林的上缘种类袁在世界山地森林中实属罕见遥 岳桦能够顽强地抗御长白山潮湿尧寒冷尧强风等恶劣气
候因素袁在严酷的环境条件下形成纯林袁是与其独特的生长发育机理密切相关的遥 岳桦的枝干颇具韧性袁在迎风处袁
由于风吹雪压袁树干成片地向背风侧倾斜袁这种特性使它能不畏风雪袁顽强生存遥 随着海拔的升高袁岳桦林也逐渐矮
化袁这是岳桦林保护自身生存袁适应大自然的结果遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
第 33 卷第 12 期
2013 年 6 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 12
Jun. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金(41171420); 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金项目(10502鄄
Z12鄄9); 中荷联合主题研究项目(GJHZ1018)
收稿日期:2012鄄10鄄21; 摇 摇 修订日期:2013鄄02鄄27
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: wafe@ ms. iswc. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201210211460
蒋冲,王飞,喻小勇,穆兴民,杨旺明,刘思洁.秦岭南北近地面水汽时空变化特征.生态学报,2013,33(12):3805鄄3815.
Jiang C, Wang F, Yu X Y, Mu X M, Yang W M,Liu S J. Spatial and temporal variation of surface water vapor over northern and southern regions of
Qinling Mountains. Acta Ecologica Sinica,2013,33(12):3805鄄3815.
秦岭南北近地面水汽时空变化特征
蒋摇 冲1,3,王摇 飞1,2,*,喻小勇3,穆兴民1,2,杨旺明3,刘思洁4
(1. 西北农林科技大学资源环境学院,杨凌摇 712100;2. 中国科学院水利部水土保持研究所,杨凌摇 712100;
3. 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,北京 100875;
4. 北京大学遥感与地理信息系统研究所,北京摇 100871)
摘要:利用秦岭南北地区 47 个气象站 1960—2011 年的观测资料,借助 Spline空间插值、Pettitt突变点检验、Morlet小波分析等方
法对水汽的空间分布、时空演变、突变特征和周期特征及其可能影响因素进行分析。 结果表明:淤秦岭南北近地面水汽呈南高
北低、东高西低的空间分布格局,各子区水汽由南向北递减,季节分布规律与年尺度基本一致,以夏季最大,冬季最小。 于近 52
年平均水汽压呈上升趋势,秦岭南坡和汉水流域上升速率较快,巴巫谷地呈下降趋势;盂53%的站点冬季水汽压发生突变,集中
分布于秦岭以南的部分地区,突变集中发生在 1985—1988 年间,与冬季气温突变时间一致,其余季节突变现象不明显。 榆水汽
在 21a时间尺度下经历了 4 次干湿交替变化,各季节水汽变化规律与年尺度基本一致,未来一段时间该地区仍然处于相对干旱
状态。 虞水汽压受到包括气温、风速、日照在内的多种气象因素的综合作用,影响力大小排序为气温>降水量>日照时数>相对
湿度。
关键词:秦岭南北;水汽压;时空变化;突变;周期变化;影响因素
Spatial and temporal variation of surface water vapor over northern and southern
regions of Qinling Mountains
JIANG Chong1,3, WANG Fei1,2,*, YU Xiaoyong3, MU Xingmin1,2, YANG Wangming3,LIU Sijie4
1 College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China
3 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
4 Institute of Remote Sensing and Geographic Information System, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: Water vapor content is a highly important variable for ecosystem, hydrology and climate systems. It directly
affects the generation of precipitation, and it has a close correlation with the whole content of water vapor in the air. Many
researches have been done in water vapor conditions, sources, directions of movement and convergence regarding the
formation of heavy rain, and in the relations between these factors and the rainy season and rain belts in the east, south and
low-latitude regions of China. However, due to the limitation of available data and computing technologies, it was not until
the 1990s that the study on water vapor in Northwest China began to be paid much attention to. Since the latter half of the
1980s, precipitation and temperature in the northern and southern regions of Qinling Mountains increased and decreased
significantly, respectively, which are usually attributed to global warming and the climate changed from ‘warm and humid爷
to ‘warm and dry爷 in this region.
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In this paper, based on the surface vapor content data from 47 weather stations in the northern and southern regions of
Qinling Mountains between 1960 and 2011, by the methods of linear trend estimation, anomaly analysis, Spline spatial
interpolation, Pettitt abrupt change test and Morlet wavelet analysis etc. , we analyzed the spatial and temporal variation,
mutation, periodical changes and their possible causes. The results are as following: (1)Surface water vapor presented a
clear pattern that high in south and low in north, water vapor decreased from east to west, which had a good altitudinal and
latitudinal zonality. The order of water vapor, according to amount of water content, 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 water vapor was summer, autumn, spring and winter.
(2)Yearly averaged water vapor pressure presented an increasing trend, the increasing rate was bigger in SSQ and HRB,
while BWV had a deceasing trend. In spring, regionally averaged water vapor pressure increased insignificantly, BWV and
NSQ had decreasing trend; In summer, regionally averaged water vapor pressure decreased insignificantly, only NSQ
showed increasing trend; In autumn, all regions忆 water vapor pressure increased, the increasing rate of SSQ and BWV was
relatively bigger; In winter, water vapor pressure of most stations showed increasing trend, which was more obvious in
southern regions of Qinling Mountains. (3)Water vapor pressure of 53% stations experienced abrupt change in winter,
which mainly located in the southern regions of Qinling Mountains and the period mainly lied between 1985 and 1988, in
line with the mutation of temperature in winter. The phenomenon of mutation was not obvious in other regions. (4)Water
vapor experienced 4 times dry鄄wet alternating change on the 21a scale, the seasonal water vapor also had similar characters.
In the near future (about 10 years), water vapor content of NSQ will stand at a low level, which means the dryness will last
for 10 years. (5)Water vapor pressure was affected by several meteorological factors including temperature, wind speed,
sunshine etc. Water vapor pressure correlated positively with precipitation, temperature, relative humidity and sunshine
hours, but it had a negative correlation relationship with wind speed. The order of influential factor was temperature,
precipitation, sunshine hour and relative humidity. Except for BWV, temperature and water vapor pressure had same
change trend.
Key Words: the southern and northern regions of Qinling Mountains; water vapor pressure; spatial and temporal variation;
abrupt change; periodic variation; influential factor
大气中的水汽直接影响降水,水汽含量和水汽输送与大气环流有着密切的内在联系,而且是全球能量平
衡和水分循环的重要组成部分,其变化深刻影响着全球气候和水资源系统的格局和演变[1鄄4]。 近年来,众多
学者使用不同数据源和分析方法[1鄄20]从全球变化和水文水资源的角度对水汽含量(水汽压)的空间分布和时
空变化及其可能成因进行了广泛而深入的研究,研究区域包括中国全境[1鄄4]、季风湿润区[5]、西北干旱区[7]、
华北平原区[8]、黄河流域[9鄄11]、黑河流域[12]、金沙江[13鄄14]、青藏高原[15]、天山[16鄄17]、祁连山[18]、重庆[19]和云
南[20]等。 研究方法概括起来主要分为 3 类,其一是以 NCEP 和 ERA40 等再分析资料为基础逐层积分计算,
该方法目前应用较多,研究区遍布全国[7鄄12]。 此方法资料相对容易获取且计算简单,但更多的研究是关注高
空水资源(高空水汽)变化,对近地面水汽变化关注不足,也并非实际观测数据;其二是基于探空观测资料建
立适用于全国和区域尺度的经验计算公式[17鄄20],但该方法局限性较强,在某一地区(或时空尺度)建立的经验
公式并不一定适用于其他区域(或时空尺度),推广潜力有限。 其三是以遥感数据为基础,利用影像的光谱信
息和大气可降水量与地面水汽压的函数关系反演空中水汽含量,该方法在我国不同地区已有应用[2鄄3],也同
样是估算结果。 由于我国探空观测站点较少,空间分布严重不均,基于探空观测资料和再分析数据建立的经
验公式的时空代表性有限,经过不同时空尺度升降转换后的准确性还有待提高。 遥感卫星虽然具有观测周期
短,覆盖范围广的特点,但由于数据空间分辨率较粗,使得该方法并不适用于区域水汽含量的精细化模
拟[2鄄3]。 也正是由于上述原因,目前多数有关水汽资源的研究还局限于站点尺度(个别探空站),较少涉及到
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区域乃至全国尺度的水汽时空分布格局和变化趋势。 对于其突变和周期特征以及影响因素的的研究较少,对
于重要地理界线南北差异、气候过渡区域和生态环境敏感区关注度相对不足。
秦岭地处暖温带与北亚热带过渡区,是中国气候上的南北分界线,本区动(植)物资源极为丰富,也是南
水北调中线工程水源地,在地理和生态等相关学科研究中具有极其重要的地位[21]。 关于这一地区生态系统
多样性、水土保持等相关研究已经逐渐成为本领域的热点问题,但对于秦岭南北气候演变特别是水汽含量的
研究相对较少。 已经开展的研究也大多局限于气温、降水和径流等常规水文气象要素的单因子分析,对于水
汽压的时空变化和突变特征研究极少,研究区域也大多局限于陕西境内的秦岭山脉(关中—陕南一带),研究
深度不够,代表性不足,覆盖面有限[21鄄23]。 基于此,本研究在前人工作基础上采用秦岭南北 47 个站 1960—
2011 年的水汽压实测数据而非再分析资料,一方面消除了经验公式法时空尺度推移的不确定性,另一方面克
服了遥感反演法尺度过粗的不足。 借助 Spline空间插值、Pettitt突变点检验、Morlet小波分析等方法对秦岭南
北地区近地面水汽的空间分布、时空演变、突变特征和周期特征及其可能影响因素进行分析,为进一步研究该
地区水文水资源演变情势和气候变化提供依据。
图 1摇 研究区范围及气象观测站点分布[21]
Fig. 1摇 Location of the study area and meteorological stations[21]
1摇 研究区概况
摇 摇 秦岭南北主要包括秦岭北坡及其以北的暖温带、秦
岭南坡及其以南的北亚热带、秦岭以南的巴山、巫山谷
地及江汉平原西北部(图 1) [21]。 该区地处暖温带与北
亚热带过渡区,是中国气候上的南北分界线。 年均气温
12—17 益,逸10 益的年积温为 3700—4900 益,年均降
水量 600—1200 mm,降水变率大,季节分配不均匀,汛
期 6—9月的降雨量占全年的 60%左右。 本区植物资
源极为丰富,地带性植被为常绿鄄落叶阔叶混交林,植被
垂直分布显著。
2摇 数据与方法
2. 1摇 数据来源
水汽压描述了空气中水汽的绝对含量,是单位空气柱中所含水汽的质量,物理单位为 hPa。 本文选用秦
岭南北 47 个气象站 1960—2011 年间逐月近地面水汽压实测资料。 为进行不同纬度和地域单元水汽变化的
比较,自北向南将研究区分为 4 个子区域:(1)秦岭北坡及其以北的暖温带地区(以下简称“秦岭以北冶);(2)
秦岭南坡,包括伏牛山及其以东平原(因大部分区域属秦岭南坡山地,下简称“秦岭南坡冶);(3)秦岭以南的
汉水谷地、巴山、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,下简称“汉水流域冶);(4)巴
山南麓、巫山谷地及江汉平原西北部(下简称“巴巫谷地冶) [21]。
2. 2摇 研究方法
为研究水汽的空间分布特征,采用 GIS 地统计插值法对站点水汽压进行空间插值。 为了保证插值的精
度,在研究区选取站点总数的 50% (23 个站)对 IDW法、Kriging 法和 Spline 法的插值精度进行验证。 研究表
明 IDW法、Kriging 法和 Spline 法的插值结果与计算值都有较好的相关性,分别为 IDW 法(R = 0. 971,P<
0郾 01)、Kriging法(R=0. 972,P<0. 01)、Spline法(R=0. 977,P<0. 01),Spline 法相关性最好,可用作本研究的
插值方法。 但是 Spline法插值结果与实测值相比仍有一定误差,通过线性回归方程修正后最大误差为 5% ,
平均绝对误差为 2% ,误差较小[24]。
为了揭示水汽的突变和周期特征,选用在水文气象领域广为应用的 Pettitt变点检测法和 Morlet复小波分
析法研究水汽的突变和周期变化。 Pettitt变点检测和 Morlet复小波分析参见文献[25鄄27]。
3摇 结果与分析
3. 1摇 水汽空间分布
摇 摇 秦岭南北近地面水汽呈南高北低、东高西低的空间分布格局,具有较好的海拔地带性和纬度地带性,即随
7083摇 12 期 摇 摇 摇 蒋冲摇 等:秦岭南北近地面水汽时空变化特征 摇
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海拔和纬度的上升(下降)而相应减少(增加)(图 2),各子区按水汽大小排序依次为巴巫谷地(16. 2 hPa)>汉
水流域(14. 3 hPa)>秦岭南北(13. 5 hPa)>秦岭南坡(12. 3 hPa) >秦岭以北(11. 2 hPa)。 各子区水汽相对较
高的站点依次为万州(18. 0 hPa)>钟祥(15. 9 hPa)>西华(14. 1 hPa)>开封(13. 2 hPa),相对较小的站点依次
为广元(13. 8 hPa)>佛坪(11. 3 hPa)>武都(10. 9 hPa)>华山(7. 1 hPa)。 季节尺度上水汽的分布规律与年尺
度具有基本相同的特点,也表现出明显的纬度地带性和海拔地带性(图 3),季节平均水汽含量排序为夏季
(23. 1 hPa)>秋季(13. 2 hPa)>春季(12. 1 hPa)>冬季(5. 7 hPa)。
上述空间分布格局主要是由于秦岭南北的大部分地区受季风影响,冬季风来自高纬度大陆,水汽较少,而
夏季风来自低纬度海洋,高温而潮湿,造成了水汽的年内变化。 事实上全球尺度上的变化规律亦是如此,冬季
赤道是一个水汽压较大的地区,一般在 30 hPa以上,因为赤道附近有广阔的海洋,具有极大的蒸发能力。 从
赤道向两极水汽压递减,亚洲东北部几乎为零,主要是受低纬低气温的影响。 而在夏季,虽然赤道地区仍是水
汽压最大的地带,但赤道与北极之间的水汽压差已大大减少[1鄄3]。
图 2摇 水汽的海拔地带性和纬度地带性
Fig. 2摇 The altitudinal and latitudinal zonality of water vapor pressure
图 3摇 年度和夏季平均水汽空间分布
Fig. 3摇 Spatial distribution of yearly and summer averaged water vapor
3. 2摇 水汽时空变化
3. 2. 1摇 水汽年际变化
秦岭南北整体和各子区水汽变化趋势基本一致,除巴巫谷地(-0. 02 hPa / 10a)不显著下降外均呈现出增
加趋势(图 4),增加速率排序依次为秦岭南坡(0. 15 hPa / 10a) >汉水流域(0. 07 hPa / 10a) >秦岭南北(0. 06
hPa / 10a)>秦岭以北(0. 05 hPa / 10a),且均通过 95%的显著性检验。 由累积距平曲线(图 4)可知,1986 年是
秦岭南北整体和各子区水汽变化的转折点,1986 年以前微弱下降,此后震荡上升,变化步调基本保持一致。
3. 2. 2摇 水汽十年尺度变化
由表 1 可知,秦岭南北整体年平均水汽压在 1960—1989 年均为负距平,以 19660—1969 年距平值最大
(-0. 11 hPa),说明 1960—1969 年是最为干旱的 10a。 1990—2009 年为正距平,其中 1990—1999 年是最为湿
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图 4摇 年平均水汽距平和累积距平
Fig. 4摇 Anomaly and accumulative anomaly of yearly averaged water vapor
润的 10a,各子区变化规律与秦岭南北整体基本一致;春季,秦岭南北整体经历了“干—干—湿—湿—干冶的变
化过程,1960—1969 年各子区处于偏干旱状态,1990—1999 年偏湿润,其余年代各子区干湿变化无明显规律;
夏季,1960—1969 年和 1990—1999 年偏湿润,1960—1969 年最湿润。 1970—1989 年和 2000—2009 年偏干
旱,1980—1989 最干;秋季,1960—1969 年和 2000—2009 年偏湿润,除汉水流域外均以 2000—2009 年最湿。
1970—1999 偏干,1970—1979 年最干;冬季,各子区 1960—1969 年干旱最严重,2000—2009 年最湿润。
表 1摇 年和季节平均水汽年代际距平
Table 1摇 Decadal anomaly of yearly and seasonally averaged water vapor
季节 Season 年 Year NRQ SSQ HRB BWV SNQ
春季 1960—1969 -0. 04 -0. 67 -0. 42 0. 24 -0. 20
1970—1979 -0. 11 -0. 16 0. 06 0. 01 -0. 05
1980—1989 0. 31 0. 49 -0. 19 -0. 51 0. 03
1990—1999 0. 34 0. 42 0. 29 0. 13 0. 29
2000—2009 -0. 39 0. 22 0. 15 -0. 17 -0. 05
夏季 1960—1969 0. 41 0. 65 0. 63 0. 32 0. 29
1970—1979 -0. 05 -0. 38 -0. 26 -0. 01 -0. 18
1980—1989 0. 02 -0. 87 -0. 94 -0. 10 -0. 47
1990—1999 0. 36 0. 01 0. 04 0. 14 0. 14
2000—2009 0. 09 0. 09 -0. 03 -0. 41 -0. 06
秋季 1960—1969 0. 04 0. 22 0. 31 0. 10 0. 17
1970—1979 -0. 15 -0. 33 -0. 30 -0. 23 -0. 25
1980—1989 0. 08 -0. 23 -0. 29 0. 09 -0. 09
1990—1999 -0. 06 -0. 12 -0. 05 0. 02 -0. 05
2000—2009 0. 13 0. 32 0. 15 0. 11 0. 18
冬季 1960—1969 -0. 23 -1. 25 -0. 75 -0. 21 -0. 61
1970—1979 0. 03 0. 10 0. 07 -0. 03 0. 04
1980—1989 -0. 07 -0. 56 -0. 01 -0. 15 -0. 09
1990—1999 0. 06 0. 34 0. 36 0. 20 0. 24
2000—2009 0. 15 0. 60 0. 37 0. 10 0. 29
年度 1960—1969 -0. 14 -0. 30 -0. 06 0. 07 -0. 11
1970—1979 -0. 07 -0. 19 -0. 11 -0. 05 -0. 10
1980—1989 0. 02 -0. 01 -0. 15 -0. 07 -0. 06
1990—1999 0. 19 0. 18 0. 17 0. 15 0. 17
2000—2009 0. 01 0. 33 0. 15 -0. 10 0. 10
摇 摇 NRQ: 秦岭以北 Northern Region of Qinling Mountains; SSQ: 秦岭南坡 Southern Slope of Qinling Mountains; HRB: 汉水流域 Han River Basin;
BWV: 巴巫谷地 Bawu Valley; SNQ: 秦岭南北 Northern and Southern Regions of Qinling Mountains
9083摇 12 期 摇 摇 摇 蒋冲摇 等:秦岭南北近地面水汽时空变化特征 摇
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图 5摇 年度和季节水汽变化的空间分布
Fig. 5摇 Spatial distribution pf annual and seasonal water vapor variation
3. 2. 3摇 水汽变化的空间分布
空间分布特征方面(图 5),77% (36 个)的站点年平均水汽压呈上升趋势,其中 38% (18 个)的站点达到
95%及以上的显著水平,只有 23%的站点下降,且大部分未达到显著水平。 各子区水汽压上升站点所占比例
排序为秦岭南坡(100% ) >汉水流域(86% ) >秦岭以北(79% ) >巴巫谷地(40% )。 倾向率分别为秦岭南坡
0郾 15 hPa / 10a、汉水流域 0. 07 hPa / 10a、秦岭南北 0. 06 hPa / 10a、秦岭以北 0. 05 hPa / 10a、巴巫谷地-0. 02 hPa /
10a。 秦岭南坡和汉水流域上升速率更快,覆盖面积较秦岭以北而言更广,巴巫谷地则呈下降趋势;
春季水汽压整体微弱上升(0. 06 hPa / 10 a),倾向率分别为秦岭南坡 0. 23 hPa / 10 a、汉水流域 0. 14 hPa /
10 a、秦岭南北 0. 06 hPa / 10 a、秦岭以北-0. 04 hPa / 10 a、巴巫谷地-0. 07 hPa / 10 a。 上升和下降的站点各占
约 49%和 51% ,其中仅有 23% (11 个)的站点达到 95%及以上的显著水平。 各子区水汽压下降站点所占比
例排序为巴巫谷地(80% )>秦岭以北(50% )>汉水流域(43% )>秦岭南坡(33% )(图 5)。
夏季水汽压整体微弱下降( -0. 05 hPa / 10 a),倾向率排序为巴巫谷地( -0. 14 hPa / 10 a) >汉水流域
(-0. 10 hPa / 10 a)>秦岭南坡(-0. 08 hPa / 10 a) >秦岭南北( -0. 05 hPa / 10 a),秦岭以北呈上升趋势(0. 11
0183 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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hPa / 10 a)。 上升和下降的站点各占约 60%和 40% ,其中仅有 30% (14 个)的站点达到 95%及以上的显著水
平。 各子区水汽压下降站点所占比例排序为巴巫谷地(90% )>汉水流域(36% )>秦岭以北(29% )>秦岭南坡
(11% ),除秦岭以北以外的各子区均呈下降趋势,下降速率由南向北递减(图 5)。
秋季水汽压整体微弱上升(0. 03 hPa / 10 a),倾向率排序为秦岭南坡(0. 05 hPa / 10 a) >巴巫谷地(0. 03
hPa / 10 a)=秦岭南北(0. 03 hPa / 10 a)=秦岭以北(0. 03 hPa / 10 a)>汉水流域(0. 01 hPa / 10 a)。 上升和下降
的站点各占约 66%和 34% ,其中仅有 23% (11 个)的站点达到 95%及以上的显著水平。 各子区水汽压上升
站点所占比例排序为秦岭南坡(78% )>汉水流域(71% )>巴巫谷地(60% )>秦岭以北(43% ),秦岭以南地区
上升速率更快,代表范围较秦岭以北而言更广(图 5)。
冬季 98% (46 个)的站点水汽压呈上升趋势,倾向率排序为秦岭南坡(0. 37 hPa / 10 a) >汉水流域(0. 22
hPa / 10 a)>秦岭南北(0. 18 hPa / 10 a)>巴巫谷地(0. 07 hPa / 10 a)=秦岭以北(0. 07 hPa / 10 a),秦岭以南地区
的上升趋势更为明显(图 5)。
3. 3摇 水汽突变特征
除冬季以外的各季节和年平均水汽压突变站点都比较少,均未超过站点总数的 15% ,空间分布上零星分
布于各子区,无明显规律。 冬季水汽压(图 6)突变站点所占比例达 53% (25 个),空间分布上集中于秦岭以南
的部分地区,突变集中发生在 1985—1988 年的 4 年间,占到突变站点总数的 88% (22 个)。
图 6摇 冬季水汽突变的空间分布
Fig. 6摇 Spatial distribution of water vapor忆s mutation in winter
1986 年是冬季水汽压升降变化的转折点,这一时
间与冬季气温的转折时间基本一致。 1960—1986 年间
冬季气温以负距平居多,但却呈波动上升趋势,1987—
2011 年间以正距平居多,呈微弱下降趋势。 对比前后
两个时段的各站冬季均温发现,后期(1987—2011 年)
多数站点的冬季均温显著高于前期(以显著水平高于
95%为标准),且以秦岭以北最为显著,并自北向南逐
渐递减。 其中秦岭以北两个时段冬季温差 0郾 92益,为 4
个区域之最,有 85%的站点前后差异达到了 95%的显
著水平;秦岭南坡、汉水流域及巴巫谷地温差分别为
0郾 77 益、0. 70 益、0. 61 益,显著差异站点所占比例分别
为 60% 、71% 、55% 。
3. 4摇 水汽变化的周期特征
年尺度水汽的 Morlet小波系数实部时频变化(图 7)表现出低频部分稀疏,高频部分密集的特点。 图中正
值区域表示水汽偏多,负值区域表示水汽偏少,存在 21a 的震荡主周期。 在 21a 尺度上主要存在 5 个时间段
的交替变化,正负位相以 10a 的时间震荡,1960—1970 年、1980—1990 年和 2000—2010 年时段为正位相,表
示这些年份水汽偏多,而 1970—1980 年和 1990—2000 年为负位相,意味着水汽偏少。 夏季水汽的小波系数
实部时频变化特征与年尺度基本一致,在此不再赘述。 年平均水汽的小波方差图(图 8)表明水汽序列有 2 个
主要峰值,分别对应 21a和 36a的时间尺度。 36a对应的方差值最大,但是数据序列长度只有 52a,因此 36a并
非主周期,21a才是主周期。 同理,夏季水汽序列的主周期也为 21a,其它各季节水汽变化也与年尺度基本一
致。 根据小波方差分析所确定主周期可进一步绘制主周期的小波系数实部过程线,以反映其正负位相结构和
干湿变化特征。 过程线反映出秦岭南北地区经历了相同的干湿交替演变规律,在 21 a 时间尺度下经历了 4
次干湿交替变化。 值得注意的是,在 21a过程线上 2005 年以后水汽虽然还是偏多,但呈现下降趋势,因此可
以预计未来一段时间该地区仍然处于相对干旱状态。
3. 5摇 水汽影响要素分析
由表 2 可知,绝大部分站点水汽压与降水量、气温、相对湿度和日照时数呈正相关关系,与风速呈负相关,
1183摇 12 期 摇 摇 摇 蒋冲摇 等:秦岭南北近地面水汽时空变化特征 摇
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图 7摇 年平均水汽的小波系数
Fig. 7摇 Wavelet coefficients of yearly averaged water vapor
图 8摇 年平均水汽小波方差
Fig. 8摇 Wavelet variance of yearly averaged water vapor
表 2摇 水汽与其它气象要素相关系数
Table 2摇 Correlation coefficient between water vapor and other meteorological factors
序号
Nu鄄mber
站点
Stations
降水量
Precipi鄄
tation
风速
Wind
speed
气温
Tempe鄄
rature
相对湿度
Relative
humidity
日照时数
Sunshine
hours
序号
Nu鄄mber
站点
Stations
降水量
Precipi鄄
tation
风速
Wind
speed
气温
Tempe鄄
rature
相对湿度
Relative
humidity
日照时数
Sunshine
hours
1 天门 0. 518** 0. 077 0. 971** 0. 382** 0. 680** 24 西峡 0. 747** -0. 052 0. 947** 0. 556** 0. 413**
2 荆州 0. 548** 0. 097* 0. 975** 0. 370** 0. 708** 25 镇安 0. 747** -0. 226** 0. 951** 0. 672** 0. 400**
3 宜昌 0. 737** 0. 134** 0. 970** 0. 392** 0. 659** 26 商县 0. 722** -0. 395** 0. 948** 0. 678** 0. 347**
4 万州 0. 721** 0. 137** 0. 981** -0. 195** 0. 824** 27 佛坪 0. 785** -0. 414** 0. 956** 0. 733** 0. 469**
5 梁平 0. 708** 0. 255** 0. 982** -0. 295** 0. 806** 28 汉中 0. 700** 0. 216** 0. 971** 0. 123** 0. 637**
6 广水 0. 632** -0. 057 0. 965** 0. 510** 0. 603** 29 略阳 0. 769** -0. 287** 0. 958** 0. 662** 0. 433**
7 钟祥 0. 619** -0. 079* 0. 968** 0. 474** 0. 655** 30 开封 0. 694** -0. 276** 0. 936** 0. 575** 0. 375**
8 巴东 0. 720** -0. 355** 0. 973** 0. 441** 0. 753** 31 许昌 0. 690** -0. 233** 0. 943** 0. 560** 0. 398**
9 达县 0. 715** 0. 355** 0. 978** -0. 115** 0. 760** 32 郑州 0. 714** -0. 382** 0. 927** 0. 596** 0. 324**
10 巴中 0. 719** 0. 386** 0. 974** -0. 085* 0. 737** 33 栾川 0. 753** -0. 431** 0. 947** 0. 698** 0. 295**
11 阆中 0. 723** 0. 162** 0. 967** 0. 159** 0. 666** 34 孟津 0. 711** -0. 373** 0. 920** 0. 654** 0. 224**
12 信阳 0. 613** -0. 057 0. 960** 0. 493** 0. 454** 35 卢氏 0. 733** -0. 150** 0. 949** 0. 547** 0. 276**
13 驻马店 0. 644** -0. 234** 0. 947** 0. 501** 0. 356** 36 三门峡 0. 702** -0. 028 0. 930** 0. 595** 0. 417**
14 枣阳 0. 651** -0. 03 0. 959** 0. 463** 0. 528** 37 华山 0. 728** -0. 599** 0. 934** 0. 668** 0. 243**
15 老河口 0. 606** 0. 065 0. 964** 0. 391** 0. 492** 38 西安 0. 664** 0. 223** 0. 946** 0. 262** 0. 477**
16 房县 0. 777** -0. 161** 0. 969** 0. 510** 0. 546** 39 武功 0. 655** 0. 052 0. 953** 0. 383** 0. 361**
17 安康 0. 720** 0. 021 0. 969** 0. 348** 0. 614** 40 宝鸡 0. 718** 0. 325** 0. 946** 0. 336** 0. 386**
18 万源 0. 744** -0. 495** 0. 973** 0. 623** 0. 726** 41 天水 0. 778** -0. 022 0. 950** 0. 417** 0. 301**
19 石泉 0. 724** -0. 152** 0. 964** 0. 528** 0. 550** 42 武都 0. 831** 0. 294** 0. 947** 0. 623** 0. 264**
20 广元 0. 757** -0. 224** 0. 960** 0. 621** 0. 604** 43 新乡 0. 688** -0. 275** 0. 940** 0. 612** 0. 366**
21 西华 0. 684** -0. 288** 0. 949** 0. 570** 0. 402** 44 洛川 0. 791** -0. 314** 0. 917** 0. 680** 0. 142**
22 宝丰 0. 675** -0. 351** 0. 938** 0. 584** 0. 310** 45 长武 0. 741** 0. 131** 0. 936** 0. 514** 0. 156**
23 南阳 0. 660** -0. 152** 0. 952** 0. 467** 0. 463**
摇 摇 ** 0. 01 显著水平 0. 01 significant level; * 0. 05 显著水平 0. 05 significant level
正相关系数排序依次为气温>降水量>日照时数>相对湿度。 上述分析结果符合气象学相关理论,水汽压与温
度呈 99%显著水平的正相关关系,其大小与蒸发的快慢有密切关系,而蒸发的快慢在水分供应一定的条件
下,主要受温度控制。 白天温度高,蒸发快,进入大气的水汽多,水汽压就大;夜间出现相反的情况,基本上由
温度决定。 而地球上热量(以温度表示)的主要来源是太阳辐射(因太阳辐射观测站点有限,常以日照时数替
代),因此水汽压与日照时数也有较好的相关性。 此外,水汽压与相对湿度紧密相关。 相对湿度是表示空气
2183 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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接近饱和的程度,其大小不仅与大气中水汽含量有关,还随气温升高而降低。 气温升高时,虽然地面蒸发加
快,水汽压增大,但这时饱和水汽压随温度升高而增大得更多些,使相对湿度反而减小。 反之,气温降低时水
汽压减小,但是饱和水汽压随温度下降得更多些,使相对湿度反而增大,但从年尺度上看,水汽压还是与相对
湿度呈正相关关系。 另一方面,风速的增大加快了空气中水汽分子的运动速率,使得气象站观测得到的水汽
压下降,因此两者呈负相关关系。
4摇 结论与讨论
(1)秦岭南北近地面水汽呈南高北低、东高西低的空间分布格局,各子区水汽由南向北递减,季节分布规
律与年尺度基本一致,以夏季最大,冬季最小。
(2)秦岭南北大部分地区年平均水汽压呈上升趋势,秦岭南坡上升速率最快,巴巫谷地则呈下降趋势;春
季整体微弱上升,巴巫谷地和秦岭以北下降;夏季整体微弱下降,秦岭以北上升;秋季整体上升,秦岭以南地区
上升速率更快;冬季绝大部分地区上升,秦岭以南更为明显。
(3)年尺度和冬季以外的各季节水汽压突变站点较少,空间分布上无明显规律。 冬季突变站点所占比例
达 53% ,集中分布于秦岭以南的部分地区,突变集中发生在 1985—1988 年间。
(4)近 52 年水汽在 21a时间尺度下经历了 4 次干湿交替变化,各季节水汽变化规律与年尺度基本一致,
未来一段时间该地区仍然处于相对干旱状态。
(5)水汽压受到包括气温、风速、日照在内的多种气象因素的综合作用,影响力大小排序为气温>降水量>
日照时数>相对湿度,除巴巫谷地以外的各区水汽压和气温基本呈同向变化趋势。
1960—2011 年秦岭南北所有站点呈升温趋势,升温速率排序依次为秦岭以北(0. 25 益 / 10 a) >秦岭南北
(0. 18 益 / 10 a)>秦岭南坡(0. 17 益 / 10 a)>汉水流域(0. 16 益 / 10 a)>巴巫谷地(0. 14 益 / 10 a),升温趋势均
通过了 99%的显著性检验。 由上述分析可知秦岭南北整体和巴巫谷地以外的各个子区水汽压和气温基本呈
同向变化趋势,即水汽压随温度的增加而不断上升。 水汽压和气温的变化速率排序并不完全一致,这主要是
由于水汽压同时受到包括气温、风速、日照在内的多种气象因素的综合作用,温度起到主导作用,但并不是唯
一决定作用,其他因素都有可能对其造成影响,例如巴巫谷地气温显著上升但水汽却微弱下降,其具体原因值
得进一步研究。
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《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
国内邮发代号:82鄄7,国外邮发代号:M670
标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 摇 CN 11鄄2031 / Q
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本期责任副主编摇 吴文良摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 12 期摇 (2013 年 6 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 33摇 No郾 12 (June, 2013)
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主摇 摇 办摇 中国生态学学会
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