水汽是大气的重要组成部分。它是一种重要的温室气体，能通过辐射效应来影响气候，凝结时释放潜热，在天气过程中起着重要作用。水汽是水热交换的媒介，与降水及云关系密切。水汽被输送到全球各地参与能量交换和水循环，因此水汽在全球水循环和能量循环中起了重要作用^[1]。

目前气候变化已成为全球关注的热点之一，气候变化中的水汽响应也受到关注^[2-3]：在全球尺度下，随着全球温度升高，比湿增加，相对湿度保持不变。这样的改变不仅对大气的温度结构有影响，而且对降水的持续时间和强度、频率均有影响^[4-5]。IPCC报告中对水汽的变化趋势进行了评估，指出大气低层水汽增加^[6-7]。一些观测数据也表明全球水汽在气候变化的背景下发生了变化。Ross等^[8]利用1973—1995年探空资料，研究了北半球陆地上地面到500 hPa柱水汽含量的变化趋势，发现该时段北半球陆地大多数地区柱水汽含量增加，但也有减少的地区。Durre等^[9]利用探空资料研究1973—2006年北半球大陆上柱水汽含量的长期变化，结果表明：柱水汽含量主要是增加的，具有统计意义的变化趋势为0.45 mm/10 a。Trenberth等^[10]利用探空资料、再分析资料和卫星资料从多方面分析了全球大气柱水汽含量，发现再分析资料在海洋上空使用不可靠，在陆地上空使用可靠性增强。

我国大陆上空水汽研究开始较早，徐淑英^[11]研究了我国水汽输送和水分平衡，邹进上等^[12-13]研究了我国大陆上空水汽含量分布特征及其季节变化，以及影响水汽的因子。对于我国大陆上空水汽在全球变暖背景下的响应方面，翟盘茂等^[14-15]利用探空资料研究1970—1990年我国大陆上空水汽分布及变化趋势表明，我国大陆大部分地区地面到200 hPa的柱水汽含量增加。戴莹等^[16]利用了NCEP/NCAR和ECMWF再分析资料研究了1958—2001年我国大陆上空整层大气柱水汽含量的时空分布特征，指出除了西北和华南沿海地区柱水汽含量呈增加趋势外，其余大部分地区表现为减少趋势，研究中发现在西北地区这两种资料的柱水汽含量变化趋势相反。此外，利用GPS遥感资料^[17-18]和卫星资料^[19-20]等研究成果都加深了人们对我国大陆上空水汽分布以及变化趋势的了解。

但上述研究中所使用资料序列相对较短，再分析资料与探空资料之间也存在差异^[21-22]，而且未将探空资料与再分析资料做区域分析比较，只对几个单站探空资料与再分析资料进行对比^[16]。本文利用1971—2001年我国78个探空站资料与NCEP/NCAR和ERA-40两种再分析资料进行对比，来进一步认识我国大陆上空大气柱水汽含量在全球气候变化背景下的响应。

本文所使用的资料为1971—2001年欧洲中期数值预报中心的ERA-40月平均的再分析资料，以及同期的NCEP/NCAR (以下简称NCEP) 逐日再分析资料和国家气象信息中心提供的全球高空规定层、对流层数据集1971—2001年每日08：00(北京时，下同) 和20：00的探空资料集，所选资料站点分布见图 1。由于大气水汽主要集中在对流层低层，本文以地面到300 hPa之间的水汽代表整层柱水汽总量或称为可降水量。ERA-40再分析资料中没有获得地面气压资料，而大气上层含水量较少，不到1 mm，本文使用ERA-40再分析资料中的柱水汽总量减去用式 (1) 从300 hPa到1 hPa的柱水汽含量来获得地面到300 hPa的柱水汽含量。NCEP再分析资料是用逐日资料从地面积分到300 hPa获得柱水汽含量，然后计算出月平均和年平均柱水汽含量。两个气压层之间的柱水汽含量计算公式^[23]为

(1)

图 1

图 1. 所选探空站点分布 Fig 1. The location of observational stations selected in this study

式 (1) 中，q为比湿，p为气压，g为重力加速度，p_s为地面气压，p_z为z高度处的气压，T_W为柱水汽含量，单位：mm。

探空资料为每天两次定时观测规定层上的变量，采用翟盘茂等^[14-15]的处理方法，首先利用露点温度差和温度得到相对湿度，结合温度和气压得到比湿，再利用式 (1) 积分得到柱水汽含量。受资料限制，积分层为地面、850，700，500，400 hPa和300 hPa，并考虑了地形影响。考虑到观测规范、观测时间和观测仪器变更的影响^[24]，本文仅使用1971—2001年的探空资料。所用资料均经过质量控制。为了消除由于站点搬迁的不均一性文中没有使用地面气压有变动的站点；每日两个时次分别积分，然后取平均，如果两个时次均缺测则设为缺测；由于高层探空资料缺测率相对低层高，计算月平均值时规定了每月至少有6个日平均数据，绝大多数站点每月的日平均柱水汽含量资料超过25个样本。研究中舍弃了单个时次连续缺测3年及以上的站点，从106个站点中选择了78个站点，站点分布如图 1所示。

本文采用一元线性回归方法。文中所述春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月。

图 2分别为ERA-40，NCEP再分析资料和探空资料得到的1971—2001年我国大陆上空柱水汽含量的年平均分布，利用Cressman方法将探空资料插值到网格点上。从图 2可以看出，我国大陆上空3种资料的柱水汽含量的年平均空间分布特征较一致，柱水汽含量的等值线大致为东北—西南走向，从东南沿海到西北内陆柱水汽含量逐渐减少；因青藏高原地形陡升的影响，在青藏高原东侧有很大梯度。从再分析资料还可以看到在新疆地区柱水汽含量有相对的大值区，这些分布特征显示出了地形、纬度以及海陆分布的影响。

图 2

图 2. 1971—2001年我国大陆上空柱水汽含量年平均分布特征 Fig 2. Climatological annual mean vertically-integrated total column water vapor distribution over Chinese Mainland

从图 2可以看出，3种资料虽然在分布特征上一致，但在数值上却存在差异。探空资料相对再分析资料来说水平分辨率较低且站点分布不均，为了便于比较将两种再分析资料用双线性内插法插值到探空站点的位置上来看 (图略)，探空资料与两种再分析资料的年平均柱水汽含量相差较大的点多分布在西南地区北部和陕西南部，表现为探空资料的值大于再分析资料的值。造成差异的可能原因包括：① 柱水汽含量由多变量计算获得，但探空资料与再分析资料之间的这些变量各自存在着一定偏差，这样就造成了不同资料估计值存在一定差异^[21-22]；② 探空资料的垂直分辨率较低，计算得出的量与ERA-40和NCEP再分析资料结果存在偏差^[10]。从图 2可以看出，两种再分析资料在新疆地区有两个与低地形相对应的高值中心。对于南疆的高值中心，由于没有探空站点，无法进行检验。杨青等^[25]指出NCEP再分析资料在塔里木盆地腹地的柱水汽含量高值区与实际情况不符，那么ERA-40再分析资料也存在同样问题。

图 3为3种资料多年平均的夏季和冬季柱水汽含量。对于季节平均柱水汽含量来说，再分析资料与探空资料的分布型较为一致，各季节都表现为柱水汽含量从东南向西北逐渐减小，在青藏高原上有低值区。由图 3可以看到，对于冬、夏两季3种资料在我国东部地区的分布比较有规律，尤其是冬季柱水汽含量的等值线大体上沿纬向分布，由南向北减小；而夏季由于受到季风的影响，等值线不再呈纬向分布，特别是北方地区。由于青藏高原影响而出现在青藏高原东部的梯度夏季要比冬季大。柱水汽含量最大的季节是夏季，春、秋季次之 (图略)，冬季最少，这些显示了明显的季节变化。从图 3还可看出，夏季柱水汽含量充沛，探空资料得到的华南地区柱水汽含量为50~60 mm，青藏高原柱水汽含量低于15 mm。冬季华南地区柱水汽含量为20~30 mm，东北以及西北大部为2.5~5 mm，青藏高原柱水汽含量则小于2.5 mm，其余地区为5~20 mm。从图 3也可看出，同一季节里3种资料柱水汽含量数值存在差异。主要表现在新疆地区两种再分析资料之间差异较大，探空资料与再分析资料差异较大的季节为夏季，普遍表现为再分析资料柱水汽含量比探空资料小，夏季差异较大区域为西南地区北部和陕西南部，差值最大可以达到10 mm以上，其他季节差异均在10 mm以下。3种资料均表现出我国大陆上空柱水汽含量受纬度、季节、地形、海陆分布和季风的影响。

图 3

图 3. 我国大陆上空夏季和冬季平均柱水汽含量 Fig 3. Mean seasonal total column water vapor distributions in summer and winter over Chinese Mainland

图 4为3种资料1971—2001年年平均大气柱水汽含量变化的线性趋势分布，从探空资料分布可以看到，我国大陆多数地区对流层柱水汽含量呈现增加趋势，增长趋势相对较大的区域分别位于新疆北部、西南地区北部、华南沿海和东北地区，内蒙古东部地区增长率在0.4 mm/10 a以上，通过95%信度检验，其余地区的变化相对较小，降低趋势不明显。ERA-40再分析资料也显示出这些地区呈增长趋势，但是在华南沿海、东北地区、内蒙古东部地区柱水汽含量增长相对偏小。NCEP再分析资料显示在华南沿海和西南北部地区柱水汽含量呈增长趋势，东北地区、内蒙古东部、新疆北部增长也相对较小；但其在新疆南部却出现了减少的趋势。戴莹等^[16]研究1958—2001年ERA-40和NCEP两种再分析资料柱水汽含量的线性变化趋势时发现，在新疆大部地区这两种资料大气柱水汽含量变化趋势相反，NCEP资料呈减少趋势，而ERA-40资料呈增加趋势。由图 4可以看出，1971—2001年在新疆地区ERA-40资料依然呈增加的趋势，NCEP资料呈北部增加、南部减少。将两种再分析资料的数据插值到若羌站 (图略) 进行对比，发现这两种再分析资料在20世纪70年代中期以前有较大差异，其后差异很小。两种再分析资料能再现若羌站柱水汽含量随时间变化的主要特征，但变化趋势和柱水汽含量在数值上与探空资料存在差异。再分析资料与探空资料线性趋势的最大差异表现在再分析资料结果显示华北和华东部分地区的柱水汽含量呈现了弱的减少趋势，NCEP资料下降趋势为-0.2 mm/10 a~0，ERA-40资料的下降趋势略大为-0.3 mm/10 a~0，ERA-40资料反映出的下降区域偏南，NCEP资料反映出的偏北，但都没有通过95%的信度检验。探空资料在这一区域也表现出相对较小的变化趋势 (0.3 mm/10 a以下)，极个别站点会出现-0.1 mm/10 a~0的变化趋势，但没有出现成片的减少趋势。图 5为探空资料柱水汽含量的相对增长率，由图 4中探空资料分布可以看到，华南地区柱水汽含量增加趋势明显 (0.6 mm/10 a以上)，同时华南地区柱水汽含量也是全国最高的，所以相对增长率较小，而东北地区，内蒙古东部地区以及新疆地区相对增长率较大。

图 4

图 4. 1971—2001年我国大陆上空年平均柱水汽含量的线性变化趋势 (单位:mm/10 a) (阴影区表示通过95%信度检验) Fig 4. The linear trend of yearly total column water vapor over Chinese Mainland from 1971 to 2001(unit: mm/10 a) (the shaded area denotes passing the test of 95% level)

图 5

图 5. 1971—2001年我国大陆上空探空资料年平均柱水汽含量增长趋势 (单位：%/10 a) Fig 5. The percentage rate of yearly total column water vapor over Chinese Mainland from 1971 to 2001(unit:%/10 a)

从图 6可看出, 同一种资料不同季节变化趋势不同，不同资料同一季节变化趋势也有差异。春季，探空资料显示柱水汽含量在长江流域至江南大部、西南地区南部呈减少趋势 (-0.3 mm/10 a~0)，而在其他地区特别是东北地区，内蒙古东部、黄河中下游地区以及华南沿海部分地区主要呈增长趋势。ERA-40资料的柱水汽含量趋势分布型比起NCEP资料来更接近探空资料，东北地区、内蒙古东部、西南地区北部为增加趋势，但华南呈增加趋势的区域较小, 西南地区北部偏东呈增加趋势，同时全国呈降低趋势的区域范围较大。NCEP资料则显示华南沿海和东北地区呈增加趋势，但新疆地区则为柱水汽含量减少的中心。虽然探空站点在新疆分布较稀疏，但是探空资料未显示出减少趋势。夏季，3种资料的柱水汽含量变化趋势分布型与各自的年平均变化趋势分布比较相似，说明夏季柱水汽含量变化趋势对年平均柱水汽含量变化趋势起较大作用。探空资料分析表明，在华南地区、东北地区、内蒙古东部、新疆以及西南地区北部呈现增加趋势，而在华北和华东部分地区、西北地区东部呈减少趋势。两种再分析资料都显示华南地区和西南地区北部以及东北地区、内蒙古东部、新疆北部呈增加趋势；但新疆东南部这两种再分析资料柱水汽含量变化呈相反趋势，若羌站探空资料显示柱水汽含量呈增加趋势。秋季，探空资料显示在新疆特别是新疆北部、西南地区北部、华南沿海均呈增加趋势，但在广西北部至云南东部出现了-0.3~-0.1 mm/10 a的减少趋势，其他地区柱水汽含量变化不大。ERA-40资料显示柱水汽含量在西南地区北部和新疆呈增长趋势，但是华南以及黄河流域、长江下游地区都为减少的趋势。NCEP资料显示柱水汽含量在新疆北部呈增长趋势，新疆南部出现了降低趋势，西南地区北部没有呈增加趋势的高值中心。冬季，探空资料显示除了华南沿海、西南地区北部柱水汽含量增长较大外，其余地区主要呈现略微增长的趋势；ERA-40资料没有体现出东南沿海柱水汽含量呈增长趋势；NCEP资料显示华南沿海、西南地区北部柱水汽含量呈增长趋势，但在云南地区的增长趋势过大。

图 6

图 6. 3种资料得到的柱水汽含量季节变化趋势 (单位：mm/10 a)(阴影区表示通过95%信度检验的区域) Fig 6. The linear trend of seasonal total column water vapor over Chinese Mainland (unit: mm/10 a) (the shaded area denotes passing the test of 95% level)

根据图 4，在东北地区、华北地区、新疆、华东地区、华南地区和西南地区北部分别选择了长春、二连浩特、伊宁、济南、汕头、成都6个代表站来分析柱水汽含量距平随时间变化。图 7为相对1971—2001年年平均柱水汽含量距平。分析表明：3种资料的柱水汽含量在数值上存在差异。从年平均柱水汽含量距平来看，3种资料之间虽然存在一些差异，但总体上看，高低值变化及其变化趋势基本上是相对应的，长春、汕头、成都位于增加趋势较大的区域，均呈线性增加，而伊宁虽也位于增加趋势明显的区域，但是从20世纪80年代中期开始才迅速增加。在文献[14]研究的时间段二连浩特显示出柱水汽含量有-0.1 mm/10 a以上的降低趋势，从图 7可以看出，这个站点在20世纪70年代末到80年代末几乎都为负距平后以后才出现正距平，特别是90年代中期以后一直维持正距平，呈现出先减小后增加的变化趋势。济南在再分析资料分析中显示为降低趋势，特别是ERA-40再分析资料降低趋势较大，而探空资料显示变化不大，从图 7可以看出，ERA-40再分析资料出现较大下降趋势的原因在于70年代前期柱水汽含量距平值要高于观测资料和NCEP再分析资料的距平值，造成了较大的下降趋势。各个站点距平随时间变化不一样，再从二阶拟合曲线来看，可以看出各个地方对气候变化的响应不同。总的来看，长春、伊宁、汕头、成都柱水汽含水量呈上升趋势，而济南、二连浩特上升趋势不太显著，与前面的分析一致。

图 7

图 7. 1971—2001年代表站点年平均柱水汽含量距平随时间变化 Fig 7. Anomalous curves of yearly total column water vapor in 6 selected stations during 1971—2001 over Chinese Mainland

1) ERA-40和NCEP再分析资料和探空资料得到的我国大陆上空大气柱水汽含量的年平均和季节平均分布型一致，均从东南沿海向西北内陆减少；各资料集柱水汽含量季节变化明显，夏季最大，冬季最小；在数值上再分析资料与探空资料存在差异，再分析资料柱水汽含量数值一般小于探空资料。

2) 探空资料显示1971—2001年我国大陆上空年平均柱水汽含量增加，增加较多的地区为华南沿海、西南地区北部、新疆地区、内蒙古东部和东北地区，两种再分析资料在华南沿海、西南地区北部、新疆北部、内蒙古东部和东北地区柱水汽含量同探空资料均呈增加趋势。

3) 3种资料年平均柱水汽含量差异较大的地方在新疆南部地区, ERA-40资料和探空资料均呈增加趋势，NCEP资料在上述区域呈减少趋势；在华北地区，两种再分析资料呈减少趋势，不具有统计意义，而探空资料得出的柱水汽含量在华北并没有成片减少，但变化不大。

4) 柱水汽含量各季节变化趋势不同，同一季节3种资料之间也存在差别，特别是在新疆地区NCEP资料柱水汽含量在4个季节中都存在1个柱水汽含量降低区域，只是范围和变化趋势因季节而不同。

5) 位于增加明显区域的长春、汕头、成都显示柱水汽含量随时间呈线性增加；伊宁在20世纪80年代以前变化不大，之后增加较大；位于变化不大区域的二连浩特显示柱水汽含量先减小后增加。从各站点的柱水汽含量随时间变化也可以看出，各地柱水汽含量对气候变化的响应不一样。

总之，经过比较3种资料计算结果可知，虽然柱水汽含量在数值以及线性趋势上存在差异，但是3种资料柱水汽含量的长期分布形式一致，且共同揭示出在我国东北地区、内蒙古东部、西南地区北部、华南沿海和新疆北部地区上空的柱水汽含量在1971—2001年呈增加趋势。