安 彬，肖薇薇，刘宇峰，刘全玉

（1.安康学院旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2.华东师范大学地理科学学院，上海 200241；3.咸阳师范学院地理与环境学院，陕西 咸阳 712000）

全球气候变化对人类健康、生存环境和社会经济系统产生深远的影响，因而成为各领域研究的热点话题［1-3］。IPCC第六次评估报告（AR6）揭示1970s以来全球气候增暖幅度比近2000 年来任何一个50 a 的都要大［1］，且在21 世纪中叶前变暖趋势仍将继续［4］。全球变暖加剧背景下，各区域的干湿状况发生了不同程度的变化。降雨量和蒸散发是最常用的反映区域干湿变化的气象组合因子［5-6］；而相对湿度（RH）则从空气水蒸气含量变化的角度来反映干湿状况［7-8］，是影响降水地理分布和强度的关键变量［9］，加之其与大气污染［10］、气候舒适度［11］等密切相关，其时空变化引起了越来越多学者关注。全球范围内年均RH 在赤道地区最高，30°N、30°S 附近的最低［12］；1970s至2010s期间，全球存在温度升高、RH却呈减小趋势的事实［13-14］。中国年均RH趋势变化以95°W为界线呈西增东减差异［15］。徐丽君等［7］研究发现中国北方干旱区85%站点的年均RH以0.1%·(10a)-1～1.9%·(10a)-1的幅度减小，与降水变化趋势的非一致性高。李瀚等［16］认为中国西南地区的年均RH 降幅达到0.6%·(10a)-1，其趋势由2000 年之前的轻微上升转为之后的快速下降；南方冬季平均RH同样呈减少趋势，冬季降水量的增加致使川西和青藏高原地区的冬季平均RH 有所增加［17］；新疆地区年均RH的变化趋势呈现北疆减少、南疆增加，全区2000s以来年均RH均急剧减少［18］；因环境风场的减弱使得外界向青藏高原提供的水汽有所减弱，进而导致年均RH 在2000 年之后快速减小［19］；受城市化进程影响，北京市年均RH 呈减少趋势，城区年均RH比郊区低得多［20］。

黄土高原是全球生态环境脆弱带、气候变化敏感区之一［21］，也是构建我国“两屏三带”生态安全格局的主体区域［22］。以往研究主要聚焦于黄土高原降水、气温、蒸散发等气象要素的变化分析［23-25］，如1960年以来黄土高原气候表现出明显的暖干化［23］、极端高温事件发生频率增加［24］，而对该地区RH时空变化研究相对缺乏。自20 世纪末退耕还林草和天然林资源保护等生态工程实施以来，黄土高原植被覆盖增加，水源涵养和土壤保持服务持续转好［26］，降水量和蒸散发均显著增加［21,25］。鉴于此背景，本文利用黄土高原及其周边地区RH 实测资料，利用趋势分析、敏感性分析和空间插值等方法分析退耕还林草等生态工程实施前后RH 时空变化特征，并探讨RH与地理因子、气象要素之间关系，为深入了解该区域的干湿变化规律提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄土高原（33°41′～41°16′N，100°52′～114°33′E）处于我国西北干旱区向东部季风区的过渡地带，其边界范围东起太行山，南临秦岭，西止青海日月山，北抵阴山，总面积约64×104km2［23］，是世界上最大的黄土聚集区［24］。该地区冬季寒冷干旱，夏季炎热多雨［25］，多年平均气温介于7.64～10.24 ℃之间［23］，7、8 月降水量占多年平均降水量（422.76 mm）的42.9%［21］。该区植被从东南向西北依次由森林向草原过渡［25］，多类生态工程叠加导致植被覆盖度持续增加，是我国生态恢复最为显著的区域［26］。

1.2 数据来源

本文逐日RH、降水量、平均气温和风速等实测资料均来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/），并进行了严格的质量核查。依据观测时间最长、年内缺失数据低于2%等原则，最终选取了90 个代表性气象站点，其中黄土高原范围内有59 站（占总数的65.56%），周边邻近地区31站（图1），研究时段确定为1955—2021年（T时段，67 a）。将年内、月内逐日RH 均值分别记为年、月均RH 序列，季节按照常用的气象学划分标准：3—5 月为春季、6—8 月为夏季、9—11月为秋季和12—次年2月为冬季。此外，依据黄土高原分中心（http://loess.geodata.cn/）提供的生态分区界线，进而探讨不同生态区RH 差异特征。

图1 黄土高原及其周边地区气象站位置示意图Fig.1 Location diagram of meteorological stations in the Loess Plateau and its surrounding areas

1.3 研究方法

1.3.1 线性拟合和空间插值分析黄土高原RH 的变化趋势采用线性拟合方法计算，其显著性检验水平依据不显著（P＞0.05）、显著（P＜0.05）和极显著（P＜0.01）标准进行判断［21］；RH空间分布的可视化利用ArcGIS软件反距离权重插值法完成［7］。

1.3.2 季节贡献率为对比分析黄土高原实施生态工程前（1955—1999 年，T1时段，45 a）、后（2000—2021 年，T2时段，22 a）RH 变化差异特征，采用T2时段RH 的平均值及变化趋势减去T1时段对应值；同时计算RH 变化的季节贡献率用来判断某个季节RH变化对年变化的重要程度［8,27］，其计算公式为：

式中：ConS为RH 变化的季节贡献率；和分别为T1和T2时段的平均RH值。

1.3.3 敏感性分析敏感性分析方法能够定量地评价黄土高原地区降水等气象要素对RH影响程度［8］，计算公式如下［8,28］：

式中：Sen 为敏感系数，值越大表明气象要素对RH变化影响程度越高；X为气象要素；和分别为气象要素、RH的多年平均值。结合前期研究成果［8］和数据获取情况，本文主要分析降水量、平均气温、风速与RH之间敏感系数。

2 结果与分析

2.1 黄土高原RH时间变化

2.1.1 年际变化采用线性拟合得到黄土高原1955—2021年（T）、1955—1999年（T1）和2000—2021年（T2）时段内年均RH趋势变化情况（图2）。可知，1955—2021年黄土高原年均RH 为57.66%，高于我国西北干旱区（50.33%）［8］，低于西南地区（66.44%）［16］；以-0.376%·(10a)-1速率呈显著减少趋势（P＜0.05），与该区年降水量呈下降趋势特征一致［21］。为研究RH 年代际变化情况，将各时序的不同年代、T1和T2时段RH均值减去对应T时段RH均值，结果如表1所示。可知，黄土高原年均RH经历了“减弱-增强-减弱”年代际变化特征，1950s 中后期年均RH 为56.95%，到1960s 增加至58.81%，为研究时段内最高；1970s—1990s 保持相对稳定，维持在58%以上；之后持续降低，至2010—2021 年只有55.89%，为研究时段内最低。T2时段（2000—2021年）相比T1时段（1955—1999 年），全区年均RH 减少了1.85%，趋势变化由轻微增加[0.098%·(10a)-1]转为急剧减少[-1.162%·(10a)-1]。

表1 黄土高原地区相对湿度（RH）年代际变化情况Tab.1 Interdecadal variation of RH in the Loess Plateau /%

图2 1955—2021年黄土高原地区年均RH变化趋势Fig.2 Change trend of annual average RH in the Loess Plateau during 1955—2021

2.1.2 季节变化1955—2021 年黄土高原地区秋季平均RH 最高，达到65.00%，夏季（63.52%）和冬季（53.18%）次之，春季的48.92%最低（表1）。从四季平均RH 的变异系数来看，春季波动变化特征最为明显（10.48%），其次分别是冬季（9.34%）和秋季（6.59%），夏季最不明显（4.94%）。黄土高原春、夏、冬季平均RH 皆呈减少趋势，减少幅度依次为春季[-0.945%·(10a)-1]＞夏季[-0.294%·(10a)-1]＞冬季[-0.194%·(10a)-1]，仅有春季减少趋势表现为极显著（P＜0.01）；秋季平均RH以微弱幅度增加[0.001%·(10a)-1]（图3）。黄土高原四季平均RH 的年代际变化特征存在较大差异（表1），春季与年均RH的年代际变化特征相同，夏季表现为“增强-减弱”交替变化，最高与最低值分别出现在1980s、2000s；秋、冬季均呈“减弱-增强”交替变化，其中秋季最高与最低值皆出现在1970s之前，冬季则出现在1990s之后。

图3 1955—2021年黄土高原地区季节平均RH变化趋势Fig.3 Change trends of seasonal average RH in the Loess Plateau during 1955—2021

T2时段相比T1时段，黄土高原春、夏和冬季平均RH 均有所降低，分别降低了5.33%、2.22%、0.52%，秋季平均RH 则增高了0.58%（表1）。通过计算季节贡献率可知，春季平均RH对年均RH变化的贡献率最大（61.54%），其次是夏季（25.69%），秋、冬季贡献率大致相当。T1时段，春、夏和冬季平均RH均表现出不显著增大趋势（P＞0.05），而秋季呈不显著减小趋势；T2时段，除春季以略低于T1阶段的增幅保持增加趋势外（P＞0.05），其余三季同年均RH 变化特征一致，均表现为减少趋势。

2.2 黄土高原RH空间变化

2.2.1 年际空间变化为分析黄土高原RH空间分布规律，计算所有站点的年均RH及其变化趋势，再利

用反距离权重插值并裁剪得到黄土高原年均RH及其变化趋势的空间分布图（图4）。黄土高原年均RH整体自南向北逐渐降低，表现出明显的纬向地带性空间格局（图4a），其中甘肃景泰站年均RH（46.59%）为各站最低，陕西武功站（70.76%）最高。黄土高原大部分地区年均RH以减小趋势为主，其中呈显著以上的站点达到26个，以宁夏银川站[-1.842%·(10a)-1]降幅最为明显；20.34%气象站点的年均RH呈增大趋势，集中分布在高塬沟壑区的西部，以山西河曲站[1.321%·(10a)-1]增幅最为明显（图4b）。

图4 1955—2021年黄土高原地区年均RH及其变化趋势的空间分布Fig.4 Spatial distributions of annual average RH and its change trend in the Loess Plateau during 1955—2021

2.2.2 季节空间变化黄土高原春、夏和秋季平均RH 空间分布格局特征与年均相似，均表现为南高北低规律（图5）。具体来看，春季平均RH 集中在40%～55%之间，其中内蒙古鄂托克旗站（35.92%）最低，陕西武功站（68.41%）最高，二者相差32.49%，为各季最大。夏季平均RH 集中在55%～70%之间，其中甘肃景泰站（51.16%）最低，甘肃华家岭站（75.54%）最高。半数以上站点秋季RH 均值介于55%～70%之间，其中内蒙古鄂托克旗站（53.25%）最低，陕西武功站（78.49%）最高。冬季平均RH 空间上呈南部最高、中北部自东向西逐渐降低规律，其中青海贵德站（40.91%）最低，陕西武功站（65.01%）最高，二者相差24.10%，为各季最小。

图5 1955—2021年黄土高原地区季节平均RH空间分布特征Fig.5 Spatial distributions of seasonal average RH in the Loess Plateau during 1955—2021

1955—2021年黄土高原春、夏和冬季各站平均RH 皆以减少趋势为主，但空间分布明显不同（图6）。春季平均RH减少趋势呈显著和极显著的站点占比达到67.8%，减少幅度集中在0.6%·(10a)-1～1.2%·(10a)-1之间，空间上表现出东多西少规律；此外，仅有山西河曲站呈不显著增加趋势[0.16%·(10a)-1]。夏季平均RH变化趋势呈南增北减态势，整体上以0～0.6%·(10a)-1降幅为主，其中呈减少趋势的站点比例高达70%，西北的贺兰山一带减少趋势表现出极显著特征；仅有山西河曲站[1.19%·(10a)-1]、陕西长武站[0.78%·(10a)-1]的增加趋势通过极显著水平检验。冬季平均RH变化趋势呈东增西减的空间态势，呈减少趋势的站点数量多达40 个，其中77.5%未通过显著水平检验；增加和减少最为明显的站点均在丘陵沟壑地区，分别是山西河曲站[1.40%·(10a)-1]、陕西榆林站[-1.92%·(10a)-1]。秋季平均RH 变化趋势自东向西呈“减小-增大”相间分布规律，整体上以不显著的变化趋势为主，变化范围以-0.6%·(10a)-1～0和0～0.6%·(10a)-1分布最广，以山西河曲站[2.45%·(10a)-1]和宁夏银川站[-1.43%·(10a)-1]趋势变化最为明显。进一步统计发现，黄土高原年、四季平均RH 变化趋势都表现减少的站点有24个，集中分布在土石山谷区东部和沙地农灌区西北部，而均呈增加趋势的仅有山西河曲站。

图6 黄土高原季节平均RH变化趋势的空间分布Fig.6 Spatial distributions of trend of seasonal average RH in the Loess Plateau

2.3 实施生态工程前后RH空间变化

为了对比实施生态工程前后黄土高原RH空间变化特征，采用T2时段不同时序RH的平均值、趋势减去T1时段对应值，结果如图7、图8 所示。T2时段相比T1时段，黄土高原大部分地区年均RH 表现出偏低的变化特征，其偏低程度自东南向西北呈“少-多”相间分布，且以1.2%～2.4%分布范围最广，宁夏银川站偏低程度超过了7%；年均RH偏高零星分布在黄土高原偏南和偏北等地，其中以山西河曲站最为典型（图7a）。在退耕还林草等生态工程实施之后，年均RH 趋势变化偏高集中在黄土高原中部内蒙古临河-包头-陕西洛川站的包围区域（图7b），其中临河站超过了3.5%·(10a)-1；趋势变化偏低主要在东部和西南地区分布，且偏低程度呈现西少东多空间态势，尤其是山西河曲、临汾和青海贵德等站超过了-5.6%·(10a)-1。此外，在年均RH趋势变化偏低的45 个站点中，季节平均RH 趋势变化最典型的是四季皆为偏低型，共有18 个站点，其次是春秋季偏高-夏冬偏低型。在年均RH 趋势变化偏高的站点中，半数站点属于春夏秋季偏高-冬季偏低型。

图7 黄土高原实施生态工程前后年均RH变化的空间差异Fig.7 Spatial difference of annual average RH change before and after the implementation of ecological engineering in the Loess Plateau

图8 黄土高原实施生态工程前后季节平均RH变化的空间差异Fig.8 Spatial difference of seasonal average RH change before and after the implementation of ecological engineering in the Loess Plateau

T2时段相比T1时段，黄土高原春、夏和冬季RH均值皆以偏低为主（图8）。春季平均RH 偏低程度呈南多北少、东多西少特征，以5.0%～7.5%面积分布最广，其中山西临汾和宁夏银川站超过了10%。夏季平均RH 偏低程度自东向西呈“少-多”相间分布规律，介于0～2.5%之间分布最广，内蒙古呼和浩特和宁夏银川站超过了7%；偏高集中在关中平原、陕北偏南地区分布，其中以陕西长武站（2.14%）偏高最多。冬季平均RH 以偏低为主，空间上整体表现为东西偏高、中部偏低规律，其中陕西榆林和宁夏银川站的偏低程度超过了6%，甘肃华家岭站偏多幅度达到5.68%。秋季平均RH 以偏高为主，集中分布在除研究区东南部、西北等以外的广大地区，其中以山西河曲站（6.35%）偏多幅度最为明显，而内蒙古呼和浩特和宁夏银川站的偏低程度超过了5%。

所有站点单一季节平均RH变化对年均贡献率中，春季主导型最多，其站点数量达到44个，贡献率介于33.15%（宁夏银川站）～73.24%（甘肃平凉站）之间；其次是秋季主导型，其站点数量有11个，以陕西横山站（55.29%）贡献率最大；夏、冬季主导型分别有3个、1个站点。从RH贡献率的季节组合类型来看，春夏季主导型最为突出，其站点数量达到28个，平均贡献率达到79.67%；其次春秋、春冬、秋春季主导型站点各有8 个，其平均贡献率分别为67.13%、63.20%和41.80%。此外，春夏冬秋型和春夏秋冬型最为典型，站点数量分别有16个、12个。

3 讨论

全球范围［12-14]及中国不同研究区［8,15-20］的RH 存在明显时空差异，其变化趋势具有非一致特征。本文研究发现1955—2021 年黄土高原年均RH 以-0.376%·(10a)-1速率减少，其减少幅度高于我国西北干旱区[-0.125%·(10a)-1]［8］，但低于西南地区[-0.570%·(10a)-1]［16］。黄土高原春、夏、冬季平均RH皆呈减少趋势，减少幅度依次为春季[-0.945%·(10a)-1]＞夏季[-0.294%·(10a)-1]＞冬季[-0.194%·(10a)-1]，秋季平均RH以微弱幅度增加[0.001%·(10a)-1]。此外，春季平均RH为各季最低，但其波动特征、趋势变化降幅最为突出，说明春季平均RH 变化可能是引起年均变化的重要原因。对于不同生态区而言，所有时序RH 均值皆表现为土石河谷区最高，高塬沟壑区和丘陵沟壑区次之，沙地农灌区最低；除高塬沟壑区秋冬季及丘陵沟壑区秋季平均RH 呈增加趋势外，其余生态区各时序平均RH 均表现为减少趋势（表2）。沙地农灌区年均、春和夏季平均RH都呈极显著减少趋势（P＜0.01），土石河谷区年均、春季亦呈极显著减少趋势，而其他生态区仅有夏季的通过了显著检验（P＜0.05）。在实施生态工程之后，黄土高原所有生态区年均RH 均有所减少，其中沙地农灌区和土石河谷区减少幅度超过了2.6%，加之这些区域整体上逐渐变干旱［29］，未来需要更多关注该地区RH等气候要素的变化。

表2 黄土高原不同生态区RH时序变化Tab.2 Temporal variation of RH in different ecological regions of the Loess Plateau

在一定程度上，地理因子影响着降水［30］、气温［31］和蒸散发［26］等气象要素的时空分布，形成复杂多样的气候；而降水量、气温和风速等气象要素与RH 之间存在交互影响［8,17,19］，加之城镇化快速发展［20］等对地表形态的改变，导致RH 存在明显的空间异质性现象。为了探讨海拔等地理因子和降水等气象因子与黄土高原RH的关系，分别计算了RH与地理因子的相关系数、偏相关系数（表3），与气象因子的相关系数及敏感系数（表4）。由表3可知，黄土高原年均及四季平均RH与纬度的相关系数和偏相关系数皆为负值，且相关性均达到极显著（P＜0.01）；所有年均及多数季节平均RH与经度、海拔呈不显著负相关，可见纬度对黄土高原RH 变化具有显著影响。值得注意的是，夏季平均RH与经度、海拔的偏相关性都极显著，表明黄土高原夏季平均RH受各地理因子的协同作用最为明显。

表3 黄土高原地区RH与地理因子的相关系数Tab.3 Correlation coefficient between RH and topographic factors in the Loess Plateau

表4 黄土高原地区RH与气候因子的相关系数及敏感系数Tab.4 Correlation coefficient and sensitivity coefficient between RH and climatic factors in the Loess Plateau

黄土高原年均及四季平均RH与降水量呈极显著正相关（P＜0.01），与平均气温、风速多呈负相关，其中年均及春夏季平均RH 与平均气温、秋冬季平均RH 与风速的相关性达到显著（表4）。黄土高原年均RH 对降水量、平均气温的敏感系数分别为0.170、-0.234，均比西北干旱区更为敏感［8］；而风速对年均RH影响不大。这表明若黄土高原年降水量增加10%，可诱发年均RH 增加1.70%；若年均气温升高10%，可诱发年均RH 减少2.34%。因此，在黄土高原年均气温上升10%（与多年平均值相比，上升幅度为0.89 ℃）的情景下，年降水量需要增加13.76%（增加58.19 mm）才能恰好保持年均RH 不变。自1960 年以来，黄土高原处于年均气温升高[0.32 ℃·(10a)-1]、年降水量减少[-1.48 mm·(10a)-1]、年均风速减弱[-0.07 m·s-1·(10a)-1]的“暖干化”趋势［21,23］，分别引起年均RH 减少率为5.07%、0.36%、0.01%，其和略高于年均RH 实际减少率（-5.25%）。理论上，气温升高能够使空气中可容纳的水汽含量增加［8,19］，但降水量减少、风速减弱直接导致水汽含量偏少［19,32］，这些因素综合引起了RH变化的不确定性。如进入21世纪以来，黄土高原地区气候呈现暖湿化特征，其年均RH反而有所减少。另外，不同季节降水量、平均气温和风速对黄土高原四季平均RH的影响程度不尽相同。春夏季平均RH 对平均气温最为敏感，秋冬季对风速最为敏感，其次是降水量，平均气温最小。对于RH 变化率最显著的春季而言，平均气温、风速和降水量分别引起其减少了9.74%、3.62%、1.12%，三者之和略低于整体的减少率（-15.80%）。上述气象因子综合变化可能增加黄土高原干旱灾害风险［29］，从而加剧区域水资源供需矛盾、降低农业资源的有效利用［33］。此外，影响黄土高原RH 变化的原因极其复杂，可能还受到东亚季风［34］、外界输送水汽含量［19,32］等因素影响。

4 结论

（1）1960—2021 年黄土高原RH 均值呈秋季（65.00%）＞夏季（63.52%）＞年均（57.66%）＞冬季（53.18%）＞春季（48.92%）；除秋季平均RH以微弱幅度增加外，年及其他季节皆呈减少趋势，减少幅度依次为春季[-0.945%·(10a)-1]＞年均[-0.376%·(10a)-1]＞夏季[-0.294%·(10a)-1]＞冬季[-0.194%·(10a)-1]。

（2）空间上，黄土高原年及春夏秋季平均RH均表现为南高北低规律，冬季呈南部最高、中北部自东向西逐渐降低；年均及四季平均RH 变化趋势空间分布格局各异，年均和春季平均RH 皆以减少趋势为主且减少幅度东多西少，夏季呈北减南增，冬季呈西增东减，秋季东西方向呈减增相间分布。

（3）T2时 段（2000—2021 年）相 比T1时 段（1955—1999年），除秋季平均RH略有增加外，黄土高原年均及春夏冬季平均RH 不同程度减少；除春季趋势变化保持不变外，年及其余三季均由增大转为减少趋势；所有时序RH 均值及趋势变化的空间特征存在较大差异，最典型的趋势变化组合类型是一致偏低型。

（4）春季平均RH 变化可能是引起黄土高原年均变化的重要原因，季节平均RH 变化对年均贡献率主导类型是春季单一型和春夏季组合型。

（5）黄土高原年均及四季平均RH与纬度呈极显著负相关（P＜0.01），与降水量呈极显著正相关（P＜0.01），夏季平均RH受各地理因子的协同作用最为明显；年及春夏季平均RH对平均气温最为敏感，秋冬季对风速最为敏感。黄土高原气温升高、降水量减少、风速减弱分别引起年均RH减少率为5.07%、0.36%、0.01%，其和略高于年均RH实际减少率（-5.25%）。