1. 引言
20世纪以来以气温升高为主要特征的气候变化改变了区域水循环过程，有预测表明未来干的地区愈干而湿的地方愈湿[1] [2] 。尤其是近年来旱涝灾害的频发发生，使得水资源开发利用和社会经济发展需求难以兼容。海河流域是我国水资源开发利用程度较高的流域之一，气候变化进一步加剧了流域水资源供需矛盾，使得流域内面临一系列的生态、社会和经济用水的问题[3] -[5] 。研究流域水汽输送和变化特征有助于理解气候变化背景下流域内水循环变化特征，了解水分来源和变化规律，服务于流域未来水资源规划与管理。
针对华北地区海河流域大气中的水份输送过程和水汽来源等问题的研究，已经取得了一些重要的研究成果[6] -[10] ，研究表明海河流域大气水汽含量和水汽输送存在显著的年代际变化特征[11] ，近50年来水汽含量持续减少[12] ，其夏季水汽输送主要受到中纬度西风带的水汽输送、来自孟加拉湾的水汽以及来自我国南海和西太平洋的水汽影响，并且具有明显的年代际变化[13] [14] 。但由于过去的研究受到资料年代较短的限制，很少将大气可降水量、水汽输送通量和水汽收支作为一个整体全面分析。本文通过对NCEP/NCAR再资料进行计算，对近50年来海河流域大气中水汽含量即可降水量，整层大气纬向水汽输送通量、经向水汽输送通量的年际变化和季节变化，以及东南西北四个边界的大气水汽收支代际变化和季节变化特征进行了详细分析，以期加深对海河流域的水循环机理的理解和认识，为进一步研究和合理利用大气水资源提供一定的科学依据。
2. 资料及方法
本文所用再分析资料为美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析气候资料集。选取时间从1961年1月至2010年12月共50年，格点为2.5˚ × 2.5˚的逐月风场、水汽场和地面气压场资料，包括比湿(q)、纬向风(u)、经向风(v)以及地面气压(PS)等要素。计算了海河流域整层大气水汽含量，水汽水平输送通量以及流域的东南西北四个边界的水汽收支。将水汽水平输送矢量分解为经向输送和纬向输送两个分量，并规定：向东的纬向输送通量为正，向西的纬向输送通量为负；向北的经向输送为正，向南的经向输送为负。在流域的四个边界的水汽收支计算中由于海河流域的边界不规则，本文选取该流域的计算范围为东经112.5˚~120˚，北纬35˚~45˚，具体计算公式如下。
整层大气水汽含量即可降水量W [15] ：
垂直积分的水汽水平输送通量Q [16] ：
局地水汽收支[7] ：
式中：q为比湿(g/kg)；g为重力加速度(9.8 m/s2)；PS为地面气压(hPa)，一般取PS = 1000 hPa；PT为大气顶处的气压，考虑到更高层水汽含量少，水汽资料也不很准确，故本文中取PT为300 hPa；x，y和t分别为格点经度、纬度和时间；Qu，Qv分别为纬向和经向水汽通量；u为纬向风(m/s)；v为经向风(m/s)； 为单位面积；ls，ln，le，lw分别代表南边界，北边界，东边界，西边界的格距长度。
3. 海河流域大气可降水量和水汽水平输送通量特征
3.1. 大气可降水量和水汽输送通量年际变化特征
海河流域大气水汽含量存在显著的年际变化，总体呈现下降趋势其线性倾向率为−0.07 mm a−1 (图1(a))。20世纪60年代初期水汽含量高，从60年代中期开始水汽含量逐渐减少并于70年代后期开始处于负距平(图1(b))，在90年代初略有增加随后又持续减少直至大约2009年达到近50年来最低值。水汽含量即可降水量总体呈现减少趋势，影响到区域降水量的变化。海河流域近50年来降水量整体上呈减少趋势[17] [18] ，有文献分析表明降水量减少与东亚夏季风减弱和环流异常引起的水汽输送变化密切相关 [19] -[21] 。
纬向水汽输送通量年际变化整体呈下降趋势，其线性倾向率为−0.76 kg/(m⋅s)a−1 (图2(a))，纬向水汽输送方向始终为由西向东。20世纪60年代至70年代中期纬向水汽输送通量持续减小但均处于正距平(图2(b))，70年代末期到80年代纬向水汽输送较稳定，从90年代开始一直到21世纪初逐渐减少并连续处于负距平，约在2005~2010年纬向水汽输送通量达到近50年来的最小值。
经向水汽输送通量年际变化整体也呈下降趋势倾向率为−1.05 kg/(m⋅s)a−1 (图2(c))，并且其下降趋势比纬向水汽输送通量更明显。20世纪60年代中期之前NCEP/NCAR再分析材料的计算结果数值很高，随后一直至70年代初期持续减小，但都处于正距平(图2(d))且方向为由南向北。从70年代中后期开始一直到21世纪初经向水汽输送通量较稳定并且均处于负距平，其方向转变为由北向南。
3.2. 大气可降水量和水汽水平输送通量季节变化特征
从海河流域上空的大气水汽含量季节变化(图3)呈现单峰变化特征。夏季大气水汽含量高于其他季节，最高值出现在7月份，冬季较低，最低值出现在1月份。海河流域整层大气水汽含量的年平均值(表1)为18.34 mm，夏季平均值则达到37.46 mm，远高于秋季(16.80 mm)、春季(14.16 mm)与冬季(5.56 mm)。夏季的水汽输送对海河流域整层大气水汽含量即可降水量贡献最大。
(a) (b)
Figure 1. Variation of water vapor content in the Haihe River basin during 1961-2010. (a) Annual vapor content; (b) Vapor content anomaly
图1. 1961~2010年海河流域整层大气水汽含量的年代际变化。(a) 年际变化；(b) 水汽含量距平
(a) (b)
(c) (d)
Figure 2. Variation of water vapor flux in the Haihe River basin (a) Annual vapor flux-u; (b) Vapor flux-u anomaly; (c) Annual vapor flux-v; (d) Vapor flux-v anomaly
图2. 海河流域水平水汽输送通量 (a) 纬向水汽输送通量年际变化；(b) 纬向水汽输送通量距平；(c) 经向水汽输送通量年际变化；(d) 经向水汽输送通量距平
Figure 3. Monthly variation of water vapor content in the Haihe River basin
图3. 海河流域整层大气水汽含量月变化特征
纬向水汽输送通量的NCEP/NCAR再分析数据的计算结果(表1)年平均75.37 kg/(m s)即年均水汽输送方向为由西向东，其季节变化中夏季最高，然后依次为秋季、春季、冬季；经向水汽输送通量年平均值为2.16 kg/(m s)即年均水汽输送方向为由南向北，但全年中仅在夏季水汽输送方向为由南向北，其他季节水汽均为由北向南输送。
纬向水汽输送通量全年均为正值(图4)，即水汽输送方向均为由西向东，其季节变化具有单峰特征，由冬季1月份的最低值逐步增加，到7月份达最高值后减少，9月份略有回升后又逐渐下降；经向水汽的输送年尺度上具有南北向的冬夏转换，即冬半年水汽输送方向为由北向南而到夏半年方向转为由南向北，且逐月变化呈单峰特征，经向水汽输送方向转换分别发生在5月份和9月份，冬半年经向水汽输送通量稳定其方向由北向南，夏半年在5月其方向转变为由南向北并在输送通量陡增到7月达极大值之后迅速减小，到9月水汽输送方向从由南向北再次转变为由北向南输送并渐趋平稳。
4. 海河流域水汽收支特征
4.1. 海河流域水汽收支的代际变化特征
海河流域水汽收支的代际变化大体呈下降趋势且均为输入(图5)。从20世纪60年代开始水汽输入量持续减少，但在21世纪初水汽输入量略有上升；北边界60年代为输出，之后从70年代开始转为输入并输入量逐渐增多；南边界60年代输入量大，随后减小并于90年代和21世纪初水汽转为输出但输出量少；西边界从60年代开始始终表现为输入且输入量逐渐减少；东边界始终表现为水汽输出，其输出量从60年代开始持续减少。
4.2. 海河流域水汽收支的季节变化特征
海河流域的整层水汽总收支全年为输入，并且夏季水汽输入多于其他季节(如图6)。海河流域东边界全年输出，在夏季显著增多在7月有一个输出高峰；西边界全年输入，逐月变率较小且冬季输送量较少；南北边界冬
Table 1. Seasonal variation of water vapor content and water vapor flux in the Haihe River basin
表1. 海河流域整层大气水汽含量与水汽输送通量的季节变化
Figure 4. Monthly variation of zonal vapor flux (left) and meridional vapor flux (right) in the Haihe River basin
图4. 海河流域整层大气纬向(左图)和经向水汽输送通量(右图)的月变化特征
Figure 5. Variation of vapor budget in the Haihe River basin during 1961-2010
图5. 1961~2010海河流域水汽收支的代际变化
Figure 6. Monthly variation of water vapor flux and vapor budget in the four boundaries of Haihe River basin
图6. 海河流域四个边界水汽输送量及水汽收支的月变化特征
(a) (b)
Figure 7. Vapor budget in the Haihe River basin (a) Annual vapor budget; (b) Summer vapor budget
图7. 海河流域水汽收支 (a) 年平均水汽收支；(b) 夏季水汽收支
夏反向，南边界水汽输送在4月份之前一直为输出，到5月份明显增大且转变为输入，在7月输入量达到极大值后持续减少到9月份又转变为输出；而北边界除在夏季7、8两月为输出外，其他月份均为水汽输入。
受经向水汽输送的影响，海河流域在1961~2010的年平均整层大气水汽收支为输入(如图7)。海河流域的水汽收支随季节变化显著，夏季是空中水汽资源收入的主要季节，主要受到东亚夏季风和中纬度西风带自西向东的水汽输送影响[13] [19] [22] ，夏季西、南边界为水汽输入，东、北边界水汽输出。
5. 小结
1) 近50年来，海河流域整层大气可降水量年际变化总体呈现减小趋势，并且在21世纪之后连续10年出现负距平，在2009年降到近50年的最低值；可降水量的季节变化具有单峰结构，夏季大气水汽含量高于其他季节。
2) 经、纬向水汽输送通量年际变化整体均呈现下降趋势，并且近十年均连续处于负距平；两者季节变化也都具有单峰结构，并在7月份达到极大值；但纬向水汽输送方向全年均为由西向东，而经向水汽输送方向均有冬夏季转换特征，冬半年输送方向为由北向南，夏半年水汽输送方向为由南向北。
3) 海河流域水汽收支代际变化大体呈下降趋势且均为输入。受经向输送的影响，海河流域的整层水汽收支全年为输入；并且夏季水汽输入多于其他季节，夏季西、南边界为水汽输入，东、北边界水汽输出主要受到东亚夏季风和中纬度西风带自西向东的水汽输送影响。
基金项目
国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51421065)、北京高等学校青年英才计划项目(YETP0259)资助、环境模拟与污染控制国家重点联合实验室专项经费资助(14L01ESPC)。