气象学中通常用空气中的实际水汽压与饱和水汽压的百分比值来表征大气的相对湿度(RH)。不同于其他大气水分参数，RH除受到大气中实际水汽含量影响外，还受到空气的水汽潜在容纳能力影响(Peixoto and Oort, 1996；盛裴轩等，2003)，而后者主要取决于空气温度。RH的高低对人体的健康和生活的舒适程度等均有较大影响，并且是降水、气温预报以及紫外线和舒适度等专业预报的主要影响因子，其大小是衡量一个地区干湿程度的标志之一(刘明春等，2012)。空气RH也是影响大气颗粒物浓度的主要气象因子，从而间接影响到空气质量和大气能见度(白永清等，2016)。因此，RH的研究对城市气候和应用气候研究，以及对于水资源管理和空气污染预报预警都有重要的科学意义。

湖北省武汉市地处长江中游江汉平原，境内横贯长江和汉江两条河流，河网密布，湖泊众多，水域面积占全市土地总面积的1/4，是我国典型的亚热带内陆湿地型特大城市。城市内湿地有利于空气RH增加(Saaroni and Ziv, 2003)，改变局地气候环境条件(汪光焘等，2005；轩春怡等，2010)。朱春阳(2015)在对武汉市三环内主城区14块湖泊湿地的温湿研究中发现，城市RH与湿地面积大小和距离湿地远近呈显著正相关关系；杨凯等(2004)研究上海市城区河流及水体周边小气候效应发现，湖泊下风向的RH较上风向增幅达到10%，指出水体的面积和布局是影响小气候效应的重要因素；轩春怡等(2010)研究发现，城市水体在夏季具有降温、增湿、缓解城市热岛效应的功能，并能使其周边地区的气温和地表温度降低。目前，对武汉城区内相对湿度的气候特征，关注极少。

此外，有研究分析了半干燥区气象站的RH长期变化，发现近50年年平均和四季平均RH在波动中下降(靳英华等，2009)；Um et al.(2007)发现，作为韩国大城市代表观测点的首尔站，其年平均RH自1905年以后呈明显下降趋势，而选取的中等规模城镇站和乡村站RH减少趋势低于首尔站；城市的快速发展和城市化进程的加快也同样影响北京城市气候变化，其中城区年平均RH总体呈明显下降趋势，而郊区则略有上升(郑思轶和刘树华，2008；Liu et al., 2009)，Yang et al.(2017)也发现，北京城区年平均相对湿度比郊区低得多，呈现出明显的所谓“干岛效应”，中心城区年平均RH可比郊区站低7%~10%；甘肃武威市年平均RH总体呈减少趋势，并存在6~8 a的周期波动(刘明春等，2012)。

20世纪90年代以来武汉经济发展加速，城区面积迅速扩大，不但占用了很多耕地，而且大量围湖建房，使市区湖泊面积急剧减少(余程鹏，2008)。快速城市发展及其相伴随的城区湖泊面积减小，对于城区RH产生了什么影响，目前还不清楚。但有研究表明，城市化致使武汉城区气候发生了显著变化，主要表现为年和四季城市热岛强度持续增强，近地面气温显著上升(陈正洪等, 2005a, 2007；王苗等，2015)。研究还显示，武汉市最低气温表征的热岛强度和相对湿度呈正相关，而最高气温和平均气温表征的热岛强度则与相对湿度呈现负相关(王苗等，2015)，说明武汉市相对湿度年际和长期变化表现出较为复杂的特征。武汉市作为我国典型的亚热带内陆湿地型特大城市，研究其相对湿度序列变化趋势特征及其可能原因，对于深入理解城市气候不同要素之间的相互作用机理，进一步研究和评估城市气候变化对人体健康和生态系统的影响，均具有重要意义。

本文对武汉城市气象站RH观测资料进行了均一化处理，并利用均一化资料分析了1961~2015年期间年、季节RH的气候学特征和长期变化趋势，结果有助于加深认识武汉城市RH的季节变化和长期变化规律。

研究区域为武汉城区，经纬度范围为(29°58'N~31°22'N，113°41'E~115°05'E)。1961~2015年武汉地区逐月平均RH数据来自于国家气象信息中心。数据已进行了人工转自动观测的非均一性误差订正。蔡甸站的1968年6、7、8月缺测，分别以55年月均值补偿。为使分析结果更加可靠，选取了具有长序列观测资料，并且能够代表武汉城市的4个气象站，对各站点的RH序列重新进行非均一性检验和订正。

由于城市热岛效应(UHI)的影响，城市和郊区的地表温度(LST)分布通常显示为围绕城市中心的封闭等温线。因此，理论上讲可以根据具有适当间隔的等温线分布来确定UHI影响区域。Ren and Ren(2011)利用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)资料在国家基本、基准站中选出不受UHI影响的113个乡村站。本文采用Ren and Ren(2011)的方法，利用卫星遥感(RS)资料获取气象台站周围的地表亮度温度等值线，确定城市气象站的相对位置。

利用8 d合成的2016年7月28日MOD11A2地表亮度温度/发射率产品，其空间分辨率为1 km，以0.5 ℃等温线间隔绘制武汉地区地表亮度温度等值线分布图(图 1)。LST的等温线间隔应反映出受UHI影响的城市中心到郊区的温度梯度，而且受到诸如微观形态学等局部因素的影响较小。城市环境温度场中最外圈闭合等温线可用以代表受城市热岛影响区域的边界(Winkler et al., 1981；Ren and Ren.，2011)。本文确定该日最外圈闭合等值线为34.85 ℃，将其作为武汉市城市地表热岛效应的界限。图 1中，在城市地表热岛中心存在很明显的低值区，将温度高值区域分为两个部分，结合谷歌地图(Google Earth)大比例尺地图可知，长江干流和市区湖泊是影响武汉城市地表热岛空间分布的重要因素。

城市代表站的选取参照以下标准：(1)研究期间迁站次数最多3次(包括1961年)，以便尽可能保证站史的简洁性(图 2)。(2)与武汉站的海拔高度差小于50 m，避免由于高度差异带来的气温直减率影响；距离少于30 km，保证与武汉站处于相同的大尺度环流和气候背景下。(3)在迁站过程中站点位置至少有一次包含在最外层等温闭合线以内，以保证受到城市化气候效应的影响。(4)利用Google Earth或土地利用资料证实站点周围微环境，排除周围水体等特殊环境的影响。其中，武汉站新旧站址受到不同微气候环境的影响，但均在上述温度闭合等值线之内，是受到城市化影响明显的一个城市代表站。

据此选择4个武汉城市的代表站点，即武汉站(站号57494)、江夏站(站号57493)、蔡甸站(站号57489)和新洲站(站号57492)。具体站点信息见表 1。

气候资料序列中由于迁站、更换仪器等非自然原因造成的观测记录不连续点称之为非均一性。使用未订正的数据会模糊气候变化信号，分析某地区实际发生的气候变化，应该首先检验和订正其非均一性，即均一化。

本文通过构建参考资料序列，参考Peterson-Easterling方法(Peterson and Easterling, 1994)，订正所选站点相对湿度数据序列的非均一性。年均值序列较小受到季节变率的影响，为最大程度上去除序列中自回归过程的影响(曹丽娟和严中伟，2011)，本文对武汉城市站RH年值序列进行非均一性检验和订正(Li et al., 2004；周雅清和任国玉，2005)。具体步骤和方法如下：

建立参考序列：为了提高对台站相对湿度序列不连续点检测的能力，构建步长为1的逐年差值序列，这样可以剔除序列趋势和周期影响，使其比待检原始序列变率减小。因此建立12个单站的年均RH序列之后，计算其逐年差值时间序列D：

其中，ϕ表示RH，i为年份序号。

计算武汉地区待检城市站与候选参考站逐年差值序列之间的相关系数，选取相关系数最大的5个站作为参考站。然后利用各自相关系数的平方作为权重计算出参考时间序列：

其中，rj2为第j个站与待检站之间的相关系数，j为站号标记，使用逐年差值时间序列的加权方法得到的参考序列，其标准偏差接近待检站的标准偏差。最后，反算得到相对湿度参考序列。

待检序列断点确定：结合滑动t检验法和M-K检验法，对待检序列和参考序列的差值序列确定最终的不连续点，并通过台站迁站历史资料确定其合理性。如果突变点附近年份存在台站迁移，认为该突变点是属于人为影响，进行下一步的订正；否则保留原始记录。1961年后武汉各城市站的迁站次数，时间与位置见图 2。

城市站数据订正：计算待检站序列与参考序列差值序列断点前后各五年的平均值的差值，并将其作为订正值。订正顺序是从后向前进行的，最近断点之后序列保持不变。最后得到4个武汉城市站的均一化RH序列。表 2是对各站相对湿度序列的订正次数，对应的迁站时间和订正值。

本文使用4个城市站的逐月RH数据，统计1961~2015年武汉城市区域平均逐月和四季平均相对湿度，在此基础上分析多年平均气候学特征。以3、4、5月的均值代表春季，6、7、8月的均值代表夏季，9、10、11月的均值代表秋季，12、1、2月的均值代表冬季。计算订正后各个站和4站平均的逐年逐月、季节平均RH距平及距平百分率。以1981~2010年(30年)作为参考期计算距平值和距平百分率。线性趋势通过最小二乘法获得，用t检验方法确认线性趋势的显著性水平。

近55年武汉市RH的逐月多年平均(图 3)显示，武汉市各月平均RH均大于75%。RH在1~6月逐渐增加，并且在6月达到峰值，可达80%以上，随后缓慢减小，于12月下降至全年最低值。各月间的差异并不明显，仅在0.1%~2.5%，这与武汉市雨季的进退有着密切的联系。各月RH的分布带有季节性特征，即春秋低于夏季，但高于冬季。

55年武汉年均RH为84.73%，新洲为75.98%，江夏为76.19%，蔡甸为78.01%，武汉站年平均RH值明显高于其余3个城市站。图 4给出了1961~2015年不同时间段4个武汉城市站各季节RH的多年平均值。1961~2015年内(图 4c)总体上呈现出夏季RH最高，春、秋次之，冬季最低的季节性特征，与逐月多年平均RH分布相似(图 3)。此外，武汉站各个季节的RH也明显高于其余3个站，以1961~1989年期间最为明显，而近35年的武汉站与3个站的差异变小。对于各站各季节之间RH的差异，理论上可以用理想气体状态方程PV=nRT解释。以夏季为例，在气体分子数n、理想气体常数R和气体体积V不变的条件下，夏季温度T高，饱和水汽压P随温度的升高而增大，由于夏季降水量充沛，水分蒸发强，水汽容易达到饱和，导致实际水汽压的增大，进而使得夏季的RH值偏高。

1961~2015年不同时间段的RH平均值显示(表 3)，各季节RH从高到低依次为夏季(80.53%)、春季(79.10%)、秋季(78.33%)和冬季(76.98%)。无论在1990年以前还是以后以及整个研究时段，各季节RH之间的差距并不大，差异都在4%以内。从1990年前后时期比较来看，1990年以前春秋冬三季RH均高于1990年以后RH的平均值，而夏季1990年前后时期基本保持一致。

对于武汉年平均RH及其不同季节、月份之间差异的解释，已经有一些研究。受武汉地理位置的影响，武汉地处地势低洼的长江中游河谷中，类似盆地的地势加之充足的水系使得水汽集易散难，所以全年和四季都维持着高的相对湿度(吴敏，1999)。同时，武汉具有亚热带季风性湿润气候特点，6月进入梅雨季，大气中低层的西南暖湿气流带来充沛的水汽(朱乾根等，2007)，近地表空气相对湿度达到全年最高，雨量和暴雨频次也多(陈正洪等，2005b)。12月RH出现低值，可能和冬季风南侵带来的干冷空气有关。

图 5a给出了武汉城市站年平均RH距平的时间序列，可以看出1961~2015年武汉城市的平均RH总体呈减少趋势，下降趋势为-0.83%/10 a。长期序列显示，RH出现两个变化阶段，第一个阶段是1990年代以前，RH大部分年份都为正距平，并且变化趋势并不明显；第二个阶段是1990年代以后，RH大部分年份都为负距平，并且呈现显著下降的趋势。在1980年代末期，RH出现了几个高值年，最高年份达到了82.6%；2000年代以后，武汉城市RH出现了最低的15年，最低值出现在2007年，年均RH仅为73.2%。因此，根据以上观测事实可以发现，武汉市气候逐渐向干化发展，特别是在1990年代以后干化趋势更为明显，这种现象与针对北京市、武威市等地的研究发现基本一致(郑思轶和刘树华，2008；刘明春等，2012)。

图 6为对武汉城市各站平均季节RH距平序列和线性趋势。春、秋、冬3个季节的RH都显示出一致的下降趋势，这与年平均RH的变化趋势相同，但下降速率不同，分别是-1.410%/10 a、-0.540%/10 a、-0.507%/10 a，其中春季下降趋势最明显；夏季的RH存在较为显著的上升趋势，可达0.214%/10 a。年平均RH的下降主要是春秋冬三季下降引起的，春季的下降贡献最大。

1961~2015年和1990~2015年武汉城市年及各季节RH距平变化趋势(表 4)显示，RH距平年代变化从1961年以来呈现显著下降趋势，而1990年以后这种下降趋势更加明显，下降速率几乎是1961年以来变化的两倍。1961~2015和1990~2015两个时段除了夏季，各季节均在1990年以后下降更显著；夏季1961~2015时期显示显著上升趋势，而1990~2015时期则显示出显著的下降趋势。

研究发现，1961~2012年期间武汉降水量变化最大的季节是夏季，趋势为22.96 mm/10 a，夏季降水在20世纪60年代到70年代偏少，70年代中期以后逐渐上升，于20世纪90年代达到最高，此后呈现微弱的下降趋势(张意林等，2008；曹小雪，2015)，这与本文研究得到的夏季RH变化趋势有明显的相似性。春季是平均气温上升速率最大的季节，为0.47 ℃/10 a，在20世纪90年代初之后上升趋势更为明显(曹小雪，2015)，这可能是影响武汉春季RH变化趋势最大的一个因素。因此RH在春、夏两季具有完全不同的变化趋势，可能与降水量和温度在这两个季节的长期变化有一定联系。

观测数据序列中的非均一性，对于单站气候要素长期趋势分析结果有明显影响。本文对RH数据的非均一性进行了检验和订正。非均一性数据订正的可信度及合理性，可以从E-P方法检测序列断点的能力进行评价。从表 2来看，此方法检测出了序列中由于台站迁址所造成的断点，并检测出非台站迁站所造成的断点信息。对武汉城市站RH序列均一化后，订正绝对值均值大约为5.03%。武汉站在2010年迁站至城郊之后有RH突然升高现象，站史资料显示这种上升并非真实的自然变化，而是迁站引起的非均一性误差。这种虚假的RH升高使得以线性回归得到的变化趋势由-0.83%/10 a上升到-0.65%/10 a。由此可见，RH序列因迁站引起的的非均一性影响较为明显，开展RH序列变化研究时，对其进行合理的订正是有必要的。当然, 本文的非均一性订正以剔除迁站影响为主，没有考虑观测时间变化等可能引起的误差，有待今后进一步完善。

李灿和陈正洪(2010)的分析表明，1951~2007年武汉市平均相对湿度的气候倾向率为-1.248%/10 a；曹小雪(2015)研究则得出1961~2012年RH的下降速率是-1.36%/10 a。本文在均一性数据和客观选择城市站的基础上，得到1961~2015年期间年平均RH的变化趋势为-0.83%/10 a。可见，三者分析结果基本相近，RH都呈下降趋势，但年平均趋势大小有差别(表 5)。本文获得的年平均RH下降趋势明显小于其他两项研究结果，但本文结果指出武汉市平均RH变化主要是在1990年之后的急速下降造成的，这段时间变化趋势可达-1.62%/10 a；各个季节平均RH下降趋势均小于前人研究结果，夏季本文结果为弱上升趋势。这些差异可能与不同的研究时段、站点选择方法、有无对资料序列做均一性检验和订正、以及城市台站数量差异等诸多因素有关。

武汉市城市发展在20世纪80年代末90年代初明显加速，到2009年后城区面积增加了2.25倍；五环线内水体面积由1987年的509.94 km2减少至2009年的298.51 km2，主要是城市发展过程中大量的土地用于住房建设，导致水体区域被填埋(王宁涛等，2012)。1990年之后武汉城市化加速很有可能是RH急剧下降的一个主要因素。

RH的变化也同样受到气象因素的直接影响。有研究显示RH与气温和风速呈负相关，与降水量呈正相关(靳英华等，2009)，1953~2002年半干燥地区三者与相对湿度的相关系数分别为：-0.384、0.351、0.072，即其中气温对其影响最大。在上海，城市干岛效应(UDI)总是伴随着城市热岛效应(UHI)现象(周淑贞，1994)；北京城市干岛强度(UDII)与城市热岛强度(UHII)的空间结构也具有相似的分布，强度均在秋季和冬季的夜晚大于春季和夏季的白天，但UHII和UDII最大值和最小值出现的季节略有差异(Yang et al., 2017)。在1961~2000年，武汉城市的年均气温在20世纪80年代末期开始明显增加，其热岛效应影响存在着显著的随时间增大趋势，年平均、最低、最高气温的热岛增温速率分别为0.2、0.37、0 ℃/10 a(陈正洪等, 2005a, 2006)。曹小雪(2015)指出，虽然2007~2012年气温呈现下降趋势，但这一阶段的气温平均值高于近52年平均值0.5 ℃，即仍然处于温暖期。这可能是城市热岛效应加强和全球气候变暖共同作用的结果。本文计算表明，武汉城市站年平均气温与RH序列的相关系数为-0.65，这与靳英华等(2009)的研究结果相类似，说明武汉城区气温的明显上升可能是导致相对湿度不断下降的直接气象因素。

武汉城市暖干化的结论，和其他处于沿海季风区城市相关研究结论基本一致。例如，1959~2005年城市化进程对长江三角洲城市RH变化的影响也较为突出，尤其是在上海、宁波、杭州、常州等城市，RH出现了显著下降，城市干岛效应愈发突出(史军等，2008)；随着城市规模的扩大，南京市的城市干岛效应总体也呈现增强趋势(顾丽华等，2009)。

本文研究结果对天气和气候预报、城市水资源研究、城市气候以及城市规划有实际借鉴意义。总体上看，在一个相对湿度很高的城市，城市化导致的气候暖干化趋势，对于缓解高温热浪影响、提高制冷和取暖能源利用效率具有一定正面影响，但对于湿地保护和城市园林生态系统功能维护，可能具有不利影响。

运用武汉市4个气象站资料，分析了城市RH的气候学和长期变化特征，得到以下主要结论：

(1) 武汉城市站由于迁站引起的非均一性对RH序列造成约5%的误差，这种虚假的RH升高使得以线性回归得到的变化趋势由－0.83%/10 a上升至－0.65%/10 a。

(2) 城区各月平均RH均大于75%。RH在1~6月逐渐增加，6月达到峰值，可达80%以上，随后缓慢减小，于12月下降至全年最低值，月际间保护范围为0.1%~2.5%。

(3) 城区夏季平均RH为80.53%，春季79.10%，秋季78.33%，冬季为76.98%；春秋冬三季平均RH，1990年以前高于1990年以后，夏季1990年前后基本保持一致；武汉站年均RH为84.73%，其各个季节的RH均明显高于其余3站。

(4) 1961~2015年期间，城市区域年平均RH在1990s以前以正距平为主，下降趋势并不明显，1990s以后大部分为负距平，并且呈现显著下降的趋势；4个城市站中，武汉站下降趋势最明显。

(5) 1961~2015年武汉城市在春、秋、冬三个季节平均RH都呈现显著下降趋势，但夏季平均RH存在较为显著的上升趋势；除了夏季，各季节趋势均在1991年以后出现加速下降现象，夏季在1991年以后也表现出下降趋势。