水汽作为低层大气中最重要的组成部分之一,是降水等天气气候现象形成和演变的必要条件,也是影响极端天气产生和发展的重要因素。同时,作为大气中唯一能发生相变的成分,水汽在其变化过程中会不断释放和吸收热量,进而会影响大气和地面的温度,这也使得水汽成为主要温室气体之一,而且水汽的变化也会直接或间接地影响到大气的运动和变化。此外,水汽扩散和水汽输送也是水循环系统中不可或缺的一部分。综上所述,在全球气候变化的背景下,研究水汽的时空变化对进一步认清整个气候和天气系统的工作机制具有很重要的意义。而水汽不仅与季节、气温和辐射有关,而且还受到大气环流、海陆分布和地形地貌等其它区域气候条件的影响,具有时空分布复杂多样且变化较快等特点,是最难以监测和描述的大气参量之一。中国地域广阔,南北跨度较大,气温差异明显,距海远近差距较大,加上东西向地势呈阶梯状分布,地形地貌多种多样,囊括了陆地所有的地形类型,因此气温和干湿区域分布复杂多样,从而形成了各种类型的气候。同时中国还是世界上季风气候最显著的国家。各种气候类型尤其是季风气候反映在水汽的时空分布上也表现出复杂多样的特征。除了季风,中国受厄尔尼诺、拉尼娜等全球性气候现象的影响也非常显著,并且旱涝、暴雨和台风等灾害天气频繁多发,对人民的生产生活造成了严重危害,而这些天气现象往往都与水汽的时空变化密切相关。因此,系统地、全面地监测并分析中国区域水汽时空分布和异常,对研究中国区域复杂的气候特征、短期天气预报和灾害预警具有重要意义。欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium Range Weather Forecast,ECMWF)的再分析产品是综合考虑大气背景场、实测气象数据及天气演变过程的流体力学和热力学原理等计算得到,也是如今大气科学研究中一种重要的数据源。其水汽产品与无线电探空仪、甚长基线干涉仪、红外探测器和微波辐射计等传统技术获取的水汽相比,空间分辨率更高,时间分辨率也达到6小时,足以满足中长期气候变化研究的要求,因此也越来越广泛地应用于当今水汽的研究中。本文基于其ERA-Interim(ECMWF Reanalysis-Interim)数据集提供的整层水汽数据,采用频谱分析、线性拟合以及奇异谱分解等方法对中国区域近39年来的水汽时空分布特征进行了系统全面的分析,并综合利用了温度、降水等气象气候数据和土壤水、植被覆盖等生态指数细致深入地研究了水汽时空分布的影响机制及其对生态环境的影响。主要研究内容和成果有:(1)系统的分析了中国区域水汽的空间分布特征。中国区域水汽总体上呈纬度相关的分布规律,但区域分布差异也异常显著。影响其空间分布的因素复杂多样,大体上来说其主要受温度和地形地貌的影响,同时也与距海远近、季风分布等区域气候条件密切相关;(2)从长期变化来看,近几十年来中国大部分地区的水汽都有增加趋势,较大的增加趋势出现在青藏高原南部、东北部祁连山地区、阿拉善和河西走廊地区、云南西南部、山东半岛以及台湾地区,部分地区水汽长期变化有减少趋势,较大的减少趋势出现在内蒙古高原东部和辽河平原西部、燕山地区、汾渭平原和长江中、上游部分地区、闽粤桂丘陵地区以及新疆中、东部部分地区。(3)具体研究了典型区域(藏南高山谷地高原温带半干旱气候)的水汽和降水的长期变化特征,统计表明该地区五月份水汽和降水都有增加趋势;同时分析了该地区土壤水和植被覆盖的变化特征,证实了它们与降水之间存在滞后相关性,五月份降水的增加促进了六月份土壤水和植被覆盖的增加。深入研究了该地区五月份降水增加的影响机制,证实了南亚夏季季风的爆发提前是其主要驱动因素,而从根源上来说是由太平洋长期涛动上世纪90年代的相变导致的。(4)采用奇异谱分解的方法分析了中国区域水汽季节变化的分布特征。中国几大气候区上空水汽都有显著的年周期变化和半年周期变化,其中水汽的年变化方面,峰值出现在七月份,振幅有显著的东西分布差异,较大振幅出现在华北地区东部,长江中下游地区和粤桂地区,较小振幅出现在青藏高原中东部地区,年变化的这一区域分布特征主要是受季风作用的影响,季风作用较强地区的水汽年变化较为剧烈。而对于水汽的半年变化而言,较大振幅出现在东北地区和华北地区,云南东部半年变化振幅最小;相位方面,东北地区,华北地区东部和中国西部的大部分地区(临近孟加拉湾地区除外)的半年变化峰值出现在1月份和7月份,谷值出现在4月份和10月份,剩余地区除了粤桂地区、台湾和海南半年变化峰值在4月份和10月份,谷值在1月份和7月份之外,其他地区半年变化峰值都在2月份和8月份,谷值在5月份和11月份;半年变化的这一空间分布特征与区域的季节变换差异、季风作用影响时间等密不可分。