東天山北坡氣溫與降水時空變化特征

苗運玲, 秦 榕, 張云惠, 伏曉慧

(1.新疆烏魯木齊市氣象局, 烏魯木齊 830006;2.新疆氣象信息中心, 烏魯木齊 830002; 3.新疆氣象局, 烏魯木齊 830002)

全球氣候不斷增暖將改變各地的溫度場，并影響大氣的運行規(guī)律，各地蒸發(fā)量和降水量的時空分布亦隨之改變。IPCC第五次評估報告指出，1880—2012年，全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢，平均升高0.85℃，最近30 a，每10 a的溫度都高于1850年以后的任何一個10 a[1]。近百年來中國的氣候變化與全球候變化總趨勢基本一致[2-5]。但是由于受地理條件、太陽輻射和大氣環(huán)流的影響，氣候變化又具有很強的地域性、季節(jié)性和周期性等。因此，國內(nèi)外眾多學者針對引起氣候變暖的眾多氣候因子從不同區(qū)域、不同角度，利用不同方法進行了大量的研究[6-9]。

氣溫和降水作為研究氣候變化的基本因素，其變化對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境變遷起到?jīng)Q定性作用[10]。新疆地處亞歐大陸腹地，是典型的干旱區(qū)，水資源是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的核心，而新疆水資源的補給主要靠山區(qū)每年的自然降水[11]。天山作為世界七大山系之一，橫亙在新疆中部并貫穿全境，是影響新疆乃至我國中、西部地區(qū)天氣氣候和生態(tài)環(huán)境的重要天然屏障[12]，山區(qū)大氣降水是新疆河川徑流的最終來源。近年來，眾多學者對新疆和天山山區(qū)氣候變化特征和趨勢進行了大量研究[13-20]。魏文壽等[13]利用樹木年輪資料分析了天山山區(qū)235 a氣候變化，指出進入20世紀80年代氣候趨于暖濕化，并預測未來23 a山區(qū)以濕潤為主，生態(tài)環(huán)境總體趨于好轉(zhuǎn)。普宗朝等[14]指出天山山區(qū)的溫度在1976年開始變暖，1986年是天山山區(qū)降水量呈現(xiàn)明顯增多的突變點。劉友存等[15]指出天山山區(qū)降水呈現(xiàn)“西多東少，北多南少，高山多外圍少”的特征，并與部分氣候指數(shù)顯示出較好的相關性。以上眾多研究主要針對天山山區(qū)西段和中斷的氣候變化，而對于天山山區(qū)重要組成部分東段研究到目前為止卻很少涉及。因此，本文利用東天山北坡5個國家級地面氣象站1961—2016年溫度和降水資料分析氣候變化規(guī)律和趨勢，探討該區(qū)域是否與天山山區(qū)氣候變化一致？是否也存在暖濕化變化？同時為今后該區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設、水資源開發(fā)利用、農(nóng)牧業(yè)布局等提供科學依據(jù)和理論參考。

1 研究區(qū)概況

東天山北坡地處亞歐大陸腹地，準噶爾盆地東南側(cè)，以88°E為界，行政區(qū)隸屬于新疆昌吉州東部的吉木薩爾、奇臺、木壘哈薩克自治縣和哈密北部的巴里坤哈薩克自治縣、伊吾，總面積約為11.22萬km2，地理坐標為42°25′—45°30′N，88°30′—96°23′E，海拔高度742.9～1 728.6 m(圖1)，屬于天山北坡經(jīng)濟帶的東段。該區(qū)域氣候敏感，生態(tài)環(huán)境脆弱，地形復雜，呈西低東高，北低南高，降水量少，氣候干燥，晝夜溫差大，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候。

圖1 東天山北坡地形及氣象站點分布

2 資料與方法

選取1961年1月1日—2016年12月31日東天山北坡5個國家級地面氣象站逐日平均氣溫和降水量資料。季節(jié)劃分按照3—5月為春季、6—8 月為夏季、9—11月為秋季、12月至翌年2 月為冬季。研究資料來自新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心，經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制，資料真實可靠。氣候平均值時段為1981—2010年。

使用線性趨勢分析、累積距平和滑動平均等方法對研究區(qū)域氣溫和降水進行變化趨勢分析，采用Mann-Kendall(簡稱M-K)檢驗方法對氣候要素進行突變分析，為了檢驗氣候要素轉(zhuǎn)折是否達到突變標準，對突變點進行t檢驗和信噪比S /N檢驗，信噪比公式如下:

(1)

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫年代際變化

從表1可知，東天山北麓年與季的年代際變化總體表現(xiàn)為上升趨勢，即呈增暖趨勢，但是各季節(jié)年代際周期變化有所不同。20世紀60年代—80年代(80年代冬季除外)年、季氣溫以負距平為主，為氣候偏冷期，80年代以后以正距平為主(90年代夏季除外，這與巴州地區(qū)夏季氣溫變化一致[21])，為氣候偏暖期，其中冬季在21世紀近16 a變化與其他三季不同，呈先升后降的特征，即以降溫為主。

表1 1961-2016年東天山北坡年與四季平均氣溫年代際距平

3.2 氣溫年際變化

1961—2016年東天山北坡年平均氣溫為4.84℃，最高出現(xiàn)在2013年，為6.34℃，最低出現(xiàn)在1984年，僅為2.65℃，極差達到3.69℃。從圖2可知，近56 a東天山北坡年平均氣溫在波動中逐漸上升趨勢，這與北半球和全球近百年來的溫度增暖趨勢相吻合[22]，增溫率為0.34℃/10 a(通過0.01的顯著性檢驗)，明顯高于全國的[23]0.22℃/10 a，略高于新疆[24]的0.32℃/10 a和天山北麓[16]的0.30℃/10 a。從11 a滑動平均變化可知，年平均氣溫呈上升趨勢，雖有小的波動變化，但變幅不大。從20世紀60年代—90年代中期僅有10 a偏高于歷年平均值，氣溫屬于相對偏低期，從1997年開始氣溫持續(xù)上升，氣溫屬于相對偏高區(qū)。

圖2 1961-2016年東天山北坡年平均氣溫變化趨勢

3.3 氣溫季節(jié)、月變化

東天山北坡四季氣溫變化與年變化較一致，均呈增溫趨勢，增溫率依次為：秋季(0.39℃/10 a)>冬季(0.37℃/10 a)>春季(0.33℃/10 a)>夏季(0.28℃/10 a)，均通過0.01的顯著性檢驗，這與新疆[24]的研究結(jié)果相似，而與全國[23](冬季>春季>秋季>夏季)和天山北麓[16](冬季>秋季>春季>夏季)變化不太一致。東天山北坡秋季是四季中增溫最明顯的，對年氣溫的上升貢獻最大，其次是冬、春季，夏季貢獻最小。

東天山北坡月平均氣溫年內(nèi)總體表現(xiàn)為單峰型變化趨勢，即先增后減，1月是氣溫偏低期，為-14.63℃，然后逐漸上升，7月達到峰值，為氣溫偏高期，達到21.21℃，以后逐漸下降。從時間序列變化上可知，各月平均氣溫均表現(xiàn)為上升趨勢(通過0.01的顯著性檢驗)，其中2月增溫速率最明顯，氣候傾向率為0.55℃/10 a,該月對冬季氣溫上升起到主導作用；5月增溫速率相對較弱，為0.12℃/10 a。

3.4 氣溫突變檢驗

為了研究東天山北坡在較長時間序列內(nèi)變化信號，利用M-K法(Uα=±2.56)進行突變檢驗分析。從圖3可知，東天山北坡UF曲線總體呈上升趨勢，其中1961—1963年呈上升趨勢，1964—1971年呈波動下降趨勢，1971年以后呈顯著的上升趨勢，與UB曲線相交于1993年，利用t檢驗方法，檢驗結(jié)果通過顯著性(p<0.001)檢驗，即1993年是東天山北坡氣溫變暖的突變年，與文獻[16]結(jié)論接近(1996年)。不同季節(jié)突變時間差異較大，春季出現(xiàn)在2004年，夏季1997年，秋季1989年，冬季1981年，均通過t檢驗(p<0.001)和信噪比(S/N>1)檢驗。

圖3 1961-2016年東天山北坡平均溫度突變分析

3.5 氣溫的空間分布

由圖4A可知，東天山北坡年平均氣溫的空間分布總體上是以巴里坤為低值中心逐漸向兩測增大，即隨著海拔高度的降低溫度逐漸升高，高值中心位于西部的吉木薩爾。從研究區(qū)氣候傾向率變化可知，各站點均呈上升趨勢，其空間分布(圖4B)與年平均氣溫分布幾乎相反，是以巴里坤為大值中心逐漸向兩側(cè)減小，在奇臺形成一個低值中心，其中吉木薩爾和伊吾增溫率相同，均為0.25℃/10 a。

圖4 1961-2016年東天山北坡平均氣溫

3.6 降水年代際變化

東天山北坡年、春、秋年代際降水量與氣溫變化一致均呈上升態(tài)勢，即呈增濕趨勢，夏季降水量在20世紀70年代明顯少于其他年代，僅有73.80 mm，而在21世紀近16 a也呈下降趨勢,而冬季經(jīng)歷“增—減—增”的變化趨勢。從表2可見，在20世紀60年代—80年代年與四季降水量(秋季80年代除外)總體為負距平，之后以正距平為主(冬季90年代除外)，說明在90年代以前年與各季降水量處于相對偏少期(偏枯期)，之后處于相對偏多期(偏豐期)。

3.7 降水年際變化

近56 a東天山北坡年平均降水量為206.96 mm，最大出現(xiàn)在2015年，達到334.28 mm，最小在1962年，僅有111.36 mm，極差達到222.92 mm。從圖5可知，年降水量呈顯著增加趨勢，傾向率達到13.02 mm/10 a(通過0.01的顯著性檢驗)，低于天山北麓[16]的15.67 mm/10 a，明顯高于新疆[24]的8.23 mm/10 a。從11 a滑動平均可知，年降水量在波動中呈緩慢上升趨勢，其中20世紀60年代到80年代中后期降水處于偏枯期，1987年以后降水明顯增多，處于偏豐期。

表2 1961-2016年東天山北坡年與四季降水量年代際距平

3.8 降水季節(jié)、月變化

東天山北坡各季降水量與年降水量變化相同(圖略)，呈增加趨勢，但增濕強度不同。傾向率依次為：夏季(5.26 mm/10 a>春季(3.28 mm/10 a>冬季(2.66 mm/10 a>秋季(1.82 mm/10 a，通過0.01的顯著性檢驗，與天山北麓[16]變化一致，與新疆[24](夏季>冬季>秋季>春季)變化不一致。

圖5 1961-2016年東天山北坡降水量變化趨勢

從圖6可知，東天山北坡月降水量變化總體呈倒“V”型分布，即呈先增后減態(tài)勢，1月、2月變化不大，月降水量在4.6 mm左右，從2月開始逐漸增大，7月達到峰值，為35.59 mm，然后逐漸減少。降水集中出現(xiàn)在夏季，占年降水量44.48%，幾乎占到一半。從各月氣候傾向率變化可知，除了9月(-0.35 mm/10 a)外，其他各月均表現(xiàn)為增加趨勢(通過0.01的顯著性檢驗)，5月增濕最明顯，為2.18 mm/10 a，該月對春季降水量的增加貢獻最大。

圖6 1961-2016年東天山北坡降水量月變化

3.9 降水量突變檢驗

利用M-K法(Ua=±2.56)對東天山北坡1961—2016年降水量進行突變分析。從圖7可知，UF曲線總體呈上升趨勢，20世紀60年代到80年代變化幅度比較大，呈明顯峰谷變化，80年代中期以后呈持續(xù)上升趨勢，與UB相交于1990年、1992年，采用t檢驗和信噪比進行突變檢驗，1992年通過顯著性(p<0.001)和信噪比(S/N=1.91)檢驗，即該年是東天山北坡降水量明顯增多的突變年，明顯晚于新疆[24](1963年、1975年、1978年、1980年)和天山北麓[16](1983年)。同樣對四季進行了突變分析(圖略)，夏季發(fā)生在1990年，秋季在1978年，冬季在1997年，通過t檢驗(p<0.001)和信噪比(S/N>1)檢驗，春季沒有出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。

3.10 降水量空間分布

從東天山北坡年降水量空間發(fā)布(圖8A)可知，是以木壘為高值中心逐漸向兩側(cè)減小，低值出現(xiàn)在伊吾，為101.43 mm，僅為木壘年降水量的1/3。從降水傾向率變化可知，研究區(qū)各站點均呈增加趨勢，空間分布(圖8B)與年降水量分布一致，以木壘為大值中心逐漸向兩側(cè)減小，增加最小的是伊吾，僅為6.19 mm/10 a，說明降水量越大其降水增幅相對較大，反之相對較小。

圖7 1961-2016年東天山北坡降水量突變

圖8 1961-2016年東天山北坡平均降水與氣候傾向率空間分布

5 結(jié)論與討論

(1) 近56 a東天山北麓年平均氣溫為4.84℃，呈明顯的增暖趨勢，以0.34℃/10 a速率上升，明顯高于全國，而略高于新疆和天山北麓。其中在20世紀60—80年代以負距平為主，為氣候偏冷期，80年代以后以正距平為主，為氣候偏暖期。年降水量為206.96 mm，呈顯著的增加趨勢，增濕率達到13.02 mm/10 a，低于天山北麓而明顯高于新疆。其中60—80年代以負距平為主，降水處于相對偏少期，之后以正距平為主，降水處于相對偏多期。由此可以可知，近56 a東天山北坡的氣候呈增暖增濕變化趨勢。氣溫、降水量在四季和月變化中，總體呈增暖增濕趨勢(降水除了9月)，但變化速率各有不同。

(2) 利用M-K法對東天山北坡氣溫和降水進行突變分析，發(fā)現(xiàn)氣溫在1993年發(fā)生突變，明顯晚于新疆而略早于天山北麓；降水量發(fā)生突變在1992年，明顯晚于新疆和天山北麓。對不同季節(jié)，發(fā)生突變時間各有不同。

(3) 從氣溫的空間分布可以看出是以巴里坤為低值中心逐漸向兩邊增大，即隨著海拔高度的降低溫度逐漸升高，增溫率的空間分布與其幾乎相反；降水量空間分布與增濕率相同，是以木壘為高值中心，逐漸向兩側(cè)減小，說明降水量越大其降水增幅相對較大，反之相對較小。

本文對研究區(qū)域逐日平均氣溫和降水量進行了詳細分析，表明該區(qū)域存在氣溫升高、降水增多的變化趨勢，即呈暖濕化方向發(fā)展，這與新疆、天山山區(qū)氣候變化是一致的，但由于選用的氣象站點稀少，數(shù)據(jù)時間長度有限，對于研究結(jié)果又一定的局限性；此外由于研究區(qū)氣候?qū)儆诟珊蛋敫珊担鷳B(tài)環(huán)境比較脆弱，氣溫的升高會導致山區(qū)融雪性洪水的發(fā)生、蒸發(fā)量增大的現(xiàn)象，極端降水的增多會形成洪災、山體滑坡、泥石流等災害。因此，在今后的研究中應該加入?yún)^(qū)域自動站、水文站資料，利用更多方法，對各類氣候因子進行全面深入的研究，為當?shù)匚磥須夂蝾A測、生態(tài)環(huán)境變化、水資源利用提供一定的科學依據(jù)。