瑪納斯河流域52年氣象要素變化分析

李戰(zhàn)國

(新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100)

在過去60年間，全球氣候變暖了約0.72℃。自19世紀后期以來，二十一世紀每十年平均氣溫是最溫暖的[1]。同時，降水的空間分布和強度也發(fā)生了變化，全球變暖可能導致大氣中水蒸氣含量的增加[2]。過去的研究表明，潮濕地區(qū)會變得更潮濕[3]，干燥地區(qū)會變得更干燥，北半球高緯度地區(qū)的降水量呈增加趨勢，而中國、澳大利亞和太平洋小島嶼國家的降水量表現(xiàn)出減少的趨勢[4]。

研究區(qū)擁有中國最重要的草原資源，其在過去幾十年中發(fā)生了嚴重退化。未來的氣候變化可能會大規(guī)模加速北美和亞洲半干旱地區(qū)草原的退化[5]。盡管目前對氣候變化及其在不同地區(qū)和大范圍的時空尺度上的影響進行了許多研究，但對研究區(qū)近52年來的氣候變化，尤其針對日最低和最高氣溫的變化特征研究還不夠。因此，需要對研究區(qū)的主要氣候變量，如降水量、日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫進行系統(tǒng)研究，以提高對研究區(qū)氣候變化的時空特征和氣候變化原因的認識，幫助有關部門更好的制定適應和減緩氣候變化的措施。本文的研究目的為：(1)分析近52年來研究區(qū)月、年降水量及日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的變化；(2)分析研究區(qū)氣候變化發(fā)生的可能原因。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域源于天山北麓。其氣候冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤。其年平均太陽輻射為5 200 mJ，年總日照時數(shù)約2 619 h。根據(jù)降水量的空間分布，研究區(qū)通常從東到西分為5個氣候帶，由濕潤氣候帶過度到半干旱氣候帶。由于水和熱能是控制中緯度溫帶草原的2個關鍵因素，研究區(qū)草原植被的類型從東到西依次為草甸草原、典型草原和荒漠草原。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選擇研究區(qū)內的46個氣象站的氣象數(shù)據(jù)作為研究對象，數(shù)據(jù)長度為1961-2012年。數(shù)據(jù)集通過檢測控制其質量，包括無誤差數(shù)據(jù)，降水和氣溫數(shù)據(jù)集的缺失數(shù)據(jù)不超過0.1%。所有缺失的數(shù)據(jù)采用以下方法補充：當缺失數(shù)據(jù)的時間間隔小于或等于5 d時，采用線性插值方法計算其缺失數(shù)據(jù)，當缺失數(shù)據(jù)的時間間隔大于5 d時，則缺失數(shù)據(jù)由所有其他年份中具有數(shù)據(jù)的站點根據(jù)距離采用IDW插值獲得。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢變化

對于樣本量為n的氣候要素x，X與時間的線性回歸方程為：

X=at+b，t=1，2，3，…，n

(1)

式中：a為趨勢斜率；b為y軸截距，可用最小二乘法確定。

每十年的變化趨勢β為十年內氣溫或降水的變化率乘以10。b為正值表示上升趨勢，負值表示下降趨勢。

2.2.2 濕度指數(shù)

濕潤指數(shù)是干旱指數(shù)的倒數(shù)，能夠合理的反映地表的干濕狀態(tài)，是描述研究區(qū)氣候特點的一種有效且常用的方法。濕潤指數(shù)是降水量與潛在蒸散發(fā)的比值，表示自然條件下大氣濕潤的輸入和輸出，其計算公式如下：

K=P/(0.1∑θ)

(2)

式中： k為濕潤指數(shù)；p為年總降水量；q為0℃以上的氣溫。

k值越高，氣候越濕潤。研究區(qū)的濕潤指數(shù)可分為6個等級，即非常干(K< 0.3)、干旱(0.32.0)[6]。

本文對研究區(qū)46個氣象站52年(1961-2012年)的日平均氣溫(平均值、最高氣溫和最低氣溫)進行統(tǒng)計計算獲得了各年的月平均值和年平均值。對于降水量，將日數(shù)據(jù)計算為每年的月和年總量。并利用回歸分析和趨勢分析對月、年時間序列進行了統(tǒng)計分析，即計算各站氣溫、降水量的b值。采用F檢驗方法檢驗了在0.05水平上回歸方程的顯著性。由于單純根據(jù)各站的趨勢很難確定區(qū)域氣溫或降水模式，因此也進行了空間分析來研究區(qū)域趨勢。所有主要氣候變量的空間分布圖均采用ArcGIS軟件包中嵌入的反距離加權插值方法構建。每個地圖的網(wǎng)格大小為0.02°。

3 結果分析

3.1 降水和濕潤指數(shù)的趨勢變化分析

表1給出了月降水量的變化趨勢和具有顯著性變化(增加或減少)趨勢的站點數(shù)量。降水量的平均變化趨勢為-1.6 mm/10a；二月、七月、八月和十月呈負的變化趨勢，其他月份呈現(xiàn)上升趨勢。八月表現(xiàn)出最大的負趨勢值，為5.54 mm/10a，有10個站具有顯著的變化趨勢，7月份的負趨勢值1.73 mm/10a，6月份顯示最大正趨勢值為2.54 mm/10a；在過去的52年中，冬季(12-5月)和春季(3-5月)顯示出略微的正趨勢值。大多數(shù)站點的濕度指數(shù)具有負的變化趨勢，只有三個站顯示出正趨勢值，這些站均分布于研究區(qū)西部。平均趨勢值大約為0.03/10a，變化范圍為：-0.08～0.02。濕度指數(shù)值高的地區(qū)(位于研究區(qū)東部)呈現(xiàn)較大的下降趨勢，為-0.04/10a，研究區(qū)西部濕度指數(shù)的變化趨勢大約為-0.01/10a。

表1 降水量的變化趨勢及具有顯著性變化趨勢的站點數(shù)量

表2 平均、最高、最低溫度的平均變化趨勢及具有顯著變化趨勢的站點數(shù)量

表3 日平均、最高和最低溫度與其他氣象要素之間的相關系數(shù)

3.2 日平均、最低和最高氣溫變化趨勢分析

研究區(qū)所有氣象站的平均氣溫均呈現(xiàn)正的變化趨勢，平均趨勢值為0.37℃/10a，最小趨勢值出現(xiàn)在研究區(qū)東部，其趨勢值小于0.25℃/10a。最高和最低氣溫的變化趨勢表現(xiàn)出與日平均氣溫相似的空間分布。所有氣象站的最高和最低氣溫趨勢值均為正值。與最高氣溫和平均氣溫相比，最低氣溫有較大的正趨勢，平均趨勢值為0.51℃/10a。研究區(qū)日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的月變化趨勢見表2。可以看出：在所有月份中，二月的平均氣溫上升趨勢最大，為0.80℃/10a，93%的站點(n= 43)顯示出統(tǒng)計上的顯著上升趨勢(p<0.05)。二月份的最高和最低氣溫比其他月份具有更大的上升趨勢，平均趨勢值為0.67℃/10a和0.95℃/10a，其在統(tǒng)計上表現(xiàn)出顯著性變化趨勢的站點百分比分別為85%和93%。對9個月(即2月至10月)的分析表明，超過50%的站點的平均氣溫呈顯著的正趨勢。對于最低氣溫， 除一月份外，其他月份均有超過一半的站點呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。其中只有四個月(即2月、7月、8月和9月)超過50%的站點最高氣溫表現(xiàn)出顯著性增加的趨勢。

3.3 相關性分析

表3 給出了日平均、最高和最低溫度與其他氣象要素之間的相關系數(shù)。可以看出：年尺度上日平均溫度與水汽壓的相關系數(shù)為0.82，表明日平均溫度與水汽壓之間存在很強的相關性。平均溫度和大氣壓力之間的相關系數(shù)為0.67。在季節(jié)尺度上，冬季月份(12-5月)的平均溫度和水汽壓之間的相關系數(shù)最高為0.73～0.80，其次是春季(3月)和秋季(9-11月)，相關系數(shù)值分別為0.29～0.61和0.58～0.74，夏季(6-8月)的日平均氣溫和水汽壓之間的相關系數(shù)最弱，相關系數(shù)值為0.08～0.34。與日平均溫度相似，最高溫度和最低溫度都與蒸氣壓力有很強的相關性，相關系數(shù)值分別為0.85和0.78；與大氣壓力的相關系數(shù)分別為0.67和0.66。計算的相關系數(shù)結果還表明，日平均溫度、最低溫度和最高溫度與包括降水、風速和日照時數(shù)在內的其他大氣變量間沒有顯著的相關性。

4 結語

氣候變化，尤其是降水量和氣溫的變化，對研究區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)產生了顯著影響。為了提高對研究區(qū)氣候變化的認識，本文分析了過去52年的氣象要素的空間分布和變化趨勢。在過去的幾十年里，研究區(qū)變得越來越溫暖，日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫分別以0.37℃/10a、0.25℃/10a和0.51℃/10a的趨勢值上升。與其他月份相比，二月份的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫呈現(xiàn)出最高的上升趨勢，趨勢值為0.8 ℃/10a、0.67℃/10a和0.95 ℃/10a。尤其在二月的最后10天，氣溫的變化趨勢達到了最大值。在降水量方面，年降水量減少，降水量顯著減少主要發(fā)生在7月和8月。研究區(qū)變得越來越干燥，濕潤指數(shù)有較大的下降趨勢。在過去的52年里，研究區(qū)變得越來越溫暖和干燥。