1981—2019年西北干旱區暖濕化分析

李亞楠 楊建軍

摘要? ［目的］探究我國西北干旱區20世紀80年代以來的暖濕氣候變化情況。［方法］利用國家氣象數據中心發布的1981—2019年0.5°×0.5°氣溫和降水量月值格點資料，采用線性傾向率、Mann-Kendall檢驗、累積距平法，對近39年來該地區氣溫和降水時空演變特征進行研究。［結果］近39年來西北干旱區平均氣溫呈現顯著上升趨勢，氣溫傾向率為0.377 ℃/10 a（P<0.01），天山亞區增溫趨勢最大；各季節平均氣溫均呈顯著增高趨勢，春季增溫趨勢最大，冬季增溫趨勢最小，氣溫傾向率僅為0.121 ℃/10 a（P>0.05）；年平均氣溫在1997年發生增溫突變，進入21世紀增溫趨勢減緩。西北干旱區年降水量整體呈增加趨勢，降水量傾向率為9.509 mm/10a（P<0.01），天山亞區增濕趨勢最大，降水量傾向率為25.673 mm/10 a（P<0.01）；四季均呈降水量增加趨勢，夏季增加趨勢最大，冬季降水量增加趨勢相對較小；年降水量在2001年發生突變，降水量增加趨勢明顯。［結論］西北干旱區整體處于暖濕階段，尤其天山亞區暖濕化最顯著。

關鍵詞? 氣溫；降水量；時空變化；西北干旱區

中圖分類號? S161.2+2? 文獻標識碼? A? 文章編號? 0517-6611（2024）09-0176-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.039

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of Warming and Humidification in the Arid Region of Northwest China During 1981-2019

LI Ya-nan1，2， YANG Jian-jun1，2

（1.College of Resources and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi，Xinjiang 830046; 2.Key Laboratory of Oasis Ecology， Ministry of Education， Urumqi， Xinjiang 830046）

Abstract? ［Objective］To explore the changes of warming and humidification climate in the arid areas of northwest China since 1980s.［Method］Using the monthly temperature and precipitation from a 0.5°× 0.5° gridded datasets during 1981-2019 released by the National Meteorological Information Center，the spatiotemporal evolution characteristics of temperature and precipitation in the region over the past 39 years were studied using linear propensity rate， Mann-Kendall test and cumulative anomaly method.［Result］The temperature in the arid region of northwest had been increasing at a rate of 0.377 ℃/10 a（P<0.01） over the past 39 years， with the largest warming trend in the Tianshan subregion. The average temperature of all seasons showed a significant increasing trend， with the largest warming trend in spring. The warming trend in winter was the smallest， with a rate of only 0.121 ℃/10 a（P>0.05）. The mean annual temperature had an abrupt change in 1997， and the warming trend slowed down in the 21st century. The annual precipitation in the northwest arid region showed an increasing trend with a rate of 9.509 mm/10a（P<0.01）， and the Tianshan subregion showed the largest increasing trend with 25.673 mm/10a （P<0.01）. The precipitation trend increased in all seasons， with the greatest increase in summer and relatively small increase in winter; the annual precipitation had an abrupt change in 2001， followed by a significant trend of increasing precipitation. ［Conclusion］The arid region of northwest China is in the warm and humid stage， especially in the Tianshan subregion.

Key words? Temperature; Precipitation; Spatial and temporal variation;Arid region of Northwest China

基金項目? 國家自然科學基金項目（42075168，51269030）。

作者簡介? 李亞楠（1996—），女，新疆奇臺人，碩士研究生，研究方向：生態系統與全球變化生態學。

*通信作者，教授，博士，博士生導師，從事土壤侵蝕與荒漠化防治研究。

收稿日期? 2023-07-08

在全球變暖背景下，由氣候變化表現出的氣溫、降水的時空變化趨勢和特征越來越多地受到學者們的關注［1-5］。西北干旱區屬于典型的大陸性干旱半干旱氣候，是我國主要的氣候區之一。深居內陸的地理位置以及高大山脈、盆地相間的復雜地形地貌，使西北干旱區成為對全球氣候變化響應最敏感的地區之一［6-9］。

施雅風等［10-11］研究認為，自20世紀80年代中期以來，我國西北地區的氣候存在由溫暖干燥轉為溫暖潮濕的趨勢。不少學者對西北干旱區年、季節、月份的氣溫和降水進行了詳盡分析，揭示西北干旱區氣溫和降水時空變化特征的同時，也對氣候是否轉型進行了證實。任朝霞等［12］分析1950—2000年西北干旱區氣候變化發現，西北干旱區1986年后氣溫升高，尤其是北疆升溫趨勢較大。Chen等［13-15］利用氣象站觀測數據，研究得出西北干旱區20世紀90年代氣溫增長顯著。姚俊強等［16］利用M-K非參數檢驗方法分析了西北干旱區降水，發現20世紀80年代至90年代初西北干旱區降水有明顯的突變特征；Li等［17-18］研究西北干旱區年降水量和極端降水事件時空變化特征發現，1987年是降水量由少增多的突變年，山區降水的增加趨勢大于平原和荒漠地區。關于20世紀80年代前西北干旱區氣溫和降水變化的研究結果較為全面，西北干旱區在20世紀80年代中后期的暖濕轉型得到了驗證。而對于1981—2019年西北干旱區氣候是否保持暖濕趨勢以及年度和季節的氣溫和降水趨勢是否改變等方面研究還相對薄弱。

西北干旱區實地監測的氣象站點數量有限且分布不均，而較高分辨率的格點氣象數據在一定程度上可以解決站點分布不均的問題，并有助于全面認識該地區氣溫和降水變化特征。但目前的研究數據主要來自站點觀測數據，使用格點數據的相關研究比較欠缺。基于此，筆者利用1981—2019年西北干旱區0.5°×0.5°氣溫和降水格點數據資料，對西北干旱區近39年氣溫和降水的時空變化趨勢與分布特征進行分析，探討轉型后的暖濕化氣候是否保持，以及季節、年際、年代際的氣溫和降水變化特征，以期為進一步削減全球變暖對農業生產、社會生產生活方式影響提供依據。

1? 資料與方法

1.1? 研究區概況

我國西北干旱區位于歐亞大陸中心（73°～107°E、35°～50°N），包括新疆維吾爾自治區全境、甘肅河西走廊、祁連山區、內蒙古阿拉善高原以及黃河寧夏段以西的寧夏回族自治區賀蘭山以西部分，總面積為235.2 km2，約占全國土地面積的1/4。西北干旱區干燥少雨，冷熱變化劇烈，且地形復雜，是季風氣候系統和西風帶氣候變化互相作用區域，水資源分布極為不均，氣溫和降水的空間差異較大［19-20］。根據西北干旱區的地勢及地貌特征，將研究區分為4個亞區，分別為北疆亞區、天山亞區、南疆亞區和河西走廊亞區（圖1）。

1.2? 數據來源

選用由國家氣象數據中心發布的1981—2019年0.5°×0.5°中國地面氣溫和降水月值格點數據（V2.0），該數據集是基于我國2 400余個國家級地面氣象站臺站的觀測數據，運用薄盤樣條法（thin plate spline，TPS）空間插值所得。所有的格點數據文件進行了嚴格的質量檢測控制、數據核查、數據更正及補錄［21］，在我國得到了認可與應用［22-24］。根據該研究對西北干旱區范圍的確定，共選取912個格點進行分析。

1.3? 研究方法

該研究使用一元線性回歸計算西北干旱區1981—2019年氣溫和降水隨時間變化的氣候傾向率［25］，結合Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法（M-K趨勢檢驗），對氣溫和降水的時間序列進行趨勢檢驗，如果M-K檢驗通過了0.01水平的顯著性檢驗，則認為變化趨勢極顯著，通過了0.05水平的顯著性檢驗，則認為變化趨勢顯著，其余為變化趨勢不顯著［26-27］；累積距平法用來反映氣溫和降水年際變化的階段性特征［28］；Mann-Kendall突變檢驗法（M-K突變檢驗）對氣溫和降水序列進行突變分析［29-30］。

2? 結果與分析

2.1? 氣溫的時空變化

2.1.1? 年際變化。

1981—2019年西北干旱區年平均氣溫均值為5.86 ℃，天山亞區年平均氣溫最低，多年年平均氣溫為-0.19 ℃，河西走廊亞區年平均氣溫最高，多年年平均氣溫為6.88 ℃，相差7.07 ℃；南疆亞區多年年平均氣溫高于北疆亞區，分別為6.84和4.61 ℃。氣溫存在明顯的空間差異，1981—2019年西北干旱區的低溫區主要集中在昆侖山、天山、祁連山、阿爾泰山和阿爾金山等山區，高溫區主要在沙漠和平原（圖2）。

從1981—2019年西北干旱區及其各亞區年平均氣溫變化趨勢（圖3）可以看出，近39年西北干旱區年平均氣溫呈現增加趨勢，氣溫傾向率為0.377 ℃/10 a，增溫趨勢極顯著（P<0.01）。各亞區氣溫傾向率均為正值，且均通過0.01水平的顯著性檢驗，但氣溫傾向率在各亞區有差異。天山亞區增溫趨勢最大，為0.402 ℃/10 a，其次為南疆和河西走廊亞區，增溫趨勢（0.387 ℃/10 a）均高于西北干旱區；北疆亞區增溫趨勢較小，為0.327 ℃/10 a，增溫趨勢低于西北干旱區。

2.1.2? 季節變化。

從季節變化來看，1981—2019年西北干旱區的4個季節氣溫變化趨勢一致，均呈增溫趨勢（表1），春季增溫趨勢最大，氣溫傾向率為0.570 ℃/10 a，其次為夏季和秋季，氣溫傾向率分別為0.405和0.402 ℃/10 a，均通過0.01水平顯著性檢驗，為極顯著增溫趨勢；冬季增溫趨勢最小，氣溫傾向率為0.121 ℃/10 a（P>0.05），增溫趨勢不顯著。

各亞區氣溫的季節變化存在差異，河西走廊亞區和南疆亞區4個季節的年平均氣溫均高于西北干旱區平均水平，除冬季外，春季、夏季、秋季均呈現極顯著增溫趨勢（P<0.01）。天山亞區四季年平均氣溫均低于全區平均水平，在各亞區中氣溫最低，增溫趨勢在春季和夏季極顯著（P<0.01），秋季為顯著增溫趨勢（P<0.05），冬季增溫趨勢不顯著（P>0.05）。北疆亞區春季和夏季增溫趨勢極顯著（P<0.01），秋季和冬季增溫趨勢不顯著（P>0.05）。

2.1.3? 年代際變化。

為分析西北干旱區的年代際變化特

征，按照年代為時間尺度統計西北干旱區1981—2019年的年平均氣溫序列，結果發現（圖4），近39年西北干旱區氣溫逐年代上升，1981—1990、1991—2000、2001—2010年增溫明顯，年平均氣溫分別為5.27、5.72、6.22 ℃，隨后增溫放緩，2011—2019年年平均氣溫為6.27 ℃，比2001—2010年僅增溫0.05 ℃。各亞區中，北疆、南疆與河西走廊亞區增溫趨勢與全區保持一致，逐年代增溫。天山亞區在1981—1990、1991—2000、2001—2010年增溫，年平均氣溫分別為-0.86、-0.37、0.35 ℃，但2011—2019年年平均氣溫降低，年平均氣溫由2001—2010年的0.35 ℃降至0.14 ℃，溫度降低0.21 ℃。

2.1.4? 突變檢驗。利用Mann-Kendall突變檢驗法分析西北干旱區1981—2019年平均氣溫，結果發現（圖5a），1981—1995年西北干旱區年平均氣溫呈現不顯著的波動上升趨勢，1996年后溫度持續上升，1998年后UF曲線超過了0.05顯著性水平檢驗線，氣溫上升趨勢明顯，UF曲線和UB曲線在1996—1997年產生交點。1981—2019年西北干旱區年平均氣溫累積距平曲線（圖5b）顯示，近39年西北干旱區年平均氣溫呈先下降后上升的趨勢，1981—1996年溫度下降，之后溫度上升。結合2種方法的分析結果，西北干旱區年平均氣溫在1997年發生突變。

2.2? 降水量的時空變化

2.2.1? 年際變化。

1981—2019年西北干旱區年降水量均值

為157.00 mm，山區降水量多，并逐漸向其周邊沙漠和走廊逐漸遞減（圖6）。天山亞區年降水量均值最高，為411.95 mm，高出西北干旱區平均值254.95 mm，其次為北疆亞區，年降水量均值為239.68 mm，河西走廊和南疆亞區年降水量低于西北干旱區。

從圖7可以看出，近39年西北干旱區年降水量整體呈增加趨勢，降水量傾向率為9.509 mm/10 a，降水量增加趨勢極顯著（P<0.01）。各亞區降水量傾向率均為正值，但各亞區存在差異，天山亞區、河西走廊亞區和北疆亞區的降水量增加趨勢高于西北干旱區，其中天山亞區降水量增加趨勢最大，為25.673 mm/10 a（P<0.01）。南疆亞區降水量增加趨勢顯著（P<0.05），但降水量傾向率低于西北干旱區。北疆亞區降水量傾向率未通過顯著性檢驗（P>0.05），降水量增加趨勢不顯著。

2.2.2? 季節變化。

從表2可以看出，1981—2019年西北干旱區4個季節降水量均呈增加趨勢，夏季增加趨勢最大，其次為秋季，降水量傾向率分別為3.878和2.419 mm/10 a，均通過0.01水平的顯著性檢驗。春季降水量傾向率為2.133 mm/10 a（P<0.05），降水量增加趨勢顯著；冬季降水量增加趨勢相對較小，降水量傾向率為1.191 mm/10 a（P<0.01），降水量增加趨勢極顯著。

在各亞區，四季的降水量變化趨勢存在明顯的區域差異。天山亞區4個季節的年降水量和降水量傾向率均高于全區平均水平，秋季降水量增加趨勢較其他季節不顯著，為3.756 mm/10 a（P>0.05）。北疆亞區各季節年降水量高于全區平均水平，但夏季降水量傾向率為負值，為-0.589 mm/10 a（P>0.05）。河西走廊亞區秋季降水量顯著增加，降水量傾向率為3.879 mm/10 a（P<0.01）。南疆各季節降水量均較少，但夏季和冬季降水量傾向率增加趨勢顯著。

2.2.3? 年代際變化。

從圖8可以看出，近39年西北干旱區降水量年代際變化呈上升趨勢，降水量逐年代增加，年代際平均降水量增加9.24 mm。各亞區降水量增加趨勢與西北干旱區保持一致，其中，天山亞區的逐年代降水增加量高于其他亞區，年代際平均降水量增加25.11 mm。北疆亞區1981—1990、1991—2000、2001—2010年降水量增加較大，年降水量平均值分別為223.85、239.32、247.71 mm，但2011—2019年降水量增加較少，降水量由2001—2010年的247.71 mm增至248.76 mm，降水量僅增加1.05 mm。

2.2.4? 突變檢驗。

從圖9a可以看出，1981—2007年西北干旱區年降水量呈現小幅上升趨勢，1986年降水量UF曲線降至最低水平，2010年降水量UF曲線超過了0.05顯著性水平檢驗線并保持持續上升趨勢，降水量增加趨勢明顯，2001—2005年UF曲線和UB曲線在臨界線間有3個交點，在此之后，降水量保持上升趨勢。1981—2019年西北干旱區年降水量累積距平曲線（圖9b）顯示，近39年西北干旱區年降水量先下降，2001年降至最低點，波動變化后持續上升。結合2種方法的分析結果，西北干旱區年降水量在2001年發生突變。

3? 結論

該研究利用西北干旱區1981—2019年0.5°×0.5°氣溫和降水月值格點數據資料，分析近39年來西北干旱區氣溫和降水的時空變化特征，主要結論如下：

（1）1981—2019年西北干旱區年平均氣溫上升趨勢顯著，氣溫傾向率0.377 ℃/10 a（P<0.01），天山亞區增溫趨勢最顯著。四季平均氣溫與年平均氣溫變化趨勢一致，均呈現增溫趨勢，其中春季增溫趨勢最大，升溫速率高達0.570 ℃/10 a，冬季增溫趨勢最小；各亞區中春季、夏季均表現為極顯著增溫趨勢，冬季增溫趨勢不顯著。年平均氣溫經歷了先下降后上升的變化過程，1997年發生由低溫到高溫的突變。氣溫的年代際變化顯示出明顯增溫趨勢，但21世紀開始增溫趨勢減緩。

（2）從降水量來看，近39年西北干旱區年降水量整體呈增加趨勢，降水量傾向率為9.509 mm/10 a（P<0.01），天山亞區增濕趨勢最明顯，北疆亞區增濕趨勢不顯著。全區四季降水量均呈增加趨勢，夏季增加趨勢最大，冬季降水量增加趨勢相對較小，各亞區增濕趨勢具有區域差異性，除北疆亞區夏季呈現降水減少趨勢，其余均為增濕趨勢。年降水量在2001年發生突變，降水增加趨勢明顯。

綜上所述，1981—2019年西北干旱區呈現出整體暖濕化的趨勢。西北干旱區具有的特殊地理位置以及復雜的氣候系統，氣候變化的影響因素多，在此背景下，今后對于西北干旱區氣候變化的研究，更需要對各氣候要素及其產生的影響進行全面分析。

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