石河子地區(qū)近50 a氣溫和降水量變化特征分析

向 導(dǎo)，田 苗，劉 勇

（石河子氣象局，新疆 石河子 832000）

0 引言

氣溫和降水的變化對自然環(huán)境和人類的作用非常重要[1]。目前，世界各地氣溫普遍上升已成為不爭的事實，但這種升溫現(xiàn)象在不同的地域反映出的特征并不相同，主要表現(xiàn)為時間和空間上分布不一致。施雅風(fēng)[2]、于淑秋[3]等人研究發(fā)現(xiàn)，我國西北地區(qū)氣溫和降水整體不斷增多，但是不同的地勢條件和外部影響因素導(dǎo)致這個趨勢出現(xiàn)差異，同時這種氣候變化趨勢對研究區(qū)域的生產(chǎn)生活及自然條件產(chǎn)生了不同程度的影響。本文研究了石河子地區(qū)的氣溫和降水量在不同時間序列上的差異，為了解當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓闆r、水資源利用以及農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

石河子地區(qū)位于 43°20′—45°20′N、84°58′—86°24′E之間，地處天山北麓中段，瑪納斯河以東，古爾班通古特沙漠以北，平均海拔450.8 m，地勢由東南向西北傾斜，海拔高度差異大，地形地貌特征從南向北表現(xiàn)為山地、黃土丘陵、山前洪沖積平原、風(fēng)成沙漠，區(qū)域大小為7 529 km2，分別由石河子市、安集海、下野地及莫索灣4個片區(qū)組成。

1.2 資料來源

本研究將3—5月劃為春季、6—8月劃為夏季、9—11月劃為秋季、12月至翌年 2月劃為冬季。文中所用氣溫和降水資料來自石河子市氣象站、烏蘭烏蘇氣象站、莫索灣氣象站和炮臺氣象站。由于早期部分臺站資料缺測較多以及建站年份不一致，資料年份開始時間不一致，鑒于對討論結(jié)果可靠性及準(zhǔn)確性的考慮，根據(jù)資料連續(xù)性和最長時間等原則，本文選取1964—2013年序列資料進(jìn)行分析。

1.3 研究方法

本文采用線性趨勢分析法、氣候傾向率、Mann—Kendall檢驗方法、R/S分析法對石河子地區(qū)氣溫和降水變化特征進(jìn)行分析，具體原理及方法詳見參考文獻(xiàn)[6-12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 氣溫年際變化和年代變化特征

由圖1可以看出，近50年石河子地區(qū)氣溫呈波動上升趨勢。其中年平均氣溫最低出現(xiàn)在1969年，為5.1℃，年平均氣溫最高出現(xiàn)在2006年，為8.8℃。年平均氣溫的增溫率達(dá)到0.40℃/10 a，較我國年平均氣溫增長率偏高 0.14℃/10 a，與北疆年平均氣溫增長率0.37℃/10 a相比高0.03℃/10 a，由此可見，石河子地區(qū)屬于我國年平均氣溫升高較顯著的地區(qū)之一，并且對于研究北疆年平均氣溫變化具有一定的代表性。

由表1和表2可知，石河子地區(qū)年平均氣溫為6.8—7.5℃，7月平均氣溫和1月平均氣溫差值墾區(qū)北部（炮臺、莫索灣）大于墾區(qū)南部（烏蘭烏蘇、石河子市）；月平均氣溫在0℃以下的月份主要為11月到次年的3月，北部的氣溫相對南部偏低。其中20世紀(jì)60年代研究區(qū)的年平均氣溫為6.2℃，進(jìn)入70年代逐步增加到6.7℃，80年代到90年代是氣溫變化較大的時期，90年代達(dá)到7.4℃，較60年代增加了1.2℃；進(jìn)入21世紀(jì)后，年均氣溫繼續(xù)升高，2001—2013年平均氣溫為8.0℃。

圖1 年平均氣溫的特征趨勢圖Figure 1 The variable trend graph of annual average temperature

2.1.2 年平均最高、最低氣溫變化特征

由表2和圖2可知，石河子地區(qū)近50 a來年平均最高氣溫的氣候傾向率為0.20℃/10 a，1997年后年平均最高氣溫明顯上升。進(jìn)入21世紀(jì)，年平均最高氣溫出現(xiàn)下滑，年平均值為13.5℃，2013年下降到12.5℃，低于50 a平均最高氣溫平均值1.4℃，這是由于氣候變暖趨勢下，極端氣候事件頻發(fā)造成的。近50 a平均最低氣溫的氣候變化傾向率為0.55℃/10 a，增溫速率為年平均最高氣溫增溫速率的2.8倍。

表1 1964—2013年氣溫年際變化情況Table 1 The interannual variations of temperature from 1964 to 2013 ℃

表2 1964—2013年氣溫年代變化情況Table 2 The decadal changes of temperature from 1964 to 2013℃

2.1.3 季平均氣溫變化特征

由圖3可知，近50 a四季平均氣溫表現(xiàn)出逐步增加的態(tài)勢，但不同季節(jié)增溫幅度不同，各季增溫幅度：秋季（0.57℃/10 a）＞春季（0.48℃/10 a）＞冬季（0.37℃/10 a）＞夏季（0.21℃/10 a）。

從石河子地區(qū)近50 a四季平均氣溫年代變化來看（表2），近50 a春季平均氣溫在波動中穩(wěn)步上升，增溫速度最快的是20世紀(jì)90年代后期。夏季平均氣溫變化相對平穩(wěn)，整體呈略上升趨勢，90年代前期逐步下降，隨后開始逐步不規(guī)則上升。秋季升溫幅度居四季之首，進(jìn)入21世紀(jì)升溫較強(qiáng)，秋季平均最高氣溫出現(xiàn)在2006年（10.4℃），平均最低氣溫出現(xiàn)在1976年（5.0℃）。冬季平均氣溫上升趨勢小于春季，平均最低氣溫出現(xiàn)在1984年（-18.8℃），平均最高氣溫出現(xiàn)在1989（-10.5℃）。

圖2 1964—2013年石河子地區(qū)年平均最高最低氣溫變化過程Figure 2 The variable trend graph of annual average maximum/minimum temperature of Shihezi region from 1964 to 2013

圖3 1964—2013年石河子地區(qū)四季平均氣溫變化過程Figure 3 The variable trend graph of average temperature in different seasons of Shihezi region from 1964 to 2013

表3 1964—2013年石河子地區(qū)年、季平均降水量Table 3 The annual and seasonal average precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013 mm

2.2 降水變化特征分析

2.2.1 年降水量變化特征

由圖4可以得出，石河子地區(qū)年降水量總體呈增加趨勢。近50 a氣候傾向率為11.6 mm/10 a，這與我國西北地區(qū)降水量增加的結(jié)論一致，較北疆地區(qū)年平均降水量上升率19.75 mm/10 a偏少8.15 mm/10 a。其中1974—1984年期間降水偏少，1984年以后，石河子地區(qū)降水量呈增加趨勢，出現(xiàn)了1987年、1988年、1999年、2004年和 2010年 5個多水年份，降水量均在250 mm以上，其中1987年為50 a中降水量最多的年份，達(dá)到了291.6 mm，而50 a中降水量最少為107.0 mm，出現(xiàn)在1967年，降水量最大值較最少值多178.5 mm。出現(xiàn)上述5個多水年份的原因是對應(yīng)的某個季節(jié)降水量較大，如1987年秋季降水量多于常年同期降水量，因此該年份年平均降水量就達(dá)到最大值。

由表3可得出，20世紀(jì)60年代后7年至70年代是石河子地區(qū)降水偏少時期，均低于50 a平均值177.4 mm。從各年降水變化圖可以看出，20世紀(jì)70年代是降水最少的時期。從1984年開始降水增多，1981—2000年這 20 a與 50 a的平均值相比較，表現(xiàn)出正常略偏多的特征。進(jìn)入21世紀(jì)后，年降水量迅速增多，2001—2013年年平均降水量較70年代多了51.0 mm，與50年平均值相比多26.6 mm。

圖4 1964—2013年石河子地區(qū)年降水量變化Figure 4 The variable trend of annual precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013

圖5 1964—2013年石河子地區(qū)四季平均降水量變化Figure 5 The variation of seasonal average precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013

2.2.2 季節(jié)降水變化特征

由圖5可知，近50 a石河子地區(qū)四季降水量的變化特征存在差異，四季降水氣候氣象率為夏季（4.32 mm/10a）＞ 冬季（3.37 mm/10 a）＞ 秋季（2.80 mm/10 a）＞ 春季（1.06 mm/10 a）。各季降水存在顯著的年際差異，其中春季降雨量最大值出現(xiàn)在 1998年，為 108.3 mm，是 1963年以來同期最大的降雨量；冬季降水量最大值出現(xiàn)在2010年，為74.7 mm，是由當(dāng)年特大雪災(zāi)引起的。近50 a石河子地區(qū)不同季節(jié)降水量存在明顯的年代差異，四季降水量總體均呈增多趨勢，且在12月至翌年2月增長最為明顯；2000—2010年冬春季降雪較多，達(dá)到了年代最高。從20世紀(jì)60年代開始，春季降雨量的年代特征表現(xiàn)為“上升—下降—上升—下降—上升”。以20世紀(jì)90年代為界，90年代以前秋季降水量呈增多趨勢，90年代以后夏季降水量呈增多趨勢、秋季降水量呈下降趨勢。

2.3 氣溫和降水的突變分析及持續(xù)性分析

2.3.1 氣溫突變點與持續(xù)性分析

圖6 石河子地區(qū)1964—2013年氣溫突變曲線（M—K）Figure 6 The mann-kendall sudden change inspection of annual temperature of Shihezi region from 1964 to 2013

由石河子地區(qū)近50 a平均氣溫突變檢測曲線（圖6）可以得出，自20世紀(jì)80年代中期以來，石河子地區(qū)的年平均氣溫有一明顯增暖趨勢，且1972—2013年UF統(tǒng)計量均大于0，呈不斷上升的趨勢，從1990年開始UF統(tǒng)計量均大于2.16，并通過0.05顯著性水平檢驗臨界線，呈明顯上升的趨勢，1996年以后超過0.01顯著性水平（U0.01=2.56），呈現(xiàn)出劇烈上升的趨勢，表明石河子地區(qū)氣溫的上升趨勢是十分顯著的。綜上，20世紀(jì)80年代中期升溫是一突變現(xiàn)象，突變點為1987年。明后一時間段的變化趨勢將與前一時間段一致，具有較好的持續(xù)性，即1988—2013年的溫度變化也將呈上升趨勢，結(jié)果通過驗證該時段內(nèi)的平均氣溫明顯上升。因為溫度序列1988—2013年的Hurst指數(shù)為0.778＞0.500，由此可以預(yù)測在2013年后的一段時間內(nèi)，石河子地區(qū)的氣溫將呈上升趨勢。從1964—2013年整個時間序列來看，氣溫不僅表現(xiàn)出上升趨勢而且還較顯著 （U=2.195＞1.960），其 Hurst指數(shù)為 0.699 ＞ 0.500，表明在未來的幾十年里氣溫將和過去的50 a變化趨勢一樣向持續(xù)增暖發(fā)展，且這種增暖的趨勢還非常的劇烈。

表4 石河子地區(qū)1964—2013年平均氣溫的R/S分析與趨勢檢驗Table 4 The R/S analysis and tendency test of annual temperature of Shihezi region from 1964 to 2013

2.3.2 降水突變點與持續(xù)性分析

從石河子地區(qū)近50 a年降水量突變判別曲線（圖7）可以得出，1974—1986年UF統(tǒng)計量均小于0，表明這一時間段石河子地區(qū)的降水量呈下降的趨勢，自20世紀(jì)80年代中期至90年代初期U統(tǒng)計量均大于0，石河子地區(qū)的平均降水量有一明顯增多趨勢，但直到21世紀(jì)初期這種上升趨勢才開始超過顯著性水平檢驗0.05臨界線，從1997年開始UF均大于1.96，表明石河子地區(qū)降水量的上升趨勢是顯著的，但沒有氣溫的上升程度那么劇烈。并且能得出石河子地區(qū)的平均降水量在20世紀(jì)80年代中期至90年代初期的增多是一突變現(xiàn)象，突變點為1985年，在這之前降水量增多趨勢不明顯，在這之后降水量增多速度加快。

圖7 1964—2013年石河子地區(qū)年降水量突變曲線（M—K）Figure 7 The mann-kendall sudden change inspection of annual precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013

由表5可知，1964—1985年石河子地區(qū)降水量呈稍微下降的趨勢，但不顯著，（U=-0.386＜0，0.05檢驗水平下的檢驗統(tǒng)計量為 1.96），而Hurst指數(shù)為0.283＜0.500，具有相反的持續(xù)性，這表明石河子地區(qū)1986—2013年的降水量將朝著相反方向發(fā)展，即降水會增多，且這種相反的持續(xù)性強(qiáng)度還較強(qiáng)。結(jié)果通過驗證，該時段內(nèi)的降水呈現(xiàn)出上升的趨勢。因為降水序列1986—2013年的 Hurst指數(shù)為 0.661＞0.500，U=1.182＞ 0，由此可以預(yù)測在2013年后的一段時間內(nèi)，石河子地區(qū)的年降水量將呈上升趨勢。而從1964—2013年整個時間序列來看，降水量呈現(xiàn)出上升趨勢（U=0.492），其Hurst指數(shù)為0.653，具有較強(qiáng)的持續(xù)性，說明石河子地區(qū)未來一段時間里的降水將和過去一樣呈增多的趨勢。

表5 石河子地區(qū)1964—2013年降水量的R/S分析與趨勢檢驗Table 5 The R/S analysis and tendency test of annual precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013

3 結(jié)論

（1）石河子墾區(qū)多年平均氣溫為7.2℃，溫度在各年和各年代整體表現(xiàn)出逐步增加的特征，增溫率達(dá)到0.41℃/10 a。四季平均氣溫表現(xiàn)出逐步增加的態(tài)勢，但不同季節(jié)增溫幅度不同。春季氣溫上升率為0.48℃/10 a，夏季氣溫上升率為為0.21℃/10 a（最慢），秋季氣溫上升率為0.57℃/10 a（最快），冬季氣溫上升率0.37℃/10 a。秋季氣溫和春季氣溫對年平均氣溫升高的貢獻(xiàn)最大。年平均最高氣溫呈現(xiàn)略上升趨勢，氣候傾向率為0.20℃/10 a。年平均最低氣溫的氣候變化傾向率為0.56℃/10 a。（2）墾區(qū)年降水量總體隨著時間不斷增加，近50 a氣候傾向率為11.6 mm/10 a；20世紀(jì)60年代至70年代是石河子地區(qū)降水偏少時期，其中以20世紀(jì)70年代年平均降水量最低。各季降水量變化有所不同，春、夏、秋、冬四季降水量的氣候傾向率分別為 1.06mm/10a、4.32mm/10a、2.80mm/10a、3.37 mm/10 a。夏季降水量增多的趨勢最大，其次為冬季，春季降水量增多的趨勢最小。（3）通過M—K突變檢驗和R/S分析，得出石河子地區(qū)氣溫和降水呈現(xiàn)出上升的趨勢，而且氣溫上升趨勢更為顯著。年平均氣溫的突變反映在時間序列上是1987年，降水的突變反映在時間序列上是1985年。突變時間非常相近，趨勢也基本一致，只是劇烈程度不同。氣溫和降水的Hurst值基本上都接近于0.7左右，說明氣溫和降水保持著良好的相關(guān)性，同時石河子地區(qū)在未來的幾十年里氣溫將朝著增暖，降水將朝著增多的趨勢發(fā)展，且氣溫增暖的持續(xù)性強(qiáng)于降水。

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