近54年博州地區(qū)低云量變化特征及影響因素分析

巴清虎 曹月娥 張曌璇

摘要 選取新疆博州地區(qū)4個(gè)氣象站1960—2013年逐月的氣象數(shù)據(jù)，通過線性擬合、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、小波分析、相對(duì)貢獻(xiàn)率和敏感系數(shù)分析方法，分析近54年來該地區(qū)的低云量變化特征及與其他氣候因子的關(guān)系。結(jié)果表明，近54年博州地區(qū)低云量呈明顯上升趨勢(shì)，上升幅度約為1.2%/10 a，多年平均值為22.57%，且序列的正持續(xù)性較強(qiáng)；夏季的低云量最低，為20.47%，春季最高，為24.17%；全年低云量從在2001年發(fā)生突變性增加；春季和夏季低云量均值不存在突變性增加，秋季和冬季低云量分別于1999和1989年發(fā)生突變性增加；低云量演變過程中存在著8～9和25～26年尺度的周期變化規(guī)律；8年的時(shí)間尺度是低云量變化的第1主周期，14年的時(shí)間尺度為低云量變化的第2周期；相對(duì)濕度對(duì)低云量具有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率，達(dá)51.3%，而降水量對(duì)低云量的相對(duì)貢獻(xiàn)率最小，僅為6.1%，降水量與低云量的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.67（P<0.01），平均氣溫的相關(guān)系數(shù)最低，僅為0.29（P<0.05）。

關(guān)鍵詞 低云量；變化特征；突變檢驗(yàn)；小波分析；相對(duì)貢獻(xiàn)率；敏感系數(shù)；影響因素；博州地區(qū)

中圖分類號(hào) P468 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）08-0202-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.08.053

Abstract The meteorological data of 4 meteorological stations in Bozhou area of Xinjiang from 1960 to 2013 were selected，the characteristics of low cloud cover and its relationship with other climatic factors in the past 54 years were analyzed by linear fitting，MannKendall mutation test，wavelet analysis，relative contribution rate and sensitivity coefficient analysis method.The results showed that the low cloud cover in Bozhou area had shown an obvious upward trend in the past 54 years，with an increase of about 1.2%/10 a，with an average of 22.57% for many years，and the sequence had a strong positive sustainability；the lowest amount of low cloudiness in summer was 20.47%，and the highest amount in spring was 24.17%.The annual low cloud volume increased from 2001；there was no increase in the mean value of low cloud cover in spring and summer，and the increase in the amount of low cloud in autumn and winter increased in 1999 and 1989，respectively；During the evolution of low cloud quantity，there were periodic variations of 8-9 and 25-26 years；the 8year time scale was the 1st main cycle of low cloud cover change，and the 14year time scale is the second period of low cloud cover change；relative humidity had the highest relative contribution rate to low cloud amount，reaching 51.3%，while the relative contribution rate of precipitation to low cloud amount was the smallest，only 6.1%.The correlation between precipitation and low cloud cover was the highest，the correlation coefficient was 0.67 （P<0.01），and the correlation coefficient between average temperature and low cloud cover was the lowest，only 0.29 （P<0.05）.

Key words Low cloud amount；Change characteristics；Mutation test；Wavelet analysis；Relative contribution rate；Sensitivity coefficient；Influencing factors；Bozhou area

云是調(diào)節(jié)輻射平衡和水汽循環(huán)、影響氣候變化的重要因子，其形成與特性是地表與大氣各種動(dòng)力、熱力過程作用的結(jié)果，在地氣系統(tǒng)中居重要地位[1-3]。云的生成和變化，不僅受氣候其他因子的影響，而且是引起日照、氣溫、相對(duì)濕度等發(fā)生變化的原因。云覆蓋率的氣候性年代際變化，不僅會(huì)增加氣候系統(tǒng)的區(qū)域性差異，同時(shí)也會(huì)使地表生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生適應(yīng)性調(diào)整，以及使植物生長(zhǎng)物候發(fā)生改變[4]。其中，對(duì)于低云的研究一直是云量研究所關(guān)注的熱點(diǎn)。

低云在地氣系統(tǒng)中主要表現(xiàn)為致冷效應(yīng)，又是降水的主要云系[5]，與降水關(guān)系密切。迄今為止，大量學(xué)者對(duì)于區(qū)域低云量做了許多工作，封彩云等[6]通過觀測(cè)資料得出，我國北方低云量與降水量具有更顯著的相關(guān)性；張亞洲[7]分析了南海及周邊地區(qū)的云量特征，指出低云主要分布在南海海區(qū)，并且受海表溫度影響較大；敖澤建等[8]研究指出，甘南地區(qū)低云分布呈南多北少和東多西少的趨勢(shì)；牛曉瑞等[9]研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)秋季的低云量減少趨勢(shì)最為顯著；阿麗亞·拜都熱拉等[10]分析指出，新疆山區(qū)的低云量明顯高于沙漠地區(qū)。但已有的研究多集中在較大尺度，對(duì)于一些典型小尺度區(qū)域缺乏關(guān)注，同時(shí)對(duì)于干旱-半干旱地區(qū)低云量與其他氣候因子的關(guān)系鮮有報(bào)道。博州地區(qū)位于亞歐大陸腹地，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，同時(shí)該區(qū)域?qū)τ跉夂蜃兓捻憫?yīng)也具有獨(dú)特性[11]。因此，該研究以博州地區(qū)為靶區(qū)，分析近54年該區(qū)域低云量的變化趨勢(shì)，并探討其他氣候因子對(duì)低云量的影響，以期為該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

博爾塔拉蒙古自治州地處亞歐大陸腹地，位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，地理位置為79°53′～83°53′E、44°02′～45°23′N。在準(zhǔn)噶爾盆地西緣，東連塔城地區(qū)，南接伊犁哈薩克自治州，西北部與哈薩克斯坦接壤，總面積2.7萬km2，邊境線長(zhǎng)380 km。博州地區(qū)包括阿拉山口市、博樂市、溫泉縣和精河縣，年日照時(shí)數(shù)約為2 800 h，年平均降水量為90.99 mm，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，是典型的干旱-半干旱大陸性氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，春季氣溫冷暖多變，夏季高溫，氣候炎熱，伴有干熱風(fēng)，秋季氣爽，冬季長(zhǎng)而寒冷，日平均氣溫6～8 ℃，極端最高氣溫44 ℃，極端最低氣溫-36 ℃，≥10 ℃的積溫3 137.9 ℃·d，無霜期169 d。該區(qū)域主要植物類型包括胡楊、檉柳、梭梭、蘆葦?shù)萚12]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

精河站、博樂站、溫泉站和阿拉山口站的氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn），分別獲取各站點(diǎn)1960—2013年逐月的平均氣溫、降水量、相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)。季節(jié)劃分為春季（3―5月）、夏季（6―8月）、秋季（9―11月）、冬季（12月—翌年2月）。各氣象站點(diǎn)基本資料如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 低云量變化趨勢(shì) 從圖1可以看出，近54年博州地區(qū)低云量呈上升趨勢(shì)，上升幅度約為1.2%/10 a，非參數(shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量︱z︱=0.302 6>z（0.05）=0.183 6，說明研究區(qū)年際低云量的上升趨勢(shì)顯著。低云量多年平均值為22.57%，最大值為30.56%（2010年），最小值為15.89%（1974年），變差系數(shù)Cv為0.176，偏態(tài)系數(shù)Cs為0.199，說明年際低云量序列的離散程度較小，并且為正偏分布。Hurst指數(shù)H為0.810，說明年際低云量序列具有正的持續(xù)性，即過去的一個(gè)增長(zhǎng)趨勢(shì)意味著將來的一個(gè)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且序列的正持續(xù)性較強(qiáng)。

距平值表示了氣候變量偏離正常情況的程度。從表2可以看出，博州地區(qū)低云量在各年代為波動(dòng)上升趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代的均值最低，僅為19.19%，2000年后的均值最大，達(dá)26.75%；20世紀(jì)60—90年代的距平值均為負(fù)值，說明這4個(gè)時(shí)期的平均低云量均小于年際序列均值，但整體為上升趨勢(shì)，2000年后的低云量均值較年際序列均值更大。4個(gè)季節(jié)的低云量中，夏季的低云量最低（20.47%），春季最高（24.17%），各年代春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的低云量均為波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中春季的變化最為平緩，并且3個(gè)季節(jié)20世紀(jì)70—90年代的低云量均較低，在2000年后春季和秋季均轉(zhuǎn)為正距平，與全年低云量的變化趨勢(shì)較為一致；各年代冬季低云量為持續(xù)上升趨勢(shì)，且上升趨勢(shì)顯著，2000年后的低云量比20世紀(jì)60年代增加了76.6%，并且具有最高的正距平。4個(gè)季節(jié)低云量序列的Hurst指數(shù)H分別為0.64、0.81、0.78和0.86，4個(gè)季節(jié)均為正的持續(xù)性，春季的正持續(xù)性較弱，冬季的正持續(xù)性最強(qiáng)。

2.2 低云量突變檢驗(yàn)及周期變化分析

從研究區(qū)年際及季節(jié)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果（圖2）可以看出，全年低云量20世紀(jì)60—70年代有一個(gè)小的減小趨勢(shì)，但從80年代開始轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)。通過UF和UB曲線的交點(diǎn)可知，全年低云量在2001年發(fā)生突變性增加。對(duì)1960—2001年和2002—2013年進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果為︱t0︱=4.06>t0.01（t0.01=2.674），這2個(gè)時(shí)期低云量均值具有顯著差異，2001年為突變點(diǎn)。同理，由UF和UB曲線可知，春季和夏季低云量均值不存在突變點(diǎn)，而秋季和冬季UF和UB的交點(diǎn)分別為1999和1989年，對(duì)這2個(gè)季節(jié)交點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)段進(jìn)行t檢驗(yàn)，其︱t0︱分別為3.87和5.64，因此秋季和冬季低云量分別于1999和1989年發(fā)生突變性增加。

小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能反映干燥指數(shù)序列不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間域中的分布，進(jìn)而能判斷在不同時(shí)間尺度上干燥指數(shù)的未來變化趨勢(shì)[20]。當(dāng)小波系數(shù)實(shí)部值為正時(shí)，表示干燥程度較大，反之，則代表干燥程度較低。等值線的密集程度代表了信號(hào)振蕩的強(qiáng)弱，等值線越密集說明比常年越干燥[21]。從圖3可以看出，低云量在長(zhǎng)時(shí)間序列演變過程中存在多時(shí)間尺度特征?？傮w上來說，研究區(qū)低云量演變過程中存在著8～9年和25～26年尺度的周期變化規(guī)律。其中，在25～26年尺度上出現(xiàn)了小—大交替的準(zhǔn)3次振蕩，8～9年尺度上出現(xiàn)了準(zhǔn)2次振蕩，這2個(gè)尺度的周期變化在整個(gè)時(shí)間序列上表現(xiàn)得比較穩(wěn)定，具有全域性。并且小波系數(shù)實(shí)部等值線在2000年之后更加密集，說明研究區(qū)低云量在2000年之后的變化更為劇烈。

在得出了研究區(qū)干燥指數(shù)的振蕩規(guī)律之后，為了進(jìn)一步確定干燥指數(shù)變化的主周期，接下來計(jì)算了小波方差。從圖4可以明顯看出，干燥指數(shù)的小波方差圖中存在2個(gè)明顯的峰值，依次為8和14年的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)著8年的時(shí)間尺度，第2峰值對(duì)應(yīng)著14年的時(shí)間尺度，說明8年左右的周期振蕩最強(qiáng)，是低云量變化的第1主周期，而14年的時(shí)間尺度為低云量變化的第2周期。上述2個(gè)周期的波動(dòng)控制著研究區(qū)低云量在整個(gè)時(shí)間域的變化特征。

2.3 低云量氣候敏感系數(shù)及貢獻(xiàn)率分析

該研究選取了研究區(qū)平均氣溫、降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速和輻射量作為低云量的影響因子，從各氣候因子對(duì)低云量的相對(duì)貢獻(xiàn)率和敏感系數(shù)（表3）可以看出，研究區(qū)的相對(duì)濕度對(duì)低云量具有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率，達(dá)51.3%，其次為輻射量，達(dá)28.0%，而降水量對(duì)低云量的相對(duì)貢獻(xiàn)率最小，僅為6.1%。由各氣候因子的敏感系數(shù)可知，低云量對(duì)于相對(duì)濕度、風(fēng)速和輻射量的響應(yīng)呈減小趨勢(shì)，而對(duì)平均氣溫和降水量的響應(yīng)為增加趨勢(shì)。低云量對(duì)于相對(duì)濕度最為敏感，敏感系數(shù)為-8.15，而對(duì)風(fēng)速最不敏感，敏感系數(shù)僅為-0.46。這說明研究區(qū)平均氣溫和降水量每增加10%，低云量就會(huì)增加10.2%和7.2%，而當(dāng)相對(duì)濕度、風(fēng)速和輻射量每增加10%，低云量則分別減少81.5%、4.6%和9.9%。各氣候因子中，相對(duì)濕度均具有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率和敏感系數(shù)，而降水量的相對(duì)貢獻(xiàn)率和敏感系數(shù)均較低。從各氣候因子與低云量的相關(guān)性分析可以看出，降水量與低云量的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.67（P<0.01），平均氣溫的相關(guān)系數(shù)最小，僅為0.29（P<0.05）；相對(duì)濕度、風(fēng)速和輻射量與低云量的相關(guān)性較為接近。

3 討論

近幾十年來，西北地區(qū)的氣候已逐漸由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變[22]，已有研究表明，博州地區(qū)的氣溫和降水均呈上升趨勢(shì)，而蒸散呈下降趨勢(shì)[23]。由于低云量與降水量具有較好的相關(guān)性，研究區(qū)低云量的增加趨勢(shì)可能是該區(qū)域降水增加和蒸散下降的原因。但在不同的地形，低云量與降水量的關(guān)系具有明顯差別，尤其是在高原區(qū)域，低云量與降水量并沒有表現(xiàn)出很好的相關(guān)性，因此在進(jìn)行云量分析時(shí)應(yīng)注意區(qū)域地形的影響。在4個(gè)季節(jié)中，春季具有最高的低云量，Koren等[24]研究指出，氣溶膠粒子對(duì)太陽輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用，會(huì)加熱大氣，從而抑制云的形成。而張喆等[25]分析博州地區(qū)氣溶膠的發(fā)生發(fā)展指出，春季是該區(qū)域氣溶膠活動(dòng)最為活躍的時(shí)期，而這與博州地區(qū)春季較高的低云量并不一致，這可能是由于該區(qū)域位于阿拉山口大風(fēng)主通道，大風(fēng)使氣溶膠顆粒向其他方向移動(dòng)，從而減少了對(duì)云量的影響。云主要由水汽凝結(jié)或凝華而成，一個(gè)區(qū)域云量的多少與濕度也有緊密關(guān)系[26]。該研究得出的相對(duì)濕度對(duì)低云量具有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率，并且低云量對(duì)相對(duì)濕度最為敏感也符合這一規(guī)律，因此西北地區(qū)逐漸向暖濕變化的氣候是該區(qū)域低云量增加的主要原因。

隨著人類對(duì)地球陸地表面的改造不斷加劇，對(duì)于土地利用/覆被變化所引起的水資源變化也受到學(xué)者的重視[27]。土地利用變化很大程度上改變了輻射、云、地表反射率等，進(jìn)而影響陸-氣之間的能量、水分交換和水循環(huán)過程，是水資源變化的重要影響因素[28]。該研究?jī)H對(duì)不同氣候因子對(duì)低云量的影響進(jìn)行了分析，而缺少對(duì)人類活動(dòng)影響的分析，在今后的研究中，應(yīng)當(dāng)從自然因素和人為因素的共同作用下分析區(qū)域云量的變化。

4 結(jié)論

該研究通過對(duì)近54年博州地區(qū)低云量的變化趨勢(shì)分析，以及其他氣候因子對(duì)該區(qū)域低云量的影響分析，得出以下結(jié)論：

（1）近54年博州地區(qū)低云量呈明顯上升趨勢(shì)，上升幅度約為1.2%/10 a，多年平均值為22.57%，且序列的正持續(xù)性較強(qiáng)；夏季的低云量最低（20.47%），春季最高（24.17%），4個(gè)季節(jié)均為正的持續(xù)性，春季的正持續(xù)性較弱，冬季的正持續(xù)性最強(qiáng)。

（2）全年低云量20世紀(jì)60—70年代有一個(gè)小的減小趨勢(shì)，但80年代開始轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，在2001年發(fā)生突變性增加；春季和夏季低云量均值不存在突變性增加，秋季和冬季低云量分別于1999和1989年發(fā)生突變性增加。

（3）低云量演變過程中存在著8～9年和25～26年尺度的周期變化規(guī)律；8年的時(shí)間尺度是低云量變化的第1主周期，14年的時(shí)間尺度為低云量變化的第2周期。

（4）相對(duì)濕度對(duì)低云量具有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率，達(dá)51.3%，其次為輻射量，達(dá)28.0%，而降水量對(duì)低云量的相對(duì)貢獻(xiàn)率最小，僅為6.1%；低云量對(duì)于相對(duì)濕度最為敏感，敏感系數(shù)為-8.15，而對(duì)風(fēng)速最不敏感，敏感系數(shù)僅為-0.46；降水量與低云量的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.67（P<0.01），平均氣溫的相關(guān)系數(shù)最低，僅為0.29（P<0.05）。

參考文獻(xiàn)

[1]RAMANATHAN V，CESS R D，HARRISON E F，et al.Cloudradiative forcing and climate：Results from the earth radiation budget experiment[J].Science，1989，243（4887）：57-63.

[2] SUN B，GROISMAN P Y.Cloudiness variations over the former Soviet Union[J].International journal of climatology，2000，20：1097-1111.

[3] 丁守國，趙春生，石廣玉，等.近 20 年全球總云量變化趨勢(shì)分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2005，16（5）：670-676.

[4] 徐興奎.中國區(qū)域總云量和低云量分布變化[J].氣象，2012，38（1）：90-95.

[5] 丁生祥，郭連云.近50年三江源地區(qū)低云量變化特征及與其他氣候因子的關(guān)系[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2016，32（13）：141-146.

[6] 封彩云，王式功，尚可政，等.中國北方水汽與云和降水的關(guān)系[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，45（4）：30-36.

[7] 張亞洲.南海及周邊地區(qū)云量分布及低云量與南海海溫的關(guān)系[J].氣象科學(xué)，2012，32（3）：260-268.

[8] 敖澤建，王殿國，王成福.甘南高原低云量的變化趨勢(shì)分析[J].甘肅科技，2015，31（5）：22-24.