1976—2017 年烏魯木齊市升溫對(duì)季節(jié)的影響

張?jiān)氯A，王 健，蔣慧敏，王 毅*

（烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)[1-5]，氣候變暖將直接導(dǎo)致四季長(zhǎng)度的變化，因?yàn)樗募镜淖兓c人們的日常生活、生產(chǎn)等密切相關(guān)，如農(nóng)事安排、作物生長(zhǎng)、節(jié)能減排、穿衣保健、時(shí)令商品銷售等無不受其影響。人們對(duì)這方面的研究也逐漸增多，如丁海燕對(duì)北京1951 年以來近60 a 日平均氣溫的變化分析，認(rèn)為氣溫上升導(dǎo)致夏秋季延長(zhǎng)，而冬春季縮短；環(huán)海軍的研究表明1966—2015 年的近50 a 來山東中部夏季延長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，冬季縮短趨勢(shì)明顯；張靜對(duì)江蘇省四季變化分析認(rèn)為春季開始期發(fā)生的時(shí)間向前推移了10 d 等[6-10]。但新疆氣象工作者就氣候變暖對(duì)當(dāng)?shù)丶竟?jié)的影響方面的研究工作不多，本文僅對(duì)烏魯木齊市氣溫變化對(duì)季節(jié)的影響做了相應(yīng)的分析，表明隨著氣候變暖，烏魯木齊市四季也發(fā)生了明顯的變化，即夏季明顯延長(zhǎng)、冬季明顯縮短，當(dāng)?shù)卣陀嘘P(guān)生產(chǎn)部門如果能順應(yīng)季節(jié)的變化，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、疾病預(yù)防和控制、節(jié)能減排等合理安排，將意義重大。

目前作氣候研究時(shí)對(duì)四季的劃分有多種方法[11-12]，最常用的是天文學(xué)上的3 個(gè)月為一季，把1 a 劃分為4 個(gè)時(shí)間等長(zhǎng)的季節(jié)作為研究對(duì)象，但中國(guó)南北氣候差異大，這種全國(guó)統(tǒng)一的四季劃分標(biāo)準(zhǔn)很難準(zhǔn)確反應(yīng)出各地的四季更替，模糊了不同地區(qū)季節(jié)間的冷暖差異，對(duì)位于中高緯度的烏魯木齊顯然是不合適的。烏魯木齊雖然四季分明，但冬季非常漫長(zhǎng)，上述劃分方法不僅不能反映出當(dāng)?shù)厮募九c群眾生活和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)系，也不能反映出氣候變暖背景下季節(jié)長(zhǎng)度的變化情況。據(jù)張家寶主編的《新疆短期天氣預(yù)報(bào)指導(dǎo)手冊(cè)》中對(duì)新疆季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)：以候平均氣溫穩(wěn)定上升到0 ℃、農(nóng)事活動(dòng)伊始作為春季的開始，候平均氣溫穩(wěn)定上升到20 ℃、作物生長(zhǎng)旺盛階段作為夏季的開始，當(dāng)候平均氣溫下降到20 ℃以下時(shí)進(jìn)入秋季，繼續(xù)下降到0 ℃以下時(shí)進(jìn)入冬季，這不僅與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)，也與人們的生活習(xí)慣相適應(yīng)，即0～20 ℃為春季，20 ℃以上為夏季，20～0 ℃為秋季，0 ℃以下為冬季，這種結(jié)合物候和氣溫對(duì)四季的劃分方法對(duì)新疆來說更接近實(shí)際、更科學(xué)。

本文從最基本的氣象資料入手，對(duì)烏魯木齊市的氣溫變化、四季的開始日期及季節(jié)長(zhǎng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了全面闡述，并對(duì)四季開始時(shí)間與氣溫的關(guān)系、四季長(zhǎng)度與氣溫的關(guān)系進(jìn)行定量分析，為以后氣候預(yù)測(cè)提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

由于遷站等原因，為使資料有一定的連續(xù)性，選用烏魯木齊市國(guó)家基準(zhǔn)站1976—2017 年共42 a 逐日平均、逐日最低、逐日最高氣溫資料作為研究對(duì)象。

1.2 分析方法

運(yùn)用線性趨勢(shì)法對(duì)氣溫、季節(jié)開始日期、季節(jié)長(zhǎng)度進(jìn)行一元線性回歸，用F 檢驗(yàn)對(duì)線性趨勢(shì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)， 判斷線性趨勢(shì)是否顯著； 采用Mann-Kendall 方法進(jìn)行突變分析。

各季開始日期（開春期、入夏期、入秋期、入冬期）選取時(shí)，為使氣溫資料更符合實(shí)際，以新疆地方標(biāo)準(zhǔn)DB65 T 2992-2009 氣候術(shù)語中，規(guī)定的方法，如開春期選取方法：氣溫上升過程中，日平均氣溫5 d滑動(dòng)平均穩(wěn)定≥0 ℃時(shí)，取第一個(gè)日平均溫度≥0 ℃的日期為開春期，當(dāng)日平均氣溫已經(jīng)穩(wěn)定通過0 ℃后，若遇到持續(xù)低溫天氣過程，使得日平均氣溫又＜0 ℃，當(dāng)前期≥0 ℃的日數(shù)多于＜0 ℃日數(shù)，則以前面的日期為開春期；當(dāng)前期≥0 ℃的日數(shù)少于＜0 ℃日數(shù)，則以后面的日期為開春期。入夏期、入秋期和入冬期的選取方法同上。為了計(jì)算方便，四季開始日期選取時(shí)，將日期型轉(zhuǎn)化為數(shù)字型進(jìn)行計(jì)算。

四季長(zhǎng)度的計(jì)算方法：選取開春期至入夏期的前一日為春季日數(shù)，同樣計(jì)算出夏季、秋季、冬季的日數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 氣溫年際變化

2.1.1 年平均氣溫的變化

1976 年以來，年平均氣溫的多年平均值為7.3 ℃，最高值出現(xiàn)在1997 年和2015 年，為8.8 ℃，最低值出現(xiàn)在1984 年為5.0 ℃。1997 年前的21 a 出現(xiàn)高于平均值的年份僅有3 a，1997 年之后的21 a 出現(xiàn)高于平均值的年份有19 a，且烏魯木齊最暖的10個(gè)年份均出現(xiàn)在1997 年之后，可見烏魯木齊市年平均氣溫1997 年后上升趨勢(shì)非常顯著（圖1）。

圖1 烏魯木齊1976—2017 年氣溫年際變化

年平均氣溫上升明顯，線性增溫速率為0.50 ℃/10 a，42 a 上升了2.1 ℃，增暖的趨勢(shì)通過了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)。據(jù)IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告[13]指出1951—2012 年全球平均地表溫度的升溫速率為0.12 ℃/10 a，可見烏魯木齊的增溫速率遠(yuǎn)大于全球地表的升溫速率，這是烏魯木齊城市化效應(yīng)影響的結(jié)果。

2.1.2 年平均最高和最低氣溫的變化

年平均最高氣溫多年平均值為12.8 ℃，最高值出現(xiàn)在1997 年為14.4 ℃，最低值出現(xiàn)在1984 年為10.6 ℃，1997 年前的21 a 正距平有7 a，1997 年后的21 a 正距平有15 a，且排在前8 位年份都出現(xiàn)在1997 年之后。年際間變化也有明顯上升的趨勢(shì)，線性增暖趨勢(shì)為0.31 ℃/10 a，近42 a 共上升1.9 ℃，增暖的趨勢(shì)通過了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)。

年平均最低氣溫多年平均值為2.9 ℃，最高值出現(xiàn)在2016 年為5.1 ℃，最低值出現(xiàn)在1984 年為0.2 ℃，1997 年前的21 a 高于平均值的年份僅4 a，而1997 年以后的21 a 高于平均值的有20 a，且1976 年以來的最暖的18 個(gè)年份均出現(xiàn)在1997 年之后。年平均最低氣溫上升的趨勢(shì)最為明顯，傾向率為0.77 ℃/10 a，上升速率明顯大于年平均氣溫和最高氣溫，約是年平均最高氣溫的2.5 倍，42 a 共上升了3.2 ℃，增暖的趨勢(shì)也通過了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)。

可見年平均、年平均最高、年平均最低氣溫都有明顯的上升趨勢(shì)，但增溫速率不同，最低氣溫增溫速率最大，最高氣溫增溫速率最小，年平均氣溫的上升主要是由于最低氣溫的上升引起，導(dǎo)致氣溫日較差有減小的趨勢(shì)。年平均、年平均最高、年平均最低氣溫變化的共同點(diǎn)是1984 年為最低值，20 世紀(jì)末開始顯著上升，近20 多年來，氣溫偏高幅度達(dá)到了前所未有的高度。

2.2 四季開始日期和季節(jié)長(zhǎng)度的變化

2.2.1 四季開始日期的變化

將各季節(jié)開始日期（即開春期、入夏期、入秋期、入冬期）轉(zhuǎn)化為日序，計(jì)算其距平的大小作出圖2。

從四季開始日期的演變曲線來看，各期的年際變化中不僅有提前或推后的趨勢(shì)，也存在較大的波動(dòng)性。如開春期多年平均值為3 月20 日，最早和最晚出現(xiàn)日期相差了31 d，2008 年前為緩慢提前的趨勢(shì)，2008 年達(dá)歷史最早為3 月3 日，比常年提前了17 d，2008 年后為推遲的趨勢(shì)，2010 年達(dá)到歷史最晚為4 月3 日，比常年偏晚了14 d，可見近10 a 開春期波動(dòng)異常明顯。從年際間變化來看，其傾向率為-1.8 d/10 a，通過了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)，即有明顯提前的趨勢(shì)。由于開春期的前一天是冬季結(jié)束日期，因此冬季結(jié)束期也有明顯提前的趨勢(shì)。

入夏期平均日期為6 月8 日，2008 年出現(xiàn)歷史最早為5 月9 日，比常年提前了33 d，1987 年最晚為6 月25 日，比常年偏晚17 d，最早與最晚相差50 d，波動(dòng)性大。從年際變化看，傾向率為-3.2 d/10 a，提前的趨勢(shì)比開春期更明顯。1987 年前略有推遲的趨勢(shì)，之后提前趨勢(shì)明顯。

入秋期平均日期為9 月1 日，最早為1992 年8月15 日，最晚為2016 年9 月24 日，相差40 d。從年際變化看，傾向率為2.7 d/10 a，1988 年前略有推遲，1992 年后明顯推遲。

入冬期平均日期為11 月12 日，最早為1987 年10 月27 日，最晚為1994 年11 月30 日，相差了34 d，雖然有緩慢推遲的趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不明顯，傾向率僅為1.9 d/10 a，相對(duì)而言入冬期變化比較平緩，波動(dòng)性較小。

2.2.2 四季長(zhǎng)度的變化

計(jì)算各季節(jié)的多年平均值可以看出，一年中冬季時(shí)間最長(zhǎng)持續(xù)達(dá)129 d，夏季次之為86 d，秋季最短僅有71 d，春季為79 d。

由于四季開始日期的顯著變化必然會(huì)導(dǎo)致四季長(zhǎng)度的變化，四季之中只有夏季長(zhǎng)度明顯延長(zhǎng)，其傾向率為5.9 d/10 a，42 a 共增加了25 d，其余各季均有不同程度縮短，其中縮短最明顯的是冬季，其傾向率為-3.6 d/10 a，42 a 來減少了15 d，春秋季長(zhǎng)度年際變化的傾向率分別為-1.4 d/10 a 和-0.8 d/10 a，42 a 分別減少了6 d 和4 d（圖3）。

2.3 四季變化與氣溫的關(guān)系

圖2 烏魯木齊四季初日距平變化

圖3 烏魯木齊四季長(zhǎng)度變化

2.3.1 四季開始日期與平均氣溫的關(guān)系

分析各季的開始日期和年平均氣溫、各月平均氣溫的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，春夏冬季的開始日期不僅與年平均氣溫都有很好的線性相關(guān)性，并且開春期與3 月平均氣溫、入夏期與6 月平均氣溫、入秋期與9 月平均氣溫、入冬期與11 月平均氣溫的線性相關(guān)性更好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了0.01 的顯著水平（表1）。

表1 各季開始日期與氣溫的關(guān)系

當(dāng)年平均氣溫偏高時(shí)，開春期和入夏期將提前、入秋期和入冬期將推后；隨著3 月和6 月氣溫的升高，開春期和入夏期顯著提前，隨著9 月和11 月氣溫的升高，入秋期和入冬期顯著推遲，可見氣溫的變化對(duì)四季開始日期的影響是非常顯著的。

由于四季開始日期與對(duì)應(yīng)月份氣溫相關(guān)性密切，其相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了0.01 的顯著水平，證明它們之間存在著顯著的線性相關(guān)關(guān)系，為了分析它們之間的定量關(guān)系，做春夏秋冬各季開始日期與其對(duì)應(yīng)月的氣溫之間的線性方程如下：

式中，y1表示春季開始日期，x1表示3 月平均氣溫。

轉(zhuǎn)椅也是老的，老到可以進(jìn)博物館，看著又有說不出的親切。小時(shí)候，跟隨母親去街上理發(fā)，坐的就是這樣的轉(zhuǎn)椅，有點(diǎn)臟，又極舒服，椅背可以放下來，讓人仰躺著。

式中，y2表示夏季開始日期，x2表示6 月平均氣溫。

式中，y3表示秋季開始日期，x3表示9 月平均氣溫。

式中，y4表示冬季開始日期，x4表示11 月平均氣溫。

由上述線性方程可以看出，當(dāng)3 月氣溫升高1 ℃時(shí)，開春期將比常年提前近2 d；當(dāng)6 月氣溫升高1 ℃時(shí)，夏季開始日期將提前4 d；當(dāng)9 月氣溫偏高1 ℃時(shí)，秋季開始日期將推遲近3 d；當(dāng)11 月氣溫升高1 ℃時(shí)，冬季開始日期將推遲2 d，特別是開春期與入冬期對(duì)氣溫變化的依賴性更高。

2.3.2 四季長(zhǎng)度變化與氣溫的關(guān)系

由表2 可以看出，春季和秋季的長(zhǎng)度變化與年平均氣溫的相關(guān)性不明顯，夏季和冬季長(zhǎng)度變化與年平均氣溫有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性均通過了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)，其線性方程分別為：

式中，y5表示夏季長(zhǎng)度，y6表示冬季長(zhǎng)度，x5表示年平均氣溫，當(dāng)年平均氣溫每升高1 ℃時(shí)，夏季長(zhǎng)度會(huì)延長(zhǎng)6 d，冬季長(zhǎng)度就會(huì)縮減7 d，年平均氣溫的變化對(duì)冬季的延長(zhǎng)或縮短更為明顯。

表2 各季長(zhǎng)度變化與氣溫的關(guān)系

2.4 突變檢驗(yàn)

用M-K 檢驗(yàn)方法對(duì)烏魯木齊市年平均氣溫、四季長(zhǎng)度變化趨勢(shì)分別進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析（圖4），由圖4a可以看出，年平均氣溫的UF 和UB 兩條曲線在信度a=0.05 的±1.96 臨界線之間交點(diǎn)位于1995 年，1997 年后年平均氣溫上升趨勢(shì)超過了+1.96 臨界線，說明1995年前后發(fā)生突變，1997 年后氣溫上升非常顯著。

圖4b 中春季日數(shù)波動(dòng)明顯，2008 年之前為波動(dòng)增加的趨勢(shì)，2008 年之后轉(zhuǎn)為逐步減少的趨勢(shì)，UF 和UK 兩條曲線在±1.96 臨界線之間交于2017年，說明春季日數(shù)的年際變化在2017 年后可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)折；圖4c 中夏季日數(shù)的UF 和UK 兩條曲線在±1.96 臨界線之間有一個(gè)交叉點(diǎn)為2007 年，2010年后夏季日數(shù)延長(zhǎng)趨勢(shì)超過了0.05 顯著性水平的臨界線，說明夏季長(zhǎng)度在2007 年發(fā)生突變，2010年后延長(zhǎng)趨勢(shì)非常顯著；圖4d 中秋季日數(shù)的UF和UK 曲線有3 個(gè)交點(diǎn)，分別是在1985、1989 年和2015 年，為了進(jìn)一步確定突變點(diǎn)，分別對(duì)3 個(gè)交叉點(diǎn)作不同時(shí)間的t 檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)交叉點(diǎn)均不是突變點(diǎn)，且兩條曲線均在臨界線以內(nèi)，說明秋季日數(shù)的年際變化比較平穩(wěn)，波動(dòng)性?。粓D4e 中冬季日數(shù)的UF 和UK 曲線在±1.96 臨界線之間共有4 個(gè)交點(diǎn)，分別是1994、1997、1998 年和2000 年，用t 檢驗(yàn)確定只有2000 年為突變點(diǎn)， 其t=3.17＞t0.05=2.021，超過了0.05 的顯著性水平，可見2000 年之前冬季日數(shù)減少趨勢(shì)不明顯，之后減少趨勢(shì)明顯，特別是2007 年之后顯著減少。由上可以看出烏魯木齊市平均氣溫升高、夏季日數(shù)延長(zhǎng)、冬季日數(shù)縮短的年際變化都發(fā)生了突變，但發(fā)生的突變年份各不相同，分別為1995、2007 年和2000 年，而春季日數(shù)和秋季日數(shù)有減少的趨勢(shì)，2017 年之前并沒有發(fā)生突變，說明氣溫的升高對(duì)各季長(zhǎng)度的影響并不是同步的。

圖4 年平均氣溫和各季長(zhǎng)度的M-K 檢驗(yàn)

3 結(jié)論

本文分析了烏魯木齊市觀測(cè)站1976—2017 年共42 a 氣溫資料，隨著全球氣候變暖烏魯木齊市氣溫也明顯上升，導(dǎo)致四季也發(fā)生顯著的變化，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）烏魯木齊市氣溫42 a 上升了2.1 ℃，年平均最低氣溫的升溫速率遠(yuǎn)大于年平均最高氣溫的升溫速率。

（2）春、夏、秋、冬四季開始日期多年平均值分別為3 月20 日、6 月8 日、9 月1 日、12 月11 日，春夏季開始日期隨著氣溫的上升顯著提前，提前速率分別為-1.8 d/10 a 和-3.2 d/10 a；而秋冬季開始日期則逐漸推遲，推遲速率分別為2.7 d/10 a 和1.9 d/10 a。

（3）春、夏、秋、冬四季的多年平均長(zhǎng)度分別為79、86、71、129 d，夏季明顯延長(zhǎng)、冬季明顯縮短，傾向率分別為5.9 d/10 a 和-3.6 d/10 a，42 a 夏季共延長(zhǎng)了25 d，冬季縮短了15 d，春秋季分別縮短了6 d和4 d。

（4）四季的開始日期不僅與年平均氣溫顯著相關(guān)，且春夏季開始日期還分別與3 月和6 月平均氣溫顯著正相關(guān)，秋冬季開始日期分別與9 月和11 月平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.01 的顯著性水平；夏季和冬季的長(zhǎng)度與年平均氣溫也顯著相關(guān)，年平均氣溫每上升1 ℃，夏季將會(huì)延長(zhǎng)6 d，而冬季則會(huì)縮短7 d。

（5）烏魯木齊市年平均氣溫、夏季日數(shù)、冬季日數(shù)的年際變化都發(fā)生了顯著突變，突變年份有所不同，分別發(fā)生在1995、2007 年和2000 年。而春、秋季長(zhǎng)度年際變化趨勢(shì)不明顯，沒有發(fā)生突變。

4 討論

烏魯木齊的增溫速率遠(yuǎn)大于全球地表的升溫速率，可能是因?yàn)闉豸斈君R城市擴(kuò)大過程中城市熱島效應(yīng)貢獻(xiàn)了升溫速率的很大部分，對(duì)貢獻(xiàn)量大小后期還需要做進(jìn)一步的研究。升溫使烏魯木齊氣候季節(jié)發(fā)生了顯著變化，表現(xiàn)為上半年季節(jié)提前，下半年季節(jié)推遲，這些變化對(duì)當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)等會(huì)產(chǎn)生深刻影響，將影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、生存方式與生存數(shù)量、分布類型等，如在城市綠化方面，暖冬有利于病蟲害越冬存活，來年病蟲害將有可能趨重發(fā)生。同樣對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人們生活的影響也很大，如夏季是一年中最熱的季節(jié)，夏季的明顯延長(zhǎng)必將會(huì)導(dǎo)致高溫?zé)崂税l(fā)生頻數(shù)增加，要消耗更多的能源用于以降溫、交通需求，同時(shí)對(duì)人們的健康影響較大，但對(duì)冷飲、夏季時(shí)令商品銷售有利；而冬季的縮短和冬季最低氣溫的升高，將會(huì)減少供暖等方面的能源消耗，從而減少供暖帶來的污染物的釋放，對(duì)減輕老年人心腦血管疾病有利，但對(duì)冬季時(shí)令商品銷售不利；可見升溫造成的季節(jié)變化，對(duì)人們的生產(chǎn)生活的影響各有利弊，應(yīng)根據(jù)季節(jié)的變化及時(shí)調(diào)整我們的生產(chǎn)和生活方式，對(duì)其它方面的影響，還需要我們進(jìn)一步關(guān)注。