氣候變化背景下新疆氣溫和降水時空演變特征分析

胡文峰，陳玲玲，姚俊強，季淑媛，孫 寧

(1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830013；2.阜陽師范大學(xué) 歷史文化與旅游學(xué)院，安徽 阜陽 236037；3.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊 830013；4.阜陽市潁州區(qū)生態(tài)環(huán)境分局 安徽 阜陽 236037）

氣候變化是當(dāng)前全球共同面臨的科學(xué)問題。IPCC(2013)指出近100年氣候變暖的事實，并強調(diào)氣候變暖具有顯著的區(qū)域差異[1]。Hulme在研究全球6個主要干旱區(qū)（1900-1996）氣溫后指出有增溫趨勢[2]，而半干旱區(qū)的顯著增溫導(dǎo)致全球陸地增溫的貢獻率高達44.46%[3]。在全球氣溫變化研究中，發(fā)現(xiàn)全球氣溫有長期的變化趨勢，存在準21 a和準65 a的周期變化，且呈周期性波動[4]，全球溫度變化的空間特征在不同時間段也存在差異[2]。中國的氣候變暖趨勢與全球基本一致，最近60年氣溫上升顯著，平均為0.23℃/10 a左右，幾乎是全球的2倍[5-9]。近半個世紀，我國西北干旱區(qū)的氣溫變化跟全國、全球的氣溫變化有較好的響應(yīng)，但增幅要明顯高于全球的平均水平[10]；另一方面，相關(guān)學(xué)者研究指出近幾年全球增暖減緩[11-14]，并受到極大關(guān)注。

1 相關(guān)工作

早期相關(guān)研究認為全球變暖會加劇全球降水分布的不平衡，認為多雨地區(qū)降雨會更多，干旱地區(qū)將更少[15-18]，但最近的研究發(fā)現(xiàn)，“干越干，濕越濕”的降水變化格局在全球的陸地上的絕大數(shù)地區(qū)并不適用[19-20]。中國干旱、半干旱區(qū)的降水有明顯變化[21]，研究指出，我國華北地區(qū)的降水呈持續(xù)減少的趨勢[22]，而西北地區(qū)呈“西升東降”降水變化格局[23-24]，其中新疆地區(qū)[25]和河西走廊[26]降水增加最顯著，西北東部地區(qū)主要表現(xiàn)為減少趨勢[27]。秦大河等[28]研究指出西北地區(qū)的降水頻率顯著增多，以強降水為主[29]，東部降水強度比西部顯著，尤其是20世紀80年代以后，西北地區(qū)降水增加，氣候逐漸向暖濕型轉(zhuǎn)變[30-31]。

新疆位于我國西北部，是歐亞大陸腹地，典型的大陸性干旱氣候區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，對全球氣候變暖尤為敏感。施雅風(fēng)等[30]研究指出，在全球氣候變暖的背景下，中國新疆地區(qū)的氣候由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)變；研究進一步發(fā)現(xiàn)新疆降水增加趨勢更加明顯，新疆地區(qū)的降水的增速大約為0.4～0.5 mm/a[32-35]，而且北疆的降水增加幅度要大于南疆[36]。另一方面，有關(guān)研究同樣指出，新疆總的干旱氣候格局將不會有多大改變，在氣溫增高的情況下，蒸散量上升，干旱次數(shù)將有增多的可能[37]。Yao[38-39]采用多源數(shù)據(jù)，從土壤濕度、河流徑流量及植被指數(shù)等多個角度研究證實了從1997年后新疆地區(qū)由暖濕向暖干轉(zhuǎn)變的事實。為進一步研究新疆地區(qū)氣溫和降水時空格局演變，對氣候變化進行評估，這對一帶一路的戰(zhàn)略發(fā)展，區(qū)域水資源的管理、災(zāi)害防控等有著重要的意義。

2 資料與方法

2.1 資料來源

本文所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下載于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）1961-2015年月平均地面各氣象要素數(shù)據(jù)，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析、評估，選擇數(shù)據(jù)連續(xù)好的102個氣象站作為新疆的代表性臺站進行分析。

2.2 研究方法

線性趨勢分析。為分析氣象要素的線性增長趨勢(氣候傾向率)，利用最小二乘法對新疆102個臺站55年降水和氣溫序列進行線性擬合：

其中：y表示降水或溫度，t表示時間；a和b是通過實際資料計算得出的經(jīng)驗常數(shù)，a是線性函數(shù)的斜率，其值的大小反映了降水增加或減少的速率[40]。在求得線性趨勢后，需檢驗時間與降水序列的相關(guān)系數(shù)R，若R通過信度檢驗，則認為該趨勢有統(tǒng)計意義。

三次多項式曲線擬合。用Cubic函數(shù)形式把氣候要素表達為時間t的非線性函數(shù)：

其中：a，b，c，d為經(jīng)驗常數(shù)，用最小二乘法通過時間資料計算的出，通過三次多項式曲線擬合曲線可以很好反映短時期尺度氣候變化特征[41]。根據(jù)Cubic上階段性極值可定性分析要素變化的轉(zhuǎn)型特征，極小值對應(yīng)要素值有下降轉(zhuǎn)為上升的時間，極大值對應(yīng)要素值有下降轉(zhuǎn)為上升的時間[42]。

反距離插值。為了分析氣溫和降水變化的空間特征，本文是在ArcGIS軟件中采用反距離插值法進行。

3 結(jié)果與分析

3.1 年平均氣溫與年降水量的變化特征

圖1給出了1961-2015年新疆地區(qū)年平均氣溫和年降水量的變化趨勢。從圖1（a）可以看出新疆地區(qū)年平均氣溫呈波動上升趨勢，Cubic函數(shù)擬合線呈“一峰一谷”型，在20世紀70年代初期達到極小值，在21世紀初達到極大值。這說明新疆地區(qū)在上世紀70年代初氣溫發(fā)生了降溫-升溫轉(zhuǎn)型，從1970至21世紀初氣溫處于波動上升期，目前新疆地區(qū)氣溫增溫放慢，處于高位震蕩期。整個區(qū)域平均增溫速率為0.3℃/10 a，增幅要明顯高于我國及全球的平均水平[10]。

圖1 新疆年平均氣溫與年降水量的變化變化趨勢

圖1（b）為新疆地區(qū)年降水量的變化趨勢。Cubic函數(shù)擬合線亦呈“一峰一谷”型，自從上世紀60年代初期開始呈現(xiàn)上升趨勢，在21世紀初的后期達到極大值。這說明新疆地區(qū)從上世紀60年代至21世紀初的后期降水處于波動上升期，此后新疆地區(qū)降水處于微弱減小期，整個新疆區(qū)域降水增加率為9 mm/10 a。結(jié)合溫度和降水的變化趨勢可以看出，自上世紀70年代至21世紀第一個10年間，新疆地區(qū)氣候處于一個暖濕化的過程，目前新疆地區(qū)氣溫和降水均處于一個高度震蕩期，可能處于“暖濕”向“暖干”的轉(zhuǎn)型期，有“暖干”的變化趨勢，這同Yao[38-39]的研究一致。

1961-2015 年平均氣溫和年降水量具有明顯南北區(qū)域差異。氣溫低值中心在天山和阿爾泰山，高值中心在吐魯番盆地和南疆的西南部；降水最大值出現(xiàn)在天山的西部伊犁河谷，最小值在南疆的南部。整體趨勢是氣溫北低南高，降水時北多南少，呈現(xiàn)北部“冷濕”、南部“暖干”空間格局。

3.2 氣溫的季節(jié)變化特征

新疆地區(qū)四季氣溫在1961-2015年的變化如圖 2。春季（3～5 月，圖 2（a）），夏季（6～8 月，圖 2（b））、秋季（9～11 月，圖 2（c））平均氣溫分別為10.56、22.29和8.23℃。氣溫Cubic函數(shù)擬合線均呈“一谷”型，在20世紀70年代均達到極小值，說明新疆地區(qū)在上世紀70年代末春季、夏季和秋季氣溫發(fā)生了降溫-升溫轉(zhuǎn)型。從1961-1979年氣溫處于波動下降期，但春季氣溫下降趨勢比夏、秋兩季要顯著；從1970年開始氣溫呈波動上升，整個新疆區(qū)域春季、夏季和秋季增溫速率分別為0.29℃/10 a、0.23℃/10 a和 0.35℃/10 a。冬季(12 月-次年 2 月，圖 2（d）)平均氣溫為-8.72 ℃，Cubic函數(shù)擬合線與春、夏、秋三季有明顯的差異，呈“一谷一峰”型，在20世紀60年代末期達到極小值，在21世紀初達到極大值，并在21世紀初發(fā)生了升溫-降溫的轉(zhuǎn)型。從1961-1969年末冬季氣溫處于波動下降，從1970年至21世紀初冬季氣溫呈波動上升，從21世紀初至2015年冬季氣溫又波動下降。整個新疆區(qū)域冬季增溫速率為0.35℃/10 a。從1961-2015年四季氣溫增溫速率來看，夏季氣溫增溫速率最小，秋、冬兩季增溫速率最大。這暗示著新疆地區(qū)秋、冬兩季氣溫的增速對區(qū)域氣候變暖的貢獻最大，同時新疆地區(qū)當(dāng)前氣溫增溫放緩的是其冬季氣溫出現(xiàn)下降所致。

圖2 四季氣溫的變化特征

新疆四季氣溫的空間分布有明顯的差異，其中春季、夏季、秋季三季的氣溫低值中心位于天山山區(qū)，氣溫呈現(xiàn)“北低南高”的格局，而在冬季氣溫的低值中心在北部的阿爾泰山區(qū)，高值中心位于南疆的西南地區(qū)，氣溫呈現(xiàn)“東北低西南高”格局。

3.3 降水的季節(jié)變化特征

四季降水量在1961-2015年間具有明顯差異。春季（3～5 月，圖 3（a））、夏季（6～8 月，圖 3（b））、秋季（9～11 月，圖 3（c））和冬季（12-次年 2月，圖 3（d））平均降水量分別為 42.56 mm、67.34 mm、32.99 mm和17.00 mm。Cubic函數(shù)擬合線四季降水呈顯著差異。春季和夏季呈“一谷一峰”型，但春季的“一谷一峰”沒有夏季明顯，但均在20世紀70年代初期均達到極小值，21世紀初達到極大值，說明新疆地區(qū)在上世紀70年代初春季和夏季降水發(fā)生了“減少-增多”的轉(zhuǎn)型，21世紀初春、夏降水發(fā)生了“增多-減少”的轉(zhuǎn)型。從1961～1979年初春、夏降水處于波動減少期，但夏季降水減少趨勢比春季顯著；從1970年至21世紀初春、夏降水呈波動增加趨勢，但夏季降水增加趨勢比春季顯著；從21世紀初至2015年春、夏降水又波動下降。整個新疆區(qū)域春季、夏季降水增加速率分別為1.6 mm/10 a和3.4 mm/10 a。與春、夏兩季相比，秋、冬兩季降水的Cubic函數(shù)擬合線沒有明顯的“谷”或“峰”，均呈上升趨勢，說明新疆地區(qū)秋、冬兩季降水均呈增加趨勢，降水增加速率分別為1.8 mm/10 a和2.1 mm/10 a。根據(jù)降水四季的變化特征可以得出從21世紀初至2015年春季降水的減少是新疆地區(qū)當(dāng)前氣候變干的主要原因。

1961-2015 年新疆降水量的季節(jié)空間格局也存在分布不均。無論哪個季節(jié)，其降水均有區(qū)域差異，降水主要集中在天山以北的區(qū)域，且呈自西向東減少的趨勢，南疆地區(qū)降水較少。春季降水主要集中在天山以北的中部地區(qū)，天山以南和阿爾泰地區(qū)，東疆地區(qū)較少；從春季到夏季，降水逐漸變多且降水區(qū)域逐漸擴展，阿爾泰地區(qū)和東疆地區(qū)乃至整個北疆進入雨季；從夏季到秋季其降水區(qū)域逐漸萎縮至新疆的西北區(qū)域，到冬季新疆的全域內(nèi)降水更少，主要集中天山西部的伊犁河谷地區(qū)。新疆降水的整體格局是主要集中在天山以北，夏季是新疆降水最豐富，面積最廣的季節(jié)。

圖3 新疆降水量的季節(jié)變化趨勢

3.4 降水和氣溫變化趨勢空間分布

近55年來新疆地區(qū)降水和氣溫變化趨勢在空間上不同步，存在明顯差異。氣溫在新疆全域內(nèi)呈增加趨勢，但增加的幅度存在差異，其中北疆和東疆增溫要比南疆要明顯，吐魯番盆地是增溫最劇烈的地區(qū)，南疆的西部是增溫最緩慢的區(qū)域。降水變化在空間上差異明顯，降水明顯變多的主要集中在天山山區(qū)，準格爾盆地和塔里木盆地、吐魯番盆地降水呈減少趨勢，尤其是南疆，越往東南，降水減少的趨勢越顯著。整體上，在新疆域內(nèi)天山和阿爾泰山山區(qū)呈暖濕化趨勢，準格爾盆地、塔里木盆地，吐魯番盆地呈暖干化趨勢。

4 小結(jié)

對新疆102個氣象站所監(jiān)測的降水和氣溫數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計、擬合和空間分析等方法得到新疆域內(nèi)近55年的氣候變化變特征，具體結(jié)論如下：

（?。┬陆貐^(qū)在上世紀70年代初發(fā)生了降溫-升溫轉(zhuǎn)型，從1970-2019年氣溫處于波動上升期，當(dāng)前新疆地區(qū)增溫放慢，處于高位震蕩期。整個區(qū)域平均增溫速率為0.3℃/10 a。從上世紀60年代至21世紀初的后期降水處于波動上升期，此后新疆地區(qū)降水處于微弱減小期。整個新疆區(qū)域降水增加率為9 mm/10 a。自上世紀70年代至21世紀第一個10年間，新疆地區(qū)氣候處于一個暖濕化的過程，目前新疆地區(qū)氣溫和降水均處于一個高度震蕩期，可能處于“暖濕”向“暖干”的轉(zhuǎn)型期，呈“暖干”的變化趨勢。

（ⅱ）新疆地區(qū)在上世紀70年代末春季、夏季和秋季氣溫發(fā)生了降溫-升溫轉(zhuǎn)型，從1970年開始氣溫呈波動上升，整個新疆區(qū)域春季、夏季和秋季增溫速率分別為 0.29℃/10 a、0.23℃/10 a和0.35℃/10 a；在21世紀初發(fā)生了升溫-降溫的轉(zhuǎn)型。整個新疆區(qū)域冬季增溫速率為0.35℃/10 a，新疆地區(qū)當(dāng)前氣溫增溫放緩主要是冬季氣溫出現(xiàn)下降所致。

（ⅲ）新疆地區(qū)在上世紀70年代初春季和夏季降水發(fā)生了“減少-增多”的轉(zhuǎn)型，21世紀初春、夏降水發(fā)生了“增多-減少”的轉(zhuǎn)型。整個新疆區(qū)域春季、夏季降水增加速率分別為1.6 mm/10 a和3.4 mm/10 a；秋、冬兩季降水均呈增多趨勢，降水增加速率分別為1.8 mm/10 a和2.1 mm/10 a，21世紀初至2015年春季降水的減少是新疆地區(qū)當(dāng)前氣候變干的主要原因。

（ⅳ）新疆季節(jié)降水量在空間上分布不均，降水存在區(qū)域差異，降水主要集中在天山以北的區(qū)域，且呈自西向東減少趨勢，南疆地區(qū)降水較少；春季降水主要集中在天山以北的中部地區(qū)，天山以南和阿爾泰地區(qū)，東疆地區(qū)較少；從春季到夏季，降水逐漸變多且降水區(qū)域逐漸擴展，阿爾泰地區(qū)和東疆地區(qū)乃至整個北疆進入雨季；從夏季到秋季其降水區(qū)域逐漸萎縮至新疆的西北區(qū)域，到冬季新疆的全域內(nèi)降水少，主要集中天山西部的伊犁河谷地區(qū)。新疆地區(qū)降水主要集中在天山以北，夏季是新疆地區(qū)降水最豐富，面積最廣的季節(jié)。

（ⅴ）新疆地區(qū)降水和氣溫變化趨勢在空間上不同步，存在明顯差異。氣溫在新疆全域內(nèi)呈增加趨勢，但增加的幅度存在差異，其中北疆和東疆增溫要比南疆要明顯，吐魯番盆地是增溫最劇烈的地區(qū)，南疆的西部是增溫最緩慢的區(qū)域；降水明顯變多的主要集中在天山山區(qū)，準格爾盆地和塔里木盆地、吐魯番盆地降水呈減少趨勢；南疆越往東南，降水減少的趨勢越顯著。整體上天山和阿爾泰山山區(qū)呈暖-濕化趨勢，準格爾盆地、塔里木盆地，吐魯番盆地呈暖-干化趨勢。