1981—2020年新疆南北疆氣溫和降水變化特征分析

王 娣，胡江玲

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830000)

IPCC發(fā)布的第六次評估報告顯示，全球性的氣候變暖已經(jīng)非常明確，全球每0.5 ℃升溫將造成強降水等極端熱事件頻發(fā)和強度明顯增加[1]。國內(nèi)外學(xué)者從不同時間空間尺度對全球不同區(qū)域的氣候變化趨勢進行研究，結(jié)果表明，近50年來伊朗的平均氣溫不斷上升，降水量逐漸減少[2]；馬爾馬拉地區(qū)1975—2006年春季、夏季、秋季平均氣溫顯著上升[3]；近59年來我國的氣候也呈現(xiàn)暖濕化趨勢，年平均氣溫的增速達到0.278 ℃/10 a，其中北方地區(qū)的增溫幅度較大[4]；近44年來我國西北地區(qū)的年降水量呈略微增加趨勢，增速為1.73 mm/10 a[5]。由此可見，全球性的氣候變暖對干旱與半干旱區(qū)的氣候影響更為明顯。

21世紀初，施雅風(fēng)等[6-7]提出了西北干旱區(qū)氣候“暖濕化”轉(zhuǎn)型，其中干旱區(qū)西部(新疆)更加明顯。近40年來我國西北地區(qū)氣候出現(xiàn)由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變的事實[6-11]，新疆在整個西北地區(qū)最為突出[12]，所以西北地區(qū)暖濕化的背景下，新疆地區(qū)氣候問題受到各方高度關(guān)注。進入21世紀以來，新疆氣候發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)為氣溫出現(xiàn)躍變式升高且維持高溫波動，降水量增加幅度較21世紀以前有所減緩，干濕氣候隨著發(fā)生改變[13-17]。1960—2019年我國西北地區(qū)平均氣溫和降水量均呈上升趨勢，增暖趨勢顯著，增濕趨勢較弱[18]。在全球變暖背景下，一些學(xué)者從不同的空間、時間和氣象要素研究新疆氣候變化趨勢，但前人在該領(lǐng)域的研究多是針對整個西北地區(qū)或者新疆的局部地區(qū)[19-22]，而較少從新疆南北疆及全區(qū)角度對新疆氣溫、降水的年、四季及其空間特征進行研究。因此，該研究基于新疆1981—2020年最新氣象觀測資料，采用線性傾向估計法、Anusplin模型、Mann-Kendall突變檢驗、R/S分析等方法詳細分析近40年新疆氣溫、降水的時空變化特征，以期為新疆當(dāng)?shù)蒯槍θ驓夂蜃兣尘跋碌纳鐣?、?jīng)濟、農(nóng)業(yè)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)等提供理論參考與科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況新疆位于我國西北，總面積166.49×104km2。新疆地處亞歐大陸腹地，地形復(fù)雜，山脈與盆地相間排列，盆地與高山環(huán)抱，呈“三山夾兩盆”的格局(圖1)，從而形成山區(qū)-綠洲-荒漠三大生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。氣候因四周有高山阻隔，海洋氣流不易到達，以大陸性溫帶氣候為主，干旱少雨，溫差大；地域遼闊，自然環(huán)境多樣，生態(tài)環(huán)境相當(dāng)脆弱，對氣候變化極其敏感。

1.2 數(shù)據(jù)來源該研究所使用的各氣象站點數(shù)據(jù)資料為新疆區(qū)域氣象站實測的1981—2020年逐日氣溫、降水量等數(shù)據(jù)，均來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)?？紤]到數(shù)據(jù)時間序列的完整性和站點位置分布，最終選取了20個氣象站點，其中南疆選取阿克蘇、喀什、和田、阿圖什、庫爾勒、于田、烏恰、莎車、且末、沙雅；北疆地區(qū)選取烏魯木齊、克拉瑪依、阿勒泰、博樂、焉耆、阿拉山口、塔城、托里、富蘊、精河。以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—次年2月為冬季劃分四季。

圖1 新疆地形Fig.1 Xinjiang topography

1.3 研究方法該研究應(yīng)用算術(shù)平均法求得新疆降水量和氣溫平均值，對其年、季節(jié)時間變化特征進行研究。采用線性傾向估計法進行新疆年、季節(jié)氣溫和降水的趨勢分析；Anusplin模型進行空間插值以分析新疆多年氣溫和降水變化的空間分布格局；運用Mann-Kendall突變檢驗法、累積距平法及滑動t檢驗法分析新疆氣溫和降水的突變情況；最后運用R/S分析法預(yù)測新疆氣溫和降水未來的變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫和降水變化趨勢

2.1.1氣溫。根據(jù)新疆南北疆20個氣象站點的數(shù)據(jù)計算得出，1981—2020年新疆多年平均氣溫為9.48 ℃，增溫速率為0.33 ℃/10 a，略低于西北地區(qū)的增溫速率(0.34 ℃/10 a)[23]。在20世紀80年代至90年代中期，新疆年平均氣溫的累積距平值不斷下降，最低溫度出現(xiàn)在1984年，為8.11 ℃，比多年平均值偏低1.37 ℃，此時新疆氣候偏冷。但自20世紀90年代中期以來，特別是在2001年，新疆氣候迅速轉(zhuǎn)暖，近40年來最暖的幾年均出現(xiàn)在1997年以后，年際間波動明顯，且在2008年新疆年均溫達到最高值，為10.95 ℃，比多年平均值偏高1.47 ℃(圖2a)。

從表1可看出，近40年新疆春季、夏季、秋季和冬季平均氣溫均呈上升趨勢，且增溫速率分別為0.64、0.26、0.28、0.13 ℃/10 a。新疆四季增溫顯著，春季增溫最明顯，秋季、夏季次之。近40年新疆年平均氣溫的變化速率處于-0.47～1.14 ℃/10 a。

圖2 1981—2020年新疆年平均氣溫(a)和年降水量(b)變化趨勢Fig.2 Variation trend of annual average temperature(a)and annual precipitation(b)in Xinjiang from 1981 to 2020

2.1.2降水量。1981—2020年新疆多年平均降水量為136.06 mm，年降水量的變化速率為7.44 mm/10 a，整體呈現(xiàn)增加趨勢且增加趨勢明顯。1981—2001年，新疆年降水量累積距平值不斷波動下降，降水量波動不定，其中年降水量谷值出現(xiàn)于1997年，較多年平均值偏少55.40 mm，即偏少41%；2016年降水量最多，較多年平均值偏多74.23 mm，即偏多55%(圖2b)。

由表1可見，近40年新疆四季降水量的變化速率分別為0.57 mm/10 a(春季)、4.16 mm/10 a(夏季)、1.53 mm/10 a(秋季)、1.18 mm/10 a(冬季)，其中夏季降水量的增速最快。近40年新疆年降水量變化速率處于-15.57～92.04 mm/10 a。

從圖3a可以看出，近40年南疆平均氣溫明顯高于北疆地區(qū)，且南北疆年平均氣溫變化趨勢與新疆區(qū)域一致，均呈顯著上升趨勢，其中北疆地區(qū)升溫速率為0.32 ℃/10 a，南疆地區(qū)升溫速率為0.34 ℃/10 a，南疆地區(qū)增溫幅度整體大于北疆地區(qū)。選取的新疆20個氣象站點近40年年平均氣溫均呈上升趨勢，其中富蘊、和田、阿克蘇升溫趨勢較明顯，升溫速率均超過0.50 ℃/10 a，阿拉山口、克拉瑪依升溫趨勢微弱，分別為0.07、0.06 ℃/10 a(圖4)。

表1 1981—2020年新疆氣溫和降水季節(jié)變化趨勢Table 1 Seasonal variation trend of temperature and precipitation in Xinjiang from 1981 to 2020

從圖3b可以看出，近40年北疆地區(qū)年降水量遠大于南疆地區(qū)，且南北疆年降水量整體變化趨勢與新疆區(qū)域一致，均呈增加趨勢，其中北疆地區(qū)年降水量的變化速率為7.60 mm/10 a，南疆地區(qū)年降水量的變化速率為7.27 mm/10 a。選取的新疆20個氣象站點近40年年降水量大多站點呈增加趨勢，其中烏恰、托里降水量增加趨勢尤為明顯，均超過20.00 mm/10 a，遠遠大于多年平均值(圖5)。

圖3 1981—2020年南北疆平均氣溫(a)和年降水量(b)變化趨勢Fig.3 Variation trend of average temperature(a)and annual precipitation(b)in northern and southern Xinjiang from 1981 to 2020

圖4 1981—2020年南疆(a)和北疆(b)城市年平均氣溫增長率Fig.4 Growth rate of annual average temperature in southern Xinjiang(a)and northern Xinjiang(b)from 1981 to 2020

圖5 1981—2020年南疆(a)和北疆(b)城市年降水量增長率Fig.5 Growth rate of annual precipitation in southern Xinjiang(a)and northern Xinjiang(b)from 1981 to 2020

2.2 氣溫和降水的突變性檢驗

2.2.1氣溫。根據(jù)新疆年平均氣溫的Mann-Kendall突變檢驗結(jié)果(圖6a)來看，UF和UB時間序列曲線出現(xiàn)交點的時間為1997年，且此交點位于2條0.05置信水平線間，可認定其為突變點。在1989—1999年，UF序列曲線持續(xù)上升，新疆年平均氣溫緩慢上升，并于1997年與UB 曲線有一個明顯的交點，UF 曲線于1999年突破0.05置信水平線，新疆年平均氣溫顯著上升，據(jù)此可初步判斷近40年新疆年平均氣溫在2000年迅速轉(zhuǎn)暖。這與新疆年平均氣溫累積距平顯示的結(jié)果(年平均氣溫在1997年發(fā)生突變)一致，即新疆氣溫增暖的突變點為1997年。同時綜合分析新疆各季節(jié)平均氣溫的累積距平、Mann-Kendall突變檢驗和滑動t檢驗結(jié)果(表2)，得到新疆各季平均氣溫的突變時間點分別在2003年(春季)、1997和2002年(夏季)、2002年(秋季)、1986年(冬季)。

2.2.2降水量。根據(jù)近40年新疆年降水量Mann-Kendall突變檢驗結(jié)果(圖6b)來看，UF和UB時間序列曲線在1989—1999年有8次相交，1981—1999年新疆年降水量呈現(xiàn)不斷下降趨勢，2000—2020年降水量呈上升趨勢，2000年累積距平值最低，說明新疆降水量經(jīng)歷了先減少后增加的過程，在2008年時，UF序列曲線值超過0.05置信水平線，新疆年降水量顯著上升。同時根據(jù)累積距平、Mann-Kendall突變檢驗、滑動t檢驗的結(jié)果(表2)來看，新疆各季降水量的突變時間點分別為2009和2014年(春季)、1995年(夏季)、2008年(秋季)、2005和2009年(冬季)。綜合3種檢驗方法的結(jié)果來看，可判定2000年為降水增多的轉(zhuǎn)折點。

圖6 1981—2020年新疆年平均氣溫(a)和年降水量(b)的Mann-Kendall突變檢驗Fig.6 Mann-Kendall mutation test of annual average temperature(a)and annual precipitation(b)in Xinjiang from 1981 to 2020

表2 1981—2020年新疆氣溫和降水的突變年份分析

2.3 氣溫和降水多年變化的空間分布格局

2.3.1氣溫。利用自然間斷點分級法繪制新疆地區(qū)1981—2020年年平均氣溫空間分布圖(圖7a)。從空間分布上看(圖7a)，新疆年平均氣溫由西南向東北逐漸降低，南疆整體平均氣溫明顯高于北疆地區(qū)；從全年氣溫變化趨勢看(圖7b)，1981—2020年新疆氣溫呈上升趨勢，整體看，東部增溫顯著，北部增溫不明顯。

從季節(jié)尺度看(圖7c～f)，1981—2020年新疆春季、夏季、秋季、冬季氣溫增速分別為-0.47～1.49、-0.34～0.55、0.69～0.87、-0.43～2.96 ℃/10 a。從空間格局變化看，新疆春季增溫幅度由東北向西南遞減，東部增溫趨勢顯著，也有小片局部區(qū)域出現(xiàn)小幅度降溫趨勢；夏季增溫區(qū)域分布廣泛但增溫幅度較小；秋季增溫幅度由東北向西南遞減，北部出現(xiàn)小幅度降溫趨勢；冬季東部為增溫區(qū)域且增溫非常明顯。

圖7 1981—2020年新疆氣溫空間分布及變化趨勢Fig.7 Spatial distribution and change trend of temperature in Xinjiang from 1981 to 2020

2.3.2降水量。從空間分布格局看(圖8a)，新疆年降水量由西南向東北方向增加，北疆地區(qū)降水量明顯多于南疆地區(qū)；從降水量變化趨勢看(圖8b)，1981—2020年新疆中部年降水量呈增加趨勢，增加速率較快；近40年新疆年降水量呈上升趨勢，增速介于-15.57～92.04 mm/10 a，平均增速7.47 mm/10 a。整體看，北疆地區(qū)降水量增速顯著。

從季節(jié)尺度看(圖8c～f)，春季、夏季、秋季、冬季降水量變化趨勢分別為-2.46～11.18、-12.28～47.16、-4.86～19.11、-2.17～20.04 mm/10 a。從空間格局看，春季新疆降水量增速較穩(wěn)定，東北部增速顯著；夏季南疆降水量增速明顯高于北疆且降水顯著；秋季中部降水量呈增加趨勢，東部呈減少趨勢；冬季東部和北部小部分區(qū)域降水量呈顯著增加趨勢。

圖8 1981—2020年新疆降水量空間分布及變化趨勢Fig.8 Spatial distribution and change trend of precipitation in Xinjiang from 1981 to 2020

2.4 氣溫和降水的未來變化趨勢預(yù)測經(jīng)計算，新疆年平均氣溫和年降水量的Hurst指數(shù)分別為0.40和0.13，說明二者未來將會減弱。尤其是年降水量的Hurst指數(shù)為0.13，表明新疆未來的年降水量會呈現(xiàn)持續(xù)性較強的下降趨勢(圖9)。

圖9 新疆年平均氣溫(a)和年降水量(b)的R/S分析Fig.9 R/S analysis of annual average temperature(a)and annual precipitation(b)in Xinjiang

經(jīng)計算(表3)，新疆四季平均溫度的Hurst指數(shù)分別為0.84(春季)、0.38(夏季)、0.88(秋季)、0.39(冬季)，表明新疆未來春季、秋季的平均氣溫會呈現(xiàn)強持續(xù)性上升趨勢，夏季、冬季會呈現(xiàn)弱持續(xù)性下降趨勢。未來新疆的秋季降水量會持續(xù)增加，春季、夏季、冬季降水量會逐漸減少，且春季、冬季Hurst指數(shù)均接近于0，所以減少趨勢的持續(xù)程度很強，表明新疆地區(qū)在未來可能進入到降水量偏少的時期。

表3 新疆季節(jié)氣溫和降水量的Hurst指數(shù)Table 3 Hurst index of seasonal temperature and precipitation in Xinjiang

3 結(jié)論

(1)近40年來新疆氣候呈現(xiàn)較明顯的暖濕化趨勢，平均氣溫以0.33 ℃/10 a的速率增溫，其中春季升溫現(xiàn)象最為顯著。年降水量變化整體呈上升趨勢，變化速率為7.44 mm/10 a，其中夏季降水量的增速相對較快，為4.16 mm/10 a，且變化趨勢顯著。

(2)近40年來南疆平均氣溫明顯高于北疆地區(qū)，且均呈顯著上升趨勢，南疆地區(qū)增溫幅度整體大于北疆地區(qū)；北疆地區(qū)年降水量遠大于南疆地區(qū)，且均呈增加趨勢，北疆降水量增加速率大于南疆地區(qū)。

(3)近40年來，新疆年平均氣溫在1997年出現(xiàn)明顯增溫，其中春季平均溫度在2003年發(fā)生突變，冬季平均氣溫在1986年發(fā)生突變，夏季平均氣溫在1997和2002年發(fā)生突變，秋季平均氣溫在2002年發(fā)生突變。對于降水量而言，新疆年降水量在2000年出現(xiàn)明顯增多，其中春季降水量在2009和2014年發(fā)生突變，冬季降水量在2005和2009年發(fā)生突變，夏季降水量在1995年發(fā)生突變，秋季降水量在2008年發(fā)生突變，隨降水量增加新疆地區(qū)徑流量也呈增加趨勢[24]。

(4)未來新疆春季、秋季平均溫度依然會呈上升趨勢，夏季、冬季呈下降趨勢，整體氣溫呈較弱的下降趨勢。年降水量未來變化也基本呈現(xiàn)減少趨勢，其中只有秋季未來降水變化呈較弱的增加趨勢。