1963—2020年新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶主要城市氣溫日較差變化特征

鄭新倩，楊 帆，李超凡，徐立帥，吳玉濤

（1.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心 新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所 新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學(xué)觀測研究站 中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地 新疆維吾爾自治區(qū)沙漠氣象與沙塵暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；3.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；5.山丹縣林業(yè)技術(shù)工作站，甘肅 山丹 734100）

全球氣候變暖已呈趨勢，過去130 年全球地表平均溫度升高了0.85℃，2003 年至2012 年比1850 年至1900年氣溫升高了0.78℃，在未來100年全球氣溫將可能升高1.1-4.6℃［1］。相較于最高溫度的升高，最低溫度升高的趨勢更為明顯，這種非對稱的變化引起了廣泛關(guān)注。在氣候變化研究方面，相較于平均氣溫，氣溫日較差能夠反映出更多的信息［2］。同時，氣溫日較差反映全球或區(qū)域性的溫度變化幅度，分析其變化特征對環(huán)境、氣候異常的影響和可持續(xù)發(fā)展研究都具有重要的參考價值［3］。

由于全球氣候變暖對氣候變化相關(guān)問題的研究越來越多，在對氣溫日較差的研究中，國內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)近50年來中國年平均氣溫日較差整體呈下降趨勢［4］，有明顯的區(qū)域和季節(jié)性差異［5-7］，并且氣溫日較差日數(shù)隨氣溫日較差數(shù)值的增大而減少［8］。例如，中國北方地區(qū)最低溫度的升高速率大于最高溫度，冬季升溫速率大于夏季［9］，偏北地區(qū)大于偏南地區(qū)，且最低溫度的變化比最高氣溫更為敏感［10］。許多學(xué)者還通過氣候模式模擬來分析氣溫日較差的歷史變化情況，并討論其未來變化趨勢。Stone等［11］利用CGCM1和CGCM2模式對全球1950—1993 年日較差進(jìn)行模擬，得出這44 年日較差下降趨勢為0.2℃/100a，遠(yuǎn)低于觀測值0.8℃/100a.此外Braganza 等［12］通過多種氣候模式對全球最高溫度、最低溫度進(jìn)行模擬，得到了類似的結(jié)論。隨著氣候的波動，新疆氣候向暖濕化變化已引起廣大學(xué)者高度的重視。劉波［13］指出新疆在1960—2005 年間氣溫顯著升高，但氣溫日較差呈現(xiàn)顯著下降趨勢。國內(nèi)對氣溫日較差變化的研究較多，但多為大范圍區(qū)域性的分析，新疆地域范圍遼闊，地貌復(fù)雜多樣，鑒于氣溫日較差變化的區(qū)域性和季節(jié)性差異，對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析將更加有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和規(guī)劃布局。文章特選取天山北坡經(jīng)濟(jì)帶上極具代表性的烏魯木齊市、阜康市、石河子市、烏蘇市和克拉瑪依市5個氣象站，利用1963—2020年共計58年的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、相對濕度、日照時數(shù)、平均風(fēng)速等資料，系統(tǒng)分析天山北坡經(jīng)濟(jì)帶氣溫日較差的氣候變化規(guī)律以及與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，為進(jìn)一步提升氣象為農(nóng)服務(wù)能力提供科學(xué)參考，也可為應(yīng)對氣候變化研究提供相關(guān)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆在制定“十五”計劃時提出天山北坡經(jīng)濟(jì)帶［14］，地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，天山北麓中段，是國家西部區(qū)域經(jīng)濟(jì)規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，建構(gòu)以烏魯木齊市—昌吉回族自治州為中心，以石河子市、奎屯市—烏蘇市—獨(dú)山子區(qū)三角地帶、奇臺縣—吉木薩爾縣準(zhǔn)東地區(qū)和伊犁河谷為重點(diǎn)的空間開發(fā)格局［15］，這一地帶是典型的干旱綠洲經(jīng)濟(jì)區(qū)、生產(chǎn)力高度集中地區(qū)，憑借得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢和地緣優(yōu)勢，成為新疆科技、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重心，也是新疆最具發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景的區(qū)域之一［16］。

2 資料來源和數(shù)據(jù)處理

2.1 資料來源

綜合考慮觀測資料的連續(xù)性和完整性，文章選取了處于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)域處于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)域內(nèi)極具代表性的5個氣象站點(diǎn)，分別是烏魯木齊市（經(jīng)度43°47′緯度87°39′）、阜康市（經(jīng)度44°10′緯度87°55′）、石河子市（經(jīng)44°19′緯度86°03′）、烏蘇市（經(jīng)44°26′緯度84°40′）和克拉瑪依市（經(jīng)度45°37′緯度84°51′）。選取1963—2020年共計58年的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、相對濕度、日照時數(shù)、平均風(fēng)速等氣象要素進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

氣溫日較差為最高氣溫和最低氣溫之差，月、季、年平均日較差為相應(yīng)的平均最高氣溫與最低氣溫的差值。氣溫日較差的變化趨勢采用氣候傾向率進(jìn)行分析，采用氣候趨勢系數(shù)方法對變化趨勢的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，采用Person 相關(guān)分析方法計算各氣象因子與氣溫日較差的關(guān)聯(lián)性，采用Mann-Kendall（M-K）法檢驗(yàn)氣溫日較差的突變特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣溫日較差的年變化特征

分析發(fā)現(xiàn)，1963—2020年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶氣溫年平均日較差主要介于8.40-13.97℃之間，整體平均值為10.98℃，其中石河子市日較差始終較大（12.58℃），阜康市次之（12.25℃），克拉瑪依市一直保持較低水平（9.51℃）。整體來看，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶近58 a 氣溫年平均日較差呈極顯著的減小趨勢（圖1），其減小速率依次為烏魯木齊市（-0.303℃/10a）＞克拉瑪依市（-0.272℃/10a）＞石河子市（-0.259℃/10a）＞烏蘇市（-0.173℃/10a）＞阜康市（-0.172℃/10a）。

圖1 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶主要城市1960—2020年年平均氣溫日較差變化

通過M-K突變檢驗(yàn)法，分析天山北坡經(jīng)濟(jì)帶5個代表站的氣溫日較差的突變特征（圖2）。其中，烏魯木齊市、石河子市、克拉瑪依市的UF（k）和UB（k）曲線在多個年份相交，但均未在置信區(qū)間內(nèi)，表明突變特征并不明顯；阜康市和烏蘇市的UF（k）和UB（k）曲線均在1976年左右相交于置信度為0.05的置信線（±1.96）之間，并且UF（k）曲線自1976 年來基本表現(xiàn)為持續(xù)下降趨勢，這與氣溫日較差的變化趨勢有較好的一致性，說明阜康市和烏蘇市的氣溫日較差的降低突變發(fā)生在1976 年。在黃成榮［17］等的研究成果中，新疆平均、最低、最高氣溫的距平變化尤以最低氣溫的升溫速度和幅度最大，且以1977年為界，前18年平均最低氣溫距平值低于平均最高氣溫，1977年以后，平均最低氣溫的距平值高于平均最高氣溫，這也進(jìn)一步表明氣溫日較差的突變原因在于最低氣溫的變化。

3.2 氣溫日較差的季節(jié)變化

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶不同城市各月氣溫日較差均值處于6.3-15.9℃之間（圖3），并伴有明顯的季節(jié)變化差異，其中夏季最高，春秋季次之，冬季最?。ū?）。夏季石河子市的氣溫日較差最高，最大可達(dá)15.1℃。冬季相對較低的日較差均值中克拉瑪依市最低，達(dá)7.4℃。對于各季節(jié)的變化趨勢來說，除烏蘇市在春季有較弱的增加趨勢外，其余各地各季節(jié)均呈減小趨勢，并且冬季的減小趨勢較其他季節(jié)普遍表現(xiàn)較強(qiáng)。

圖3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶主要城市1960—2020年月平均氣溫日較差的年變化特征

表1 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶主要城市1960—2020年不同季節(jié)的平均氣溫日較差、傾向率及趨勢系數(shù)變化

3.3 最高、最低氣溫的變化

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各地年平均最高、最低氣溫均表現(xiàn)為升高的趨勢（表2），且最低氣溫的升高趨勢表現(xiàn)更為明顯，即夜間的升溫幅度大于白天，促使晝夜溫差減小，最高、最低氣溫變化不對稱。年最高、最低氣溫均與年平均氣溫日較差呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶氣溫日較差降低的原因主要是最低氣溫的升溫速率大于最高氣溫的升溫速率。在四季中，氣溫日較差的變化與最低氣溫的顯著升高關(guān)系更為緊密，并且氣溫日較差的降低趨勢在最低氣溫顯著升高的季節(jié)性表現(xiàn)也更為明顯，這也再次印證了氣溫日較差減弱具有一定的季節(jié)性且冬季相對較強(qiáng)的結(jié)論［18-19］。

表2 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶主要城市1960—2020年年、季平均最高氣溫和最低氣溫的傾向率及趨勢系數(shù)變化

3.4 氣溫日較差與氣象因子的相關(guān)分析

為深入探究氣溫日較差與各環(huán)境因子間的關(guān)系，將氣溫日較差與其他氣象因子（平均溫度、日照時數(shù)、降水量、相對濕度和平均風(fēng)速）進(jìn)行相關(guān)分析及顯著性檢驗(yàn)（表3）。結(jié)果顯示，不同城市的氣溫日較差總體與平均氣溫、降水量、相對濕度3 個氣象因子呈負(fù)相關(guān)，與日照時數(shù)、平均風(fēng)速2 個氣象因子呈正相關(guān)，且與日照時數(shù)相關(guān)最為顯著。這可能是由于地面水汽含量的增加，會增加空氣熱容量，減緩氣溫的波動，而日照時數(shù)減小會使最高氣溫下降，進(jìn)而減小氣溫日較差［20］。

表3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶主要城市1960——2020年氣溫日較差與不同氣象因子間的相關(guān)性

4 結(jié)論

1963—2020年，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶氣溫年平均日較差主要介于8.40-13.97℃之間，整體平均值為10.98℃，各季節(jié)中以夏季值最大，冬季值最小。年平均氣溫日較差總體呈減小趨勢，且以冬季減小趨勢普遍相對較強(qiáng)。各地氣溫日較差均有不同程度的減小突變，但突變特征不盡相同，僅阜康市和烏蘇市在1976 年的突變達(dá)到置信水平。

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶年最低氣溫的升高趨勢大于最高氣溫，年最高、最低氣溫均與年平均氣溫日較差呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，氣溫日較差降低的原因主要是最低氣溫的升溫速率大于最高氣溫的升溫速率，且最低氣溫顯著升高的季節(jié)氣溫日較差的降低趨勢更為明顯。此外，由于各地環(huán)境條件差異，不同城市環(huán)境因子與氣溫日較差均有不同程度的關(guān)聯(lián)性，這種差異使得天山北坡經(jīng)濟(jì)帶不同城市氣溫日較差的減小趨勢有所不同。

綜上所述，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶不同城市氣溫日較差除了具有區(qū)域性和季節(jié)性外，氣候變化、大氣環(huán)流和其他氣象因子也是影響其變化的重要因子。鑒于其可反映多種環(huán)境因子的綜合影響，并表征氣候變化和人為活動的更多細(xì)節(jié)信息，因此對于植物生長發(fā)育、農(nóng)作物產(chǎn)量提升、病蟲害防治等均有很好的指導(dǎo)意義。后續(xù)應(yīng)持續(xù)挖掘氣溫日較差蘊(yùn)含的多種生態(tài)學(xué)意義，并深入研究其影響機(jī)制，進(jìn)一步提升氣象為農(nóng)服務(wù)能力。