新疆北部地區(qū)不同下墊面區(qū)域氣候變化差異分析

吳麗萍，楊余輝，楊景燕，馮先成，曾康康

（新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054）

全球氣候變化背景之下，干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水源短缺［1］。新疆位于亞歐大陸中部，戈壁、荒漠廣布，各種天氣系統(tǒng)活動頻繁，很容易受到氣候變化的影響［2］。劉波等［3］對新疆氣候變化研究得出，新疆氣溫總體呈上升趨勢，降水量在20世紀(jì)80年代中后期發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折。甘艷露等［4］對北疆地區(qū)氣候變化研究得出，北疆在20世紀(jì)中后期表現(xiàn)出不同程度的氣溫增加、降水量增多趨勢，氣候朝暖濕方向變化。姚俊強(qiáng)等［5］對西北干旱區(qū)降水時空分布特征研究表明，近幾十年來西北干旱區(qū)降水增加明顯。陳發(fā)虎等［6］在全球變暖背景下中亞干旱區(qū)降水變化特征及其空間差異的研究中指出，在短尺度上存在氣候變化的“西風(fēng)模式”。新疆氣溫持續(xù)上升已成為不爭的事實［7-10］。研究表明，新疆氣候朝暖濕化方向變化［11-14］。新疆近50年氣溫增溫速率約0.28℃/10年［15］。新疆近50年來降水量增多，約為9.50 mm/10年［16］，學(xué)界對區(qū)域氣候變化進(jìn)行了大量研究，但是目前對同一區(qū)域不同下墊面條件下氣候變化對全球氣候變化的響應(yīng)差異研究關(guān)注較少。基于此，本研究選取北疆荒漠、山地、綠洲地區(qū)41個氣象站1961—2015年逐日氣溫和降水資料，分析北疆荒漠、山地、綠洲地區(qū)氣溫和降水量的變化趨勢、突變特征及極端氣候事件的空間分布，揭示北疆近55年來荒漠、山地、綠洲氣候變化分異特征，探討該區(qū)域氣候變化對全球氣候變化的響應(yīng)過程。

1 研究區(qū)概況

北疆包括烏魯木齊、克拉瑪依、阿勒泰地區(qū)、塔城地區(qū)、昌吉、石河子、北屯、可克達(dá)拉、伊犁、博爾塔拉等地區(qū)，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年均氣溫（-4）～9℃，全年降水量150～200 mm。將北疆劃分為荒漠、山地、綠洲3大地區(qū)進(jìn)行研究。其中，克拉瑪依、蔡家湖為荒漠氣象站點，青河、北塔山、天池、小渠子、大西溝、昭蘇為山地氣象站點，其余站點為綠洲氣象站點（圖1）。

圖1 北疆氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取1961年1月1日至2015年12月31日新疆國家氣象站逐日氣溫降水資料。為保證各站點資料系列的同步性及具有較長的觀測序列，使用1961—2015年逐日的氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)，缺測太多的氣象站點被剔除，最終選取北疆的41個氣象站。

2.2 研究方法

對北疆荒漠、山地、綠洲地區(qū)的氣溫和降水量的年和代際變化進(jìn)行了研究，通過北疆逐日氣溫降水資料，得出北疆各站點逐年的氣溫、降水量極值，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

2.2.1 線性趨勢分析 利用Origin軟件，采用線性回歸法，分析該區(qū)域近55年氣溫和降水趨勢傾向，以此獲得北疆荒漠、山地、綠洲氣溫和降水量的年際變化趨勢線及相應(yīng)的趨勢分析方程，采用一元線性趨勢分析診斷氣候序列的變化趨勢［17，18］。

2.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗 采用Mann-Kendal趨勢檢驗分析氣溫降水變化特點及其規(guī)律。

式中，xi和xj為連續(xù)的數(shù)據(jù)值，n為數(shù)據(jù)集合的長度，sgn是符號函數(shù)，其定義如下。

式（1）中，統(tǒng)計量S的理論均值大致服從正態(tài)分布，其均值為0，方差如下。

式中，ti是第i組數(shù)據(jù)點的數(shù)目。

對于樣本數(shù)大于10的集合，標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量ZC按照如下公式計算。

2.2.3 突變檢驗法 采用Mann-Kendall突變檢驗法［19，20］，對北疆荒漠、山地、綠洲地區(qū)年平均氣溫和年降水量進(jìn)行突變分析。計算原理如下。

以氣溫和降水量的時間序列Xi為基礎(chǔ)，構(gòu)造秩序列。

假設(shè)時間序列是獨立隨機(jī)的，定義統(tǒng)計變量。

將時間序列逆序xi排列，同時滿足如下。

UFk與UBk的值分別構(gòu)成兩條曲線，在顯著水平α內(nèi)，如果交點在置信區(qū)間內(nèi)，則該交點為突變時間點。

2.2.4 反距離加權(quán)（IDW）插值法 它是一種常見而簡便的空間插值方法，屬于精確性插值?；谙嘟嗨频脑?，即兩個物體離的近，它們的性質(zhì)就越相似，反之，離的越遠(yuǎn)相似性則越小。本研究在Arc-GIS9.3環(huán)境下，采用反距離加權(quán)插值法［21-23］作出北疆荒漠、山地、綠洲氣溫和降水量極值變化趨勢的空間分布圖，進(jìn)行極端氣候事件變化的空間差異分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 近55年北疆不同下墊面氣溫和降水量年際變化

圖2為1961—2015年北疆荒漠、山地、綠洲年平均氣溫變化趨勢，由圖2可見，北疆荒漠年平均氣溫為7.4℃，最高氣溫出現(xiàn)在2015年，為9.1℃，最低氣溫出現(xiàn)在1969年。為5.4℃，極差達(dá)到3.7℃。以0.2℃/10年的趨勢增加，并通過顯著性（α=0.01）檢驗，增溫趨勢明顯；北疆山地年平均氣溫為1.1℃，整體以0.24℃/10年的速度增加，2006年為歷年平均氣溫最高值，為2.6℃，最低氣溫出現(xiàn)在1984年，為-0.6℃，極差達(dá)3.2℃。北疆綠洲年平均氣溫為6.7℃，整體以0.3℃/10年的速度增加，氣溫最高值出現(xiàn)在2015年，為8.4℃，最低值出現(xiàn)在1969年，僅為4.5℃，兩者相差3.9℃。

圖2 北疆綠洲-荒漠-山地氣溫與降水量年際變化

近55年北疆荒漠、山地、綠洲氣溫均呈波動上升趨勢，其趨勢值分別為3.68、4.58、5.05，均通過了顯著性（α=0.01）檢驗，增溫趨勢明顯，其中以北疆綠洲增溫趨勢最顯著，其次是山地，最后是荒漠（表1）。

北疆荒漠年降水量以8.46 mm/10年的速率增加，多年平均降水量為128.2 mm，其中年降水量最大值出現(xiàn)在1987年，為204.5 mm，極小值出現(xiàn)于1974年，為67.3 mm，極差達(dá)137.2 mm。北疆山地多年平均降水量為403.6 mm，以7.66 mm/10年的速度增加，2007年為年降水量最大值，為530.4 mm，1997年降水量為歷年最小值，僅為282.2 mm。北疆綠洲年平均降水量為223.5 mm，以8.78 mm/10年的速度增加，最大降水量出現(xiàn)于2010年，為323.5 mm，最小降水量出現(xiàn)于1962年，為146.6 mm，極差達(dá)176.9 mm。

北疆荒漠、山地、綠洲降水量均呈波動上升趨勢，其趨勢值分別為3.27、2.22、3.37，其中荒漠、綠洲通過了顯著性（α=0.01）檢驗，增濕趨勢極顯著，山地通過了顯著性（α=0.05）檢驗，增濕趨勢顯著（表1）。

表1 近55年北疆綠洲-荒漠-山地氣溫和降水量Mann-Kendall趨勢檢驗

3.2 近55年北疆不同下墊面氣溫、降水年代際變化

由表2可見，北疆荒漠、山地、綠洲氣溫年代際變化總體表現(xiàn)為上升趨勢，即呈增暖趨勢，但荒漠、山地、綠洲年代際周期變化略有不同?；哪?0世紀(jì)80年代氣溫升高速率最快，20世紀(jì)80年代比70年代氣溫升高7.2%。山地20世紀(jì)90年代氣溫升高速度最快，20世紀(jì)90年代比80年代氣溫升高44.4%。綠洲20世紀(jì)90年代比80年代氣溫上升7.7%，20世紀(jì)90年代氣溫上升最快。在各時間段，山地氣溫上升速率最快，20世紀(jì)90年代溫度升高達(dá)到最大值。

表2 北疆綠洲-荒漠-山地氣溫年代際變化

由表3可見，北疆荒漠、山地、綠洲年代際降水量總體也呈增加趨勢，除荒漠20世紀(jì)70年代、20世紀(jì)90年代和山地20世紀(jì)70年代降水量呈減少趨勢外，其余年代均呈增加趨勢?；哪?0世紀(jì)80年代降水量增加速率最快，20世紀(jì)80年代比70年代降水量增加了25.8%，為各年代中最大值。山地20世紀(jì)80年代降水量增加速度最快，20世紀(jì)80年代比70年代降水量增加7.1%。綠洲20世紀(jì)80年代比70年代降水量增加11.6%，綠洲20世紀(jì)80年代降水量增加最快，為各年代中最大值。在各年代中不同下墊面地區(qū)，荒漠降水量增加速率最快，20世紀(jì)80年代降水量增加速度達(dá)到最大值，比上一年代降水量增加了25.8%。

表3 北疆綠洲-荒漠-山地降水量年代際變化

3.3 近55年北疆不同下墊面氣溫、降水量突變分析

圖3是用Mann-Kendall法對北疆荒漠、山地、綠 洲1961—2015年平均氣溫進(jìn)行突變檢驗分析得到的檢驗統(tǒng)計曲線。荒漠UF與UB曲線在臨界值之間在1993年有一個交點，1993年是北疆荒漠氣溫發(fā)生突變的年份；山地在1998年之后上升趨勢超過了0.05的顯著性水平，UF、UB在置信區(qū)間內(nèi)在1993年有一個交點，1993年是山地氣溫發(fā)生突變的年份。綠洲UF、UB在臨界值之間存在一個交點，在1993年附近。因此，1993年是北疆綠洲氣溫發(fā)生突變的年份。

圖3 北疆綠洲-荒漠-山地年平均氣溫和年降水量Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計曲線

北疆荒漠、山地、綠洲氣溫的突變年份均在1993年附近，而且達(dá)到了α=0.01的監(jiān)測水平限，荒漠、山地、綠洲氣溫呈顯著增加趨勢。

荒漠降水量的檢驗統(tǒng)計曲線UF與UB在置信水平區(qū)間內(nèi)有5個交點（1987年、1988年、1989年、1991年、1992年），這些年份是荒漠降水量發(fā)生突變的年份。山地年平均降水量的M-K檢驗結(jié)果顯示，UF、UB在置信區(qū)間內(nèi)有兩個交點（1985年、1987年），該年份是山地降水量發(fā)生突變的年份。綠洲降水量的檢驗統(tǒng)計曲線UF與UB在置信區(qū)間相交于1987年，1987年是北疆綠洲降水量發(fā)生突變的年份。

由上可見，北疆荒漠、山地、綠洲的降水量突變年份均發(fā)生在20世紀(jì)80年代中后期，而且北疆荒漠、山地、綠洲的檢驗統(tǒng)計曲線均通過了顯著性（α=0.05）檢驗，說明荒漠、山地、綠洲增濕趨勢明顯。

3.4 近55年（1961—2015）北疆不同下墊面溫度、降水量極值變化趨勢空間分布

圖4是北疆綠洲、荒漠、山地氣溫極大、極小值變化趨勢空間分布，由圖4a發(fā)現(xiàn)，氣溫極大值通過顯著性檢驗的地區(qū)大多為準(zhǔn)葛爾盆地周圍，部分氣象臺站通過了顯著性（α=0.01）檢驗。由圖4b可知，伊犁地區(qū)、青河、額敏，托里、沙灣、烏魯木齊、吉木薩爾等氣象臺站氣溫極小值通過了顯著性（α=0.05）檢驗，伊犁地區(qū)部分氣象站，青河、烏魯木齊氣象站點通過了顯著性（α=0.01）檢驗。

圖4 北疆綠洲-荒漠-山地氣溫極大、極小值變化趨勢空間分布

北疆極端氣溫事件上升趨勢顯著，在空間分布上主要表現(xiàn)為除準(zhǔn)葛爾兒盆地以外的綠洲及山地，綠洲極端氣溫頻數(shù)多且強(qiáng)度大。

圖5是北疆綠洲、荒漠、山地降水量極大、極小值變化趨勢空間分布，由圖5a可知，伊犁地區(qū)北部和博爾塔拉西部、阿勒泰、青河、石河子、烏魯木齊氣象臺站降水量極大值通過了顯著性（α=0.05）檢驗，其中烏魯木齊、阿勒泰、霍爾果斯、察布查爾、伊寧通過了趨勢檢驗（α=0.01）。由圖5b可知，降水量極小值趨勢中，除塔城部分地區(qū)、阿勒泰地區(qū)西部、溫泉、達(dá)坂城地區(qū)未通過顯著性檢驗外，其余地區(qū)均通過了顯著性檢驗（α=0.05），其中天山北部、阿勒泰地區(qū)西部通過了極顯著（α=0.01）檢驗。

圖5 北疆綠洲-荒漠-山地降水量極大、小值變化趨勢空間分布

北疆極端降水事件上升趨勢明顯，在空間分布上存在較大差異，綠洲表現(xiàn)最明顯，極端降水強(qiáng)度大，頻數(shù)也多。

3.5 北疆不同下墊面氣溫、降水量季節(jié)年際變化特征

表4是北疆荒漠、山地、綠洲各個季節(jié)氣溫年際變化的趨勢值。由表4可見，北疆荒漠、山地、綠洲各個季節(jié)的氣溫年際變化均呈上升趨勢，其中，荒漠四季增溫趨勢中，秋季增溫最快，通過了極顯著（α=0.01）檢驗。山地夏季和秋季增溫幅度最大，趨勢值分別是4.52、3.64，通過了極顯著檢驗（α=0.01），綠洲春季增溫趨勢通過了顯著性（α=0.05）檢驗，夏季和秋季增溫幅度通過了極顯著檢驗（α=0.01），說明綠洲夏秋季增溫幅度最大，春季次之，冬季增溫幅度最小?；哪⑸降?、綠洲均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。由荒漠、山地、綠洲在同一季節(jié)中的增溫趨勢值可看出，春季綠洲增溫幅度較大，夏季山地和綠洲增溫趨勢極顯著，秋季荒漠、山地、綠洲的增溫幅度都通過了極顯著檢驗。冬季荒漠、山地、綠洲氣溫增加幅度均未通過顯著性檢驗。

表4 北疆綠洲-荒漠-山地季節(jié)氣溫Mann-Kendall檢驗趨勢值

表5是北疆荒漠、山地、綠洲各個季節(jié)降水量年際變化的趨勢值。由表5可知，荒漠四季增濕幅度中，夏季和冬季增濕幅度較大，其中冬季通過了極顯著檢驗（α=0.01），降水量呈增加-減少-增加的趨勢。山地四季降水量趨勢值中，春季和冬季降水量增加幅度較大，冬季通過了極顯著水平檢驗，降水量季節(jié)年際變化呈減少-增加的變化趨勢。綠洲夏季、秋季、冬季增濕趨勢均較顯著，冬季通過了極顯著檢驗（α=0.01）。降水量季節(jié)年際變化表現(xiàn)出逐漸增加的變化特征。山地春季的降水增加幅度較大，夏季荒漠和綠洲降水量增加幅度較大，秋季綠洲降水量增加趨勢比荒漠和山地顯著。冬季荒漠、山地、綠洲降水量增加趨勢均極顯著。

表5 北疆綠洲-荒漠-山地季節(jié)降水量Mann-Kendall檢驗趨勢值

3.6 近55年北疆不同下墊面月平均氣溫、降水量年際變化特征

表6是北疆荒漠、山地、綠洲各月氣溫趨勢值，由表6可知，荒漠、山地、綠洲各月氣溫均呈上升趨勢，其中荒漠10月氣溫上升極顯著，4月、11月氣溫上升顯著。氣溫呈上升-下降-上升的變化規(guī)律。山地6月、7月、8月、9月、10月氣溫增加極顯著，2月氣溫增加顯著，各月氣溫呈上升-下降-上升的變化規(guī)律。綠洲氣溫均呈上升趨勢，其中6月、7月、8月、9月、10月氣溫上升極顯著，2月、4月、11月氣溫上升顯著，各月氣溫呈在波動中不斷增加的趨勢。

表6 北疆綠洲-荒漠-山地月溫度Mann-Kendall檢驗趨勢值

表7是北疆荒漠、山地、綠洲各月降水量趨勢值，荒漠在3月降水量呈減少趨勢，其余各月均呈增加趨勢，其中1月、4月、11月降水量上升趨勢顯著，2月、12月上升趨勢極顯著，整體趨勢呈減少-增加的特征。山地在9月降水量呈下降趨勢，其余各月均呈上升趨勢，2月、11月、12月上升趨勢極顯著，表現(xiàn)為增加-減少-增加的特征。綠洲各月降水量均呈上升趨勢，1月、2月、11月、12月降水量上升趨勢極顯著，整體變化趨勢表現(xiàn)為先減少后增加。

表7 北疆綠洲-荒漠-山地月降水量Mann-Kendall檢驗趨勢值

4 討論

不同地區(qū)氣候變化呈明顯差異［8，24，25］，即使同一區(qū)域不同下墊面氣候變化，對全球氣候變化的響應(yīng)也呈現(xiàn)出顯著差異［26-28］，袁玉江等［8］在天山山區(qū)近40年秋季氣候變化特征與南北疆比較中得出，天山山區(qū)秋季溫度、降水量變化與南北疆呈現(xiàn)顯著差異，茍曉霞等［29］在天山北坡不同海拔氣候變化規(guī)律研究中也指出，海拔越高，氣溫增長越明顯，隨海拔增加增濕趨勢略有減少。

近55年北疆綠洲增溫趨勢和降水量增加趨勢最顯著。荒漠秋季年際增溫顯著，山地和綠洲夏季和秋季年際增溫顯著；荒漠、山地、綠洲降水量變化均為冬季增加顯著，這可能與近年來新疆北部冬季的持續(xù)性降水增加有關(guān)［8］。北疆氣溫、降水量增加趨勢顯著，極端氣候事件也出現(xiàn)明顯上升趨勢，綠洲上升趨勢最顯著。有研究表明，全球氣候變化引起北疆生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，極端氣候事件在全球變暖背景下也出現(xiàn)了明顯上升趨勢［30］，綠洲作為北疆最大的地貌形態(tài)單元，極端氣候事件在綠洲表現(xiàn)得更加明顯。近55年北疆山地氣溫、荒漠降水量變化對全球氣候變化的響應(yīng)最為敏感。山地氣溫響應(yīng)敏感的原因可能是由于海拔較高，更接近自由大氣，對全球氣候變暖的響應(yīng)更加敏感?；哪邓憫?yīng)敏感的原因可能是由于荒漠受人類活動影響較小，且荒漠比熱容較小，對溫度變化較為敏感，氣候變暖的大背景下，荒漠降水對氣候變化的響應(yīng)就更為敏感。

綠洲氣溫、降水顯著增加可能原因如下。①綠洲溫度增加顯著是由于人類活動導(dǎo)致溫室氣體濃度增加，從而導(dǎo)致溫度升高顯著［31-33］；②全球氣候變暖驅(qū)動水循環(huán)加快，溫室氣體增加導(dǎo)致的升溫使大氣中水汽含量增加，從而使陸地降水量增加［34］；③可能由于溫度升高，加強(qiáng)了平原區(qū)與山區(qū)局地環(huán)流，山前平原空氣濕度增加進(jìn)而導(dǎo)致綠洲降水量增加［35］；④來自于大西洋、北冰洋西風(fēng)環(huán)流，西風(fēng)環(huán)流帶來的大量水汽受地形抬升形成地形雨，所以綠洲降水量增加［36］。

5 結(jié)論

1）1961—2015年北疆荒漠、山地、綠洲氣溫、降水量年際變化呈波動上升趨勢，其中荒漠、山地、綠洲的增溫速率分別為0.2℃/10年、0.24℃/10年、0.3℃/10年，荒漠、山地、綠洲降水量的增加速率分別為8.46 mm/10年、7.66 mm/10年、8.78 mm/10年，均以綠洲增加趨勢最為顯著。年代際變化為山地氣溫、荒漠降水量對全球氣候變化的響應(yīng)最敏感。

2）近55年北疆荒漠、山地、綠洲氣溫發(fā)生突變的年份為1993年，降水量發(fā)生突變的年份分別是1985年、1987年。

3）北疆近55年極端氣候事件出現(xiàn)明顯上升趨勢，極端氣溫和極端降水事件均以綠洲上升趨勢最顯著。北疆荒漠、山地、綠洲氣溫極大值趨勢值在-2.41～5.43，氣溫極小值趨勢值變化范圍在0.33～3.86。降水量極大值趨勢值在-1.18～3.26，降水量極小值趨勢值在0.11～4.31。

4）近55年北疆荒漠、山地、綠洲各個季節(jié)氣溫趨勢檢驗中，荒漠秋季增溫極顯著，山地和綠洲夏季和秋季增溫極顯著，對年際增溫貢獻(xiàn)最大；各個季節(jié)降水量趨勢檢驗中，荒漠、山地、綠洲降水量均為冬季增加極顯著，對年際增濕貢獻(xiàn)最顯著。

5）北疆荒漠、山地、綠洲1961—2015年各月氣溫年際變化中，10月、11月氣溫對荒漠秋季增溫貢獻(xiàn)最大，山地、綠洲6月、7月、8月、9月、10月增溫極顯著，對夏秋季增溫貢獻(xiàn)最大?；哪?、山地12月、2月增濕最顯著，綠洲11月、12月、1月、2月增濕最顯著，對荒漠、山地、綠洲冬季增濕貢獻(xiàn)最大。