氣候變化影響下的新疆降水量演變規(guī)律

王姣妍

(新疆水文局，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆位于亞歐大陸中部，深居內(nèi)陸，遠離海洋，屬于大氣水氣輸送的末端。東部祁連山脈阻擋了來自太平洋的濕潤氣流，只有當有較強東方氣流時，才可以進入南疆塔里木盆地，促成南疆降水天氣。南部喜馬拉雅山、喀拉昆侖山、昆侖山等高大山系阻隔了印度洋水氣，水氣輸送難以抵及新疆腹地，影響范圍有限。新疆地處中緯度西風帶，從大西洋到新疆雖然相距遙遠，但對流層上部西風氣流終年暢通，因此隨西風而來的大西洋水氣是新疆最主要的水氣來源，其次是北冰洋干冷氣流，西方氣流的水分含量是北方氣流的3～4倍。

特殊的地理位置和水氣條件，造成新疆干旱的氣候特征。多年平均降水深157.7mm，僅為全國平均降水深的24%，絕大多數(shù)地區(qū)蒸發(fā)能力大于1000mm，盆地中心超過2000mm。干旱是新疆生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和經(jīng)濟社會發(fā)展的重要制約因素。

降水作為干旱地區(qū)水循環(huán)的關(guān)鍵要素，對氣候變化最為敏感。20世紀后半期，由于氣候變暖，水循環(huán)加快，導致降水量增多，引起國內(nèi)外專家學者的普遍關(guān)注[1-2]。世紀之交，施雅風等提出我國西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型問題，認為以新疆為代表的西北地區(qū)氣候正由暖干型向暖濕型轉(zhuǎn)變[3-4]。楊蓮梅等認為，高、中、低緯系統(tǒng)和中亞低值系統(tǒng)的活躍，共同造就了中亞新疆降水年代際和年際異常增多[5]。張新等研究認為，降水增加與極端降水事件增多有關(guān)[6-10]。已有研究表明，升溫背景下的增濕，對緩解干旱一定的益處，但同時對新疆水資源利用和減災帶來挑戰(zhàn)。

目前關(guān)于新疆降水的研究主要基于水文氣象站點的觀測資料，由于新疆降水站點稀疏，且分布不均，大多位于低山平原區(qū)，中高山區(qū)大多為空白區(qū)，采用有限的站點數(shù)據(jù)，難以從空間尺度把握降水分布特征和演變規(guī)律。為此，一些學者采用泰森多邊形、克里金等空間差值法獲取面降水量數(shù)據(jù)。由于上述方法偏重于鄰近站點數(shù)據(jù)，而對于高程、坡向等影響因素考慮不足，無法滿足精度要求。籍于此，一些學者考慮地形要素，探討基于DEM的面降水量數(shù)據(jù)獲取[11-12]，該方法對于存在大量監(jiān)測空白區(qū)、且降水成因復雜的新疆，計算精度很難滿足要求。

在全國水資源調(diào)查評價工作中，新疆水文局依據(jù)實測降水數(shù)據(jù)，在對新疆降水空間分布規(guī)律進行充分論證分析的基礎上，依據(jù)DEM地形要素初繪等值線，并基于內(nèi)陸干旱區(qū)產(chǎn)匯流機理優(yōu)化完善等值圖，依據(jù)降水等值線圖和分區(qū)系列數(shù)據(jù)，提出不同空間尺度的降水分布特征和演變規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

新疆位于歐亞大陸腹地，全區(qū)地貌形態(tài)多樣，北面的阿爾泰山，南面的昆侖山，橫貫中部的天山，將新疆分為南、北兩大盆地：北為準噶爾盆地，南為塔里木盆地，呈現(xiàn)“三山夾兩盆”的地理特征，構(gòu)成了山系與山系相連、盆地與山系相間的獨特地貌。塔里木盆地是全國最大的內(nèi)陸盆地，盆地中部的塔克拉瑪干沙漠，是中國最大、世界第二大流動沙漠；準噶爾盆地是中國第二大盆地，中部的古爾班通古特沙漠是中國第二大沙漠。南部的塔里木盆地，是一個巨大的山間內(nèi)陸封閉盆地，天山、昆侖山、帕米爾高原，阻擋了絕大部分外來水氣，只有少部分水氣可進入新疆南部。新疆北部的準噶爾盆地地形并不十分封閉，處于北半球盛行西風帶內(nèi)，西來水氣水分含量雖少，卻終年通暢。天山西部、阿爾泰山南麓、準噶爾西部迎風坡向西敞開的地形，利于西來氣流深入。因此形成新疆降水北疆多與南疆、西部多與東部，天山西部、阿爾泰山南麓、準噶爾西部迎風坡為降水相對豐沛區(qū)。新疆境內(nèi)高山環(huán)繞，西部、北部、南部和中部高大的山脈，為攔截深入內(nèi)陸空中水氣創(chuàng)造了有利條件，形成了新疆山區(qū)降水遠大于平原的特征。

獨特的環(huán)流形式和地形條件，形成了新疆以干旱為主，多種氣候類型并存的特點。不同地區(qū)降水差異明顯，同一地區(qū)因地形高差具有鮮明的垂直氣候特征，在有利的地形條件下，高山區(qū)最大年降水超過1000mm，而在平原沙漠區(qū)降水不足25mm。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

降水資料主要來源于新疆水文、氣象部門。共收集249處觀測站月年降水量資料。觀測站點中大多自20世紀50—60年代開始觀測，部分站點于20世紀80年代建站?？紤]到資料系列不統(tǒng)一，為便于分析，對實測資料30年以上的站點資料進行逐年插補延長，而對系列在29年以下的站點資料采用長短系列訂正法進行多年均值訂正，確保資料系列統(tǒng)一。從站網(wǎng)空間分布來看，氣象站多設在平原城鎮(zhèn)區(qū)，水文站點多設在河流出山口處，中、高山以上的地區(qū)站點較少。

2.2 數(shù)據(jù)處理

新疆地表水資源評價，選用同步期多年平均降水量點據(jù)，在量化分析降水空間分布規(guī)律和垂直地帶性分布規(guī)律的基礎上，采用Arcgis軟件依據(jù)實測點據(jù)和分布規(guī)律，結(jié)合DEM地形要素，采用人機交互方式，初步分析確定等值線走勢。

不同氣候區(qū)年降水量比較見表1，依據(jù)新疆地貌特征及緯度地帶性，由北至南把新疆劃分為3個氣候區(qū)，天山北坡、天山南坡、帕米爾及昆侖山北坡。從不同氣候區(qū)降水量比較來看，宏觀上，受西風氣流和地形影響，新疆降水自西向東、由北至南呈明顯遞減變化。最大降水區(qū)位于天山西部伊犁河谷兩側(cè)，最小降水區(qū)位于天山東部。

表1 不同氣候區(qū)年降水量比較表

如圖1所示，按不同山系剖面，依據(jù)實測年降水資料繪制降水高程關(guān)系圖，宏觀把握降水垂直地帶性分布規(guī)律。各區(qū)垂直遞增率最大的是準噶爾西部迎風坡，其值為32.8mm/100m，其次天山北坡東部垂直遞增率為27.0mm/100m，天山北坡中部和天山西部、阿爾泰山南坡垂直遞增率分別為24.5mm/100m、21.8mm/100m、21.3mm/100m。南疆天山南坡和昆侖山北坡垂直遞增率分別為15.9mm/100m、15.0mm/100m，垂直遞增率最小的帕米爾高原，其值為8.7mm/100m。

圖1 降水量與高程關(guān)系圖

在宏觀把握等值線圖走勢的基礎上，按照地形和資料條件，進一步細化分析單元，提高等值線繪制精度。

由于站點不足，特別是中高山區(qū)和廣大的沙漠區(qū)存在大量監(jiān)測空白區(qū)，加之地形復雜，局地性差異明顯，等值線繪制依然存在不確定性。而基于流量監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的徑流等值線圖，一是流量數(shù)據(jù)可準確控制斷面以上面水量，新疆現(xiàn)有水文站點已控制全疆近80%的水量，采用徑流等值線計算區(qū)域徑流具有一定精度；二是繪制徑流等值線時，點據(jù)繪于重心，彌補了山區(qū)站點的不足，更利于垂直地帶性規(guī)律的掌握。為進一步提高降水等值繪制精度，依據(jù)同步期多年平均徑流深等值線圖，基于內(nèi)陸干旱區(qū)產(chǎn)匯流機理，對降水等值線進行優(yōu)化完善，提高了降水等值線繪制精度。新疆多年平均降水等值線如圖2所示。

圖2 新疆多年平均降水深等值線圖

2.3 研究方法

依據(jù)新疆第3次地表水資源評價形成的等值線圖，分析降水空間分布特征，同時基于等值線圖和實測降水資料構(gòu)建分區(qū)降水系列，采用MK趨勢檢驗法、距平百分率等方法分析降水演變規(guī)律。

考慮新疆地域遼闊，降水受地形、緯度等自然地理因素影響，局地性差異明顯。依據(jù)地形和氣候條件劃分不同分析單元。天山橫亙新疆中部，按照天山山脊線把新疆劃分為北疆和南疆，同時考慮新疆東部吐哈盆地與南北疆的氣候差異，把吐哈盆地單獨劃分為東疆。為進一步分析降水空間特征，按照地貌、地形特征把北疆劃分為阿爾泰山南麓、準噶爾西部迎風坡、天山西部、天山以北、準噶爾盆地荒漠區(qū)。南疆劃分為天山南坡、帕米爾高原、喀喇昆侖山、昆侖山北坡、羌塘等高原無人區(qū)、塔里木盆地荒漠區(qū)。

3 降水空間分布及演變規(guī)律

3.1 降水空間分布

新疆多年平均降水量157.7mm，總體屬干旱區(qū)。從降水分布情況來看，全疆75.5%的面積屬降水量<200mm的干旱區(qū)，12.9%的面積屬200～400mm半干旱區(qū)，10.3%的面積屬400～800mm的半濕潤區(qū)，1.3%的面積為800～1000mm濕潤區(qū)。小于25mm極端干旱區(qū)面積占全疆面積22.9%，分布于塔里木盆地荒漠區(qū)。

由于降水稀少，新疆境內(nèi)幾乎全部的平原區(qū)和南疆、東疆的低山丘陵區(qū)均為干旱區(qū)。境內(nèi)高大山脈，為攔截深入內(nèi)陸空中的水氣創(chuàng)造了有利條件，因此新疆山區(qū)降水遠大于平原。山區(qū)較為豐沛的降水形成眾多河流，支撐了平原區(qū)的荒漠綠洲，并最終耗于蒸發(fā)，形成內(nèi)陸干旱區(qū)獨特的水循環(huán)系統(tǒng)。

南疆是一個較為封閉的山間內(nèi)陸盆地，受高山阻擋，僅有少量水氣可進入。新疆北部的準噶爾盆地地形并不十分封閉，處于北半球盛行西風帶內(nèi)，西來水氣水分含量雖少，卻終年通暢。天山西部、阿爾泰山南麓、準噶爾西部迎風坡向西敞開的地形，利于西來氣流深入。獨特的地形地貌特征形成新疆降水量西部多于東部，北疆多于南疆的空間分布特征。若以奇臺-焉耆-策勒線為界將新疆分為面積大致相等的東西兩半，則奇策線以西平均降水深為243mm，奇策線以東平均降水深為75.9mm，奇策線以西降水深是奇策線以東的3.2倍。

就區(qū)域而言，東疆多年平均降水89.5mm，該區(qū)90%以上面積為降水量小于200mm的干旱區(qū)；南疆多年平均降水深119.1mm，區(qū)內(nèi)降水最少的塔里木盆地荒漠區(qū)多年平均降水深僅為20.4mm，其次為羌塘等高原無人區(qū)，多年平均降水量144.6mm，該區(qū)雖然近90%面積降水量小于200mm，但由于該區(qū)海拔較高，氣溫低不利于蒸發(fā)，發(fā)育有河流、湖泊；區(qū)內(nèi)降水最多的區(qū)域為喀喇昆侖山，喀喇昆侖山多年平均降水量239.0mm，該區(qū)51.9%的面積降水量小于200mm，為南疆降水最多的區(qū)域。

北疆多年平均降水289.2mm，準噶爾盆地荒漠區(qū)多年平均降水量70.1mm，為該區(qū)降水最少的區(qū)域，干旱程度僅次于塔里木盆地荒漠區(qū)。天山西部多年平均降水568.5mm，為新疆最濕潤地區(qū)。

按降水量排序，全疆降水量最少的區(qū)域是塔里木盆地荒漠區(qū)，其次是準噶爾盆地荒漠區(qū)、吐哈盆地、羌塘等高原區(qū)、昆侖山北坡、天山南坡、帕米爾高原、喀喇昆侖山、天山北坡、阿爾泰山南麓，降水最為豐沛的區(qū)域為天山西部，其次是準噶爾西部迎風坡。詳見表2。

表2 分區(qū)年降水量統(tǒng)計表

3.2 降水演變規(guī)律分析

20世紀80年代以來，在全球顯著增溫的背景下，新疆也發(fā)生了明顯的升溫現(xiàn)象。從實測氣溫資料來看，20世紀80年代以前，總體為低溫階段，站點平均氣溫為6.6℃，20世紀80年代氣溫上升至7.2℃，90年代氣溫上升至7.9℃，21世紀初期上升至8.2℃，21世紀10年代上升8.3℃。總體來看20世紀80年代至90年代為主要升溫期，21世紀初以來升溫滯緩，呈高位震蕩態(tài)勢。

全球變暖導致海洋水面蒸發(fā)加大，西風環(huán)流進入新疆的水氣增加。有研究認為，印度夏季風減弱情況下，可以使得印度洋水氣繞青藏高原東北邊緣向干旱區(qū)輸送，也存在來自西北太平洋的水氣越過玉門關(guān)一直到達新疆東部并形成強降水[13]。同時新疆的持續(xù)增溫，也會加劇區(qū)域水循環(huán)，進而引發(fā)降水發(fā)生變化。

采用北疆、南疆、東疆面降水系列，基于MK趨勢檢驗法結(jié)果顯示，各分區(qū)降水統(tǒng)計量Z值北疆為2.06，南疆為1.97，東疆為1.47，北疆和南疆通過置信度為95%的顯著性檢驗。說明北疆、南疆增加趨勢明顯，東疆不明顯，詳見表3。

表3 MK趨勢檢驗表

如圖3所示，東疆、南疆、北疆1956—2020年降水趨勢變化過程線顯示，北疆經(jīng)歷了1956—1960短暫豐水期后，1961—1986年為穩(wěn)定枯水段，1987年開始呈現(xiàn)波動增加趨勢，2016年以后開始減少。南疆1956—1980年為穩(wěn)定枯水段，1980年以后，開始波動增加，東疆呈微弱增加趨勢。值得關(guān)注的是，20世紀80年代后，降水波動明顯增加，特別是南疆較為明顯。

圖3 新疆東疆、南疆、北疆平均降水深趨勢變化過程線

為進一步揭示降水變化規(guī)律，采用降水的年代際距平百分率按不同分區(qū)進行分析。東疆1956—1970年為枯水期，此后開始波動增加，但增幅不大。

南疆天山南坡1956—1980年為枯水期，1981—1990年為平水期，1991—2020年為豐水期；喀喇昆侖山、昆侖山北坡1956—1980年為枯水期，1981—2000年為平水期，2001—2020年為豐水期。帕米爾高原1956—1990年為枯水期，1991—2000年為平水期，2001—2020年為豐水期。

北疆就區(qū)域而言，變化過程具有一定一致性，1956—1970年為平水期，1971—1980年為枯水段，1981—2000年為平水期，最豐水期2001—2010年，2011—2020年較前期有不同程度減少。

總體來看，新疆1956—1980年為枯水期，1981—2000年為平水段，2001—2020年為豐水期。東疆無明顯趨勢變化，南疆多數(shù)地區(qū)2000年以后較多年均值增加20%以上，北疆不足10%，南疆增幅明顯大于北疆，南、北疆降水20世紀80年代以后，降水年際波動增加，2017年開始新疆多數(shù)地區(qū)降水出現(xiàn)波動減少，尤以北疆較為明顯。詳見表4和圖3。

表4 新疆不同氣候分區(qū)年代際降水深距平百分率一覽表 單位：%

21世紀以來，新疆進入65年來降水最豐期，降水增加最為顯著的為昆侖山北坡、帕米爾高原和喀喇昆侖山，天山南坡次之。從機理上來看，在一定條件下，存在印度洋水氣繞青藏高原東北邊緣向干旱區(qū)輸送的可能，由于水氣輸送的偶發(fā)性，導致強降水事件頻發(fā)。采用全疆157處長系列降水資料(見表5)，計算各季降水的趨勢變化情況。由不同氣候分區(qū)站點平均降水傾向率顯示，南疆受強降水影響，夏季降水增幅最大，北疆主要集中于秋冬兩季。從近期水利部門洪澇災害統(tǒng)計結(jié)果來看，強降水事件引發(fā)的山洪災害，已成為新疆主要的洪澇災害形式，且南疆頻次增加明顯，強降水也導致降水年際波動加劇。

表5 新疆不同氣候分區(qū)各季降水傾向率 單位：mm/10a

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)新疆多年平均降水量157.7mm，總體屬干旱區(qū)。占全疆面積75.5%的南疆低山平原區(qū)和北疆絕大多數(shù)平原區(qū)為降水量<200mm的干旱區(qū)，塔里木盆地荒漠區(qū)降水量<25mm，屬極端干旱區(qū)。山區(qū)相對豐沛的降水支撐了平原荒漠綠洲，并最終耗于蒸發(fā)，形成了內(nèi)陸干旱區(qū)獨特的水循環(huán)特點。

(2)受西風氣流及地形影響，形成了新疆降水量西部大于東部、北疆大于南疆、山區(qū)大于平原的空間分布特點。

(3)1956—2020年，新疆降水總體呈增加趨勢，南疆尤為明顯。從距平百分率來看，2000年以后，南疆多數(shù)地區(qū)距平率超過20%，而北疆基本未超過10%，同時北疆2016年后降水減少明顯。

(4)從趨勢變化過程來看，1980年以后，全疆年降水波動明顯增強，強降水事件頻率增多，強度增強，洪旱災害發(fā)生風險增加，應引起關(guān)注。

(5)從年代際變化來看，20世紀80年代以前，全疆普遍處于少水期，80年代起降水有增加趨勢，南疆增加趨勢持續(xù)至21世紀10年代，北疆增加趨勢持續(xù)至21世紀初期，于21世紀10年代，北疆降水開始出現(xiàn)不同程度減少，特別是天山西部減少最為顯著。2016年后，全疆多數(shù)站點降水出現(xiàn)減少現(xiàn)象。

4.2 討論

新疆特殊的地理位置和地形條件，使得降水形成過程更加復雜，降水的局地性更為明顯，加之新疆站點較少，且分布不均，尤其在降水集中的山區(qū)站點更為稀少，因此對數(shù)據(jù)分析有一定影響，這也是目前降水量研究的瓶頸。

全球變暖所導致的水循環(huán)過程加劇與海洋水面蒸發(fā)量增大，使大氣環(huán)流所攜帶的水氣含量增加。初步分析新疆降水增加的主要因素可能歸因于全球變暖所帶來的境外輸入水氣量的增加。但由于目前缺少系統(tǒng)全面的降水成因分析，特別是對于空中水氣向降水轉(zhuǎn)化的量化研究不夠，給準確評估未來降水趨勢變化帶來難度。對于近期出現(xiàn)的降水減少，究竟是短期震蕩，還是趨勢性變化，有待繼續(xù)研究。

21世紀以來，南疆降水的異常偏多，是否受到印度洋水氣影響，由于對新疆降水增加的歸因認識非常有限，未來還需要進一步探討。