楊勇,普宗朝,張山清,沙拉木

(1新疆博州氣象局,博樂833400;2烏魯木齊市氣象局,烏魯木齊 830001)

近48年新疆博州地區(qū)氣候變化趨勢的分析

楊勇1,普宗朝2,張山清2,沙拉木2

(1新疆博州氣象局,博樂833400;2烏魯木齊市氣象局,烏魯木齊 830001)

采用線性回歸、Molet小波和Mann-Kendall突變檢測等方法,對博州地區(qū)所轄4個氣象臺站1961-2008年的年平均氣溫、降水量、日照時數(shù)和平均風速以及年潛在蒸散量和濕潤指數(shù)等要素的變化趨勢和變化特征進行了分析,結(jié)果表明:1)近48年博州地區(qū)年平均氣溫、降水量呈升高(增多)趨勢,日照時數(shù)和年平均風速呈減少(小)的趨勢;2)博州地區(qū)潛在蒸散量與年平均氣溫、日照時數(shù)和平均風速呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與年降水量呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系,受其綜合影響,潛在蒸散量呈減小趨勢而濕潤指數(shù)呈增大趨勢;3)博州地區(qū)年平均氣溫、降水量和濕潤指數(shù)分別在1972年和1971年發(fā)生了突變性的升高,年日照時數(shù)、平均風速和潛在蒸散量分別于1979年、1970年和1978年發(fā)生了極顯著的突變性減小,綜合氣溫、降水和濕潤指數(shù)的突變特征,可以認為,博州地區(qū)氣候在1971-1972年發(fā)生了“暖濕化”的突變;4)各氣候要素和潛在蒸散量、濕潤指數(shù)分別存在不同時間尺度的周期性變化。

新疆博州地區(qū);氣候;變化趨勢;潛在蒸散量;濕潤指數(shù)

Abstract:Based on the climatological data between 1961 and 2008 from four meteorological stations in Bortala region,the fundamental change characteristics of various climatic elements were analyzed by using linear regression,wavelet analysis and abrupt in the Botala region in the last 48 years.Main results are as follows:1)The annual mean temperature and precipitation are increasing,but the annual sunshine hours and wind speed are decreasing;2)Correlation analysis show that there are significant positive correlation between potential evapotranspiration and the annual average temperature,annual sunshine hour and average wind speed,and there are significant negative correlations between potential evapotranspiration and annual rainfall.In the comprehensive influence of climatic factors,the potential evapotranspiration are significantly decreasing and surface humidity index are increasing;3)The annual mean temperature,precipitation and surface humidity index had the discontinuity ascension in 1972 and 1971,the hours of sunshine,average wind speed and the annual potential evapotranspiration had discontinuity reducing in 1979,1970 and 1978 respectively.To sum up,the sudden change characteristic of temperature,precipitation and surface humidity index,the climate in the Bortala region occurred the sudden change of“warm-wet”in 1971-1972;4)Various climatic element had the cyclical change of the different time criterion respectively.

Key words:Bortala region of Xinjiang;climate;variation trend;potential evapotranspiration;surface humidity index

全球氣候變暖的趨勢已成為事實[1],但許多研究[2-9]表明,近40多年新疆大部分地區(qū)因氣溫上升、降水增多而表現(xiàn)出不同程度的“暖濕化”趨勢,這對改善新疆脆弱的生態(tài)環(huán)境具有重要意義[4]。但事實上,對降水稀少、蒸發(fā)強烈、極度干旱的新疆,僅考慮溫度、降水等單一氣候要素的變化,難以客觀描述該地區(qū)氣候的溫、濕變化特征。因此,在對各氣候要素變化趨勢和變化特征研究分析的基礎(chǔ)上,探討能夠綜合體現(xiàn)溫、濕氣候條件和水分收支平衡特征的潛在蒸散量和地表濕潤指數(shù)[10]的變化對新疆生態(tài)環(huán)境的保護和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的指導意義更為深遠。

博爾塔拉蒙古自治州(簡稱博州地區(qū))位于新疆維吾爾自治區(qū)西北邊緣準噶爾盆地西南部,地理坐標 E79°53′～83°53′,N44°02′～45°23′,海拔高度 189～4569 m,總面積2.7萬 km2,轄博樂市、精河縣、溫泉縣、阿拉山口口岸行政管理區(qū),是我國連接中亞和歐洲各國及向西開放國際貿(mào)易大通道的前沿基地。博州地區(qū)地貌特征大致由南北兩側(cè)山地、中部博爾塔拉河谷地和東部艾比湖盆地三大單元組成。受復雜的地形地貌和多樣的下墊面狀況的影響,各地氣候差異顯著。近年,針對博州地區(qū)溫度或降水等氣候要素的變化趨勢和變化特征已有一些研究[3,9],但關(guān)于該地區(qū)近幾十年光、溫、濕、風等多氣候要素變化規(guī)律及對潛在蒸散量和地表濕潤指數(shù)等復合氣候指標變化特征影響的相關(guān)報道,目前還很少見。因此,全面、客觀地分析近半個世紀以來博州地區(qū)的氣候變化趨勢和變化規(guī)律,對適應氣候變化,采取趨利避害的生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)措施具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

選取博州地區(qū)境內(nèi)的阿拉山口、博樂、溫泉、精河等4個資料序列完整且具有較好代表性的氣象臺站1961-2008年逐年(月)氣候資料,進行氣候要素變化趨勢、特征以及潛在蒸散量和地表濕潤指數(shù)的計算和分析。并將4站各要素序列的平均值代表近48年博州地區(qū)氣候變化信息的時間序列。

1.2 方法

1.2.1 氣候變化趨勢分析方法

通常用一次直線方程來描述氣候要素的變化趨勢[4],即

其中,t為年序,a為線性方程的斜率,也就是氣候要素的線性變化趨勢和速率。a為正(負)表示增加(減小)趨勢,零表示無變化趨勢,并將 a×10年定義為氣候傾向率,單位為℃/10年、mm/10年或 h/10年等,b為常數(shù),可通過最小二乘法求取。

1.2.2 濕潤指數(shù)的計算方法

濕潤指數(shù)是表征1個地區(qū)氣候干濕程度的重要指標,一般以降水量與潛在蒸散量的比值來表示[10],即:

其中,K為干燥度;P為降水量(mm);PE為潛在蒸散量(mm)。

由于濕潤指數(shù)綜合考慮了水分的收支和熱量平衡,因此,具有較氣溫、降水、日照、風速等單一氣候因子更優(yōu)越的指示意義。

潛在蒸散量的計算方法很多[11-18],其中 Penman-Monteith公式由于具有較充分的理論依據(jù),且計算精度較高,因此,1998年聯(lián)合國糧農(nóng)組織將該公式推薦為計算潛在蒸散量的標準方法,近年來在世界各地得以廣泛應用[11-12,15,18]。本文也利用該公

式進行博州地區(qū)潛在蒸散量的計算和分析。

1.2.3 氣候要素的周期性分析方法

由于小波分析在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力,可以對信號進行多尺度細化分析,同時,它還具有數(shù)學意義上的嚴格的突變點診斷能力,因此,被譽為“數(shù)學顯微鏡”。近年來小波分析在氣候系統(tǒng)的多時間尺度分析研究中有較多應用,本文采用Morlet小波研究分析博州地區(qū)近48年的年平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、風速以及潛在蒸散量和濕潤指數(shù)等要素的特征尺度和變化周期[19]。

1.2.4 氣候突變分析方法

氣候突變是指在短時期內(nèi)由一種相對穩(wěn)定的氣候狀態(tài)過渡到另一種氣候狀態(tài)的變化,它是氣候系統(tǒng)非線性性質(zhì)的一種表現(xiàn)。檢驗氣候突變的方法有多種,本文采用檢測范圍寬、定量化程度高,且被廣泛認為理論基礎(chǔ)和應用效果均較好的Mann-Kendall方法[20],對新疆博州地區(qū)近48年年平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、風速以及潛在蒸散量和濕潤指數(shù)等要素進行突變檢測。

2 結(jié)果

2.1 氣候要素的年際和年代際變化

2.1.1 平均氣溫

雖然博州地區(qū)4站年平均氣溫差異明顯,但其變化趨勢基本一致(表1)。線性趨勢分析結(jié)果表明,近48年,各站年平均氣溫分別以0.188～0.443℃/(10年)的傾向率上升,明顯大于近40年全國平均增溫速率[21]0.04℃/(10年),這說明全球變暖的大背景和大尺度的天氣、氣候變化是影響該地區(qū)氣溫變化的主要因素。4站平均氣溫上升的傾向率為0.316℃/(10年),達到了α=0.001的極顯著水平。48年里博州地區(qū)年平均氣溫已升高了1.5℃,見圖1a。

氣溫的年代際變化也呈遞增之勢(表2),其中1960年代、1970年代和1980年代氣溫總體較低,分別為6.2、6.5和6.7℃,均低于48年平均值6.8℃,1990年代以來氣溫上升速率加快,1990年代平均氣溫7.1℃,較1980年代上升了0.4℃,2001-2008年平均氣溫7.6℃,較1990年代又升高了0.5℃。

2.1.2 降水量

盡管博州地區(qū)各站年降水量差異明顯,但其變化趨勢基本一致。線性趨勢分析結(jié)果表明:近48年,各站年降水量均分別以7.610～23.689 mm/(10年)的傾向率增多(表1)。4站平均年降水量增多傾向率為13.555 mm/(10年),達到了0.01的顯著水平。48年間博州的年降水量已增加了65.1 mm(圖 1b)。

從近48年博州地區(qū)降水量的年代際變化(表2)可知,1960年代和1970年代降水較少,分別只有135 mm左右,低于48年平均降水量(157.1 mm),1980年代以來降水有所增加,1980年代和1990年代分別為166.7 mm和158.2 mm,2001-2008年的年平均降水量增加明顯,達197.2 mm。

表1 近48年博州地區(qū)4站各氣候要素變化傾向率Tab.1 The change tendency rate of various climate elements in Bozhou region in recent 48 years

表2 博州地區(qū)氣候要素的年代際變化Tab2.The decadal changes of various climate elements in Bozhou region

2.1.3 日照時數(shù)

博州地區(qū)光照充足,全州多年平均日照時數(shù)2673.6 h。線性趨勢分析結(jié)果(圖1c)表明,近48年,博州地區(qū)各站年日照時數(shù)均分別以-57.689～-68.420 h/(10年)的傾向率減少,見表1;4站平均以-63.191 h/(10年)的傾向率呈極顯著的減少趨勢。

1960和1970年代日照時數(shù)相對較多,為2780 h左右;1980和1990年代減少明顯,分別降至2650 h和2573.9 h,2001-2008年略有減少,為2567.2 h(表2)。

2.1.4 平均風速

博州地區(qū)各站風速差異明顯,阿拉山口站年平均風速高達5.8 m/s,博樂、溫泉和精河站風速相對較小,分別為1.7～2.2 m/s,但其變化趨勢基本一致。線性趨勢分析(表1)表明,近48年,各站年平均風速分別以-0.213～-0.313((m/s)/10年)的傾向率減小。4站平均年均風速減小傾向率為-0.268((m/s)/10年),達到了0.001的極顯著水平。48年里博州地區(qū)年平均風速已減小了1.3 m/s(圖 1d)。

從近48年博樂地區(qū)年平均風速的年代際變化(表2)可知,1960年代最大,為 3.4 m/s,1970年代降至3.0 m/s,1980年代為2.9 m/s,1990年代風速減小明顯,降至2.4 m/s,2001-2008年平均仍穩(wěn)定在2.4 m/s。

圖1 近48年博州地區(qū)氣候要素的年變化Fig.1 Change tendency of various climatic element in Bozhou region in recent 48 years

2.1.5 平均潛在蒸散量

48年來,博州地區(qū)各站年潛在蒸散量均分別以-20.62～-38.914 mm/(10年)的傾向率減小,4站平均以-31.978 mm/(10年)的傾向率呈極顯著遞減趨勢(圖1e),48年里博州地區(qū)平均年潛在蒸散量已減少了153.5 mm。統(tǒng)計分析博州地區(qū)4站1961-2008年的潛在蒸散量(樣本數(shù) n=192)與同期年平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、平均風速、空氣相對濕度等要素的相關(guān)關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn),潛在蒸散量與年平均氣溫、日照時數(shù)和平均風速分別以0.6486、0.8308和0.9615的相關(guān)系數(shù)呈極顯著(α=0.001)的正相關(guān)關(guān)系,與年降水量以-0.5276的相關(guān)系數(shù)呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系,而與其它要素的相關(guān)性不顯著。這說明,影響潛在蒸散量變化的氣候因素是復雜多樣的。近48年,盡管博州地區(qū)平均氣溫呈上升趨勢,但由于風速、日照時數(shù)減小和降水量增多對潛在蒸散的減少作用補償了氣溫升高的影響,導致潛在蒸散量總體呈極顯著的減小趨勢。

從近48年博州地區(qū)年潛在蒸散量的年代際變化情況(表2)來看,其變化總體呈逐年代遞減之勢,1960、1970、1980和1990年代的潛在蒸散量分別為1256.1、1234、1209.6mm 和 1139.2mm,但 2001-2008年平均較1990年代略增,為1495.2 mm,48年平均年潛在蒸散量為1198.9 mm。

2.1.6 平均濕潤指數(shù)

受年降水量和潛在蒸散量變化的共同影響,近48年博州地區(qū)各站濕潤指數(shù)均分別以0.008～0.033/(10年)的傾向率增大,4站平均以0.015/(10年)的傾向率呈顯著性遞增趨勢(圖1f),48年里博州地區(qū)年平均濕潤指數(shù)已增大了0.072。從1961-2008年博州地區(qū)濕潤指數(shù)的年代際變化來看,總體表現(xiàn)為持續(xù)遞增,各年代及2001-2008年平均濕潤指數(shù)分別為 0.109、0.1113、0.1386、0.1409、0.1735,1961-2008年平均濕潤指數(shù)為0.133(表2)。近48年博州地區(qū)氣溫升高,降水增多,日照時數(shù)減少,風速減小,潛在蒸散減少,濕潤指數(shù)增大,氣候呈較明顯的“暖濕化”趨勢。

2.2 各要素周期變化

2.2.1 年平均氣溫

由圖2a可見,9年和23年的振蕩周期貫穿了該地區(qū)近48年氣溫變化的始終,另有3～5年的周期變化。受不同尺度變化周期疊加的綜合影響,70年代初出現(xiàn)了氣溫由下降轉(zhuǎn)為總體升高的轉(zhuǎn)折。

2.2.2 年降水量

由圖2b可見,博州地區(qū)年降水量主要存在16、11、6～8年以及3年的周期變化,其中,16年的年代際周期最為明顯。受不同尺度變化周期疊加的影響,70年代初出現(xiàn)了降水由偏少轉(zhuǎn)為總體偏多的較明顯的轉(zhuǎn)折。

圖2 博州地區(qū)各氣候要素Morlet小波系數(shù)實部等值線Fig.2 The real part of Morlet wavelet coefficients of various climate elements in Bozhou region in recent 48 years

2.2.3 年日照時數(shù)

近48年,博州地區(qū)年日照時數(shù)主要存在6年和3年的變化周期,其中6年的周期更為明顯,另外,自1970年代初至2008年還出現(xiàn)了12年和16年相互疊加的年代際尺度的周期變化(圖2c)。

2.2.4 年平均風速

由圖2d可見,博州地區(qū)年平均風速主要存在23年的年代際尺度變化周期。另外,1980年代中期以來,16年的周期也有所顯現(xiàn)。

2.2.5 年潛在蒸散量

博州地區(qū)年潛在蒸散量主要存在3、6～8、11和23年的周期變化,另外,1980年代中期以來16年的周期也有所顯現(xiàn)(圖2e)。對比潛在蒸散量與各氣候要素的變化周期可以看出,潛在蒸散量的較長尺度的周期變化(23和16年)與氣溫和風速基本一致,而中、短尺度(3、6～8年和11年)的變化周期則主要受降水、日照的影響。

2.2.6 濕潤指數(shù)

由圖2f可見,博州地區(qū)濕潤指數(shù)主要存在16年、11年、6年～8年和3年的周期變化,其小波結(jié)構(gòu)與降水量幾乎完全一致(圖2b),而與潛在蒸散量大體相反(圖2e)。不同尺度變化周期的疊加,導致1970年代初出現(xiàn)了濕潤指數(shù)由下降轉(zhuǎn)為總體上升的較明顯的轉(zhuǎn)折。

2.3 各要素突變檢測

利用 Mann-Kendall方法分別對博州地區(qū)1961-2008年年平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、風速、潛在蒸散量和濕潤指數(shù)等要素進行突變檢測,結(jié)果表明,期間年平均氣溫、降水量分別在1972年、1971年發(fā)生了顯著(α=0.01)的突變性升高,年日照時數(shù)、平均風速分別于1979年和1970年發(fā)生了極顯著(α=0.001)的突變性減小,受上述各要素變化的綜合影響,潛在蒸散量于1978年發(fā)生了極顯著的突變性減小,而濕潤指數(shù)于1971年發(fā)生了極顯著的突變性增大(圖略)。這與各要素小波分析結(jié)果基本一致。綜合氣溫、降水和濕潤指數(shù)的突變特征,可以認為,博州地區(qū)氣候在1971-1972年發(fā)生了“暖濕化”的突變。

3 結(jié)論

1961-2008年,博州地區(qū)年平均氣溫以0.316℃/(10年)的線性傾向率上升,年降水量以13.555 mm/(10年)的傾向率增多,年日照時數(shù)以-63.191 h/(10年)的傾向率減少,年平均風速以-0.268 m/(s/(10年))的傾向率減小,潛在蒸散量以-31.978 mm/(10年)的傾向率減小,濕潤指數(shù)以0.015/(10年)的傾向率增大。綜合各氣候要素的變化特征,可以認定,在全球變暖背景下,近48年博州地區(qū)氣候總體呈現(xiàn)較明顯的“暖濕化”變化,并且該變化還于1971～1972年發(fā)生了“暖濕化”的突變。另外,周期分析表明,1961-2008年,博州地區(qū)各氣候要素都具有3-23年不同尺度的周期變化特征。

4 討論

1)本文分析結(jié)果表明,近48年博州地區(qū)氣候呈較明顯的“暖濕化”趨勢,這與新疆大多數(shù)地區(qū)的氣候變化趨勢基本一致[2-9]。但博州地區(qū)氣候發(fā)生“暖濕化”突變的時間卻與文獻[22]提出的“西北地區(qū)氣候在1987年前后發(fā)生了由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變”的論述有一定差異。其原因,很可能是研究區(qū)域和研究時段不同所致,這也說明,各地氣候變化具有區(qū)域性特征。

2)博州地區(qū)氣候的“暖濕化”變化有利也有弊:一方面氣候變暖使農(nóng)業(yè)熱量資源更加豐富,作物生長季延長,有利于農(nóng)業(yè)復種指數(shù)和作物品種熟性的提高,增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益;與此同時降水增多、潛在蒸散量減少、空氣相對濕度和濕潤指數(shù)的增大可增加農(nóng)業(yè)水資源量、減少作物需水量,提高水資源利用率。但另一方面氣候的“暖濕化”變化將使許多農(nóng)作物害蟲的發(fā)生世代、發(fā)生數(shù)量和發(fā)生面積增大,病害的菌源基數(shù)增加,導致病蟲害對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的危害進一步加劇;另外,氣候變暖將導致干熱風和高溫熱害等高溫型農(nóng)業(yè)氣象災害發(fā)生的頻次增加,對喜涼作物將產(chǎn)生不利影響。

3)值得說明的是,博州地區(qū)地域遼闊,地形地貌復雜,氣候類型多樣,但氣象臺站稀疏且分布不均,用僅有的4個臺站的氣候資料難以客觀真實地體現(xiàn)全地區(qū)氣候變化的事實。因此,在加密氣象監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)的同時,重視“GIS”等現(xiàn)代高新技術(shù)在氣候要素精細化空間分布中的應用,是增強對博州地區(qū)氣候變化時空分布規(guī)律認知度,提高氣候變化趨勢預測準確性的必然趨勢。

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An Analysis of the Climatic Change in the Bortala R egion in the Last 48 Years

YANG Yong1,PU Zongchao2,ZHANG Shanqing2,SHA Lam2
(1 Bortala Mongol Autonomous Prefecture Meteorological Bureau of Xinjiang,Bole 833400,China;2 Urumqi Meteorological Bureau of Xinjiang,Urumqi 830001,China)

P467

A

1007-7383(2010)04-0446-07

2009-12-08

新疆氣象局科研項目(200708)

楊勇(1965-),男,工程師,從事氣候變化與地面氣象探測研究;e-mail:yy8885993@sohu.com。