侯麗娜，劉慧明，王紹明

（1石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，石河子 832003；2環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094）

自20世紀(jì)以來(lái)，全球氣溫不斷升高，氣候變暖已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的重大國(guó)際問(wèn)題［1］。目前，由氣候變化而引起的冰川融化、干旱蔓延、作物生產(chǎn)力下降、動(dòng)植物行為發(fā)生變異等影響已嚴(yán)重影響人類的正常生活［2］。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)全球氣候變化作了研究。在過(guò)去100年里，全球平均溫度上升了0.7℃，并且近50年最為明顯，隨著兩半球中緯度西風(fēng)的逐漸增強(qiáng)，溫度的上升很可能成為導(dǎo)致亞洲中部和北部降水增加的主要因素［3］。在全球氣候變暖的趨勢(shì)下，不同地區(qū)呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)。中國(guó)氣候變化與全球變化一致，其中以干旱區(qū)最為明顯，該區(qū)域?qū)θ蜃兓憫?yīng)具有獨(dú)特性，能及時(shí)、靈敏地反映氣候變化，體現(xiàn)全球變化的早期信號(hào)。而新疆是最為突出的地區(qū)之一［4］。近50年來(lái)新疆氣候也表現(xiàn)出增溫、變濕的強(qiáng)勁信號(hào)［5］。新疆位于亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，高溫少雨，蒸發(fā)量大，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，其氣候變化也具有自身的特點(diǎn)［6］?，敿{斯河流域發(fā)源于新疆天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，并且作為典型山地－綠洲－荒漠生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)極為靈敏，且研究氣溫和降水的變化特征對(duì)于瑪納斯河流域綠洲區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有重要作用［7］。

新疆內(nèi)陸河氣候變化的研究主要集中在塔里木河流域，并取得了豐碩成果［8－10］，而關(guān)于瑪納斯河流域氣候變化的研究也相對(duì)較多［11－14］，但大部分是基于時(shí)間序列氣候變化的簡(jiǎn)單探討，且集中在徑流量對(duì)氣候變化的響應(yīng)方面，極少涉及到對(duì)氣候因子變化特征的探討?；诖吮疚膹臍夂蛳到y(tǒng)要素的變化出發(fā)，分析該流域綠洲地區(qū)氣候變化，氣候變化的季節(jié)性差異，氣候突變，旨在更深入地認(rèn)識(shí)氣候要素之間的關(guān)系及該區(qū)域在全球氣候變暖的趨勢(shì)下是如何響應(yīng)的。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)瑪納斯河流域位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理位置位于東經(jīng)84°42′～86°33′，北緯43°05′～45°58′，該區(qū)行政區(qū)劃包括新疆兵團(tuán)第八師石河子市、沙灣縣、瑪納斯縣、克拉瑪依小拐鄉(xiāng)、新疆兵團(tuán)第六師新湖農(nóng)場(chǎng)。本文選取瑪納斯河流域內(nèi)9個(gè)氣象站做為代表站，利用各站1983－2012年的逐月平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、年較差、日較差（分別用T、Tmin、Tmax、YTR、DTR 表示）年平均降水量、夏季、冬季降水量作為研究材料，從各方面闡述瑪河流域的氣候變化情況。

1.2 方法

研究區(qū)幅員遼闊，地形和氣候復(fù)雜，氣象站的覆蓋率較低，由于南部上游為山區(qū)，北部為沙漠，故氣象站多集中于中游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集區(qū)，因此本文根據(jù)9個(gè)氣象站的分布情況，利用確定代表面積數(shù)量的所謂“三角形”法［15］將整個(gè)流域劃分成9個(gè)區(qū)，求出各代表站所代表的區(qū)面積權(quán)重值，用面積權(quán)重法求的整個(gè)流域的氣溫、降水值。其中，考察氣溫變化為T序列、夜間溫度變化為Tmin序列、白天溫度變化為Tmax序列、年較差為YTR，（YTR＝T7（max）－T1（min），即7月平均最高氣溫與1月平均最低氣溫之差）、日較差為DTR（DTR＝Tmax－Tmin，即日最高氣溫與最低氣溫之差）。為了求得各季節(jié)氣溫序列，取1月為冬季，7月為夏季［16］。用1983－2012年的平均值作為多年平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)化值，進(jìn)行3年滑動(dòng)平均，繪成標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)，即正常值。

氣溫的變化趨勢(shì)用下式進(jìn)行估計(jì)：

其中，Ti為溫度；ti為時(shí)間（1983－2012年）；b為現(xiàn)行趨勢(shì)項(xiàng)，即線性趨勢(shì)變化率，b0和b一般用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，由方差分析檢驗(yàn)顯著性。構(gòu)建如下的統(tǒng)計(jì)量：

其遵從分子自由度為1，分母自由度為n－2的F分布。其中U 為（1）式中t擬合T 的回歸平方和；Q為殘差平方和；如果（2）式中F值大于一定的臨界值Fa（如a＝0.05），則可認(rèn)為回歸方程（1）在a＝0.05的水平上有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也可以說(shuō)，b在a＝0.05的水平上顯著大于0。

圖1 瑪納斯河流域9個(gè)代表氣象站分布Fig.1 Distribution of 9representative meteorological stations in the Manas River Basin

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 瑪河流域30年年平均、年最高和年最低氣溫變化特征

如表1分析可見(jiàn)，T、Tmax、Tmin的線性變化率于春季（3－5月）呈增加趨勢(shì)，秋季（9－11月）呈減少趨勢(shì)，且基本呈對(duì)稱性；除春、秋季節(jié)外，T、Tmin、Tmax的變化趨勢(shì)基本相同，且變化率很低，維持在0.5以內(nèi)。4月Tmin線性變化率為最高值，即4月（春季）對(duì)年增暖的貢獻(xiàn)最大。月Tmin有5個(gè)月呈下降趨勢(shì)，T有4個(gè)月呈下降趨勢(shì)，且均集中在冬季，而Tmax僅有1個(gè)月為下降，其余均為上升趨勢(shì)。

表1 年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫變化率 ［℃·（10a）－1］Tab.1 Linear trends of the annual average，maximum and minimum temperatures

2.1.2 瑪河流域30年年平均氣溫、年平均日最高、最低氣溫的年際變化

2.1.2.1 年平均氣溫年際變化

瑪納斯河流域年平均氣溫非線性增暖，增長(zhǎng)率為0.11℃／10a（圖2）。氣溫變化明顯有2個(gè)時(shí)期，第1個(gè)時(shí)期為1984－1994年，這一時(shí)期所有年份處于相對(duì)負(fù)距平，即平均氣溫低于6.38℃；第2時(shí)期為2006－2011年，這一時(shí)期年份均為正距平。此后氣溫明顯平滑上升。YTR呈下降趨勢(shì)，下降率為－3.2℃／10a（表2）。

圖2 瑪納斯河流域1983－2011年平均氣溫以及5年滑動(dòng)平均氣溫變化Fig.2 Change of the annual average temperature and its 5－year smoothed average in Manas River Basin from 1983to 2011

表2 瑪納斯河流域年平均氣溫的年際變化Tab.2 Decadal change of the annual average temperature in Manas River Basin

2.1.2.2 年平均日最高、日最低氣溫的年際變化

近30年日最高氣溫變化跳躍性較?。▓D3），如2008年和2009年，日最高氣溫分別為17.13、16.32℃，較年均氣溫值高。5年滑動(dòng)最低氣溫曲線比5年滑動(dòng)最高氣溫曲線平緩，5年滑動(dòng)振幅由0.5℃增至0.7℃。21世紀(jì)初相對(duì)于20世紀(jì)80、90年代呈上升趨勢(shì)，分別上升了3.5和1.9℃（表3），21世紀(jì)初明顯高于20世紀(jì)80、90年代，2011年為最高。

圖3 瑪納斯河流域1983－2012年最高氣溫以及5年滑動(dòng)氣溫變化Fig.3 Change of the daily maximum temperature and its 5－year smoohed average in Manas River Basinfrom 1983to 2012

日最低氣溫變化與平均氣溫、日最高氣溫的年際變化總體趨勢(shì)基本一致（圖3）。日最低氣溫在1983－1996年下降，與日最高氣溫同時(shí)進(jìn)入暖期；日最暖期為2007年以后，此時(shí)段高于最冷時(shí)段（20世紀(jì)80年代）6.8℃，此變化幅度高于平均氣溫、日最高氣溫的最暖與最冷時(shí)段的幅度。

表3 瑪納斯河流域1983－2012年日最高、最低氣溫的年際變化 ℃Fig.3 Decadal change of the daily maximum and minimum temperature in Manas River Basin

2.1.3 瑪河流域30年冬季（1月）平均氣溫、平均日最高、最低氣溫的年際變化

2.1.3.1 冬季（1月）平均氣溫年際變化

1月的平均氣溫同年平均氣溫變化基本一致（圖4）。最冷時(shí)段為20世紀(jì)80年代初，與年平均氣溫和日平均氣溫一致；最暖時(shí)段為21世紀(jì)00年代末，這與年最低氣溫的變化一致，即年最低氣溫20世紀(jì)80年代末增溫中，1月的貢獻(xiàn)最大。20世紀(jì)80年代是最冷時(shí)段（－16.1℃），21世紀(jì)00年代為最暖時(shí)段（－12.9℃），年代間1月平均氣溫相差1.6℃（表4），因此瑪納斯河流域的冬季氣溫自20世紀(jì)80年代以來(lái)一直呈上升趨勢(shì)。

圖4 瑪納斯河流域1983－2012年1月平均氣溫以及5年滑動(dòng)變化Fig.4 Change of the monthly temperature and its 5－year smoothed average in January in Manasi River Basin from 1983to 2012

表4 瑪納斯河流域1月平均、最高、最低氣溫的年際變化 ℃Tab.4 Decadal change of the monthly temperature，daily maximum and minimum temperature in January in Manasi River Basin

2.1.3.2 1月平均日最高氣溫、日最低氣溫的年際變化

1月平均日最高氣溫變化同1月平均氣溫、年平均日最高氣溫的差異：1）月平均日最高氣溫呈上升趨勢(shì)，但曲線波動(dòng)較大，而年平均日最高氣溫則曲線較為平緩（圖5）；2）1月最冷時(shí)期分別為20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)00年代中期，與歷年1月平均氣溫變化趨勢(shì)相同，但卻與年平均日最高氣溫的變化不一致；3）1月平均氣溫最冷時(shí)期是1月最高氣溫與最低共同起作用；4）1月最高氣溫呈上升趨勢(shì)，開(kāi)始較為平緩，隨后較大趨勢(shì)上升，并連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)升溫峰值；5）5月1日最高、最低氣溫分別出現(xiàn)在2009年和1984年，二者相差12.54℃。

1月平均日最低與最高氣溫變化曲線相似（圖5）。1月平均日最低氣溫整體呈上升趨勢(shì)，線性變化率為18.57℃／100a；在近30年中，初期和末期都有升溫趨勢(shì)，而中期相對(duì)初末期有下降趨勢(shì)。最冷時(shí)段在20世紀(jì)80年代中期，與1月日平均最高溫度的變化相同。這說(shuō)明，20世紀(jì)90年代的增溫是日最高和最低氣溫共同起作用的。1月日較差在20世紀(jì)90年代顯著上升（上升率為1.6℃／10a），之后又下降，下降率為0.8℃／10a（表4）。年代間日最低溫度變化較為顯著，最冷為20世紀(jì)80年代，隨后3個(gè)年代段分別較之上升0.6、3.1和4.5℃，呈顯著上升趨勢(shì)。氣溫最高為2009年（－10.34℃），最低為1985年（－23.36℃），二者相差13.02℃。可見(jiàn)，1月份的氣溫變化存在對(duì)稱性，即日最低氣溫的上升幅度與日最高氣溫及其相似。

圖5 瑪納斯河流域1983－2012年1月平均最高、最低氣溫以及5年滑動(dòng)變化Fig.5 Change of the daily maximum and minimum temperature and its 5－year smoothed average in January in Manas River Basin from 1983to 2012

2.1.4 夏季（7月）平均氣溫、平均日最高、最低氣溫的年際變化

2.1.4.1 7月平均氣溫年際變化

瑪納斯河流域7月平均氣溫（圖6）多年變化幅度比年平均氣溫較大，但較1月平均氣溫較小，其變化過(guò)程也存在著很多不同，其線性變化率為0.87℃／10a。20世紀(jì)80－90年代，7月平均氣溫都是上升的，上升了0.4℃，而全年平均氣溫上升了1.3℃，1月平均氣溫上升了1.3℃；20世紀(jì)90年代－21世紀(jì)00年代7月平均氣溫上升，這與全年的平均氣溫和1月的平均氣溫變化相同；瑪納斯河流域7月份的極值點(diǎn)溫度分別為21.36和27.79℃。表5中瑪納斯河流域的7月平均氣溫表明：20世紀(jì)80年代中期氣溫有所上升，1987－2001年變化幅度不大，變化幅度僅在0.4℃以內(nèi)，20世紀(jì)90年代氣溫回升末期下降，隨后21世紀(jì)00年代一直呈上升狀態(tài)，增溫的幅度還是略小于1月平均氣溫。2011－2012年時(shí)段與20世紀(jì)80年代比增溫幅度小于全年平均氣溫、1月平均氣溫。

圖6 瑪納斯河流域1983－2012年7月平均氣溫以及5年滑動(dòng)變化Fig.6 Change of the monthly temperature and its 5－year smoothed average in July in Manas River Basin from 1983to 2012

表5 瑪納斯河流域7月平均、最高、最低氣溫的年際變化 ℃Tab.5 Decadal change of the monthly temperature，daily maximum and minimum temperature in July in Manas River Basin

2.1.4.2 7月平均日最高氣溫、日最低氣溫的年際變化

由圖7可見(jiàn)，瑪納斯河流域7月平均日最高氣溫變化與其平均氣溫變化有些相似，相反，同1月平均日最高氣溫卻有些差異。7月平均日最高氣溫線性變化率為1.3℃／10a，最高氣溫2008年35.57℃，最低氣溫2003年26.73℃。1987－2001年7月氣溫較為平穩(wěn)，2003年后升溫較快。與1月年際氣溫變化相同，7月日最高氣溫的最低年代為20世紀(jì)80年代，隨后3個(gè)年代較之分別增溫0.32、1.39和4.34℃（表5）。夏季的最高氣溫變化較平緩，有升溫趨勢(shì)，2011－2012年是年代間最高時(shí)段。

7月平均最低氣溫（圖7）同7月的平均氣溫、平均日最高氣溫，整體變化趨勢(shì)相似。線性變化率為0.82／10a；5年滑動(dòng)曲線較平，接近直線。20世紀(jì)80年代末到21世紀(jì)00年代初呈上升趨勢(shì)，21世紀(jì)00年代初到中期呈略微下降，而隨后呈上升趨勢(shì)。氣溫最低位20世紀(jì)80年代，隨后逐漸增加，20世紀(jì)90年代較之升溫0.51℃，21世紀(jì)00年代較之升溫0.81℃，2011－2012年較之增溫2.75℃（表5）。

圖7 瑪納斯河流域1983－2012年7月平均最高、最低氣溫以及5年滑動(dòng)變化Fig.7 Change of the daily maximum and minimum temperature and its 5－year smoothed average in July in Manas River Basin from 1983to 2012

2.2 瑪河流域30年降水量變化的基本特征

由圖8所示，近30年來(lái)瑪納斯河流域降水量略呈增多趨勢(shì)，冬季降水量變化波動(dòng)較小，但與年平均降水量變化趨于一致。年平均降水量、夏季、冬季降水量都呈逐漸增加趨勢(shì)?？梢?jiàn)瑪納斯河流域的冬夏季節(jié)降雨的增加量都比較均衡。年均降水量與冬季降水量變化較為相似，而夏季降水量變化與年均降水量變化相比，自2001－2007年出現(xiàn)明顯的相反變化趨勢(shì)，夏季降水量時(shí)增時(shí)減，變化不穩(wěn)定。

圖8 瑪納斯河流域1983－2012年年平均、夏季、冬季降水量變化Fig.8 Change of the year and summer，winter rainfall and its 5－year smoothed average in Manas River Basin from 1983to 2012

2.3 瑪河流域30年降水量與氣溫相關(guān)性分析

圖9為瑪納斯河流域年平均氣溫與年降水量、典型月份（1、7月）平均氣溫與降水量間的相關(guān)分析?？梢?jiàn)，降水量與氣溫之間均存在一定的相關(guān)關(guān)系。其中，全年、1月、7月氣溫以及降水量均呈上升趨勢(shì)，R 值分別為0.83467、0.98051、0.80176，分別在ɑ＝0.01和ɑ＝0.05時(shí)達(dá)到顯著水平。

圖9 氣溫與降水量相關(guān)性分析Fig.9 Correlation analysis with temperature and rainfall

3 討論

瑪納斯河流域氣溫處于逐漸變暖狀態(tài)，21世紀(jì)初00年代平均氣溫較20世紀(jì)80和90年代有所提高；20世紀(jì)80－90年代提高幅度為1.3℃，明顯低于21世紀(jì)初00年代與其差值2.8℃；21世紀(jì)初的00年代比20世紀(jì)90年代增溫1.5℃，這些均大大超出全球平均氣溫增幅（0.6 ℃）［3］。2001－2010年平均氣溫最高，為近30年最高時(shí)期?？梢?jiàn)該流域在20世紀(jì)90年代持續(xù)變暖，與全國(guó)氣溫變化趨勢(shì)一致。1月平均氣溫線性變化率為16.4℃／100a，較中國(guó)冬季增溫率（0.3℃／10a）［17］高。1月平均日最高氣溫整體呈增加趨勢(shì)，最暖為2011－2012年，為－7.8℃，最冷為1983－1990年，低于最暖時(shí)段4.2℃（表4）。這表明該流域1月平均日最高氣溫變化同全國(guó)日最高氣溫變化相比［17］，有一定的差異。

4 結(jié)論

1）瑪納斯河流域年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫的線性變化率春季（3－5月）呈增加趨勢(shì)，秋季（9－11月）呈減少趨勢(shì)，且基本呈對(duì)稱性；除春、秋季節(jié)外，T、Tmin、Tmax的變化趨勢(shì)基本相同，且變化率很低；年平均日最高氣溫對(duì)年平均氣溫的影響大于年平均日最低氣溫對(duì)年平均氣溫的影響。流域冬季（1月）平均日最低氣溫增溫大于年平均氣溫、年平均日最低氣溫，1月日最高氣溫波動(dòng)相對(duì)較大，但整體呈上升趨勢(shì)。

2）瑪納斯河流域夏季（7月）平均日最低氣溫、平均日最高氣溫、平均氣溫都呈上升趨勢(shì)，且平均日最低氣溫與平均氣溫的10年增溫率相同，遠(yuǎn)低于平均最高氣溫。

3）瑪納斯河流域冬、夏季的年最低氣溫增長(zhǎng)率大于低于最高氣溫增長(zhǎng)率。如夏季前者增長(zhǎng)率為0.82／10a，而后者為1.3 ℃／10a，前者約為后者1／2，其結(jié)果導(dǎo)致日較差增加。

4）瑪納斯河流域的年平均降水量與冬季降水量變化趨勢(shì)較為相似，年平均降水量每10年增加量幾乎相同，無(wú)太大變化。

5）瑪納斯河流域氣溫變化與降水量呈顯著正相關(guān)。

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