何 毅, 楊太保, 陳 杰, 冀 琴, 徐 旻

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 冰川與生態(tài)地理研究所, 蘭州730000)

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1955-2012年南北疆氣溫、降水及相對濕度趨勢分析

何 毅, 楊太保, 陳 杰, 冀 琴, 徐 旻

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 冰川與生態(tài)地理研究所, 蘭州730000)

利用新疆境內(nèi)的12個國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站1955—2012年溫度、降水和相對濕度數(shù)據(jù)，通過氣候趨勢分析、氣候突變分析及Morlet小波分析等方法，研究近60 a來南北疆氣候變化特征。結(jié)果表明：1) 近60 a來南北疆的溫度總體呈上升趨勢，并以北疆增溫幅度較南疆明顯；不同溫度指標(biāo)的增幅大小排列為：年平均最低溫度(Tmin)>年平均溫度(Tmean)>年平均最高溫度(Tmax)；2) 南北疆的年平均溫度(Tmean)、年平均最高溫度(Tmax)、年平均最低溫度(Tmin)均有突變發(fā)生。其中，北疆的突變時間均在1987—1989年，南疆的突變時間均在1993—1994；3) 南北疆年降水量的變化趨勢不如氣溫變化明顯，總體上呈增加趨勢，北疆降水量變化相對穩(wěn)定，而南疆呈增加趨勢；南疆的年均降水量在1981年發(fā)生突變；而北疆的正反序列曲線均未超過95%置信度線，未出現(xiàn)突變點；4) 北疆年均相對濕度總體上呈減少趨勢，而南疆總體上呈增加趨勢；南北疆相對濕度總體經(jīng)歷了“增加—減少—增加—減少”的變化。從全區(qū)來看，進入21世紀(jì)南北疆相對濕度均急劇減少；5) Morlet小波分析結(jié)果顯示，南北疆的氣溫均存在4 a和8 a的明顯周期，降水量、相對濕度均存在3 a，6 a和16 a左右的周期變化規(guī)律。

氣候變化; 溫度和降水; 相對濕度;Morlet小波分析; 南北疆

氣候變化將對人類生存環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和社會進步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，因而成為各領(lǐng)域研究的熱點和重點問題[1-3]。IPCC第四次評估報告顯示，到21世紀(jì)末，全球地表將平均增溫1.1～6.4℃[4]。但各地的升溫幅度并不完全相同。一般認(rèn)為，北半球大于南半球，高緯度地區(qū)大于低緯度地區(qū)[5-6]。同一緯度地區(qū)，因受地形等多種因素的影響，各區(qū)域的升溫幅度也存在著一定的差異。近年來，我國乃至全球氣候災(zāi)害嚴(yán)重，氣候變化加劇，極端天氣出現(xiàn)頻率增加[7-8]，尤其雅江源區(qū)升溫特別顯著[9]。研究指出，隨著氣候變暖，干旱、半干旱地區(qū)將遭受降水和水資源的進一步減少[10]。在全球氣候變暖的背景下，我國西北地區(qū)氣候也發(fā)生了很大變化，由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型[11-12]。新疆位于西北地區(qū)，屬于典型的干旱、半干旱氣候，水汽來源少，水資源匾乏。獨特的降水時空分布特征對水資源形成和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了十分明顯的影響[13]。近些年，新疆的氣候發(fā)生了較明顯的變化，大部分地區(qū)出現(xiàn)氣溫升高、降水增多，氣候總體呈“暖濕化”趨勢[14-15]。雖然新疆氣候變化與中國西北地區(qū)氣候變化趨勢基本一致，但由于新疆復(fù)雜的地形分割作用，而產(chǎn)生區(qū)域氣候的差異，必將導(dǎo)致在同一全球氣候變化背景下新疆不同地區(qū)的氣候變化特征不會完全相同。因此，我們將新疆省劃分為南北疆來揭示其氣候變化特征，對于指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)林業(yè)發(fā)展以及制定應(yīng)對區(qū)域氣候變化的戰(zhàn)略和行動計劃更具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國的西北部，是我國行政面積最大的省區(qū)。自北向南分別是：阿爾泰山，準(zhǔn)格爾盆地，天山，塔里木盆地，昆侖山。新疆沙漠廣布，以溫帶草原帶為主，遠(yuǎn)離海洋，四周高山環(huán)抱，是典型的溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫10.4℃，年均降水量188.1 mm，是全國降水量最少的地區(qū)。夏季高溫、干旱少雨；冬季寒冷，晝夜溫差大。新疆三大山脈的積雪、冰川孕育匯集為500多條河流，分布于天山南北的盆地，其中較大的有塔里木河(我國最大的內(nèi)陸河)、伊犁河、額爾齊斯河(流入北冰洋)、瑪納斯河、烏倫古河、開都河等20多條，河流流量季節(jié)變化比較大，夏季徑流量大，補給水源為高山冰雪融水，冬季凈流量小。農(nóng)業(yè)類型以綠洲農(nóng)業(yè)和灌溉農(nóng)業(yè)為主；植被以干旱半干旱草原、亞寒帶針葉林和溫帶落葉闊葉林為主，但是因為新疆有很多山地，山地的植被隨海拔的變化而變化，垂直自然帶明顯。本文利用新疆境內(nèi)的12個國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站1955—2012年的溫度、降水和相對濕度資料，研究近60 a 來南北疆的年際變化、氣候突變特征及周期性分析；在此基礎(chǔ)上，綜合比較南北疆之間的氣候變化特征。以其為南北疆適應(yīng)氣候變化對策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供(http:∥cdc.cma.gov.cn)，選取分布在新疆境內(nèi)的12個國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站(北疆5個，南疆7個)1955—2012年溫度、降水和相對濕度資料研究新疆南北氣候的變化特征。

2.2 處理方法

2.2.1 數(shù)據(jù)分析和處理 采用回歸分析(Regression Analysis)揭示氣候變化規(guī)律；利用SPSS 18.0和Excel統(tǒng)計軟件分析氣象數(shù)據(jù)；運用ArcGIS 10和Origin 8.1繪制新疆南北氣象各站點分布簡圖及氣候變化圖。趨勢分析采用一元回歸求取線性趨勢的方法，做出年際變化曲線、氣候傾向率。

2.2.2 氣候傾向率 氣象要素y的長期變化趨勢采用線性回歸方程來描述，計算公式：

yi=a+bti

式中：t——年份序列號(i=1，2，…，n)；a——回歸常數(shù)；b——回歸系數(shù)?；貧w系數(shù)b的符號表示氣候變量x的趨勢傾向。當(dāng)b>0時，說明隨時間t的增加，x呈上升趨勢；當(dāng)b<0時，說明隨時間t的增加，x呈下降趨勢。b值表示上升或下降的傾向程度，通常稱為傾向值，其大小反映了上升或下降的速率，這種方法叫做線性傾向估計。yi表示氣象要素的擬合值；bt10稱為氣候傾向率，表示氣象要素每10 a的變化率。

2.2.3 氣候要素變化趨勢的顯著性檢驗及突變檢測 采用Mann-Kendall(M-K)法研究氣溫和降水量變化趨勢的顯著性及突變情況[16]，其公式如下：

式中：Zc——秩相關(guān)系數(shù)；τ——檢驗統(tǒng)計變量；p——數(shù)據(jù)序列所有對偶觀測值(Rj,Ri,j

在M-K檢驗中，若統(tǒng)計量|Zc|≤Z(1-α/2)，則認(rèn)為序列沒有顯著趨勢；當(dāng)ZcZ(1-α/2)時，表明序列有顯著上升趨勢。α表示顯著性水平，當(dāng)α=0.05時，Z(1-α/2)=1.96。M-K突變檢驗中，在正序列曲線超過臨界值置信線的前提下，若正序列和反序列2個統(tǒng)計量序列僅有一個明顯的交叉點，且位于置信線之間，則表明該交叉點為突變點，且在統(tǒng)計上顯著；若交叉點位于置信線區(qū)域之外，或者是存在多個明顯的交叉點，則不確定是否為突變點。

2.2.4 小波分析 小波分析是一種時、頻多分辨率分析方法，是時間和頻率的區(qū)域變換，能有效的從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細(xì)化。用來做小波變換的小波有好幾種，這里簡單采用Morlet能譜小波函數(shù)，具體方法如下：

Ψ(t)=e-2πitexp[-(2π/kΦ)2|t|2]

小波變換系數(shù)為：

式中：ξ(t＇,a)——小波系數(shù)；f(t)——時間序列；Ψ*——Ψ的共軛函數(shù)[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫年際變化特征

對南北疆逐月觀測數(shù)據(jù)進行整理，獲得年際尺度溫度數(shù)據(jù)，繪制氣溫變化圖，運用一元線性回歸擬合氣溫變化趨勢，分析南北疆年平均氣溫(Tmean)、年平均最高氣溫(Tmax)和年平均最低氣溫(Tmin)變化趨勢，結(jié)果見圖1，圖2和圖3。

由圖1可知，1955—2012年期間，北疆年均氣溫為6.7 ℃，年均最高氣溫為13.5 ℃，年均最低氣溫為0.7 ℃；南疆分別為10.3 ℃，17.8 ℃和3.5 ℃，可以看出，南疆總體溫度較北疆高。年際尺度上南北疆的年平均氣溫(Tmean)、年平均最高氣溫(Tmax)和年平均最低氣溫(Tmin)總體上呈上升趨勢，均通過p<0.05顯著性檢驗，并且年際溫度最大值均發(fā)生在2000之后，這與國內(nèi)學(xué)者研究[18]提出的我國進入21世紀(jì)以后處于較溫暖階段的結(jié)論相吻合。南北疆增溫幅度總體均表現(xiàn)為Tmin>Tmean>Tmax，但北疆增溫幅度較南疆明顯(表1)。由10 a趨勢滑動分析結(jié)果可知，北疆Tmean，Tmax和Tmin均經(jīng)過5次波動，在1965，1985，1989，1998，2007年達(dá)到波峰，在1954，1970，1984，1994，2002年達(dá)到波谷。南疆Tmean和Tmax均經(jīng)過6次波動，在1963，1972，1978，1990，1999，2007年達(dá)到波峰，在1961，1967，1975，1986，1994，2002年達(dá)到波谷；而Tmin經(jīng)過4次波動，在1973，1980，1988，2006年達(dá)到波峰，在1969，1975，1984，1993年達(dá)到波谷。說明南北疆的氣溫變化存在波動性差異。

圖1 南北疆溫度逐年變化特征

表1 南北疆年際溫度變化及其突變點分析

注：***表示P<0.001。

從各年代來看(表2)，總的來說南北疆氣候變化總趨勢以變暖為主，20世紀(jì)80，90年代以來氣溫有明顯上升，Tmean，Tmax和Tmin逐年代都在增加，70年代與60年代相比略有增加。Tmean，Tmax和Tmin在各年代增溫幅度也都呈現(xiàn)Tmin>Tmean>Tmax；南北疆對比來看，Tmax增溫幅度均是北疆快于南疆，Tmean和Tmin增溫幅度在80，90年代北疆顯著，而70年代和21世紀(jì)南疆顯著。

表2 各年代平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫分別與60年代的差值 ℃

南北疆的氣溫M-K顯著性檢驗顯示，整體升溫趨勢明顯，北疆年平均氣溫1977年出現(xiàn)了增加趨勢，1989年之后達(dá)到了顯著水平，而南疆年平均氣溫1979年出現(xiàn)了增加趨勢，1990年之后達(dá)到了顯著水平；南北疆的氣溫M-K突變檢測顯示(圖3)，北疆年平均氣溫(Tmean)、年平均最高氣溫(Tmax)和年平均最低氣溫(Tmin)的正序列曲線在20世紀(jì)末期均超過95%置信度線，而南疆其正序列曲線在2005年之后超過95%置信度線，且它們正反序列曲線在置信度區(qū)間內(nèi)均存在一個交叉點(圖3)，顯示出南北疆均有突變發(fā)生，但發(fā)生突變的時間有所不同，以北疆地區(qū)發(fā)生較早，約在1990年前1～2 a左右，與錫林浩特市地區(qū)相一致[19]。南疆則在1995年前1～2 a左右(圖3)，表明北疆先進入了一個相對偏暖的氣候狀態(tài)。

(上下兩虛直線為α=0.05顯著性水平臨界值信度線；帶圓點的實線為正序列；帶三角的實線為反序列)，下圖同。

3.2 降水量年際變化特征

對新疆南北逐月觀測數(shù)據(jù)進行整理，獲得年際尺度降水量數(shù)據(jù)，繪制降水變化圖，運用一元線性回歸擬合降水變化趨勢，分析南北年均降水量變化趨勢，結(jié)果見圖4和圖5。由圖4可知，1955—2012年，南北疆年降水量的變化趨勢不如氣溫變化趨勢明顯，總體上來看呈現(xiàn)增加趨勢，分別為35.96 mm/10 a和54.51 mm/10 a,以北疆增幅較南疆大；由10 a趨勢滑動分析結(jié)果可知，北疆年均降水量經(jīng)過3～4次大的波動。而南疆年均降水量波動性頻繁，規(guī)律性較差。

圖3 新疆南北降水量逐年變化特征

從各年代來看(表3)，北疆降水量總體變化相對穩(wěn)定，而南疆在各個年代都呈現(xiàn)增加趨勢。南北疆降水量M-K突變檢測顯示(圖4)，南疆的正序列曲線在20世紀(jì)90年代中期超過95%置信度線，且正反序列曲線在置信度區(qū)間內(nèi)存在一個交叉點(圖4)，出現(xiàn)在1981年，表明南疆在1981年發(fā)生突變；而北疆的正反序列曲線均未超過95%置信度線，未出現(xiàn)突變點。

表3 各年代年均降水量和相對濕度與60年代的差值

圖4 1955-2012年新疆南北降水量的Mann-Kendall 突變檢測

3.3 相對濕度年際變化特征

對新疆南北逐月觀測數(shù)據(jù)進行整理，獲得年際尺度相對濕度數(shù)據(jù)，繪制相對濕度變化圖，運用一元線性回歸擬合相對濕度變化趨勢，分析南北疆年均相對濕度變化趨勢，結(jié)果見圖5和圖6。

由圖5可知，從總體上來看，1955—2012年北疆年均相對濕度呈下降趨勢，而南疆呈上升趨勢；由10 a趨勢滑動分析結(jié)果可知，北疆年均相對濕度經(jīng)過4次大波動，在1960，1971，1989，2003年達(dá)到波峰，在1963，1976，1997，2012年達(dá)到波谷；南疆年均相對濕度也經(jīng)過4次波動，在1962，1975，1992，2002年達(dá)到波峰，在1966，1983，1992，2009年達(dá)到波谷。

圖5 新疆南北相對濕度逐年變化特征

從各年代來看(表3)，北疆相對濕度總體經(jīng)歷了“減少—增加—減少—減少”的變化，而南疆經(jīng)歷了“增加—減少—增加—減少”的變化。從全區(qū)來看，進入21世紀(jì)南北疆相對濕度均急劇減少。

南北疆相對濕度M-K突變檢測顯示(圖6)，南北疆的正反序列曲線均超過95%置信度線，并且正反序列曲線在置信度區(qū)間內(nèi)存在一個交叉點(圖6)，分別出現(xiàn)在1958年和1969年，表明南疆在1958年發(fā)生突變，而北疆在1969年發(fā)生突變。

3.4 周期性分析

3.4.1 氣溫周期性 采用Morlet小波對南北疆1955—2012年氣溫多時間尺度進行了分析。圖7、8為小波變換系數(shù)實部在時—頻域及小波方差分布圖。從圖7中可以看出北疆的氣溫演變均存在著4 a，8 a和14 a的周期變化規(guī)律，但年均最高氣溫還存在30 a的周期，在8 a左右的尺度上，周期變化具有較好的連續(xù)性，經(jīng)歷了4個氣溫增大、減小的交替時期；而在14 a左右的尺度上，氣溫的演變時域上的連續(xù)性較差，經(jīng)歷2次比較明顯的一個正值區(qū)和一個負(fù)值區(qū)組成的準(zhǔn)一次振蕩。還可以看出不同時段各時間尺度的信號強弱分布，其中貫穿于整個時間域8 a左右的尺度信號最強，此外，14 a尺度的信號也較強，周期變化最為明顯，且連續(xù)性強；其次是4 a尺度信號；其余則較弱。這表明北疆的氣溫在4 a，8 a和14 a時間尺度范圍內(nèi)存在比較明顯的周期變化。

圖6 1955-2012年新疆南北相對濕度的Mann-Kendall 突變檢測

圖7 北疆的溫度Morlet小波換小波系數(shù)實部的時頻分布

從圖8中可以看出南疆氣溫演變均存在著8 a和28 a的周期變化規(guī)律，但年均最高氣溫不存在28 a的周期，在28 a左右的尺度上，氣溫的演變時域上的連續(xù)性較差，經(jīng)歷2次比較明顯的一個正值區(qū)和一個負(fù)值區(qū)組成的準(zhǔn)一次振蕩。貫穿于整個時間域8 a左右的尺度信號最強，周期變化最為明顯，且連續(xù)性強。

這表明南疆的年均氣溫和年均最高氣溫在8 a和28 a時間尺度范圍內(nèi)存在比較明顯的周期變化，而最低氣溫只存在8 a的明顯周期。

圖8 南疆的溫度Morlet小波換小波系數(shù)實部的時頻分布

3.4.2 降水量周期性 采用Morlet小波對南北疆1955—2012年降水量多時間尺度進行了分析。圖9為小波變換系數(shù)實部在時—頻域及小波方差分布圖。從圖9中可以看出北疆降水量演變均存在著3 a，6 a，16 a及40 a左右的周期變化規(guī)律，在3 a和6 a的尺度上，周期變化具有較好的連續(xù)性，而在40 a左右的尺度上，降水量的演變時域上的連續(xù)性較差。貫穿于整個時間域16 a左右的尺度信號最強，周期變化最為明顯，且連續(xù)性強；表明北疆的降水量在3 a，6 a和16 a時間尺度范圍內(nèi)存在比較明顯的周期變化；由圖9可以顯示，南疆降水量演變均存在著3 a，6 a和8 a左右的周期變化規(guī)律，且在8 a的尺度上信號最強，周期變化最為明顯，且連續(xù)性強。表明南疆的降水量在6 a和8 a時間尺度范圍內(nèi)存在比較明顯的周期變化；

3.4.3 相對濕度周期性 采用Morlet小波對南北疆1955—2012年相對濕度多時間尺度進行了分析。圖10為小波變換系數(shù)實部在時—頻域及小波方差分布圖。從圖10中可以看出北疆相對濕度演變均存在著3 a，6 a，14 a及32 a左右的周期變化規(guī)律，在6 a和14 a的尺度上，周期變化具有較好的連續(xù)性，而在32 a左右的尺度上，相對濕度的演變時域上的連續(xù)性較差。貫穿于整個時間域6 a和14 a左右的尺度信號最強，周期變化最為明顯且連續(xù)性最強；表明北疆的相對濕度在3 a，6 a和14 a時間尺度范圍內(nèi)存在比較明顯的周期變化；由圖10可以顯示，南疆相對濕度演變均存在著3 a，6 a，12 a和26 a左右的周期變化規(guī)律，且在12 a和26 a左右尺度上信號最強，周期變化最為明顯且連續(xù)性最強。表明南疆的相對濕度在12 a和26 a時間尺度范圍內(nèi)存在比較明顯的周期變化。

圖9 南北疆降水量Morlet小波換小波系數(shù)實部的時頻分布

圖10 南北疆的相對濕度Morlet小波換小波系數(shù)實部的時頻分布

4 結(jié) 論

1) 在全球氣候變暖背景下，南北疆的氣溫均呈顯著上升趨勢，以北疆增幅大于南疆。這與劉波等[20]研究1960—2005年新疆氣候變化的基本特征得出的結(jié)論相一致。不同溫度指標(biāo)結(jié)果是年平均最低溫度(Tmin)>年平均溫度(Tmean)>年平均最高溫度(Tmax)。

2) 南北疆年平均溫度發(fā)生突變的時間分別在20世紀(jì)90年代初、80年代末期，以北疆較早發(fā)生突變；北疆的氣溫突變點與尹云鶴[21]等提出的我國氣候發(fā)生突變的時間(1989年)基本一致，而南疆推遲大概3 a；南北疆的氣溫突變后較20世紀(jì)60年代有明顯增加。

3) 南北疆年降水量的變化趨勢不如氣溫變化趨勢明顯，總體上呈增加趨勢，變化差異不大，而以北疆增幅大于南疆，這與劉波等的研究結(jié)論相一致[20]。北疆近40 a的降水量總體經(jīng)歷了“減少—增加—增加—減少”的年代間變化，但未出現(xiàn)明顯的年際突變點；南疆在各個年代都呈現(xiàn)增加趨勢，且年均降水量在1981年發(fā)生突變，降水量出現(xiàn)明顯增加。

4) 年均相對濕度總體上呈北疆減少顯著、南疆略有增加；南北疆相對濕度總體經(jīng)歷了“減少—增加—減少—減少”的變化；從全區(qū)來看，進入21世紀(jì)南北疆相對濕度均急劇減少。

5) 利用時、頻多分辨率Morlet小波分析發(fā)現(xiàn)，北疆的氣溫存在4 a，8 a和14 a的周期，降水量、相對濕度均存在3 a，6 a和16 a；南疆的年均溫和年均最高溫存在8 a和28 a的明顯周期，而最低溫只存在8 a，降水量存在6 a和8 a，相對濕度存在3 a，6 a，12 a和26 a左右的周期變化規(guī)律。

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Long-term Trend of Temperature, Precipitation and Relative Humidity in the Northern and Southern Regions of the Xinjiang from 1955 to 2012

HE Yi, YANG Taibao, CHEN Jie, JI Qin, XU Min

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,InstitutionofGlaciersandEcogeography,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

By connecting temperature, precipitation and relative humidity data of twelve national standard meteorological stations which evenly distributed in the northern and southern regions of the Xinjiang from 1955 to 2012 with the existing climatic regionalization of the Xinjiang, rate of linear tendency and Mann-Kendall test were used to illustrate the change trends and detect abrupt changes of meteorological elements, respectively. We investigated climate change of the northern and southern regions in Xinjiang in the last 60 years．The results showed that: 1) the trend of obvious temperature increase existed in these regions in the last 60 years, the warming rates were higher in the north, the warming rates were increasing in the order of annual average maximum temperature (Tmax)

climate change; temperature and precipitation; relative humidity; Morlet wavelet analysis; the northern and southern regions of Xinjiang

2014-05-08

2014-07-15

國家自然科學(xué)資助項目“黃河上游晚更新世河流階地和冰川演化對千年尺度氣候變化的響應(yīng)”(41271024);中央高校自由探索—優(yōu)秀研究生創(chuàng)新項目(Lzujbky-2014-274);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(Lzujbky-2012-137)；國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項目(J1210065)

何毅(1987—),男,甘肅會寧人,博士生,主要研究環(huán)境演變與全球變化。E-mail:heyi11@lzu.edu.cn

楊太保(1962—),男,山西人平陸縣人,博士,教授/博導(dǎo),主要從事自然地理環(huán)境變化研究。E-mail:yangtb@lzu.edu.cn

P467；P461.2；P333.1

1005-3409(2015)02-0269-09