楊少敏, 楚新正, 張揚(yáng)

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

1 前言

氣候變化已成為全球性的問(wèn)題, 引起世界各國(guó)政府和人民的關(guān)注與重視[1]?！兜诙螝夂蜃兓瘒?guó)家評(píng)估報(bào)告》認(rèn)為[2]： 1951—2009年中國(guó)平均氣溫上升了1.38 ℃, 其變暖速率為0.23 ℃·(10 a)-1。丁一匯等[3]提出, 在全球變暖這一大背景下, 我國(guó)近百年的氣候發(fā)生了明顯變化, 我國(guó)氣候變暖最明顯的地區(qū)在西北地區(qū)、華北地區(qū)和東北地區(qū)。

新疆位于歐亞大陸腹地, 為典型的干旱、半干旱氣候, 水汽來(lái)源較少, 水資源缺乏。新疆地域遼闊,自然環(huán)境復(fù)雜多樣, 氣候變化存在著明顯的地域差異[4], 許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)新疆北部地區(qū)的氣候變化問(wèn)題進(jìn)行了研究并取得進(jìn)展[5-9], 然而對(duì)小區(qū)域氣候變化特征的研究目前尚不全面和深入[10-13]。

吐魯番市(2015年4月, 吐魯番地區(qū)撤地設(shè)為地級(jí)市, 原“吐魯番市”改名為“高昌區(qū)”, 本文研究的吐魯番市指現(xiàn)在的高昌區(qū))位于新疆維吾爾自治區(qū)中東部, 天山支脈博格達(dá)峰南麓, 吐魯番盆地中部,東邊與鄯善縣相鄰, 西邊與托克遜縣相接, 南邊與尉犁縣比鄰, 北邊到天山分水嶺, 與烏魯木齊、奇臺(tái)、吉木薩爾等縣相連。研究區(qū)熱量豐富, 日照充足, 年平均氣溫為14.4 ℃, 全年平均降水量15 mm左右, 氣候極端干燥; 年日照時(shí)數(shù)3000—3200 h, 無(wú)霜期為210 d。吐魯番盆地屬地塹盆地, 最低處的艾丁湖低于海平面155 m, 是全國(guó)最低點(diǎn); 盆地地形封閉, 氣候干旱炎熱, 降水稀少, 風(fēng)沙天氣多, 蒸發(fā)量大, 空氣極端干燥, 屬于典型的大陸性氣候。特殊的自然地理因素形成了吐魯番市獨(dú)特的氣候特點(diǎn), 與北疆其它地區(qū)有較大差異。近幾年來(lái), 更多關(guān)注到的是西部的資源、氣候等特征, 對(duì)于中國(guó)西北干旱區(qū)新疆氣溫和降水變化特征研究已有較多的成果[14-20],但對(duì)于吐魯番盆地這樣尺度的氣候變化研究較少,本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)1952—2016年65 a氣溫、降水變化分析, 旨在揭示其氣候變化規(guī)律, 充實(shí)和豐富全球變化背景下干旱區(qū)氣候變化規(guī)律研究案例。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 資料來(lái)源

本研究所使用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn) , 通過(guò)計(jì)算研究區(qū)1952—2016年的月平均氣溫、月平均降水量, 研究氣溫、降水變化特征。所用時(shí)間段為1952—2016年,數(shù)據(jù)通過(guò)均一性檢驗(yàn)和質(zhì)量控制。采用氣象統(tǒng)計(jì)常用的四季劃分： 春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11 月)、冬季(12、1、2 月)。

2.2 研究方法

(1)線性趨勢(shì)與波動(dòng)分析

運(yùn)用氣候傾向率法和五年滑動(dòng)平均分析氣候變化趨勢(shì)。氣候要素y的趨勢(shì)變化用線性回歸方程表示, 設(shè)y(氣溫和降水的時(shí)間序列數(shù)據(jù))為因變量,x(時(shí)間)為自變量, 建立一元回歸方程：

式中,x為年份, a×10為氣候傾向率, 單位為(10 a);a為正時(shí), 表示氣候要素y在對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)呈線性增加的趨勢(shì),a為負(fù)時(shí), 表示氣候要素y在對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)呈線性減少的趨勢(shì);b為氣候變化趨勢(shì)的截距。用F檢驗(yàn)法對(duì)變化的趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

用數(shù)據(jù)總體標(biāo)準(zhǔn)差(δ)用分析氣象要素變化的波動(dòng)性, 標(biāo)準(zhǔn)差越大, 表明變化的波動(dòng)性也就越大[21]。

式中：χ為各年氣溫降水值,μ為65年的平均值, N為65。

(2)距平分析

將研究時(shí)段分為7個(gè)時(shí)段： 1952—1959年、1960—1969年、1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—1016年。首先計(jì)算 65 a各月平均氣溫/降水的氣候態(tài)(m=1,2, ... , 12), 然后計(jì)算每個(gè)時(shí)間段累年月平均氣溫/降水(m=1, 2, ... , 12;n=1, 2, ...7)。不同時(shí)間段各月平均氣溫、降水的距平為

(3)夏季與冬季氣溫差

計(jì)算研究時(shí)段內(nèi)各年夏季平均氣溫(Si)和冬季平均氣溫(Wi), 夏冬季節(jié)氣溫差d=Si-Wi(i=1952,1953, ... , 2016)。

(4)累積距平統(tǒng)計(jì)量與信噪比

氣候突變是氣候變化過(guò)程中的某些不連續(xù)現(xiàn)象,常用氣候要素累計(jì)距平曲線來(lái)表示[22], 其指標(biāo)為：

式中,Xi代表第i年平均氣溫或者降水量;為1952—2016年年平均氣溫或降水量。突變年可能是絕對(duì)值最大指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的年份。

以下公式為信噪比[23]計(jì)算公式, 用來(lái)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)折是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn),

式中, 1X、 2X和 1S、 2S分別為轉(zhuǎn)折年份前和轉(zhuǎn)折年份后兩階段的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。若 /S N＞1.0, 則定義在這個(gè)年份存在氣候突變, 反之突變不顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫變化基本特征

3.1.1 年平均氣溫變化趨勢(shì)

圖1為吐魯番市 1952—2016年平均氣溫變化圖。對(duì)年平均氣溫進(jìn)行五年滑動(dòng)平均和線性擬合,1952—2016年, 年平均氣溫 14.63 ℃, 最低氣溫為1960年12.38 ℃, 最高氣溫為2016年17.81 ℃, 相差5.43 ℃。1952年以來(lái), 研究區(qū)平均氣溫總體呈上升趨勢(shì), 與新疆[24]、中國(guó)[25-26]和全球[27]升溫趨勢(shì)一致。平均氣溫變化傾向率a＞0, 呈明顯上升趨勢(shì), 升溫幅度為0.41 ℃·(10 a)-1?, 高于新疆[24]0.27 ℃·(10 a)-1?和中國(guó)[25]平均增溫速率0.25 ℃· (10 a)-1?, 氣溫增溫顯著并通過(guò)顯著性水平(a=5%)F檢驗(yàn)。從表1看出, 吐魯番市年平均氣溫呈明顯的年代波動(dòng)上升趨勢(shì), 20世紀(jì)80年代以來(lái)氣溫明顯升高, 21世紀(jì)開始升溫速度加快, 近16年平均氣溫達(dá)到15.83 ℃, 與20世紀(jì)70年代平均氣溫(13.55 ℃)相比升高了2.28 ℃。對(duì)65年的年平均氣溫計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差, 為 1.03 ℃, 波動(dòng)性整體較小; 平均氣溫變化大致呈升-降-升的特征, 總體呈上升過(guò)程。

3.1.2 年最高、最低氣溫變化

圖2為吐魯番市年平均最高氣溫與最低氣溫變化圖。65 a來(lái)平均最高氣溫總體呈緩慢上升趨勢(shì)(圖2a), 平均最高氣溫增溫速率為0.04 ℃·(10 a)-1。65 a平均最高溫為 32.75 ℃, 氣溫最低年份為 1979年(30.6 ℃), 較年均偏低 2.15 ℃, 氣溫最高年份為2016年(35.7 ℃), 較年均偏高2.95 ℃。65 a平均最低氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)(圖2b), 平均最低氣溫增溫速率為 0.74 ℃·(10 a)-1。 65 a平均最低溫為-8.55 ℃, 氣溫最低年份為1960年(-20.6 ℃), 較年均值偏低12.05 ℃, 氣溫最高年份2015年(-3.9 ℃),較年均值偏高4.65 ℃?？傮w而言, 年平均最低氣溫增幅大于年平均最高氣溫增幅。這種線性變化趨勢(shì)的不對(duì)稱性與全國(guó)最高、最低氣溫變化趨勢(shì)一致,這也說(shuō)明本研究區(qū)變暖在最低氣溫上表現(xiàn)更突出。

圖1 吐魯番市1952—2016年年均氣溫變化Fig. 1 Variations of the mean annual temperature in Turpan from 1952 to 2016

表1 吐魯番市1952—2016年不同年代氣溫均值和距平值Tab. 1 Means and anomalies of temperature of different ages in Turpan from 1952 to 2016

圖2 吐魯番市1952—2016年年平均最高(a)、最低(b)氣溫變化Fig. 2 Annual average maximum (a) and minimum (b) temperature changes in Turpan from 1952 to 2016

3.1.3 氣溫季節(jié)變化特征

圖3a表明, 吐魯番市11—3月氣溫變化明顯大于其它月份, 表明各年代之間氣溫的季節(jié)性變化有較大差異。20世紀(jì)50年代氣溫總體相對(duì)較低, 11月到 2月氣溫基本屬于歷史最低, 3月氣溫上升較快,表明早春氣溫回升快。50年代夏季平均氣溫高出距平值, 冬季低于距平值, 表明50年代冬夏季節(jié)溫差較大,65 a溫差最大值出現(xiàn)在1954年(43.57 ℃)(圖3b)。

圖3 吐魯番市不同年代各月溫度距平(a), 和冬夏季溫差(b)Fig. 3 Monthly temperature anomaly during different ages (a) and temperature difference between winter and summer(b) in Turpan

60年代明顯的氣溫異常出現(xiàn)在 4月(偏冷), 春季氣溫升高后又經(jīng)歷了降溫, 5月份開始?xì)鉁夭砰_始升高。70年代平均氣溫較歷史水平最低, 9月至2月氣溫較低, 說(shuō)明70年代秋季氣溫下降快, 冬季偏早并持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。從80年代開始, 冬季呈偏暖變化。90年代冬季氣溫明顯偏高, 而夏季氣溫偏低, 圖3b也可看出90年代夏冬季節(jié)溫差較小, 1993年達(dá)到歷史最低水平(31.94 ℃)。21世紀(jì)以來(lái)各月氣溫基本達(dá)歷史最高水平; 21世紀(jì)前10 年1—6月各月平均氣溫高于最近6 a (2010—2016 a), 7月—12月各月平均氣溫低于最近6 a (2010—2016 a)?？傮w來(lái)看, 20世紀(jì)80年代以來(lái)夏季氣溫變化不大, 冬季增溫明顯。吐魯番市冬季與夏季的溫差從 80年代開始呈下降趨勢(shì), 季節(jié)性持續(xù)減弱。

3.2 降水量變化基本特征

3.2.1 降水量年際變化特征

圖4為吐魯番市1952—2016年降水量變化曲線,對(duì)其進(jìn)行五年滑動(dòng)平均和線性擬合可見, 1952—2016年, 年平均降水量15.80 mm, 最低為1968年的2.9 mm, 最高為1958年的48.4 mm, 距平值為正且最大(表2), 與最低降水量相差45.5 mm。平均降水變化傾向率a＜0, 呈下降趨勢(shì), 下降幅度為 0.48 mm·(10 a)-1?, 沒(méi)有通過(guò)顯著性水平(a=5%)F 檢驗(yàn),表明降水量下降不顯著。研究區(qū)降水量呈減少趨勢(shì),但減少幅度較小, 與前人得出的西北地區(qū)降水量增加這一結(jié)論不一致, 與大范圍的氣候相比有其自身的特征。對(duì)65年的年平均降水量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算發(fā)現(xiàn), 其標(biāo)準(zhǔn)差為 9.57 mm, 表明其波動(dòng)性整體較小,總體而言降水量呈輕微減少趨勢(shì)。

3.2.2 降水量季節(jié)變化特征

圖5是吐魯番市1952—2016年不同年代各月平均降水量及距平變化。由圖5a可以看出, 各月平均降水量變化總體波動(dòng)不大, 6—8(夏季)月降水量相對(duì)較多, 其他季節(jié)月平均降水量多在2 mm以下。不同年代降水量的季節(jié)變化差異比較明顯(5b)。20世紀(jì)50年代夏季降水量明顯高于其他各年代, 其中8月份降水量異常偏多, 1月份降水是歷史1月最高值;60年代和90年代春夏兩季降水偏多, 秋冬兩季降水偏少; 70年代與60年代、90年代正好相反, 秋冬兩季降水較多, 春夏兩季降水較少; 80年代秋季降水較多, 其它年代較少; 21世紀(jì)以來(lái), 降水量節(jié)變化不明顯, 波動(dòng)較小, 全年降水比較均勻。

圖4 吐魯番市1952—2016年年降水量變化Fig. 4 Variations of annual precipitation in Turpan from 1952 to 2016

表2 吐魯番市1952—2016年不同年代降水量均值和距平值Tab. 2 Means and anomalies of precipitation of different ages in Turpan from 1952 to 2016

3.3 突變分析

由圖6(a)所示, 1985年為吐魯番市氣溫累積距平曲線的絕對(duì)值最大年份, 氣溫由偏低期轉(zhuǎn)為偏高期且偏高期一直持續(xù)到現(xiàn)在。對(duì)1985年氣溫計(jì)算信噪比以檢查上述轉(zhuǎn)折是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)果顯示：1X=13.90, 2X=15.43, 1S=0.69, 2S= 0.70;通過(guò)計(jì)算求得1985年氣溫轉(zhuǎn)折的信噪比值為1.10＞1.0, 可認(rèn)為氣溫突變年是 1985年, 突變后 1986－2016年平均氣溫15.43 ℃, 較突變前上升了1.53 ℃。

圖6 吐魯番市1952—2016年年平均氣溫(a)、降水量(b)累積距平變化曲線Fig. 6 Annual average temperature (a) and precipitation (b) cumulation anomalies curve in Turpan from 1952 to 2016

圖6(b)為吐魯番市降水量累積距平曲線, 由圖可以看出, 20世紀(jì)50年代末至60年代中期快速上升, 之后又急劇下降。1964年為絕對(duì)值最大年份, 此次轉(zhuǎn)折降水量由偏多期轉(zhuǎn)為偏少期, 1964年后的偏少期一直持續(xù)到20世紀(jì)80年代, 1986年達(dá)到最低值, 這次轉(zhuǎn)折是降水量由偏低期轉(zhuǎn)為偏高期。分別對(duì)1964和1986年降水量計(jì)算信噪比, 檢查上述轉(zhuǎn)折是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)果顯示： 1964年,=19,X2 =14.66,S1=12.6,S2=8.29; 通過(guò)計(jì)算求得 1964年降水量轉(zhuǎn)折的信噪比值為 0.21 ＜1.0;1986年,X1=15.79,X2=16.05,S1=10.87,S2=8.12 ; 通過(guò)計(jì)算求得1964年降水量轉(zhuǎn)折的信噪比值為0.01 ＜1.0。可知1964年和1986年降水量轉(zhuǎn)折的信噪比均小于1.0, 所以1964年和1986年降水量突變不明顯。

4 結(jié)論與討論

近65年來(lái)吐魯番市氣溫呈明顯的上升趨勢(shì), 氣溫上升速率為0.41 ℃·(10 a)-1?, 20世紀(jì)80年代以后氣溫上升趨勢(shì)更加明顯, 1985年為突變年, 突變后近 30年平均氣溫較突變前上升了 1.53 ℃, 氣溫上升速率為0.55 ℃·(10 a)-1?, 高出平均氣溫上升速率34%, 與全國(guó)大范圍氣溫增暖主要發(fā)生在近20年[25-26], 西北干旱地區(qū)1986年后氣溫明顯升高[12]的結(jié)論相同。近65年來(lái)夏季氣溫變化不大, 冬季增溫明顯; 這與任朝霞等得出的西北干旱區(qū)包括新疆年最低氣溫有增加趨勢(shì)[28]的一致; 冬季與夏季的溫差從80年代開始呈明顯下降趨勢(shì)。冬季升溫程度較大,夏季變化則不明顯, 因而冬季氣溫的升高對(duì)年平均氣溫升高的貢獻(xiàn)率最大。吐魯番市位于北緯 41°20′—43°35′之間, 平均海拔 300 mm,特殊的地理位置與地形使得氣溫變化比較敏感,因此, 吐魯番市近 65年來(lái)升溫率[0.41 ℃·(10 a)-1]高于新疆[24]和中國(guó)[25-26]平均水平。氣溫升高除了自然氣候變率的原因外, 很可能與城市發(fā)展有關(guān)。近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程的加快, 城市人口密度增大, 城區(qū)建筑面積遞增,水泥路面等下墊面增加了對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收, 不斷增加的建筑物增加了散射輻射, 另外城市污染增加了對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射, 這些因素都可能使溫度升高[29]。

近65年來(lái)研究區(qū)降水量呈緩慢下降趨勢(shì), 年平均降水量15.80 mm, 平均降水量下降率為0.48 mm·(10 a)-1?,降水量突變不明顯。各月平均降水量總體變化不大,6—8(夏季)月降水量相對(duì)較多, 其他季節(jié)月平均降水量多在2 mm以下。新疆地區(qū)近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)降水量總體水平呈增加趨勢(shì), 而吐魯番市與大范圍的氣候相比有其自身的區(qū)域性特征, 從地理位置看,它位于天山山脈背風(fēng)坡, 來(lái)自大西洋與北冰洋的濕潤(rùn)氣流很難進(jìn)入。影響降水的因素很多, 也很復(fù)雜,如大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)和下墊面等因素, 不同的環(huán)流型、天氣系統(tǒng)及下墊面對(duì)降水的貢獻(xiàn)是有差異的,而且降水的產(chǎn)生并不是單個(gè)因子作用的結(jié)果, 而是由多個(gè)因素綜合影響的[30]。這些因素在多大程度上對(duì)降水產(chǎn)生了影響, 需要進(jìn)一步深入研究。

本研究結(jié)果表明, 吐魯番市氣溫升高, 降水減少。這種現(xiàn)象可能會(huì)對(duì)小區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生影響, 發(fā)生干旱的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)提高。今后研究中應(yīng)該深人探索區(qū)域性主要?dú)夂蛞氐淖兓瘜?duì)水資源利用的影響。降水與氣溫是氣候的重要因素, 研究氣溫和降水變化規(guī)律與空間分布, 對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,合理規(guī)劃水資源利用有重要意義。

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