孔凱凱 ,韓煒 *,馬霄華
(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆 烏魯木齊830054;2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊830054)
近50年,亞歐大陸東部增溫明顯,年平均地表溫度以0.4-1.04℃/20a速率呈增加趨勢(shì)[1],全球變暖成了人們關(guān)注的重要問(wèn)題,對(duì)新疆的氣候變化帶來(lái)了很大的影響[2,3],比如從境外輸入的水汽量的增多使新疆年平均降水量增加[4]。新疆處于歐亞大陸腹地,屬于典型的大陸性干旱氣候,地形復(fù)雜,降水量的分布極不均勻[5],成為了很多專家學(xué)者研究的方向。馮新靈[6]等在研究中國(guó)1953-2002年的降水變化趨勢(shì)后表明,中國(guó)五大區(qū)年降水量的變化趨勢(shì)有著多樣性的特點(diǎn),西北地區(qū)的降水量呈減少趨勢(shì);辛渝[7]等將新疆分為6個(gè)氣候區(qū)研究了降水量的時(shí)空變化特征;賀晉云[8]等研究表明新疆氣候向暖濕方向轉(zhuǎn)化;馬洪亮[9]等指出天山天池49年來(lái)氣溫和降水的變化呈暖濕化發(fā)展,并且有明顯的年際變化;劉黎[10]等進(jìn)一步研究表明過(guò)去37年溫度在1%置信度下呈單調(diào)遞增趨勢(shì),降水也表現(xiàn)出增加趨勢(shì)。因此降水量一直是眾多研究者的熱點(diǎn)話題,對(duì)于干旱區(qū)的新疆來(lái)說(shuō)更是顯得尤為重要。
氣象氣候要素與每個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展緊密關(guān)聯(lián)[11]。天山天池是新疆5A級(jí)景區(qū)之一,是一個(gè)國(guó)際自然保護(hù)區(qū)[12]。天山天池的環(huán)境比較脆弱,時(shí)常會(huì)有自然災(zāi)害發(fā)生,主要是環(huán)境災(zāi)害和生態(tài)災(zāi)害[13]。在這種情況下為了能防止自然災(zāi)害對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞,同時(shí)為給當(dāng)?shù)鼐用裉峁└玫纳瞽h(huán)境和全面地滿足旅游者的需求,需要對(duì)天池的降水量和其他氣候因素進(jìn)行分析研究。文章研究的重點(diǎn)是降水的變化趨勢(shì)和其他因素對(duì)降水量的影響,從而合理地保護(hù)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境,對(duì)人類生活提供最有效方便的服務(wù)。
天山天池位于新疆昌吉回族自治州阜康境內(nèi),天山山脈東段博格達(dá)峰北坡山腰,距阜康市區(qū)37km,距烏魯木齊97km,是亞歐大陸內(nèi)部山岳型景觀的代表之一。整個(gè)天池湖面為半月形狀,海拔1928m,南北長(zhǎng)度約3400m,東西最寬處約1500m,面積4.9km2,最深處105m。天池的主要特征以雪山冰川、完整的垂直自然景觀帶高山湖泊為主,東南面是雄偉的博格達(dá)主峰,海拔達(dá)5445m,主峰左右又有兩峰相連,屬于典型的大陸性干旱氣候。
文章資料取自天山天池氣象站的逐月地面觀測(cè)資料,資料站點(diǎn)號(hào)為51470,分別整理出1969-2016年的月降水資料和其他氣候資料,同時(shí)為了分析地形對(duì)天池降水的影響分別整理出以天池為中心的17個(gè)氣象站點(diǎn)1969-2016年的月降水資料。
用年降水量資料和按春季3月至5月,夏季6月至8月,秋季9月至11月,冬季12月至次年2月逐季生成降水資料,統(tǒng)計(jì)四季降水量的各項(xiàng)指標(biāo),運(yùn)用趨勢(shì)系數(shù)和數(shù)值曲線圖對(duì)天山天池48年的降水量做年度和季度變化分析。
數(shù)據(jù)處理以天山天池為中心的17個(gè)站點(diǎn),1969-2016年的降水量數(shù)據(jù),比較17個(gè)點(diǎn)的等高線圖和降水量的等值線圖,來(lái)分析天山天池的地理位置和海拔對(duì)降水量的影響。運(yùn)用相關(guān)性分析各個(gè)要素之間的相關(guān)性,使用曲線圖分析其他氣象要素對(duì)降水量的影響,說(shuō)明各氣象要素對(duì)降水量的影響。
根據(jù)氣象站1969-2016年的天池降水量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),天池的年平均降水量為544.44 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為125.63,變異系數(shù)為0.23。從圖1可知,天池降水量變化幅度較大,最大年降水量為835 mm(2003年),最小年降水量為294 mm(1978年)。從48年降水量變化趨勢(shì)來(lái)看,天池降水量整體上呈增加的變化趨勢(shì),但是增加的趨勢(shì)不顯著,以4.2 mm/10a的速率增加,可以用線性方程y=0.4265x+533.99來(lái)擬合。
圖1 天山天池1969-2016年降水量變化
按照標(biāo)準(zhǔn),降水距平數(shù)值Z>1.037為大澇,0.5244<Z≤1.037為偏澇,-0.5244≤Z≤0.5244為正常,-1.037≤Z<-0.5244為偏旱,Z<-1.037為大旱。圖2中可以看出48年間沒(méi)出現(xiàn)大澇和大旱,在此期間出現(xiàn)兩年偏澇,在1969年和2013年,有5年偏旱,在1972年、1978年、1984年、1987年和2007年,其余年份指數(shù)正常。1969年到1988年間的降水波動(dòng)較大,從1988年到2016年間的降水波動(dòng)明顯變小,1971年到1988年偏旱年份較多,并且降水量均值低于距平值,從1997年開(kāi)始偏旱年份明顯變少且降水量高于距平值的年份增加,表明隨時(shí)間尺度的變化年均降水量在增多,降水量增多的主要原因可能與全球變暖帶來(lái)的境外輸入的水汽量增多有關(guān)[4,14]。
圖2 天山天池1969—2016年累計(jì)距平值
天山天池1969-2016年各季降水量差異甚大,由圖3可知,48年來(lái)夏季降水量變化幅度最大,每年的降水量在四季中最多,春、秋季的降水量變化幅度較小,降水量較少,春季在5月的降水量較多,秋季在9月的降水量較多。冬季降水量的變化幅度小,在四季降水量中表現(xiàn)最少。綜上,天山天池每年降水集中在夏季,春季和秋季降水量比較少,冬季降水量極少。
圖3 1969-2016年天山天池四季降水量變化圖
結(jié)合表1和圖3可知,春季最大降水量為235.6 mm(1969年),最小降水量為39.9mm(2001年),春季年平均降水量為148.63mm,占全年降水量的27.35%。夏季最大降水量為503.6mm(2013年),最小降水量為125.7mm(1978年),夏季年平均降水量為283.86 mm,占全年降水量的52.25%。秋季最大降水量為162.8mm(1993年),最小降水量為26.6 mm(2007年),秋季年平均降水量為87.75mm,占全年降水量的16.15%。冬季最大降水量為54.8mm(1996年),最小降水量為0.1mm(1977年),年平均降水量為23.08mm,占全年降水量的4.25%。
從表1可知,春、夏、秋、冬四季的峰度分別為-0.7、-0.43、-0.54、-0.37,該數(shù)據(jù)與正態(tài)分布[15,16]相比較,四季峰度K<0比正態(tài)分布平坦,為平頂峰。四季中春季偏度為-0.22,偏度值小于0,表示數(shù)據(jù)的分布形態(tài)與正態(tài)分布相比是負(fù)偏離。其中數(shù)據(jù)位于均值左邊的比位于右邊的少,直觀表現(xiàn)為左邊的尾部相對(duì)于右邊的尾部較長(zhǎng)。夏季、秋季和冬季的偏度分別為0.29、0.19、0.27,偏度值都大于0,表示數(shù)據(jù)的分布形態(tài)與正態(tài)分布相比是正偏離,數(shù)據(jù)位于均值右邊的比位于左邊的少,直觀地表現(xiàn)右邊的尾部相對(duì)于左邊的尾部要長(zhǎng)。春、夏、秋、冬四季的變異系數(shù)分別為32%、33%、34%、52%。一般,CV≤10%為弱變異性,10%<CV<40%為低等變異性,40%<CV<100%為中等變異性,CV≥100%為強(qiáng)變異性。春季、夏季、秋季都表現(xiàn)低等變異,數(shù)據(jù)之間的離散程度也低,差值小,而冬季表現(xiàn)為中等變異,離散程度為中等。
1969-2016年天山天池春、夏、秋、冬四季的變化幅度明顯,春、夏、秋和冬四季降水量分別表現(xiàn)為增多、減少、減少和增多趨勢(shì),春季增多的趨勢(shì)最大,增多幅度為6.81 mm/10a,冬季增多幅度為2.38 mm/10a,夏季降水量下降趨勢(shì)最為明顯,減少幅度為-4.64 mm/10a,秋季減少幅度為-1.37 mm/10a。
表1 天山天池四季降水量統(tǒng)計(jì)表
新疆深處內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,降水稀少,但不同地形區(qū)分布不均勻。新疆北部有阿爾泰山,中部橫貫天山,南部和東南部是昆侖山和青藏高原,西部有帕米爾高原,中間有塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地,是“三山夾兩盆”的地形,這種獨(dú)特的地形給新疆的降水帶來(lái)巨大影響。一方面,由于來(lái)自印度洋的水汽被青藏高原和喜馬拉雅山脈、昆侖山阻擋,南疆塔里木盆地地區(qū)降水稀少。另一方面,由于西伯利亞地勢(shì)較低,阿爾泰山海拔也相對(duì)較低,所以來(lái)自北冰洋的水汽能進(jìn)入到準(zhǔn)噶爾盆地,故北疆地區(qū)降水較多。同時(shí),新疆以西是亞歐大陸平原丘陵地帶,西風(fēng)帶來(lái)的水汽遇到天山山脈阻擋,使得在天山周圍形成降水,位于迎風(fēng)坡的地區(qū)降水量高于其他地區(qū)??傮w而言,受地形地貌的影響,塔里木盆地南部降水較少,北部降水較多,準(zhǔn)噶爾盆地南部降水較多,北部降水少,天山山脈北坡降水多于南坡,天山西部降水較多,東部降水較少[17-19]。
不同地形對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)有著不同的作用,同時(shí)影響降水的分布。天山天池是高山湖泊,處于天山迎風(fēng)坡,山地迎風(fēng)坡在一定的高度上降水較多,所以天池降水量相比周圍其他地區(qū)要多。吐魯番盆地是天山東部南坡的一個(gè)山間盆地,吐魯番盆地四周山地環(huán)繞,由于地形封閉,海洋水汽難以進(jìn)入,而且氣溫較高,所以降水也較少,氣候極度干旱[20]。
由圖4可知,降水量的分布不均勻,并且隨著海拔高度增加降水量也在增加。海拔最高點(diǎn)為天山天池,海拔高度為1942m,天池48年平均降水量為544mm,海拔最低點(diǎn)為十三間房,海拔高度為34.5m,十三間房48年平均降水量為15.6mm。除了最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的降水量之間差異極大以外,其他地區(qū)的降水量整體上也隨著海拔高度在變化。以天山南北坡來(lái)講,北坡的降水量明顯比南坡的降水量要多,以天山東西走向來(lái)看,西部地區(qū)的降水量明顯多于東部地區(qū)。
圖4 降水量等值線圖與海拔高程
每個(gè)地區(qū)除了地形地貌會(huì)影響降水量外,氣象也是影響降水量的重要因素。表2用相關(guān)分析的Pearson來(lái)計(jì)算兩個(gè)變量之間的相關(guān)系數(shù),可以看出各氣象要素之間都具有相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)在-1與1之間,r>0時(shí)是正相關(guān),r=0時(shí)是無(wú)線性相關(guān),r<0時(shí)是負(fù)相關(guān)。降水量與氣溫、小型蒸發(fā)、水氣壓、低云量和風(fēng)速都有相關(guān)性,顯著性分別為0.003、0.0001、0.001、0.024和0.841,降水量與氣溫、小型蒸發(fā)、水氣壓之間的顯著性小于0.01,與低云量之間的顯著性小于0.05,表明相關(guān)顯著,但是與風(fēng)速之間的顯著性數(shù)值表明相關(guān)不顯著。降水量與平均氣溫之間是負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.423,與小型蒸發(fā)之間也表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)是-0.635,與風(fēng)速之間表現(xiàn)負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.03,降水量與水氣壓之間是正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.468,與低云量之間也表現(xiàn)為正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.326。數(shù)值表示溫度高時(shí)降水量減少,相反溫度較低時(shí)降水量增多,同樣小型蒸發(fā)量越大時(shí)降水量越低,而水氣壓越大降水量越多,低云量越多降水量也會(huì)增加。各氣象要素之間的相關(guān)性都比較明顯,影響程度也有所不同。
降水量除了與其他氣候因素之間有相關(guān)性外,其他氣候要素之間的相關(guān)性也會(huì)間接地影響這個(gè)地區(qū)的降水量。從表2中可以看出氣溫與小型蒸發(fā)和水氣壓是正相關(guān),與低云量和風(fēng)速是負(fù)相關(guān),但只跟小型蒸發(fā)有較弱的顯著性,與其他因素之間相關(guān)不顯著。小型蒸發(fā)與水氣壓和低云量之間是負(fù)相關(guān),而與風(fēng)速之間是正相關(guān),除了與風(fēng)速之間相關(guān)不顯著以外,其他都有較弱的顯著性。水氣壓與低云量之間正相關(guān),與風(fēng)速之間是負(fù)相關(guān),顯著性都較弱。低云量與風(fēng)速之間是負(fù)相關(guān),相關(guān)不顯著。從各氣象要素之間的相關(guān)性可知各要素之間的緊密關(guān)系,雖然顯著性不是很強(qiáng),但是還能看出相互之間的影響,比如氣溫高時(shí)小型蒸發(fā)量就會(huì)越大,從而降水量會(huì)減少,水氣壓越高低云量越多,同時(shí)降水量也會(huì)增加。
表2 各氣象要素之間的相關(guān)性分析表
**.在置信度(雙測(cè))為0.01時(shí),相關(guān)性顯著;*.在置信度(雙測(cè))為0.05時(shí),相關(guān)性顯著。相關(guān)性方法為Pearson相關(guān)性。
從上述的相關(guān)性分析中可以看出各氣象要素之間的相關(guān)性,并且可知各氣象要素之間除了有直接的影響以外還有間接的影響。劉波[21]等認(rèn)為低云量和水氣含量的增加會(huì)使降水量增多,所以可能直接影響降水量的多少。48年來(lái)天山天池的平均氣溫是呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),上升幅度為0.17℃/10a。從圖5中看出,平均氣溫和平均降水量的變化幅度趨向于一致,平均氣溫相對(duì)較低的時(shí)候平均降水量可能相對(duì)增多,反之降水量可能相對(duì)減少。蒸發(fā)與降水雖然是兩個(gè)相反的過(guò)程,但相互依存,在一元回歸方程分析中平均小型蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì),減少幅度為0.09 mm/10a,減少趨勢(shì)不明顯。從圖5可以看出,平均小型蒸發(fā)的最大值為4.49mm,最小值為3.02mm,從數(shù)值來(lái)看變化幅度較小蒸發(fā)量較多時(shí)可能使降水量減少,反之可能讓降水量增多,但是山地蒸發(fā)量小于降水量,從文章來(lái)看小型蒸發(fā)量的數(shù)值高于降水量,測(cè)到的小型蒸發(fā)量與實(shí)際蒸發(fā)量有偏差,表明天山天池蒸發(fā)能力較強(qiáng)。水氣壓在48年間呈上升趨勢(shì),上升幅度為0.1 mm/10a,在圖5中平均水氣壓和降水量都較大,但是曲線的規(guī)律較一致,表示水氣壓的上升可能會(huì)引起降水量的增加,反之可能會(huì)使降水量減少。平均低云量同樣也呈增多趨勢(shì),增多幅度為0.02/10a,從低云量與降水量之間的曲線圖對(duì)比來(lái)看可能一致性較弱,不能直接看出相關(guān)性,在上述的相關(guān)性分析中顯示有相關(guān)性,但是顯著性較弱。風(fēng)速呈下降趨勢(shì),趨勢(shì)系數(shù)為0.016/10a,在上述分析中看出相關(guān)性也較弱,并且是負(fù)相關(guān),從圖5中可以看出有些年份風(fēng)速較快時(shí)降水量較低,但并不明顯。
圖5 1969-2016年各氣象要素與降水量之間的關(guān)系
天山天池48年來(lái)降水量以4.2mm/10a的速率呈增加趨勢(shì),有兩年偏澇,有五年偏旱,其他年份降水量都較正常,從1988年開(kāi)始有轉(zhuǎn)折性的變化幅度變小,降水量逐步增多,偏旱年份減少。季節(jié)降水量差異大,春季和冬季降水量變化明顯增多,夏、秋季降水量則減少。“三山夾兩盆”的地形影響整個(gè)天山降水量,天山西部降水比東部降水多。氣溫、水汽壓和低云量呈上升趨勢(shì),小型蒸發(fā)量和風(fēng)速呈下降趨勢(shì),降水量與其他氣候因素有相關(guān)性,但顯著性較弱,降水量與低云量和水汽壓之間是正相關(guān),二者對(duì)天池降水量影響較大。