郭 超，楚新正，張 揚(yáng)，欒 玥，許超宗

(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)

【研究意義】IPCC第五次評(píng)估指出，過(guò)去的130年全球升溫0.85 ℃，過(guò)去3個(gè)10年的地表已連續(xù)偏暖于1850年以來(lái)的任何一個(gè)10年。在北半球，1983-2012年可能是過(guò)去1400年中最暖的30年[1]。除全球氣溫顯著變化外，降水空間分布格局也發(fā)生變化，不僅導(dǎo)致一些地區(qū)洪水發(fā)生強(qiáng)度與頻率增加，區(qū)域性的重大干旱的發(fā)生也有增加[2]。同時(shí)，極端降水事件的明顯增加，一些流域在降水總量減少情況下，局部降水強(qiáng)度加大，增加洪澇和干旱的風(fēng)險(xiǎn)[3]。我國(guó)干旱有發(fā)生頻率高、分布面積大、時(shí)空分布不均勻、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)[4]，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響尤其嚴(yán)重[5]。在中國(guó)，氣候變暖導(dǎo)致的極端氣候事件(干旱、颶風(fēng)、洪水、極端高溫、低溫等)的出現(xiàn)頻率有增加的趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代，氣象災(zāi)害每年造成的損失占GDP的3 %～6 %，其中約80 %是由旱澇氣象災(zāi)害造成的[6]。【前人研究進(jìn)展】新疆深居內(nèi)陸，距離海洋遠(yuǎn)，降水極為稀少，旱災(zāi)多發(fā)。但隨著全球氣候的變化，尤其是降水量的增加，新疆特別是北疆地區(qū)降水量的增多[7]，使?jié)碁?zāi)發(fā)生的次數(shù)增加。干旱對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有嚴(yán)重的危害性，因而一系列干旱指標(biāo)已被建立，包括氣象指標(biāo)(降水距平百分比、Z指數(shù)等)、土壤墑情指標(biāo)(土壤相對(duì)濕度、土壤有效水分存貯量等)、作物生理生態(tài)指標(biāo)(氣孔導(dǎo)度、葉水勢(shì)、光合速率等)及其它綜合監(jiān)測(cè)指標(biāo)等[8]?？紤]到北疆地區(qū)降水量自身較少，農(nóng)作物的種植一般采用滴灌、噴灌等技術(shù)，因而本文選擇了干旱指標(biāo)內(nèi)氣象指標(biāo)中較具有代表性的Z指數(shù)作為研究。鞠笑生等[9]在全國(guó)范圍內(nèi)選取了8個(gè)典型站點(diǎn)，分別采用3種旱澇指標(biāo)確定單站旱澇等級(jí)，Z指數(shù)是最接近實(shí)際情況的，關(guān)于西北地區(qū)旱澇指標(biāo)的選擇，確定單站指標(biāo)時(shí)Z指數(shù)的應(yīng)用更廣泛[10]。Z指數(shù)的計(jì)算幾乎考慮了所有的因子，如蒸散、土壤有效含水量、土壤水分的損失、土壤水分的補(bǔ)充、徑流和降水等。有關(guān)新疆地區(qū)旱澇災(zāi)害的研究較少，集中在南北疆旱澇時(shí)空對(duì)比上[11-12]，對(duì)于小區(qū)域旱澇災(zāi)害的研究較為缺乏?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】文章對(duì)北疆地區(qū)近56年氣候變化與旱澇災(zāi)害的研究，不僅能為降低氣象災(zāi)害帶來(lái)的各種損失提供借鑒；同時(shí)，能進(jìn)一步揭示北疆地區(qū)氣候變化對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)，具有一定的科學(xué)認(rèn)識(shí)意義?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】北疆地區(qū)旱澇等級(jí)時(shí)空變化特征，及氣候變化對(duì)旱澇災(zāi)害變化的影響。

1 研究區(qū)概況

通常以天山山脈為界，把新疆分為2個(gè)主要大區(qū)即南疆和北疆，研究區(qū)北疆位于43°23′～49°10′N(xiāo)，79°57′～91°32′E，總面積約為 5.95×105km2[13]。行政區(qū)上包括烏魯木齊、昌吉、伊犁、博爾塔拉、阿勒泰等地、州、市。地勢(shì)西、北和南部高，中部和東部低，中部是古爾班通古特沙漠。為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，夏季酷熱，冬季寒冷，雨量稀少，氣候干燥，四季氣溫相差懸殊。區(qū)域年均氣溫-4～9 ℃。全年降水量150～200 mm；境內(nèi)河流數(shù)量達(dá)387條，占新疆河流總量的67.9 %[14]。大部分是中小河流且多發(fā)源于山間，較大的有伊犁河、額爾齊斯河、瑪納斯河和烏倫古河等10多條，并因此形成了該區(qū)獨(dú)特的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文章選擇中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的北疆地區(qū)20個(gè)氣象站1961-2016年逐日降水、氣溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮到氣象臺(tái)站觀測(cè)中存在缺測(cè)和誤測(cè)的問(wèn)題，我們選取數(shù)據(jù)質(zhì)量較好(缺測(cè)和誤測(cè)較少)的臺(tái)站(圖1)作為研究對(duì)象，站點(diǎn)選取參考白磊等[15]的校正數(shù)據(jù)。

圖1 北疆地區(qū)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of weather stations in northern Xinjiang

2.2 研究方法

對(duì)實(shí)測(cè)的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，選取趨勢(shì)線(xiàn)法和5a滑動(dòng)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)該區(qū)近56年氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，M-K突變檢驗(yàn)法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，得到相關(guān)的突變特征。

(1)空間插值方法:新疆面積廣闊，地形復(fù)雜，海拔高度差異較大，因而氣候要素的變化不但會(huì)受到經(jīng)緯度、海拔高度等宏觀因子的影響，也會(huì)受到下墊面性狀、“城市熱島效應(yīng)”等局部小地形因子的影響。為了提高氣溫、降水變化的模擬精度，本文采用經(jīng)陳鵬翔[16]等實(shí)際驗(yàn)證模擬精度較高的混合插值法(宏觀地理因子的三維二次趨勢(shì)面模擬+殘差內(nèi)插)對(duì)北疆氣溫、降水變化率進(jìn)行1000 m×1000 m柵格點(diǎn)的空間插值模擬[17-18]。

(2)旱澇等級(jí)計(jì)算方法:旱澇災(zāi)害選擇單站Z指數(shù)法與區(qū)域旱澇指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Z指數(shù)法能夠說(shuō)明旱澇的空間分布以及旱澇程度，用來(lái)確定區(qū)域內(nèi)單站點(diǎn)旱澇等級(jí)指標(biāo)，消除了降水量平均值不同的影響，通過(guò)對(duì)降水量X進(jìn)行處理而得到的服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的序列，對(duì)旱澇程度具有一定的反映能力[19-21,9]。根據(jù)公式(1)～(5)計(jì)算出單站旱澇指標(biāo)Z指數(shù)，旱澇等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)采用修正后的Z指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，CS表示偏態(tài)系數(shù)，Φi表示標(biāo)準(zhǔn)變量，這2個(gè)數(shù)值可以由降水資料序列得到。

表1 Z指數(shù)劃分旱澇災(zāi)害等級(jí)[22]

區(qū)域旱澇指標(biāo)，既能表征旱澇的空間分布，又要能反映出旱澇的輕重程度[23]。對(duì)整個(gè)區(qū)域的旱澇狀況來(lái)說(shuō)，鞠笑生[9]在此基礎(chǔ)上提出了一種區(qū)域旱澇指標(biāo)(表2)，見(jiàn)公式(6)～(8)：

(6)

(7)

HL=(I-L)×100

(8)

式中:I，L分別為雨澇指標(biāo)和干旱指標(biāo)，分別為該區(qū)域內(nèi)Z指數(shù)為 1、2、3、4、5、6、7 級(jí)的站數(shù)，n為區(qū)域總站數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫時(shí)間變化特征

對(duì)研究區(qū)56年氣溫變化分析(圖2)，氣溫總體呈大范圍波動(dòng)上升趨勢(shì),遞增速率為0.33 ℃·(10 a)-1。平均氣溫6.0 ℃，最高值為2013年7.38 ℃，最低值1969年3.66 ℃。從氣溫距平值得出，氣溫年變幅較大，先增加—波動(dòng)下降—波動(dòng)增加的趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代以后氣溫年距平值均高于多年平均值；20世紀(jì)60-90年代，氣溫年距平值總體小于平均值，且變化幅度較為劇烈。一元線(xiàn)性趨勢(shì)分析顯示，55年間氣溫是不斷升高的，氣溫增溫率為0.33 ℃·(10 a)-1，此結(jié)論與任國(guó)玉[25]等研究的全國(guó)平均氣溫上升率0.25 ℃·(10 a)-1具有一致性，表明北疆氣溫的變化和全國(guó)氣溫變化存在相似性。從5a滑動(dòng)趨勢(shì)分析，90年代中后期(1995年)至今氣溫高于距平值且波動(dòng)上升，90年代以前，氣溫的變化為先下降后上升的。各年代平均氣溫不斷上升，56年間氣溫上升1.9 ℃，20世紀(jì)80～90年代氣溫上升幅度最高0.46 ℃，60～70年代最低為0.1 ℃。

3.2 降水時(shí)間變化特征

根據(jù)北疆地區(qū)年降水量圖(圖3)顯示，研究區(qū)多年平均降水量為268.9 mm，年降水量呈波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)，以12.05 mm·(10 a)-1的線(xiàn)性速率增長(zhǎng)。降水量最高記錄2016年398.1 mm，最低值1997年184.3 mm，二者相差213.8 mm。年代間平均降水量逐步增加，20世紀(jì)60～90年代降水量大致低于平均值且變化較為平緩；90年代至今降水量高于平均值并波動(dòng)增長(zhǎng)，尤其是近5年的增長(zhǎng)十分明顯。從5a 滑動(dòng)趨勢(shì)線(xiàn)分析，北疆降水量總體為先增加后減少而后又波動(dòng)增長(zhǎng)的特征。

表2 區(qū)域旱澇災(zāi)害等級(jí)[24]

圖2 1961-2016年北疆地區(qū)氣溫變化Fig.2 Temperature changes in northern Xinjiang from 1961 to 2016

3.3 氣候變化空間分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)56年氣溫、降水量進(jìn)行趨勢(shì)分析，并運(yùn)用混合空間插值方法繪制出研究區(qū)氣溫和降水量的空間變化率分布(圖4)。氣溫空間上的變化主要是增溫率北邊高于南邊，氣溫空間變化最為顯著的區(qū)域?yàn)楦惶N(yùn)站點(diǎn)0.68 ℃·(10 a)-1，在研究時(shí)間段內(nèi)，富蘊(yùn)站點(diǎn)增溫3.8 ℃；烏昌地區(qū)增溫較為緩慢，56年間平均增加了1.2 ℃。降水量空間變化規(guī)律較為復(fù)雜，變化率大體上是由南向北、西北降低，山區(qū)多于平原和盆地，尤其是天山山區(qū)降水量增加顯著，形成這種分布的原因主要受北疆地形影響，北疆地形主要表現(xiàn)為南高北低，這樣的地形分布有利于北部海洋暖濕氣流南下，受地形影響抬升形成地形雨，因而降水集中在南部山區(qū)地帶。研究期間，降水總共增加了67.5 mm，以天山北坡增加的最為明顯，其中以烏魯木齊站點(diǎn)增加165.4 mm速度最快，其次是新源138.2 mm，最后為木壘128.3 mm。降水變化較小的地區(qū)主要集中在中部和西北部地勢(shì)較為平坦的地區(qū)。

圖3 1961-2016年北疆地區(qū)降水量變化Fig.4 Precipitation changes in northern Xinjiang from 1961 to 2016

3.4 氣溫突變分析

從一個(gè)穩(wěn)定的氣候階段向另一個(gè)穩(wěn)定的氣候階段過(guò)渡，且其后階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于過(guò)渡時(shí)間的長(zhǎng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)作氣候突變[26]。根據(jù)圖5氣溫M-K突變檢驗(yàn)得出，1962年，UF<0，說(shuō)明此時(shí)氣溫處于下降階段，1963-2016年，UF>0，說(shuō)明氣溫處于上升時(shí)段，期間，1992年后UF曲線(xiàn)超出置信區(qū)間(U0.05=1.96)，說(shuō)明20世紀(jì)90年代至今氣候具有顯著上升的變化趨勢(shì)，曲線(xiàn)UF和UB在置信區(qū)間內(nèi)有一個(gè)交點(diǎn)1991年，通過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)，此點(diǎn)正是氣溫發(fā)生突變的年份。

3.5 旱澇變化特征

3.5.1 旱澇災(zāi)害時(shí)間變化分析 基于單站旱澇等級(jí)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，得出區(qū)域旱澇等級(jí)的時(shí)間序列分布狀況(圖6)。根據(jù)對(duì)研究區(qū)氣溫、降水的簡(jiǎn)易分析，研究區(qū)氣候存在由冷干向暖濕化的過(guò)渡，在此背景下，近56年發(fā)生澇災(zāi)的頻率為37.50 %，旱災(zāi)的頻率30.36 %，澇災(zāi)的頻數(shù)較高于旱災(zāi)。其中有4年發(fā)生重澇，時(shí)間為1987、1993、2010、2016年；發(fā)生7年大澇年份分別為1969、1992、1998、2002、2007、2013、2015年；11年偏澇主要有1966、1984、1988、1990、1999、2000、2003、2004、2005、2011年。在近56年時(shí)間內(nèi)，研究區(qū)澇災(zāi)的發(fā)生主要以偏澇為主，其次是大澇，重澇頻率最小。旱災(zāi)發(fā)生頻率為30.36 %，期間有6次重旱發(fā)生，分別為1962、1967、1974、1975、1982、1997年；6次大旱發(fā)生為1963、1965、1968、1985、1991、2008年；偏旱的年份有1961、1977、1978、1989、1995年。

圖4 1961-2016年北疆地區(qū)氣溫、降水變化率空間分布Fig.4 Spatial distribution of temperature and precipitation in northern Xinjiang from 1961 to 2016

圖5 北疆地區(qū)氣溫突變Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.5 Mann-Kendall test for abrupt temperature changes in northern Xinjiang

由表3可知，氣溫突變前后研究區(qū)旱澇等級(jí)發(fā)生頻率差異較為明顯。在56年間重澇發(fā)生頻率由突變前的3.3 %升高到突變后的11.5 %，重澇變化較為明顯；大澇突變前為3.3 %，突變后增加到23.1 %，變化最為顯著；偏澇由突變前的10 %增加到23.3 %；正常年份由氣溫突變前的40 %下降到突變后的26.9 %；偏旱突變前為13.3 %，突變后為3.8 %；大旱由氣溫突變前的13.3 %下降到氣溫突變后的7.7 %；重旱則由突變前的16.7 %下降到突變后的3.8 %。

1961-2016 年，在1991年氣溫發(fā)生突變前后，新疆北疆地區(qū)澇災(zāi)增加了41 %，變化極為明顯；正常年份所占比例由 40 %降至26.9 %；旱災(zāi)年份由氣溫突變前的 43.3 %減少至15.4 %。表明在氣溫發(fā)生突變后，北疆地區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生更加頻繁，其中澇災(zāi)發(fā)生頻率減少，而旱災(zāi)增多的趨勢(shì)更顯著。

圖6 北疆地區(qū)近56年旱澇等級(jí)Fig.6 Levels of droughts and floods in northern Xinjiang in the past 56 years

3.5.2 旱澇災(zāi)害空間變化分析 根據(jù)單站旱澇Z指數(shù)計(jì)算出每個(gè)站點(diǎn)洪澇頻率和干旱頻率得出研究區(qū)氣溫突變前后旱澇頻率在空間上的分布特征(圖7)。由氣溫突變前旱澇頻率可知，干旱高頻區(qū)域主要集中在地形平坦的平原、盆地地區(qū)，有3個(gè)干旱高發(fā)區(qū)即以青河、哈巴河、烏蘇—克拉瑪依—石河子站點(diǎn)為中心的地區(qū)，低值中心主要位于西北部。氣溫突變前洪澇災(zāi)害高發(fā)區(qū)分布以北塔山和塔城為中心的區(qū)域，洪澇災(zāi)害低頻區(qū)主要集中在西南部，以溫泉、托里、烏蘇這3地為代表。1991年氣溫發(fā)生突變后，北疆地區(qū)干旱發(fā)生頻率明顯減小，干旱高發(fā)區(qū)面積縮小，對(duì)比氣溫突變氣候干旱災(zāi)害的空間變化不難發(fā)現(xiàn)，不僅各站點(diǎn)在干旱發(fā)生概率上顯著減少，而且在干旱空間分布上發(fā)生變化，干旱高發(fā)區(qū)面積縮小，低發(fā)區(qū)面積擴(kuò)大，干旱災(zāi)害發(fā)生率在一定程度上降低。氣溫突變后洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率增多，洪澇高發(fā)區(qū)和突變前存在差異，突變后主要集中在西南部伊犁河谷、南部天山山區(qū)等地區(qū)，低值中心也發(fā)生了變化，由相對(duì)分散變得集中于研究區(qū)東部和西北部?？傊?，研究區(qū)自氣溫突變后，旱澇災(zāi)害空間分布發(fā)生較為顯著變化，尤其是各站點(diǎn)干旱頻率的空間變化，干旱發(fā)生的頻率、面積都明顯減少，這與研究區(qū)氣候發(fā)生冷干向暖濕的轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。

表3 1961-2016年北疆地區(qū)氣溫突變前后各級(jí)旱澇指數(shù)出現(xiàn)頻率及時(shí)間

圖7 北疆地區(qū)氣溫突變前后旱澇頻率空間分布Fig.7 Spatial distribution of drought-flood frequencies in northern Xinjiang in the past 56 years

4 結(jié) 論

(1)1961-2016年，北疆地區(qū)氣候變化的總特征是氣溫升高降水增多，氣候朝著暖濕化發(fā)展。氣溫以0.34 ℃·(10 a)-1的上升速率變化；降水量遞增速率為12.05 mm·(10 a)-1。氣候在空間上的變化主要是，氣溫總體是由西南向東遞減的，降水量空間分布較為復(fù)雜，山區(qū)多于平原盆地。

(2)1961-2016年，北疆地區(qū)氣溫發(fā)生突變的時(shí)間為1991年。旱澇災(zāi)害的發(fā)生頻率為澇災(zāi)(37.5 %)多于旱災(zāi)(30.36 %)。從 Z 指數(shù)等級(jí)7級(jí)和澇-正常-旱 3 級(jí)的比例來(lái)看，氣溫突變前干旱發(fā)生頻率由43.3 %降至15.4 %，正常年份由突變前的40 %減少為26.9 %，而洪澇則由16.7 %增至57.7 %；空間上，氣溫突變后，干旱頻率減少，面積縮小，洪澇災(zāi)害頻率升高，說(shuō)明北疆地區(qū)氣溫升高，降水增加，暖濕化趨勢(shì)明顯，北疆地區(qū)在不斷向洪澇狀態(tài)變化。