姚俊強(qiáng)， 陳 靜， 迪麗努爾·托列吾別克， 韓雪云， 毛煒嶧

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002； 2.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆烏魯木齊 830002）

0 引言

新疆地處歐亞大陸腹地，中國西北干旱區(qū)西部，是亞洲中部干旱區(qū)的重要組成部分。受“三山夾兩盆”地形格局，形成獨(dú)具特色的山區(qū)-綠洲-荒漠三大生態(tài)系統(tǒng)，氣候復(fù)雜，水循環(huán)過程獨(dú)特，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)氣候變化極其敏感，是全球變化研究的關(guān)鍵區(qū)，在全球干旱區(qū)具有獨(dú)特的代表性［1］。

21世紀(jì)初，施雅風(fēng)院士提出了西北干旱區(qū)主要是新疆地區(qū)氣候“暖濕化”轉(zhuǎn)型，即隨著溫度上升，新疆氣候水文要素發(fā)生明顯改變，出現(xiàn)降水量、徑流量和冰川消融量持續(xù)增加，湖泊水位顯著上升等明顯信號(hào)，同時(shí)預(yù)估認(rèn)為氣候暖濕轉(zhuǎn)型可能是世紀(jì)性的［2-3］。圍繞氣候“暖濕化”轉(zhuǎn)型，學(xué)者們從轉(zhuǎn)型事實(shí)、可能影響和機(jī)理機(jī)制等角度進(jìn)行了高熱度的研究，對(duì)“暖濕化”問題有了較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)［4-12］。進(jìn)入21世紀(jì)以來，新疆氣候發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)為氣溫出現(xiàn)躍變式升高且維持高溫波動(dòng)，降水量增加幅度較21 世紀(jì)以前有所減緩，干濕氣候隨著發(fā)生改變［13-17］。在此背景下，新疆的降水量、極端氣候事件會(huì)發(fā)生怎樣的變化？河流徑流、湖泊水文、冰川等水文過程與水資源又如何變化？

可以肯定的是，新疆氣候的明顯改變勢(shì)必會(huì)對(duì)區(qū)域極端事件、水文過程和水資源產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響到新疆的水資源安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。為此，本研究基于最新的氣候水文觀測(cè)資料和相關(guān)成果，研究新疆水文氣候要素變化趨勢(shì)與演變特征，探討目前面臨的主要問題，并嘗試提出對(duì)策建議。研究成果對(duì)新疆水資源科學(xué)管理、應(yīng)對(duì)和適應(yīng)未來氣候變化帶來的影響具有科學(xué)意義。

1 數(shù)據(jù)說明

1.1 氣象數(shù)據(jù)

新疆區(qū)域現(xiàn)有長期氣象觀測(cè)臺(tái)站105 個(gè)，考慮到各臺(tái)站起始時(shí)間不一以及個(gè)別臺(tái)站遷站等情況，經(jīng)對(duì)比選取了89 個(gè)臺(tái)站完整的逐日平均氣溫、最高/最低氣溫、降水量數(shù)據(jù)序列，時(shí)間跨度為1961年1 月至2018 年12 月。數(shù)據(jù)由新疆氣象信息中心提供，按氣象業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。四季劃分按照春季為3—5 月，夏季為6—8 月，秋季為9—11 月，冬季為當(dāng)年12 月至次年2 月的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)氣候區(qū)劃的指標(biāo)以及地理特征，將新疆分為新疆北部、天山山區(qū)和新疆南部三個(gè)氣候區(qū)（圖1）。

圖1 新疆區(qū)域位置及氣象水文站點(diǎn)分布圖（白色圓點(diǎn)為氣象站，藍(lán)色三角形為代表性水文站，黑色圓點(diǎn)為典型湖泊位置；黑色實(shí)線為三個(gè)氣候區(qū)的邊界）Fig.1 Map showing the location and distribution of meteorological and hydrological stations in Xinjiang（the white dot is the weather station，the blue triangle is the representative hydrological station and the black dot is the typical lake location；the solid black line is the boundary of the three climatic zones）

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）是常用的表征區(qū)域干濕變化的指數(shù)之一，該指數(shù)綜合考慮了降水和蒸發(fā)作用，而且具有多時(shí)間尺度和對(duì)氣溫變化敏感等優(yōu)點(diǎn)，在變暖背景下干濕分析中具有明顯的優(yōu)勢(shì)［13，16］。極端最高氣溫是指日最高氣溫大于第10百分位值的氣溫；極端降水事件是指日降水量大于第5百分位值的降水量。根據(jù)新疆地方降水量業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，在新疆區(qū)域內(nèi)，暴雨指一晝夜24小時(shí)內(nèi)降雨量超過24 mm 或12 小時(shí)降雨量超過20 mm；而暴雪指一晝夜24 小時(shí)內(nèi)降雪量超過12 mm 或12 小時(shí)降雪量超過10 mm。年暴雪日數(shù)是指前一年7 月至當(dāng)年6月之間的年暴雪日數(shù)。

1.2 徑流量數(shù)據(jù)

新疆河流眾多，選取塔里木河流域和艾比湖流域作為新疆南部和北部代表性流域進(jìn)行研究。塔里木河流域位于新疆南部塔里木盆地，流域總面積約102×104km2，是中國最大的內(nèi)陸河流域。歷史上曾有九大水系匯入塔里木河，目前僅有阿克蘇河、葉爾羌河與和田河常年有地表水匯入塔里木河干流［18］。如表1 所示，選取塔里木河流域“三源一干”上的6 個(gè)水文站1961—2017 年徑流量數(shù)據(jù)，其中阿克蘇河為庫瑪拉克河協(xié)合拉水文站和托什干河沙里桂蘭克站監(jiān)測(cè)徑流之和，和田河為喀拉喀什河烏魯瓦提站和玉龍喀什河同古孜洛克站水文監(jiān)測(cè)徑流之和，葉爾羌河為卡群站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，塔里木河干流采用阿拉爾水文監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)。選取艾比湖流域精河的精河水文站、博爾塔拉河上游溫泉水文站和出山口的博樂站1961—2017 年徑流量數(shù)據(jù)。

表1 新疆代表性流域及水文站點(diǎn)信息Table 1 Information of representative basins and hydrological stations in Xinjiang

1.3 湖泊變化數(shù)據(jù)

選取博斯騰湖、艾比湖和賽里木湖為代表性湖泊，其中博斯騰湖水位數(shù)據(jù)來自塔里木河管理局，時(shí)間尺度為1961—2019 年。基于Landsat TM/ETM 和環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的新疆主要湖泊夏季水域面積變化數(shù)據(jù)來自新疆氣候中心《2018 年新疆氣候變化監(jiān)測(cè)公報(bào)》［19］，時(shí)間尺度為1999—2018 年。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆氣候變化特征

2.1.1 氣溫變化趨勢(shì)

1961—2018 年新疆年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，升溫速率為0.30 ℃·（10a）-1（P＜0.01），高于1951—2018 年中國的升溫速率［0.24 ℃·（10a）-1，《中國氣候變化藍(lán)皮書（2019）》］［圖2（a）］。1997年以后出現(xiàn)了明顯增暖，1997—2018 年氣溫比1961—1996 年偏高了1.1 ℃，是有觀測(cè)記錄以來最暖的19年。

圖2 1961—2018年新疆區(qū)域氣溫變化趨勢(shì)Fig.2 Annual variations of mean air temperature（a），mean maximum air temperature（b），mean minimum air temperature（c）and mean daily temperature range（d）

從年代際變化來看，20 世紀(jì)60 年代至80 年代初期變化趨勢(shì)不明顯；1987—1997 年氣溫急劇增加，升溫速率高達(dá)0.79 ℃·（10a）-1（P＜0.01）；1997年以來氣溫增加趨勢(shì)停滯，升溫速率僅為0.11 ℃·（10a）-1（P＞0.05），但依然在高位震蕩。冬季平均氣溫上升趨勢(shì)最明顯［0.40 ℃·（10a）-1，P＜0.01］，對(duì)全年升溫速率貢獻(xiàn)最大；春、秋季次之［0.30 ℃·（10a）-1和0.32 ℃·（10a）-1，P＜0.01］，夏季升溫速率最低［0.22 ℃·（10a）-1，P＜0.01］。

升溫趨勢(shì)有明顯區(qū)域差異，新疆北部升溫速率最大［0.35 ℃·（10a）-1，P＜0.01］，其次是天山山區(qū)［0.30 ℃·（10a）-1，P＜0.01］，新疆南部升溫速率［0.26 ℃·（10a）-1，P＜0.01］最?。ū?）。1961—2018 年新疆有97%的站點(diǎn)有升溫趨勢(shì)，僅在南部的庫車和阿克陶溫度降低。

1961—2018 年新疆年平均最高氣溫和最低氣溫均有上升趨勢(shì)，升溫速率分別為0.21 ℃·（10a）-1（P＜0.01）和0.44 ℃·（10a）-1（P＜0.01），最低溫度升溫速率是最高溫度升溫速率的2倍［圖2（b）、2（c）］。新疆南部最高氣溫增加最快，而北部最低溫度升溫最明顯（表2）。季節(jié)上，春季最高氣溫升溫速率最大［0.27 ℃·（10a）-1，P＜0.01］，夏季最?。?.16 ℃·（10a）-1，P＜0.01］；而冬季最低氣溫升溫速率最大［0.52 ℃·（10a）-1，P＜0.01］，夏季最小［0.40 ℃·（10a）-1，P＜0.01］（表2）。新疆最低氣溫升溫趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最高氣溫，導(dǎo)致年平均氣溫日較差呈明顯的減小趨勢(shì)，減小速率為0.24 ℃·（10a）-1［圖2（d）］。

表2 1961—2018年新疆及各區(qū)域年和季節(jié)氣溫變化趨勢(shì)Table 2 Temperature variation trends（mean，maximum and minimum）in Xinjiang and its three sub-regions，annual and seasonal，1961-2018

2.1.2 降水量變化趨勢(shì)

1961—2018年新疆年降水量呈增加趨勢(shì)，增加速率為10 mm·（10a）-1（P＜0.05）［圖3（a）］。1986年以前波動(dòng)變化，1987 年以后明顯增加，比之前增加了35.3 mm，但年際變化幅度明顯增加。區(qū)域分布來看，天山山區(qū)增濕速率最大［16 mm·（10a）-1，P＜0.05］，新疆北部次之［12.3 mm·（10a）-1，P＜0.05］，新疆南部最?。?.5 mm·（10a）-1，P＜0.05］（表3）。

圖3 1961—2018年新疆區(qū)域年降水量（a）和年降水日數(shù)（b）變化趨勢(shì)Fig.3 Annual variations of precipitation（a）and precipitation days（b）in Xinjiang from 1961 to 2018

1961—2018 年新疆四季降水量均呈增加趨勢(shì)。其中，夏季降水量增加趨勢(shì)最明顯［3.9 mm·（10a）-1，P＜0.05］，春、秋季次之［2.1 mm·（10a）-1和2.0 mm·（10a）-1，P＜0.05］，冬季最小［1.9 mm·（10a）-1，P＜0.05］。區(qū)域來看，北疆冬季增加速率最大［3.4 mm·（10a）-1］，春季最小［2.4 mm·（10a）-1］；天山山區(qū)夏季增加速率最大［7.1 mm·（10a）-1］，冬季最?。?.1 mm·（10a）-1］；南疆夏季增加速率最大［3.2 mm·（10a）-1］，冬季最?。?.4 mm·（10a）-1］（表3）。夏季，天山降水量增多速率最大；冬季，北疆增加速率最大。通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)來看，新疆75%的站點(diǎn)降水量有顯著增加趨勢(shì)，其中冬季有97%的站點(diǎn)降水量著增加，夏秋季分別有37%和33%的站點(diǎn)降水量顯著增加，春季僅有7.4%的站點(diǎn)降水量顯著增加。

表3 1961—2018年新疆及各區(qū)域年和季節(jié)降水量變化趨勢(shì)［單位：mm·（10a）-1］Table 3 Variation trends of annual and seasonal precipitation in Xinjiang and its three sub-regions，from 1961 to 2018［unit：mm·（10a）-1］

1961—2018 年新疆年日降水量≥0.1 mm 降水日數(shù)呈增加趨勢(shì)，增加速率為0.96 d·（10a）-1（P＞0.05）［圖3（b）］。天山降水日數(shù)增加速率最大［1.1 d·（10a）-1］，新疆南部最小［0.5 d·（10a）-1］，增加趨勢(shì)均不顯著。新疆僅有29%的站點(diǎn)的降水日數(shù)呈顯著增多趨勢(shì)，主要分布在新疆西北部、天山北坡和塔里木盆地南緣。

2.1.3 干濕氣候變化

1961—2018 年新疆干濕氣候有下降趨勢(shì)，12 個(gè)月時(shí)間尺度SPEI 指數(shù)所反映的變化趨勢(shì)為-0.0135·a-1（P＜0.05），并有明顯的年代際特征。1997 年之后發(fā)生明顯的突變，從1961—1996 年的相對(duì)濕潤期（變化趨勢(shì)為0.0269·a-1）轉(zhuǎn)折為1997—2018 年的干旱期（變化趨勢(shì)為-0.0199·a-1）（圖4）。約70%以上的站點(diǎn)有干旱化趨勢(shì)，主要在新疆南部、東部和天山山區(qū)，而在新疆西北部、塔里木盆地西南部和帕米爾高原增濕特征明顯。因此，1997年以來新疆氣候有逐漸從暖濕轉(zhuǎn)向暖干的跡象。

圖4 1961-2018年新疆不同時(shí)間尺度（1 ～24個(gè)月）SPEI指數(shù)的變化特征Fig.4 Annual variation of SPEI index on different time scales（1 ～24 months）in Xinjiang from 1961 to 2018

1961—2018 年新疆平均逐年干旱月（SPEI≤-1）有明顯的增加趨［0.5 mon·（10a）-1，P＜0.01］。1997年以前干旱月份每年不超過2個(gè)月，之后逐漸增加；21 世紀(jì)以來，年均干旱月份數(shù)大于4 個(gè)月。1997—2018 年干旱頻率增加明顯，且干旱強(qiáng)度越大，頻率增加越明顯，極端干旱頻率從1961—1996 年的0.6次·a-1增加到1997—2018 年的2.65 次·a-1。此外，1961—1996 年期間以區(qū)域性干旱為主，而1997—2018 年站次比明顯上升，新疆干旱發(fā)生范圍在1997年以后明顯擴(kuò)大。

2.1.4 極端氣候變化

在變暖背景下，新疆極端天氣氣候事件頻率和強(qiáng)度逐漸增大。1961—2018 年極端最高氣溫呈上升趨勢(shì)，升溫速率為0.13 ℃·（10a）-1（P＜0.05），其中76%的站點(diǎn)極端最高氣溫增加明顯，主要分布在新疆南部和東部?！?5 ℃高溫日數(shù)明顯增加，高溫初日在提前，終日在延遲（圖5）。隨著氣候變暖，極端高溫發(fā)生的頻次和強(qiáng)度增加，21世紀(jì)以來極端高溫增加趨勢(shì)更加顯著。極端最低氣溫上升明顯，升溫速率為0.67 ℃·（10a）-1（P＜0.01），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于極端最高氣溫的升溫速率，其中20 世紀(jì)80 年代以來更加明顯，21 世紀(jì)后波動(dòng)大（圖5）。區(qū)域來看，新疆北部升溫速率最大［0.84 ℃·（10a）-1，P＜0.01］，其次是天山山區(qū)［0.61 ℃·（10a）-1，P＜0.01］和新疆南部［0.54 ℃·（10a）-1，P＜0.01］?！?30 ℃低溫日數(shù)有顯著減小趨勢(shì)［-0.41 ℃·（10a）-1，P＜0.01］，21世紀(jì)以來變化不明顯。

圖5 1961—2018年新疆區(qū)域極端氣溫變化趨勢(shì)Fig.5 Annual variations of extreme temperature in Xinjiang from 1961 to 2018：annual extreme maximum temperature（a）；number of ≥35 ℃high temperature days（b）；annual extreme minimum temperature（c）；number of ≤-30 ℃low temperature days（d）

1961—2018 年新疆極端降水事件和平均日最大降水量呈明顯增加趨勢(shì)，增加速率為0.9 d·（10a）-1和0.86 mm·（10a）-1（P＜0.05）（圖6）。日最大降水量變化趨勢(shì)有明顯的空間差異，其中新疆北部增速最大，天山次之，新疆南部增速較小，全區(qū)有26%的站點(diǎn)增加顯著。最長連續(xù)降水日數(shù)增加趨勢(shì)不顯著［0.06 d·（10a）-1，P＞0.05］，區(qū)域差異與日最大降水量一致；而最長連續(xù)無降水日數(shù)明顯減少［0.97 d·（10a）-1，P＜0.05］，區(qū)域差異與日最大降水量相反。年暴雨量和暴雨日數(shù)均呈明顯增加趨勢(shì)，增加速率分別為1.82 mm·（10a）-1和0.05 d·（10a）-1（P＜0.01），其中天山山區(qū)增速最大，新疆北部次之，新疆南部增速較?。欢瓯┭┝亢捅┭┤諗?shù)也有明顯增加趨勢(shì)，增加速率分別為0.47 mm·（10a）-1和0.03 d·（10a）-1（P＜0.01），其中新疆北部增速最大，天山山區(qū)次之，新疆南部增速較小。

圖6 1961—2018年新疆區(qū)域極端降水變化趨勢(shì)Fig.6 Annual variations of extreme precipitation in Xinjiang from 1961 to 2018：annual extreme precipitation event（a）；annual maximum 1-day precipitation（b）；number of heavy rainfall days（c）；annual heavy rainfall（d）；number of heavy snow days（e）；annual heavy snow（f）

2.2 新疆代表性流域徑流量變化趨勢(shì)

2.2.1 河川徑流量

（1）塔里木河流域

1961—2017 年塔里木河流域的“三源流”徑流量均呈增加趨勢(shì)，其中阿克蘇河徑流量顯著增加，增加趨勢(shì)為2.36×108m3·（10a）-1（P＜0.01）；葉爾羌河徑流量有不顯著的增加趨勢(shì)［2.31×108m3·（10a）-1，P＞0.05］；和田河徑流量微弱增加，趨勢(shì)為1.40×108m3·（10a）-1，但未通過顯著性檢驗(yàn)（P＞0.05）。塔里木河干流徑流量有微弱的減少態(tài)勢(shì)，變化趨勢(shì)為-0.33×108m3·（10a）-1，未通過顯著性檢驗(yàn)（P＞0.05）（圖7）。

圖7 塔里木河流域“三源一干”徑流量距平變化Fig.7 Annual variations of runoff anomaly of the Aksu River（a），the Yarkant River（b），Hotan River（c）and Tarim trunk stream（d）

阿克蘇河徑流量有明顯的年代際階段性變化特征。20 世紀(jì)60 年代至70 年代末有增加趨勢(shì)［5.28×108m3·（10a）-1，P＜0.05］，之后明顯減少，80 年代變化較小，90 年代至21 世紀(jì)初急劇增［16.02×108m3·（10a）-1，P＜0.05］，但21 世紀(jì)以來急劇顯著減少［-23.81×108m3·（10a）-1，P＜0.01］，最近幾年徑流量有明顯回升。同時(shí)，21世紀(jì)以來徑流量年際波動(dòng)大。和田河徑流量在70 年代末至90年代初有減少趨勢(shì)［-9.56×108m3·（10a）-1，P＜0.05］，而90 年代中期至今有明顯增加趨勢(shì)［6.68×108m3·（10a）-1，P＜0.05］。葉爾羌河和塔里木河干流徑流量以年際波動(dòng)為主，且年際變率較大，無較明顯階段性特征，其中21 世紀(jì)以來干流徑流量年際變率明顯增大。

（2）艾比湖流域

1961—2017 年艾比湖流域徑流量變化差異較大，博爾塔拉河流域博樂站徑流量呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)［0.18×108m3·（10a）-1，P＜0.05］，上游的溫泉站徑流量以年際波動(dòng)變化為主［0.03×108m3·（10a）-1，P＞0.05］，無明顯的階段性變化特征；而精河流域徑流量變化有微弱的上升趨勢(shì)［0.02×108m3·（10a）-1，P＞0.05］。20 世紀(jì)60 年代至80 年代中后期，精河流域徑流量有增加趨勢(shì)，70 年代中期至80 年代中期增加趨勢(shì)顯著；90 年代初明顯下降，90年代有增加趨勢(shì)；21世紀(jì)以來有明顯下降趨勢(shì)，2013年達(dá)到有記錄以來最低值，2016年出現(xiàn)了徑流量次高值［5.87×108m3·（10a）-1］。20世紀(jì)70年代之前博爾塔拉河流域博樂站有明顯的減少趨勢(shì)，之后呈波動(dòng)變化，90年代中后期急劇增加，至2002年達(dá)到有記錄以來的最高值（7.82×108m3），2002年后徑流逐漸減少，同時(shí)也在2016 年出現(xiàn)了徑流量次高值（6.98×108m3）（圖8）。

圖8 艾比湖流域主要水文測(cè)站徑流量距平變化Fig.8 Annual variations of runoff anomaly of the three main hydrological stations in Ebinur Lake Basin：Jinghe（a），Bole（b）and Wenquan（c）

（3）徑流量對(duì)氣候變化的響應(yīng)

塔里木河流域徑流量對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，阿克蘇河徑流量的年代際變化與區(qū)域氣候增暖增濕的變化特征高度一致，突變均發(fā)生在20 世紀(jì)90 年代，如徑流量在1993 年發(fā)生突變，氣溫和降水量的突變分別發(fā)生在1997 年和1986 年，氣候影響徑流變化具有滯后性。阿克蘇河徑流量受到了區(qū)域氣溫和降水的雙重影響，90年代以來區(qū)域降水量顯著增加，同時(shí)升溫引起冰雪消融，冰雪融水和降水量補(bǔ)給的增多使得徑流量急劇增加。葉爾羌河徑流量也在1993 年發(fā)生突變，氣溫在1996 年發(fā)生突變，而降水無突變特征；相關(guān)分析表明徑流量與氣溫顯著相關(guān)，而與降水相關(guān)不顯著，說明葉爾羌河徑流量對(duì)氣溫變化更敏感。和田河也有類似的關(guān)系，徑流量與氣溫的相關(guān)性系數(shù)最好，且具有一定的滯后性。塔里木河源流冰雪融水補(bǔ)給徑流量比例較高，阿克蘇河流域達(dá)到59.3%，葉爾羌河和和田河也分別達(dá)到了54.0%和59.5%［18］。冰川融水徑流補(bǔ)給比重大的河流，其徑流變化對(duì)氣溫的響應(yīng)更加強(qiáng)烈［12］。在冰川強(qiáng)烈消融的流域，徑流已出現(xiàn)減少趨勢(shì)，如阿克蘇河流域冰川面積減少了29.7%［10］，冰川處于強(qiáng)烈消融和退縮狀態(tài)，使得21世紀(jì)以來流域徑流顯著減少。氣溫升高會(huì)加速冰川積雪的融化，進(jìn)而增加徑流量。但隨著升溫持續(xù)，冰雪水資源量減少，冰川融水量銳減，徑流因降水異常的影響而變率增大，21世紀(jì)以來年際變率明顯增大證實(shí)了這點(diǎn)。因此，通過調(diào)節(jié)冰雪融水補(bǔ)給，氣溫主導(dǎo)年代際階段性徑流變化，而降水變化則影響徑流的年際波動(dòng)變率。

相關(guān)分析表明艾比湖流域徑流量與區(qū)域氣溫顯著相關(guān)，與降水量的年際變化也有顯著同步性。受區(qū)域變暖變濕的影響，1981—2005年精河流域徑流量比之前增加了3.24%；受降水量增加的影響，2016年徑流量急劇增加。而受增暖增濕的影響，博樂站徑流量保持持續(xù)增加趨勢(shì)。此外，受溫泉盆地地下水資源調(diào)節(jié)作用的影響，溫泉和博樂站徑流量相對(duì)穩(wěn)定，徑流異常主要受降水異常的影響。

2.2.2 新疆典型湖泊變化

湖泊是干旱區(qū)水資源循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和貯存庫，干旱區(qū)湖泊變化是氣候變化對(duì)區(qū)域水資源影響的綜合體現(xiàn)。新疆是一個(gè)多湖泊的地區(qū)，面積大于1×104km2的湖泊有197個(gè)，面積超過100 km2的有9個(gè)，面積大于10 km2的湖泊有30 個(gè)，湖泊總面積12 414 km2，占全國湖泊面積的13.2%，次于西藏、青海、江蘇，居全國第4 位［20］。選取博斯騰湖、艾比湖和賽里木湖為代表性湖泊，分析新疆湖泊的變化特征。

（1）博斯騰湖

博斯騰湖是我國內(nèi)陸最大的淡水湖泊，位于天山南麓的博湖縣境內(nèi)封閉的山間盆地，80%以上的水來自開都河，出流匯入孔雀河。隨著水資源過度開發(fā)利用，博斯騰湖生態(tài)環(huán)境問題凸顯，嚴(yán)重影響著博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)安全［21］。

1961—2018年博斯騰湖水位呈下降趨勢(shì)，趨勢(shì)率為-0.024 m·a-1。1987 年和2013 年湖泊水位最低，為1 045.0 m；2002年水位最高，為1 049.39 m。博斯騰湖水位階段性變化明顯，其中1961—1987年湖泊水位有下降趨勢(shì)，然后經(jīng)歷了1988—2002年的急劇增加和2003—2012 年的持續(xù)下降，水位變化率分別為-0.083 m·a-1、0.263 m·a-1和-0.309 m·a-1。2013 年以來的增加態(tài)勢(shì)，2017 年開始明顯回升，其中2018 年達(dá)到了1 047.5 m，2019年已經(jīng)達(dá)到了1 048.2 m（圖9）。

圖9 1961—2019年博斯騰湖湖泊水位變化Fig.9 Annual variation of water level in Bosten Lake，1961—2019

博斯騰湖泊水面面積經(jīng)歷了類似的變化［22］。ETM 和環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，1999—2018年夏季博斯騰湖面積變化整體呈減少趨勢(shì)，2018年湖泊面積為1 042 km2，其中1999—2002 年湖泊面積明顯擴(kuò)張，2002—2012 年水域面積逐漸萎縮，2013 年之后顯著擴(kuò)張［圖10（a）］。Landsat 衛(wèi)星也顯示1988—2002 年期間湖泊逐年擴(kuò)張，而在2003—2014 年期間急劇萎縮；MODIS 數(shù)據(jù)也顯示出了2003—2014年湖泊的萎縮［23］。

1961—2018 年博斯騰湖流域氣候有明顯變化，1987年開始?xì)夂蛎黠@變暖變濕，引起博斯騰湖水位明顯上升；但1997年之后氣溫急劇上升，而降水量的增加趨勢(shì)減弱，區(qū)域干旱加劇，導(dǎo)致21世紀(jì)以來湖泊水位的明顯下降；2013 年之后降水量增加，尤其是2016 年降水量達(dá)到最大值，引起湖泊水位明顯回升。因此，氣候變化，尤其是降水量的變化是引起湖泊水位變化的主要原因之一，但還受冰川補(bǔ)給變化、生態(tài)輸水工程、農(nóng)業(yè)灌溉用水等其他因素的影響［23］。

（2）艾比湖——干旱區(qū)尾閭湖

艾比湖位于準(zhǔn)噶爾盆地西南部，是干旱區(qū)典型的尾閭型湖泊。20 世紀(jì)50 年代艾比湖湖面面積為1 200 km2左右，至1998 年萎縮至519.26 km2［24］。ETM 和環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，1999—2018年夏季湖泊面積經(jīng)歷了兩個(gè)變化階段，其中1999—2003 年湖泊逐漸擴(kuò)張，從519.26 km2擴(kuò)張到2003年的972.39 km2；然后急劇萎縮，2013 年湖泊面積達(dá)到最小，僅為429.63 km2，比2003 年萎縮了55.4%。2013 年之后逐漸擴(kuò)張，至2018 年湖泊面積達(dá)到748.68 km2［圖10（b）］?？臻g上，艾比湖西北部萎縮明顯，水域向東南部縮減，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響。隨著艾比湖面積的逐漸干縮，裸露的湖底已成為風(fēng)沙-鹽塵暴的發(fā)源地，嚴(yán)重威脅我國北方生態(tài)安全［24］。

（3）賽里木湖——高山湖泊

賽里木湖位于天山西段，封閉的高山盆地水系，是極具代表性的高山湖泊。1999—2018 年賽里木湖夏季湖面面積變化穩(wěn)定，有微弱的擴(kuò)張趨勢(shì)。其中2016 年湖泊面積最大，2018 年減小到462.9 km2，湖泊擴(kuò)張區(qū)域主要分布在地勢(shì)低且平坦的草原地帶［圖10（c）］。受氣候暖濕化影響，冰雪消融增多，入湖徑流量和湖面降水量明顯增加，湖面穩(wěn)定擴(kuò)張。

圖10 遙感監(jiān)測(cè)的新疆典型湖泊面積變化［19］Fig.10 Variations of lake area of the three typical lakes：Bosten Lake（a），Ebinur Lake（b）and Selimu Lake（c）in Xinjiang，monitored by remote sensing［19］

2.3 新疆氣候水文變化面臨的問題及思考

2.3.1 新疆氣候水文變化面臨的問題

（1）新疆氣候“暖濕化”的科學(xué)認(rèn)識(shí)和物理過程不明確

21世紀(jì)初，施雅風(fēng)院士提出了西北干旱區(qū)氣候“暖濕化”轉(zhuǎn)型的信號(hào)，其中干旱區(qū)西部，尤其是新疆更加明顯［2-3］。20 世紀(jì)80 年代中后期以來新疆氣溫和降水量均突變型增加，表現(xiàn)為“暖濕化”特征；但1997 年之后，尤其是21 世紀(jì)以來，新疆氣候發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)為氣溫出現(xiàn)躍變式升高且維持高溫波動(dòng)，降水量增加趨勢(shì)減緩，且降水量年際變化明顯增大，極端降水事件頻次和強(qiáng)度明顯增加，對(duì)新疆氣候變化產(chǎn)生重要影響。SPEI 干旱指數(shù)顯示，新疆氣候有從1961—1996 年的“暖濕化”轉(zhuǎn)折到1997—2018 年的“暖干化”的跡象，1997 年以來發(fā)生“濕干轉(zhuǎn)折”信號(hào)，干旱化趨勢(shì)凸顯。約70%以上的站點(diǎn)有干旱化趨勢(shì)，干旱頻率、干旱發(fā)生月份和干旱范圍等均有明顯增加。

目前，對(duì)新疆氣候變化趨勢(shì)，尤其是“暖濕化”趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)不清，物理過程不明。在全球變暖和人類活動(dòng)加劇的背景下，新疆氣候還處在不斷調(diào)整和轉(zhuǎn)型過程中，氣候變化趨勢(shì)和特征多樣并存，區(qū)域差異明顯。從氣溫和降水量的角度，新疆氣候至今依然維持著“暖濕化”特征；但從干濕變化角度，變暖引起蒸發(fā)需求旺盛，降水的增加量不足以抵消蒸發(fā)增加的需求量，區(qū)域陸面趨于干旱并反饋至大氣，出現(xiàn)干旱化趨勢(shì)。針對(duì)“暖濕化”的成因，大多學(xué)者認(rèn)為是在高中低緯環(huán)流系統(tǒng)配合影響下，來自高緯、熱帶印度洋、阿拉伯海和局地的水汽輸送增強(qiáng)所致［6-9］，但物理過程依然不清晰。21 世紀(jì)以來的干旱化的形成原因更加復(fù)雜，現(xiàn)有研究表明北大西洋多年代際振蕩（AMO）和ENSO與新疆干旱化有密切關(guān)系［15］，物理過程和機(jī)理也不清楚。同時(shí)，人為增暖加劇、土地利用/土地覆蓋變化、城市群快速擴(kuò)張等人類活動(dòng)都將對(duì)干旱化產(chǎn)生重要影響。

（2）極端天氣氣候事件頻發(fā)重發(fā)，水文氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇

新疆極端氣溫、極端降水和干旱等事件發(fā)生頻率增加，強(qiáng)度加大，21 世紀(jì)以來尤其明顯。極端暴雨雪對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)增加，短時(shí)強(qiáng)降水的頻次和強(qiáng)度增加，中小雨頻次和貢獻(xiàn)減小，使得降水氣候的極端化更加嚴(yán)重。例如，2018年7月31日哈密突發(fā)短時(shí)特大暴雨，14 小時(shí)降水量達(dá)到115.5 mm，超過當(dāng)?shù)貧v史最大年降雨量52.4 mm，山洪、水庫、鐵路、公路、房屋損失嚴(yán)重，死亡20 多人。同時(shí)，降水更加集中，且加劇了干旱事件的頻次和強(qiáng)度，使得洪旱災(zāi)害并發(fā)并增。隨著氣候變暖加快，高溫初日提前，高溫終日推遲，干旱和高溫天氣同時(shí)出現(xiàn)的頻次增加，干旱和高溫協(xié)同發(fā)展產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，將會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)、森林、基礎(chǔ)設(shè)施和人類健康帶來嚴(yán)重威脅。此外，氣溫升高和極端降雨增多，使得冰雪融水徑流增大，冰湖更易潰決，冰川躍動(dòng)時(shí)有發(fā)生。在氣候變化和極端事件影響下，水文氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇。

新疆的氣象水文災(zāi)害主要有暴雨山洪、高溫、干旱、冰湖潰決、冰崩、暴雪雪崩、冰川躍動(dòng)以及泥石流、滑坡等。受氣候變化影響，氣象水文災(zāi)害的致災(zāi)因子、觸發(fā)條件，以及災(zāi)害形成發(fā)育的過程和機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，對(duì)災(zāi)害孕育和演化過程的物理描述和機(jī)理認(rèn)識(shí)不明，尚不能進(jìn)行有效的災(zāi)害預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)防控。在極端天氣氣候事件頻發(fā)重發(fā)背景下，水文氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)難以把控。

（3）氣候變化影響不確定性加劇，水安全問題迫在眉睫

受“三山夾兩盆”格局影響，新疆氣候和水循環(huán)過程獨(dú)特，水資源特色鮮明。在變暖背景下，極端氣候水文事件頻發(fā)重發(fā)，加大了水循環(huán)系統(tǒng)脆弱性，進(jìn)而加劇了水資源的不確定性。氣候變化在加劇徑流年際豐枯變化的同時(shí)，也改變了徑流的穩(wěn)定性，表現(xiàn)為冰雪消融期提前、汛期徑流量增加等現(xiàn)象。新疆徑流對(duì)冰川的依賴性強(qiáng)，其中天山北坡、南坡和昆侖山北部的冰川融水分別占河流徑流總量的31.8%、33.7%和56.3%［18］。隨著氣溫升高，尤其是山區(qū)氣溫異常升高，冰川面積小、海拔較低的流域，冰川退縮和積雪消融加劇，打破冰凍圈物質(zhì)平衡，冰川消融出現(xiàn)變化拐點(diǎn)，造成固體水資源和冰川融水補(bǔ)給量銳減，對(duì)河流的調(diào)節(jié)功能下降，地表徑流的穩(wěn)定性降低，受極端降水的影響而變率增大［25-26］。未來20～30 年新疆冰川仍將強(qiáng)烈消融，冰雪融水急劇減少；未來50 年新疆天山約有80%以上的小冰川消失；在RCP4.5 情景下，烏魯木齊河源1 號(hào)冰川徑流2050 年之后快速下降，至2090年冰川消融殆盡［27］。

水資源問題是制約新疆高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的最主要問題之一。氣候變暖引起新疆水文氣象要素，尤其是水分循環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變。在極端氣候頻發(fā)重發(fā)的背景下，水循環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定性加劇，給新疆水資源安全帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，水安全問題迫在眉睫。

2.3.2 對(duì)策及建議

針對(duì)新疆氣候水文變化趨勢(shì)和存在的問題，需要科學(xué)應(yīng)對(duì)機(jī)遇與挑戰(zhàn)。應(yīng)抓住氣候機(jī)遇，趨利避害，未雨綢繆，提出如下建議。

（1）開展新疆氣候水文綜合科學(xué)考察，建立水文氣象綜合觀測(cè)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和共享機(jī)制，提高水文氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控和防災(zāi)減災(zāi)能力

新疆受特殊地理、氣候條件的限制，氣象水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不足，尤其在4 000 m 以上的山區(qū)和沙漠腹地，都是監(jiān)測(cè)的空白區(qū)。建議結(jié)合第三次新疆綜合科學(xué)考察，全面布局氣候水文災(zāi)害綜合科學(xué)考察，尤其對(duì)西天山、阿爾泰山、帕米爾高原和羅布泊等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)布局，獲取第一手氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)。因此，需要加強(qiáng)（極端）氣候水文變化及災(zāi)害機(jī)理等基礎(chǔ)科學(xué)問題研究，建立水文氣象綜合觀測(cè)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和共享機(jī)制。提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)防災(zāi)抗災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，大力提升應(yīng)對(duì)極端氣候水文事件和水資源風(fēng)險(xiǎn)的能力，提高水文氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控和防災(zāi)減災(zāi)能力。

（2）抓住氣候機(jī)遇，加快生態(tài)環(huán)境建設(shè)，優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，為建設(shè)美麗新疆和高質(zhì)量發(fā)展服務(wù)

新疆天山山區(qū)、帕米爾高原、阿勒泰等地區(qū)降水量持續(xù)增加，應(yīng)抓住氣候機(jī)遇，加快山區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，加大山區(qū)和荒漠區(qū)生態(tài)保護(hù)力度，充分利用不同氣候立體景觀格局，構(gòu)建冰雪、山地、綠洲和荒漠區(qū)地帶性生態(tài)景觀格局，形成水文氣候與生態(tài)環(huán)境良性耦合的自然生態(tài)系統(tǒng)；根據(jù)區(qū)域水文氣候變化趨勢(shì)，研判未來水文氣候形勢(shì)，協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)發(fā)展，主動(dòng)調(diào)整工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局，優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快布局生態(tài)產(chǎn)業(yè)；抓住氣候資源機(jī)遇，優(yōu)先發(fā)展生態(tài)旅游和冰雪旅游業(yè)，打造一批綠色旅游品牌；抓住光熱等資源優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化布局清潔能源發(fā)展基地，為自治區(qū)高質(zhì)量發(fā)展服務(wù)，推動(dòng)區(qū)域綠色發(fā)展，建設(shè)美麗新疆。

（3）將有效應(yīng)對(duì)和有序適應(yīng)氣候變化提升到戰(zhàn)略的高度

氣候變化是新疆水資源安全和生態(tài)安全的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。新疆水資源安全很大程度上取決于山區(qū)降水和冰雪融水，氣候變化顯著影響水資源分布格局，加劇供需水矛盾；山地、綠洲和荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也受氣候變化的直接影響。近年來，自治區(qū)政府在生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理方面投入了大量的人財(cái)物力，但山地和荒漠自然生態(tài)依然在退化，水資源問題依然嚴(yán)峻，其原因是未能足夠重視和合理利用氣候變化帶來的紅利。因此，在“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”核心區(qū)建設(shè)的國家戰(zhàn)略中，建議把有效應(yīng)對(duì)和有序適應(yīng)氣候變化提升到自治區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略的高度，在水資源管理和生態(tài)治理規(guī)劃中充分考慮氣候變化的因素，有效應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)新疆水資源和生態(tài)保護(hù)帶來的不利影響，有序適應(yīng)氣候系統(tǒng)中不可避免的變化，貫徹“環(huán)保優(yōu)先、生態(tài)立區(qū)”理念，保障新疆長治久安和高質(zhì)量發(fā)展。

3 結(jié)論

基于1961—2018 年新疆逐日氣象觀測(cè)資料、1961—2017 年新疆代表性流域徑流資料和Landsat TM/ETM 和環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的1999—2018年典型湖泊夏季湖泊面積資料，結(jié)合最新的相關(guān)研究成果，研究了新疆水文氣候要素變化趨勢(shì)與演變特征，探討了目前面臨的主要問題及對(duì)策建議。結(jié)果表明：

（1）1961—2018 年新疆升溫速率為0.30 ℃·（10a）-1（P＜0.01），升溫幅度高于全國平均水平，冬季升溫貢獻(xiàn)最大；最低溫度升溫速率是最高溫度升溫速率的2 倍；降水量和降水日數(shù)均明顯增加，夏季降水增加最顯著；1997 年以后出現(xiàn)了明顯增暖，21世紀(jì)以來氣溫和降水均在高位波動(dòng)，但增加幅度減緩，氣候有從暖濕化向暖干化轉(zhuǎn)折的跡象，干旱化趨勢(shì)加劇。

（2）1961—2018 年極端最高氣溫、極端最低氣溫和高溫日數(shù)顯著增加，高溫初日提前，高溫終日推遲；極端降水事件、暴雨雪強(qiáng)度和頻次明顯增加；21 世紀(jì)以來，極端事件的強(qiáng)度和頻次增加更加顯著。

（3）受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響，新疆地表水資源發(fā)生明顯改變。塔里木河流域源流區(qū)徑流量明顯增加，干流徑流量微弱減少；博斯騰湖水位階段性變化明顯，2013 年以來逐漸擴(kuò)張；艾比湖總體萎縮，而山區(qū)湖泊賽里木湖面積穩(wěn)定擴(kuò)張。

（4）新疆氣候變化經(jīng)歷了“暖濕化”的過程，目前研究對(duì)變化趨勢(shì)和物理過程認(rèn)識(shí)還不清楚，對(duì)水文氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇難以把控，水安全問題迫在眉睫。針對(duì)以上問題，建議趨利避害，抓住氣候機(jī)遇，加快生態(tài)環(huán)境建設(shè)；開展綜合科學(xué)考察，構(gòu)建綜合觀測(cè)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，提高水文氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控能力；將有效應(yīng)對(duì)、有序適應(yīng)氣候變化提升到戰(zhàn)略的高度，為建設(shè)美麗新疆和高質(zhì)量發(fā)展服務(wù)。