天山北麓近50年氣溫和降水的變化特征

李 成，王讓會，黃 進

（1．南京信息工程大學 環境科學與工程學院，南京210044；2．中國氣象局 樹木年輪理化研究重點開放實驗室，烏魯木齊830002）

20世紀后半葉以來，全球變暖趨勢進一步加劇。IPCC第四次評估報告也指出，過去100a來全球地表溫度升高0．74℃［1］；溫度升高可能導致極端氣候事件頻發，給人類社會帶來巨大的負面影響。我國年平均氣溫呈現增高趨勢，升溫幅度約為0．5～0．8℃［2－3］，北疆年平均氣溫上升率達0．18℃／10a［4］；全國年降水量呈減少趨勢［5］，但北疆及天山地區降雨增加趨勢明顯。施雅風等［6］指出，我國西北氣候在上世紀80年代末發生了由暖干向暖濕的轉變，北疆及天山是氣候轉型的顯著區域。在極端氣候方面，近50a全球大部分陸地冷夜明顯減少，而暖夜增加趨勢顯著［7］；中、美、俄等國的強降水事件均有所增加［8］。我國高溫日數略有減少，暖日（夜）增加明顯，極端氣溫冷指數整體呈下降趨勢［7］；全國極端降水變化具有區域性特點，西北地區降水強度在增強，極端降水事件頻率顯著增加［8－9］。目前，有關天山地區氣候變化已有一些研究。如普宗朝等［10］研究指出，近36a天山山區氣候呈較明顯的暖濕化趨勢，主要表現為氣溫上升，降水增多，線性增多速率達18．8mm／10a，下墊面濕潤指數也明顯增大。藍永超等［11］分析了1960—2005年來天山地區氣溫和降水的變化，發現自上個世紀80年代以來天山山區氣溫明顯升高，近10a來增溫幅度最大；天山南坡降水增加幅度高于北坡，尤其是南坡西段是近10a降水增幅最大的區域。趙勇等［12］采用1961—2007年32個氣象站的逐日降水資料分析發現，天山地區極端降水事件呈增多趨勢，極端降水量在天山南北坡均隨地形增加而增多。但有關天山地區極端氣溫的研究還很少見。

近年來，特殊地域對氣候變化的響應已成為研究熱點。受自然和人為因素的影響，全疆各地區氣候變化趨勢并不一致，區域性特征明顯［13］。天山北麓（43°24′—45°24′N，81°01′—90°14′E）地處準噶爾盆地南緣，歐亞大陸腹地，總面積約14．90×104km2。境內地勢總體為南高北低，東高西低，降水稀少，蒸發強烈，氣候干燥，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。這里既是氣候變化敏感區域，又是生態脆弱帶，還是全疆經濟社會發展的重點區域，土地和礦產資源豐富，城鎮化率超過了60%。

有鑒于此，本文選取天山北麓8個氣象站1961—2010年的觀測資料，對其氣候特征及極端氣溫、降水事件的變化趨勢進行較系統和全面的研究，旨在揭示氣候變化的演變規律，為今后區域經濟發展、生態建設及資源可持續利用等提供科學依據。

1 資料與方法

采用的逐日最高溫度、最低溫度、平均溫度及日降水量資料來源于中國氣象科學數據共享網。資料經過完整的質量控制，去除了由于臺站資料缺失以及部分臺站搬遷造成的資料不連續，最后選取天山北麓8個氣象站1961—2010年的資料進行分析（圖1）。

采用線性趨勢分析、Mann－Kendall檢驗和Hurst指數等方法來研究氣溫和降水的變化特征。另外，從WMO發布的50種極端氣候指數中選取10種極端氣溫和降水指數［冰（霜）日、冷日（夜）、暖日（夜）；1日最大降水量、極端強降水日數、零降水量日數、最長連續無降水日數］進行分析，用以描述極端氣候指數的變化趨勢［14－15］。在資料統計中，四季的劃分以3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。通過算術平均法分別構建天山北麓近50a氣溫、降水及10種極端氣溫和降水指數變化的時間序列。

圖1 天山北麓氣象站點的分布

2 氣溫和降水變化特征

2．1 年際變化特征

近50a天山北麓年平均氣溫為6．89℃，其中2006年達到年平均最高氣溫8．17℃，1969年達到歷年平均最低氣溫5．09℃，相差近3．08℃，并且從20世紀60年代開始，氣溫一直呈上升趨勢，特別是從90年代開始氣溫升溫速率明顯加快，進入偏暖期（表1）。天山北麓50a來年平均氣溫上升趨勢顯著（p＜0．01），氣溫增長約1．30℃，升溫幅度在0．26℃／10a左右（表2）。相較全國近50a線性升溫趨勢（0．22℃／10a）和全球近50a氣溫變暖趨勢（0．13℃／10a）則更加明顯［5，16］。這表明在氣候變暖背景下，天山北麓增溫幅度較其它地區突出。

如表2所示，所有站點年平均氣溫增溫趨勢明顯（p＜0．05），但升溫幅度有一定的差異，其中氣溫上升幅度最大的為伊寧站，增溫幅度可達0．39℃／10a，其次是烏蘇站，增溫幅度為0．34℃／10a。其它地區氣象站也有（0．16～0．32）℃／10a左右的增幅。

表1 天山北麓年際氣溫與降水量變化

表2 1961－2010年天山北麓各站平均氣溫和降水量的變化特征

在年降水量方面，近50a天山北麓年均降水量為179．98mm，最高1987年為273．91mm，最低1968年為105．70mm。50a來年降水量增加趨勢顯著（p＜0．01），降水傾向率達15．67mm／10a（表2）。從20世紀60年代開始，各年代降水量逐漸增加（表1）。20世紀60、70年代是相對枯水期，年降水量明顯低于均值；80年代總體處于降水波動期；而從90年代以后，降水明顯增多，進入豐水期。這是由于天山北麓受西風環流影響，來自北冰洋和大西洋的水汽在天山北坡受地勢阻擋被迫抬升，形成豐沛的地形雨。氣候變暖導致水循環加快，海洋和陸地水汽蒸發量加大，80年代中后期以來，西風環流增強，帶來了豐沛的水汽，水汽輸入量增加，從而使天山降水量增多［17］。這與胡汝驥［18］、施雅風等［19］的研究結論相似。

從各個臺站降水增加的顯著性看（表2），所有站點降水增加明顯（p＜0．05）。其中烏魯木齊站的降水增加最為明顯，降水傾向率達到了30．42mm／10a，為天山北麓最高，伊寧站其次，降水傾向率達到23．34 mm／10a，其它氣象站的降水傾向率也有（6．66～14．83）mm／10a左右的增加。

2．2 季節變化特征

近50a天山北麓四季平均氣溫總體呈上升趨勢（表2），其中，秋、冬季升溫明顯（p＜0．01），且以冬季增溫速度最快，氣溫平均增長2．45℃，上升幅度為0．49℃／10a，秋季增溫幅度略小，升溫率為0．35℃／10a，均高于年平均氣溫的增長，春、夏季氣溫升溫率分別為0．14℃／10a和0．06℃／10a。秋、冬季近50a來總增溫大于年增溫，這可能是由于不同季節氣溫上升不同步所致［20］，且秋、冬季氣溫的上升對天山北麓整體氣溫增高有直接的作用。

天山北麓各站氣溫在不同季節表現出不同的差異（表2）：春季除溫泉和烏魯木齊外，氣溫年際變化傾向率在0．15～0．31℃／10a之間，其中伊寧地區上升最高；夏季氣溫下降區域進一步擴大，奇臺地區以0．09℃／10a趨勢略呈下降趨勢，氣溫年際變化傾向率在（0．11～0．32）℃／10a之間；秋、冬季各站點全部呈上升趨勢，其年際變化傾向率分別為（0．37～0．60）℃／10a和（0．27～0．79）℃／10a。

50a來，天山北麓四季降水總體呈增加趨勢（表2），其年際變化傾向率分別為3．83，5．44，2．45，3．92 mm／10a。其中，降水增加趨勢在春、夏、冬季較為明顯（p＜0．05），尤其是夏季降水在年降水變化中起主導作用。

就空間分布而言（表2），除達坂城（春）和精河（秋）降水呈減少趨勢，減幅分別為－0．36mm／10a和－0．64mm／10a外，其他各站點四季降水均呈增加趨勢，年際變化傾向率分別為（0．68～9．79）mm／10a、（0．76～11．61）mm／10a、（0．45～6．14）mm／10a和（0．68～7．47）mm／10a，其中烏魯木齊在春、冬季降水顯著增多，溫泉和伊寧分別在夏、秋季降水較多。

2．3 突變檢驗及趨勢分析

由圖2年平均氣溫 M－K突變檢驗曲線可知，20世紀60—80年代UF值在零值上下波動，此后一直大于零值，從2000年開始，UF值超出了信度線，增溫趨勢更加顯著。UF和UB曲線在1996年相交，且交點處于兩條信度線內，說明1996年為年平均氣溫的突變年份。這與姚俊強等［21］提出的天山地區氣溫從1996年突然發生變化的觀點一致。從年降水量M－K突變檢驗曲線可以看出（圖2），20世紀60—80年代初UF值在零值上下波動，年降水變化趨勢不明顯，從80年代末開始降水明顯增加，且通過了α＝0．05臨界線，UF和UB曲線在1983年相交，交點在±1．96信度線之間，表明年降水量在1983年發生了突變。這與姜逢清等［4］報道的北疆年降水量于1984年前后發生突變的論述基本一致，但較天山山區（1986年）略早［10］。

圖2 天山北麓年平均氣溫和年降水量M－K檢驗

天山北麓年平均氣溫和年降水量的Hurst指數值分別為0．70和0．75，兩者均大于0．5，說明未來兩者變化趨勢具有持續性，即與過去50a的變化趨勢相同。由M－K檢驗結果可知，兩者過去呈明顯的增加趨勢，因而未來天山北麓年平均氣溫和年降水量整體上也將呈增加趨勢。

3 極端氣候指數變化特征

3．1 年際變化特征

如圖3所示，近50a天山北麓冰（霜）日呈明顯下降趨勢（p＜0．05），其年際變化傾向率分別為－1．78 d／10a和－2．40d／10a。冰日在20世紀70年代中期之前呈增加趨勢，之后處于波動變化，上升或下降趨勢不明顯，近15a呈較明顯的下降趨勢；而霜日在20世紀70年代之前呈增加趨勢，此后開始減少，80年代初又出現短暫上升，但從80年代中期以來一直呈明顯的下降趨勢。對同期冷日（夜），暖日（夜）進行分析可知，50a來冷日（夜）呈顯著減少趨勢（p＜0．05），線性傾向率分別為－2．20d／10a和－4．40d／10a，而暖日（夜）分別以0．68d／10a和2．59d／10a的趨勢增加，尤其是暖夜增加趨勢明顯（p＜0．05）。冷日（夜）在70年代之前呈增加趨勢，之后一直處于波狀下降趨勢；暖日（夜）在70年代前呈下降趨勢，此后迅速上升，70年代中期之后又開始減少，近15a出現波狀上升趨勢。冷日（夜）的變化幅度大于暖日（夜），夜間增暖的幅度明顯大于白天，說明夜間氣溫升高對變暖的貢獻更大。同時冰（霜）日、冷日（夜）的減少趨勢和暖日（夜）的增加趨勢也在一定程度上反映了天山北麓近50a氣溫呈升高趨勢。

各站點冰（霜）日、冷日（夜）均呈現減少的趨勢（圖4），其中伊寧站在冰日、霜日和冷日指數中，下降趨勢最為明顯；而冷夜下降中心則在烏魯木齊。大部分站點暖日（夜）呈增加趨勢，上升趨勢最顯著的地區分別在精河和伊寧。

50a來，1日最大降水量和極端強降水日數呈逐漸增加的趨勢（圖3），其傾向率分別為1．36mm／10a和1．81d／10a，而零降水日數和最長連續無降水日數呈減少趨勢變化，下降速率分別為－2．86d／10a和－0．96d／10a，除最長連續無降水日數外，其他指數均通過α＝0．05的顯著性檢驗。1日最大降水量和極端強降水日數在20世紀70年代中期開始呈明顯的波狀增加趨勢，而零降水日數和最長連續無降水日數自60年代至今均呈減少的趨勢，尤其是零降水日數振幅增加明顯。

由圖4可看出，各站點1日最大降水量和極端降水日數均呈增加趨勢，烏魯木齊站這兩個指數增加幅度最明顯，傾向率分別為28．35mm／10a和2．22d／10 a；而零降水日數和最長連續無降水日數在大部地區呈減少趨勢，下降趨勢最明顯的區域均位于精河縣。

3．2 極端氣溫指數與年平均氣溫的關系

由表3可知，平均氣溫和各極端氣溫指數的相關系數均大于0．5，且通過了0．01的置信度檢驗。平均氣溫與暖日（夜）呈較顯著的正相關，相關系數分別為0．52和0．609；平均氣溫與冷指數呈顯著負相關，負相關系數范圍在－0．6～－0．9之間。說明隨著年平均氣溫的升高，極端高（低）溫事件顯著增加（減少）。除平均氣溫外其它各極端冷指數之間及暖日、暖夜之間也有很好的相關性。

圖3 1961－2010年天山北麓極端氣候指數的年際變化

圖4 1961－2010年天山北麓極端氣候指數年際變化的空間分布

3．3 極端降水指數與年降水量的關系

年降水量與極端降水指數也有很高的相關性，且通過了0．01的顯著性檢驗（表4）。這與江志紅等［22］得出中國，尤其是北疆，年極端降水事件與年降水量之間存在較好的相關性的結論相符。年降水量與1日最大降水量和極端降水日數呈顯著正相關，而與零降水日數和最長連續無降水日數呈顯著負相關，尤其是年降水量與極端降水日數和零降水日數的相關性最好，分別達到0．972和－0．864。除年降水量外大部分極端降水指數之間也有很好的相關性。

表3 1961－2010年天山北麓極端氣溫與年平均氣溫的相關系數

表4 1961－2010年天山北麓極端降水與年降水量的相關系數

4 結論與討論

（1）近50a，天山北麓年平均氣溫和年降水量均呈增加趨勢，其年際變化傾向率分別為0．26℃／10a、15．67mm／10a。這與施雅風等［19］得出的中國西北地區存在氣溫上升、降水增加，并有可能出現氣候由暖干向暖濕轉型的結論相一致。天山北麓作為全疆經濟核心區域，工農業發達，土地和礦產資源豐富。增溫可能與溫室氣體的排放及土地利用方式的改變有關。而氣候變暖導致水循環加快，蒸發增強，大氣中水汽含量的增加及大氣環流形式的改變可能是降水量增加的主要原因［4］。

（2）50a來四季平均氣溫和降水量總體均呈上升趨勢。其中，秋、冬季升溫趨勢要高于春、夏季，且以冬季增溫速度最快；降水增加趨勢在春、夏、冬季較為明顯，尤其是夏季降水在年降水變化中起主導作用。

（3）天山北麓年平均氣溫和年降水量的突變年份分別在1996年和1983年，兩者的Hurst指數值均大于0．5，未來年平均氣溫和年降水量整體上仍呈增加趨勢。

（4）天山北麓各站冰（霜）日、冷日（夜）均呈下降趨勢，即極端低溫事件明顯減少，暖日（夜）呈明顯上升趨勢，大部分地區增加趨勢較為明顯。而在極端降水方面，所有站點1日最大降水量和極端強降水日數均表現為一致的增加趨勢，零降水日數和最長連續無降水日數各站的變化趨勢并不一致，多數站點減少趨勢較為明顯。極端氣溫指數與年平均氣溫、極端降水指數與年降水量均有很好的相關性。

天山北麓氣候呈“暖濕化”趨勢，在一定程度上有利于生態建設與環境保護，對于提高綠洲農牧業生產力具有重要影響［23］。植被作為陸地生態系統的核心要素，在物質與能量循環中起重要作用。相關文獻表明，由于溫濕條件配合較好，天山地區自然植被凈第一性生產力呈較明顯增長，有助于調節區域碳平衡、減緩大氣中溫室氣體排放［24］。但降水的有限增加，并不能從根本上改變整個干旱區的基本面貌，相反降水分布不均勻，造成地表徑流空間分布不均勻，是形成山地—綠洲—荒漠系統和沙漠、戈壁的主要原因［25］。因此，如何基于多元數據（氣象、土壤、水文、社會經濟發展等相關資料），合理反映氣候變化對天山北麓生態環境的潛在影響，積極探索適應氣候變化的措施，仍有待于進一步深入探討。

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