新疆天山托木爾峰地區夏季大氣0℃層高度變化

強 芳, 張明軍, 王圣杰, 董 蕾, 任正果, 朱小凡

(西北師范大學 地理與環境科學學院, 蘭州 730070)

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新疆天山托木爾峰地區夏季大氣0℃層高度變化

強 芳, 張明軍, 王圣杰, 董 蕾, 任正果, 朱小凡

(西北師范大學 地理與環境科學學院, 蘭州 730070)

基于1986—2010年夏季新疆天山托木爾峰南北2個探空站(阿克蘇和伊寧)的探空資料與1986—2006年14個水文監測站的徑流量，運用氣候傾向率和相關分析法分析了該時段內夏季托木爾峰南北不同時次(北京時間20時和8時)大氣0℃層高度的變化特征，并探究了該地區徑流量對大氣0℃層高度變化的響應情況。研究表明：1986—2010年托木爾峰南北的夏季大氣0℃層高度都呈上升趨勢，但是存在著空間與時段上的差異。托木爾峰南部的升溫比北部的升溫更為明顯，南部阿克蘇和北部伊寧大氣0℃層高度的線性傾向率分別為1.99 m/a(p>0.1)和1.56 m/a(p>0.1)；阿克蘇和伊寧20時的升幅分別為0.52 m/a和0.37 m/a，低于8時的升幅(3.46 m/a和2.76 m/a)，即溫度較低的時段大氣升溫更為明顯。1986—2006年大氣0℃層高度與徑流量的相關分析表明，托木爾峰周邊水文站徑流量與大氣0℃層高度普遍表現為正相關，且冰川融水補給比重越高的地區往往表現出更高的相關系數，破城子、協合拉和西大橋水文站在8時的相關系數分別達到0.79，0.76，0.66(p<0.01)。通過對0.5°×0.5°分辨率的地面氣溫格點資料與不同探空站大氣0℃層高度的分析表明：0℃層高度與地面溫度的相關性在高海拔山區表現得更好，夏季大氣0℃層高度的變化可以通過高海拔地區冰凍圈(冰川、積雪與凍土)凍融過程對區域徑流產生重要影響。

托木爾峰; 0℃層高度; 徑流量; 地面氣溫

隨著全球變暖，1951—2010年溫室氣體造成的全球平均地表增溫為0.5～1.3℃[1]，而干旱區氣候對全球升溫的響應則更為敏感[2]。新疆地處亞歐大陸干旱腹地，大量事實表明自20世紀80年代中期至90年代初，這一區域的氣候由暖干向暖濕轉型，降水量有所增加[3]。天山山脈橫亙于新疆中部，是新疆重要的徑流源區，在升溫的背景下河流的年徑流量呈增加趨勢，尤其是冰川融水補給率較高的天山南坡西段托木爾峰地區更為明顯[4]。托木爾峰海拔7 435.3 m，為天山最高峰，該區域處于西風帶內，大陸性氣候顯著，南北坡的氣候差異明顯[5]。在托木爾峰地區，大規模的冰川呈散射狀分布，孕育了阿克蘇河等內陸河流，并為天山南坡西段提供了重要的水資源[6]。20世紀90年代以后，托木爾峰南部地區氣溫持續升高，降水量較80年代略有減少，冰川消融的增加，使得依靠冰川融水補給的河流流量有所增加[7]。

在對流層中，近地面大氣溫度會隨著高度的增加而減小，當地面氣溫在0℃以上時高空中就會出現溫度為0℃的等溫層。大氣0℃層高度是大氣監測與氣象預報工作中的一個重要指標，可以反映高空氣團的環流變化，且較少受到地面摩擦層的影響，研究其變化能較好地反映當地區域氣候變化特征[8-12]。在高海拔區域，大氣0℃層高度與冰川、積雪與凍土存在著顯著的聯系[13-15]，而0℃層高度對地面凍融過程的控制也表現在徑流補給上。例如在天山北坡的烏魯木齊河上游[16-17]以及天山南坡的阿克蘇河[18]等都有日尺度響應過程的報道，可見寒區徑流對大氣0℃層高度的變化是十分敏感的。正是由于大氣0℃層高度與山區徑流存在著較好的線性關系，也有研究嘗試利用前者對缺乏長期水文監測區域的徑流量進行恢復重建工作，例如阿爾金山—昆侖山北坡的若羌河流域上游[19]。從長時間尺度上講，由于不同區域的徑流產流機制各異，徑流量對0℃層高度變化也存在敏感性差異[20]。

以往探空資料與全球再分析資料的研究普遍發現，新疆天山南坡西段(尤其是托木爾峰地區)是夏季大氣0℃層高度顯著升高和不顯著下降的過渡區域[12,14]。其東部是大氣0℃高度的顯著升高區，而西部0℃高度則呈現出微弱的下降。伊寧探空站位于托木爾峰北坡，其高空探測起始于20世紀50年代，但位于南坡的阿克蘇探空站從80年代才有長期連續的探空觀測業務。因而早期關于這一區域的大氣0℃層高度的變化趨勢認識的研究是相對模糊的，在基于探空監測的全國或區域尺度的研究[13,21]中往往不得不將該站點數據舍棄。此外，限于這一區域的干旱半干旱氣候背景，近幾十年來的升溫對該區域徑流量產生了深遠的影響，而關于大氣0℃層高度與徑流量的定量關系卻因上述原因較少被涉及。此外，限于復雜地形等原因，稀疏的氣象觀測網也制約了山地氣候研究的發展。因此，本文結合托木爾峰南北探空站與地面氣象站的資料，分析其自1986年以來的大氣0℃層高度的變化情況，并選取阿克蘇河流域14個水文站分析0℃層高度與徑流的相關性，此外還采用分辨率為0.5°×0.5°的格點氣溫數據集分析大氣0℃層高度與地面氣溫的關系，以用來分析討論大氣溫度影響徑流的過程。

1　數據與方法

1.1數據來源

在新疆天山托木爾峰水平距離400 km范圍內分布有2個國家探空站，即北坡的伊寧(81.2°E，43.55°N，662.5 m)和南坡的阿克蘇(80.19°E，41.09°N，1 103.8 m)，二者的大氣探空業務都開展于1955年，但阿克蘇的探空觀測于1961年停止，直至1986年才恢復觀測業務。因此，為了對比托木爾峰南北大氣升溫情況的區域差異，本文選取1986—2010年逐月北京時間20時和8時伊寧和阿克蘇的探空資料(規定氣壓層400，500，700，850 hPa的氣溫與位勢高度)和地面氣象資料(最高、最低與平均氣溫)，并根據主要的產流期選取夏季(6—8月)進行計算。上述數據由中國氣象局國家氣象信息中心提供。

徑流數據由冰雪凍土環境本底與可持續發展專題數據庫提供。河流徑流資料主要選用了阿克蘇河水系、塔里木河水系和渭干河水系的14個水文站點1986—2006年的夏季徑流量，包括西大橋合成站、協合拉站、多浪渠站、臺蘭站、契恰爾站、沙里桂蘭克站、黑孜站、卡拉蘇站、卡木魯克站、蘭干站、破城子站、托克遜站、拜城站、黑孜水庫站，各水文站海拔為1 098～2 800 m。

為了對比大氣0℃層高度與研究區地面氣溫的關系，本文選取中國氣象局國家氣象信息中心發布的空間分辨率為0.5°×0.5°的中國地面逐月氣溫格點數據集(V2.0)，并選取73.25°—85.75°E，38.25°—45.75°N范圍內的格點進行后續計算。對該數據的驗證結果[22]表明，該數據集與原始站點相關性較好，能較好反映空間差異，因此可以運用于本文的研究。

1.2方法

1.2.1大氣0℃高度層計算大氣0℃層高度是對流層中低層的一個特性層，一般可以通過大氣0℃等溫面附近的規定氣壓層探空數據進行線性插值得到。在本研究中，首先分別判斷出逐月逐時次的0℃層所在位置的上下兩個標準氣壓層(在400，500，700，850 hPa中選擇)，然后利用線性插值法分別計算出逐月逐時次大氣0℃層高度。夏季大氣0℃層高度即為6—8月不同時次大氣0℃層高度的算術平均值，此外本文還分別統計了20時和8時的0℃層高度序列。利用規定層氣溫與位勢高度計算大氣0℃層高度的公式如下：

(1)

式中：Hi——0℃層高度(m)；Hj，Hk——0℃層所在位置的上下兩個規定氣壓層高度(m)；Tj，Tk——0℃層所在位置的上下兩個標準氣壓層的溫度(℃)。

1.2.2其他方法本研究利用線性趨勢法計算各氣象要素的氣候傾向率，并運用相關分析法評估各探空站夏季0℃層高度與地面氣溫、徑流資料的相關性，在ArcGIS 9.3軟件中對相關的空間分布圖等進行了繪制。

2　結果與分析

2.10℃層高度夏季變化趨勢

圖1為1986—2010年托木爾峰南北兩個探空站不同時次夏季0℃層高度的變化趨勢。從平均值(圖1A)可以發現，南部的阿克蘇夏季0℃層高度普遍高于北部伊寧的。其中，阿克蘇0℃層高度為4 300～4 700 m，而伊寧則為4 000～4 200 m。在中國西部地區，大氣0℃層高度的空間分布被認為受到緯度地帶性與高海拔地塊的綜合影響[13-14]。而在本研究區，托木爾峰南北兩側大氣0℃層高度的明顯差異主要反映了緯度的影響。阿克蘇0℃層高度夏季最高值出現在1994年，最低值出現在1989年，伊寧最高值出現在1998年，最低值出現在2009年。托木爾峰南北在兩個時段0℃層高度均表現為上升趨勢，且阿克蘇和伊寧兩個探空站點的氣候傾向率分別為1.99，1.56 m/a，但均未通過0.05水平的顯著性檢驗。

從不同時次上來看，這種大氣的升溫幅度也是有差異的。夏季20時(圖1B)托木爾峰南部大氣0℃層高度位于4 400～4 800 m，北部位于4 000～4 400 m，兩個探空站的0℃層高度均呈顯著上升趨勢，南部0℃層高度明顯高于北部，阿克蘇和伊寧的氣候傾向率分別為1.99，1.56 m/a。夏季8時(圖1C)南部地區0℃層高度位于4 300～4 700 m，北部高度位于3 800～4 200 m，其中阿克蘇和伊寧兩個探空站點的氣候傾向率分別為3.46，2.76 m/a。

總體而言，在空間上看，南部的大氣升溫幅度比北部更為明顯。而從時次上看，8時的升溫幅度比20時大得多。近幾十年來，包括新疆在內的全球絕大多數地區，日最低氣溫都呈現出比最高氣溫更為顯著的升高趨勢[23-24]。圖2A，3B分別反映了伊寧和阿克蘇在研究時段內日最高氣溫與最低氣溫的變化情況，顯然夜間的升溫幅度要高于日間的升溫幅度。根據2013年夏季伊寧和阿克蘇的日氣溫變化(圖2C，3D)，伊寧和阿克蘇8時的日氣溫(17.0℃，18.4℃)要低于20時的氣溫(27℃，28.7℃)。這也印證了不同時次高空大氣的升溫趨勢差異與地面氣溫呈現的差異是相輔相成的。

圖11986-2010年托木爾峰南北不同時次夏季大氣0℃層高度的變化情況

2.20℃層高度變化與徑流的相關性

大氣的升溫，尤其是大氣0℃層高度的升高，會對中國西部高海拔山區的水文過程產生直接的影響。托木爾峰地區蘊藏著豐富的水利資源，對于南部干旱地區的補給尤為重要，對南部干旱地區的農業發展和灌溉意義更加重要[6-7]，因此，本研究選取了托木爾峰南部14個水文站夏季徑流量進行分析。從圖3中可以看出，夏季徑流與20時0℃層高度的相關系數在破城子站最高(r=0.80)，其次是協合拉站(r=0.57)，且都通過了0.01的顯著性檢驗。而對于8時和日平均時段而言，破城子站徑流量與大氣0℃層高度的相關性最好(r=0.79，p<0.01；r=0.82，p<0.01)，其次是協合拉站(r=0.76，p<0.01；r=0.68，p<0.01)和西大橋站(r=0.66，p<0.01；r=0.54，p<0.05)。除此之外的大部分站點并未表現出較好的相關性，且未通過顯著性檢驗。

圖21986-2010年托木爾峰南北地面氣溫夏季日平均最高氣溫和最低氣溫的年際變化以及2013年夏季地面氣溫的日變化

注：×表示通過0.05水平的顯著性檢驗。

圖31986-2006年托木爾峰南部水文站點夏季平均徑流量與阿克蘇不同時次大氣0℃層高度的相關系數空間分布

上述相關系數的空間差異顯然與徑流產生的過程有關，尤其是融水徑流在河川徑流中的比例可能起到了很大的作用。但是徑流量對0℃層高度變化的敏感性與冰川融水徑流補給比重相關的事實證明，冰川規模的不同導致徑流量對0℃層高度變化的敏感性存在區域差異[20]，因此，這里對比冰川補給情況與0℃層高度變化和徑流的相關性也是相對的，我們根據楊針娘[25]在該區域的研究，列出了典型水文站點的冰川徑流組成(表1)。對比冰川補給情況與0℃層高度變化和徑流的相關性可以發現，冰川融水補給比重越高，徑流量和0℃層高度的相關性也越好。其中西大橋站和協合拉站相關性最好，且冰川融水補給比重分別達到了53.1%和52.4%。而與之相反，蘭干站點冰川補給率僅為7.4%，因此大氣0℃層高度與徑流量并沒有表現出明顯的相關性，甚至呈現出不顯著的負相關。需要指出的是，雖然高海拔區域的冰川覆蓋度普遍會比低海拔要高，但這種大氣0℃層高度與徑流量的相關系數與水文斷面的海拔高度并沒有直接的聯系。此外，8時的相關性普遍要大于20時的相關性，這也反映了不同時段溫度對凍融過程控制的差異。也就是說，相較于20時而言，8時大氣溫度對徑流的影響更為強烈。

此外，夏季不同月的0℃層高度變化與徑流的相關性也存在著差異(圖4)。以上文提及的相關性最好的協合拉水文站徑流與8時阿克蘇0℃層高度序列的相關性為例，協合拉站8月和7月的徑流量與大氣0℃層高度的相關性表現較好(r=0.84，p<0.05；r=0.75，p<0.05)，而6月的相關性較差(r=0.34，p>0.1)。顯然，這種差異與6月的產流較少有很大的關系，個別月份徑流量甚至在100 m3/s以下。而相比之下，徑流較為充沛的時段，大氣0℃層高度則與徑流量表現出更好的相關性。這種徑流量的季節差異可能與不同站點徑流量多少也存在著類似的關系，即徑流量較少的水文站普遍與大氣0℃層高度表現出較弱的相關性。

表11986-2006年托木爾峰南坡典型水文站的冰川補給情況以及阿克蘇大氣0℃層高度和該水文站徑流的相關系數

水文站點流域面積/km2海拔/m冰川覆蓋度/%河川徑流量/(108m3)冰川融水補給比重/%相關系數20:008:00平均卡木魯克1834148016.295.8357.60.330.410.38西大橋4312311106.959.3053.10.390.66**0.54*協合拉1281614277.3945.4052.40.57**0.76**0.68**卡拉蘇111415415.892.1334.60.150.310.24沙里桂蘭1916619093.4626.5026.5-0.020.250.12黑孜334213201.264.3011.1-0.03-0.003-0.02蘭干311812800.783.697.40.090.170.13

注：**表示通過了0.01的顯著性檢驗，*表示通過了0.05的顯著性檢驗，下表同。

圖41986-2006年夏季托木爾峰南坡協合拉水文站各月徑流與8時阿克蘇大氣0℃層高度的關系

2.30℃層高度與地面氣溫的相關性

前文已述，徑流與大氣0℃層高度相關性的內在原因就是高海拔區域大氣0℃層高度控制著近地面的凍融過程，那么本節不妨嘗試計算大氣0℃層高度與地面氣溫的相關性是否存在著與海拔相關的分布特點。首先，這里對阿克蘇和伊寧地面氣溫與大氣0℃高度的關系進行分析。從表2來看，阿克蘇和伊寧不同時次的大氣0℃高度與地面氣溫均表現出顯著的正相關，但在數值上存在一定的差異。阿克蘇站夏季8時的大氣0℃高度與最高氣溫(r=0.63)、最低氣溫(r=0.62)及夏季平均溫度(r=0.63)的相關性最好。在伊寧站，夏季在20時的大氣0℃高度與最高氣溫(r=0.52)表現的相關性比8時(r=0.50)更好，但與最低氣溫、平均氣溫的相關性則仍為8時(r=0.61)好于夏季平均溫度(r=0.59)。

當然，上述關系僅根據阿克蘇和伊寧站得到的結論，并沒有涉及到本研究嘗試關注的高海拔區域。已有的研究發現，在天山北坡的烏魯木齊河流域大氣0℃層高度與地面氣溫的相關性會隨著海拔的升高而升高[14]。為了獲得更好的空間覆蓋度的地面氣溫資料，本研究選取中國氣象局國家氣象信息中心發布的空間分辨率為0.5°×0.5°的逐月格點氣溫數據，分別對比其與阿克蘇和伊寧的大氣0℃層高度的相關系數。由圖5可知，在絕大部分區域表現為正相關。在伊寧站，20時在緯度為38.25°—45.75°N范圍內有42%的格點通過了0.01的顯著性檢驗，36%的格點通過了0.05的顯著性檢驗；8時有87%的格點通過了0.01的顯著性檢驗，13%的格點通過了0.05的顯著性檢驗；78%的格點逐月氣溫數據與夏季平均0℃層高度的相關性通過了0.01的顯著性檢驗，6%的格點通過了0.05的顯著性檢驗。而對阿克蘇站而言，20時有71%的格點通過了0.01的顯著性檢驗，29%的格點通過了0.05的顯著性檢驗；格點逐月氣溫數據與20時、夏季平均0℃層高度的相關性都很好，且全部通過了顯著性檢驗。

表21986-2006年夏季托木爾峰南北大氣0℃層高度與地面氣溫的相關系數

站點地面氣溫參數20:008:00平均夏季最高氣溫0.53**0.63**0.60**阿克蘇夏季最低氣溫0.44*0.62**0.54**夏季平均氣溫0.48*0.63**0.57**夏季最高氣溫0.52**0.50**0.52**伊寧夏季最低氣溫0.54*0.61**0.59**夏季平均氣溫0.58**0.61**0.61**

總體來看，阿克蘇站和伊寧站的格點氣溫數據與夏季0℃層高度的相關性表現出這樣的特征，即8時的相關性好于20時，阿克蘇站的相關性好于伊寧站。值得注意的是，圖5中相關性較高的區域與天山山區表現出了較好的對應性，與天山山區的山廓線基本吻合。也就是說，在高海拔區域，鄰近站點測得的大氣0℃層高度與山區氣溫表現出更好的相關性。從圖5中也不難發現，在海拔相對較低的伊犁河谷恰為二者相關系數的低值區，這種區域特征對于高海拔缺乏器測資料區域氣候變化的評估也有重要意義。

圖51986-2010年夏季托木爾峰南北不同時次大氣0℃層高度與格點氣溫數據的相關系數空間分布

3　結 論

(1) 托木爾峰南北兩個探空站1986—2010年不同時次夏季0℃層高度總體均表現為上升趨勢，且阿克蘇和伊寧兩個探空站點的氣候傾向率分別為1.99，1.56 m/a，但均未通過0.05水平的顯著性檢驗。夏季20時兩個探空站的0℃層高度均呈顯著上升趨勢，南部0℃層高度明顯高于北部，阿克蘇和伊寧的氣候傾向率分別為1.99，1.56 m/a。夏季8時阿克蘇和伊寧兩個探空站點的氣候傾向率分別為3.46，2.76 m/a。從時次上看，8時的升溫幅度比20時大得多，兩個站點日最高氣溫與最低氣溫的變化表明夜間的升溫幅度要高于日間的升溫幅度。

(2) 阿克蘇河流域的14個水文站點1986—2006年夏季平均徑流與20時和8時兩個不同時段，夏季平均的0℃層高度分別進行相關性分析表明，空間差異與徑流產生的過程有關，尤其是融水徑流在河川徑流中的比例可能起到了很大的作用，冰川融水補給比重越高，徑流量和0℃層高度的相關性也越好，不同時段溫度對凍融過程控制有所差異。而相較于20時而言，8時大氣溫度對徑流的影響更為強烈。此外，夏季不同月的0℃層高度變化與徑流的相關性表現為，徑流較為充沛的時段，大氣0℃層高度則與徑流量表現出更好的相關性，徑流量較少的水文站普遍與大氣0℃層高度表現出較弱的相關性。

(3) 阿克蘇和伊寧不同時段的大氣0℃高度與地面氣溫均表現出顯著的正相關，但在數值上存在一定的差異，阿克蘇站和伊寧站的格點逐月氣溫數據與夏季20時與8時的0℃層高度的相關性相比，8時的相關性好于20時，且阿克蘇站的相關性好于伊寧站。在高海拔區域，鄰近站點的大氣0℃層高度與山區氣溫可以表現出更好的相關性。

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Variation of Free-Air 0℃ Isotherm Height over Tomur Peak in the Tianshan Mountain, Xinjiang Uygur Autonomous Region

QIANG Fang, ZHANG Mingjun, WANG Shengjie, DONG Lei, REN Zhengguo, ZHU Xiaofan

(CollegeGeographyandEnvironmentScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China)

Based on monthly data in 2 radiosonde stations (Aksu and Yining) in summer during the period from 1986 to 2010 over south and north for Tomur Peak in Tianshan Mountain as well as runoff data in 14 hydrological stations during the period from 1986 to 2006, climate tendency rate and correlational analysis method were applied. Variation of free-air 0℃ isotherm height for twice a day (8:00 and 20:00 Beijing Time) in summer over south and north for Tomur Peak during the period from 1986 to 2010 was analyzed, as well as the response of runoff to free-air 0℃ isotherm height was examined. The result indicates that variation of free-air 0℃ isotherm height in summer over south and north for Tomur Peak during the period from 1986 to 2010 shows increase trend. Compared with the north, the increase trend in south of Tomur is significant, in which the linear tendency rate in south (Aksu) and north (Yining) are 1.99 m/a (p>0.1) and 1.56 m/a (p>0.1), respectively. The increase rate for Aksu and Yining at 20:00 (0.52 m/a and 0.37 m/a) is lower than that at 8:00 (3.46 m/a and 2.76 m/a), and the warming in colder condition is more significant than that in warmer condition which is consistent with surface meteorological observation. The correlation analysis between 0℃ isotherm height and runoff during the period from 1986 to 2006 shows positive correlation. The higher proportions of glacier melt supplement show higher correlation coefficients which are 0.79, 0.76 and 0.66, respectively, in three hydrologic stations (Pochengzi, Xiehela, and Xidaqiao) at 8:00, and are statistically significant at the 0.01 level. According to the 0.5°×0.5° gridded temperature dataset and free-air 0℃ isotherm height in each radiosonde station, the correlation between free-air 0℃ isotherm height and surface temperature is better in high altitude mountainous area. The variation of free-air 0℃ isotherm height in summer modifies the processes of freezing and thawing of cryosphere (glacier, snows and Permafrost)and influences on runoff.

Tomur Peak; 0℃ isotherm height; runoff; surface temperature

2015-01-07

2015-02-12

科技部全球變化重大科學研究計劃重大科學目標導向項目(2013CBA01801);國家自然科學資助項目(41161012,41461003)

強芳(1987—),女,甘肅武威人,碩士研究生,研究方向為全球變化。E-mail:geoqiangfang@126.com

張明軍(1974—),男,甘肅寧縣人,教授,博士生導師,主要從事氣候變化與冰川研究。E-mail:mjzhang2004@163.com

P427.2+5

A

1005-3409(2016)01-0325-07