1961～2013年塔城地區氣候的時空變化特征*

羅那那，巴特爾·巴克※，吳燕鋒，祖力克艷·麻那甫，薛亞榮，康麗娟

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052； 2.中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春 130102)

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·技術方法·

1961～2013年塔城地區氣候的時空變化特征*

羅那那1，巴特爾·巴克1※，吳燕鋒2，祖力克艷·麻那甫1，薛亞榮1，康麗娟1

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052； 2.中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春 130102)

[目的]探究塔城地區氣候的時空變化趨勢及其與氣象因子的關系。[方法]文章利用塔城地區7個氣象站點1961～2013年的逐日氣象資料，探究了氣溫、降水、日照時數、積溫和潛在蒸散量的時空變化特征。[結果]1961～2013年塔城地區年平均氣溫、降水量和積溫呈增加趨勢，日照時數和潛在蒸散量呈減少趨勢。1961～2013年塔城地區平均氣溫、降水量、日照時數、年潛在蒸散量、積溫分別在1997、1967、1996、1989、1985年發生增加突變。平均氣溫、降水量、日照時數、積溫存在明顯的多尺度周期特征，即30年的大周期和15年的小周期變化。塔城地區平均氣溫的空間分布差異明顯； 大致呈現西高東低的空間分布特征； 降雨量空間分布大致呈現西多東少的經線分布特征； 日照時數大致呈現南短北長的維度地帶性特征； 潛在蒸散量存在自南向北逐漸減少的空間分布特征； 積溫的空間分布呈明顯的自南向北逐漸減少的維度地帶性特征。[結論]在全球氣候變化下，較全面了解到新疆塔城地區氣候變化趨勢特征，對建立塔城地區氣象預測與農業生產之間的預警，促進農業健康發展有很大的理論依據。

氣候變化 塔城地區 M-K檢驗 周期與突變 時空變化

0 引言

全球變暖對水資源、農業、生態環境等的影響已成為研究熱點。IPCC第五次報告中指出， 1901～2012年全球陸地和海洋平均氣溫上升了0.89℃，其中1951～2012年上升了0.72℃[1]。全球變暖會在一定的程度上引起水循環發生變化，使水資源的總量時空分布不均，并對氣候的干濕狀況和水資源的供需平衡產生影響[2]，同時，氣候變化影響糧食的產量，通過改變農作物生長發育過程中的光照、熱量、水分及光熱與水分的組合，進而影響作物的生長周期與生產力，這使得氣候變化背景下未來糧食的安全性與復雜性將會進一步增加[3-4]。氣候變化是一個線性與非線性的相結合的復雜系統，受多種因素的綜合影響。作為氣候變化的最重要的因子，氣溫和降水的變化一直是眾多學者關注的熱點，而日照時數、積溫和潛在蒸散量也是氣候變化的主要方面，對其研究有助于對研究區域的氣候變化特征全面認識[5]。氣候突變是普遍存在于氣候系統中的一個重要現象，它表現為氣候在時空上從一種統計特征到另一種統計特征的急劇變化，是一種多時間尺度的現象，氣候狀態的跳躍可以發生在從季節、年際、10年或100 年，甚至更長的時間，是存在于各種時間尺度變化中的普遍現象[6]。在全球氣候變化背景下，我國氣候資源發生了相應的改變。有研究表明，西北地區1987～2003年月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫比1961～1986年明顯增高，以最低氣溫的增幅最大，冬季升溫幅度大于夏季[7]。潛在蒸散表示在一定氣象條件下水分供應不受限制時，某一固定下墊面可能達到的最大蒸散量，西北地區年降水量的變化與全球氣溫變化存在著一定的對應關系，降水總量和時空分布也發生了顯著的變化，在未來全球氣候進一步變暖的背景下，未來西北降水量將增加48～60mm[8]。塔城地區的氣候存在明顯的區域差異。近年來，已有對塔城地區的氣溫、降水量等氣候要素變化趨勢的初步研究[9]，但有關該地區1961～2013年的氣溫、日照等氣候要素變化特征及其對潛在蒸散量等氣候要素之間影響的研究還鮮有報道。該研究對1961～2013年塔城地區的氣候變化特征進行探討，以期為該地區應對氣候變化，采取趨利避害的生態環境保護以及促進農牧業經濟的持續穩定發展提供參考。

1 材料與方法

圖1 研究區域位置及氣象站點分布

1.1 研究區概況

塔城地區位于新疆維吾爾自治區的西北部、伊犁哈薩克自治州的中部，地處82°16′E～87°21′E、43°25′N～47°15′N之間，屬中溫帶干旱和半干旱氣候區，春季升溫快，冷暖波動大。夏季月平均氣

溫在20 ℃以上，秋季氣溫下降迅速，冬季嚴寒且漫長。年極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫零下40℃。塔城盆地降水量稍多，年均290 mm，蒸發量1 600 mm、日照2 800～3 000 h，無霜期130～190 d且塔城地形較為復雜。

1.2 資料來源

由中國氣象局中國氣象科學數據共享服務網提供[10]，選取研究區7個地面氣象臺站(圖1)1961～2013年逐日氣象資料，包括平均氣溫(℃)、日照時數(h)、降水量(mm)、積溫(℃)。溫度缺測值利用5d 滑動平均法進行插補，降水量缺測值利用附近站點數據進行線性插補[11]。

1.3 計算和研究方法

1.3.1 研究方法

分析方法運用趨勢分析法[12]、Mann-Kendall非參數檢驗[13]和小波分析法[14]探究塔城地區主要氣候資源的年際變化特征、突變特征和周期特征。采用ArcGIS軟件的克里金空間插值法探究氣候要素的空間分布特征。

1.3.2 潛在蒸散量(ET0)的計算

參考作物蒸散量(又稱為潛在蒸散量)是表征大氣蒸散能力，評價氣候干旱程度、植被耗水量、生產潛力以及水資源供需平衡的最重要的指標之一[15]。參考作物蒸散量的計算,利用聯合國糧農組織推薦的 Penman-Monteith 公式[15-16]計算參考作物蒸散量

(1)

式中，ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)； Δ為飽和水氣壓曲線在氣溫為T時的斜率，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；γ為干濕表常數，kPa/℃；U2為距地面2 m 處的風速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實際水汽壓，kPa。Penman-Monteith 公式由兩項組成：一是由輻射平衡引起的輻射項； 二是由氣溫、風速和水汽壓等引起的空氣動力項[17]。用式(1)可進而求出月、年的參考作物蒸散量ETo，mm。

2 結果與分析

2.1 塔城地區主要氣象因子的時間變化特征

圖2a可知，過去53年塔城地區年平均氣溫(Tmean)呈增加趨勢，增勢為0.04℃/年； 變幅為4.00～8.28℃，其中最低平均氣溫出現在1969年，最高平均氣溫出現在1997年。1961～1969年，塔城地區年平均氣溫呈下降趨勢； 1969～2013年年平均氣溫呈明顯的穩步增加趨勢，增勢達到0.05℃/年。降水量(P)也呈現明顯的增加趨勢，氣候傾向率為4.33mm/年。圖2b可以看出，塔城地區降水量有明顯的偏豐期和偏枯期，其中，在1961～1977年相對偏枯，該時段的年降水量的均值僅為191.81 mm； 1982～2013年為相對偏豐期，該時段的年降水量的均值為244.42 mm； 1977～1982年為過渡階段，年降水量穩步增加。其中，年最大降雨量發生在1998年，為423.91 mm； 年最小降雨量發生在1962年，為66.23 mm。還可以看出，塔城地區年降水量在偏枯期波動較小，在偏豐期波動較大。日照時數呈減少趨勢(SH)(圖2c)，氣候傾向率為-2.46 h/年。年日照時數有明顯的時段性特征，在1961～1980年日照時數較長，在1981～2013年日照時數相對較短。年日照時數在1961～1977年呈增加趨勢，在1977～1987年呈減少趨勢，隨后呈增加趨勢。最大日照時數為3 097.58 h(1967年)，最小日照時數為2 572.10 h(1993年)。潛在蒸散量也呈減少趨勢，減勢為-0.49mm/年(圖2d)。其中，研究時段的均值為971.14 mm，變幅為900.78～1 017.15 mm，最大值出現在1977年，最小值出現在1993年。塔城地區年潛在蒸散量經歷了兩次轉折， 1972年和1990s初的減少趨勢向增加趨勢的轉變，其中，前期1961～1972年減幅較小， 1977～1993年減幅較大； 隨后在1993～2013年呈波動增加的特征。積溫(AT)呈明顯的增加趨勢，(圖2e)氣候傾向率為8.36 ℃/年； 其中，研究時段的均值為2 980.48 mm，變幅為2 617.47～3 599.88 mm，其中年最大積溫發生在1996年，年最小積溫發生在1968年。塔城市年積溫有明顯的年際變化特征，表現在1961～1968年呈減少趨勢，隨后呈波動增加趨勢。積溫的明顯增加趨勢與塔城地區氣溫逐漸升高密切相關。

圖2 1961～2013年塔城地區各氣候因子的時間變化特征注：a．平均氣溫(Tmean)、b.降水量(P)、c.日照時數(SH)、d.潛在蒸散量(ET0)、e.積溫(AT)

2.2 塔城地區主要氣象因子的突變特征

為了探究塔城地區年平均氣溫的突變特征，基于Mann-Kendall 法計算塔城地區年平均氣溫時間序列的正序列的UFk(黑色粗線)和反序列的UBk(黑色細線)。取顯著水平α=0.05情況下臨界值為±1.96，見圖3a。UFk和UBk交叉點位于水平線以內，且交叉于1989年，隨后在1991年達到0.05顯著水平。因此，塔城地區年平均氣溫在1995年發生增加突變。年降水量的突變特征見圖3b，年降水量在1985年發生增加突變。年日照時數的突變特征在1997年發生增加突變(圖3c)。年潛在蒸散量的突變特征，(圖3d)。在1967年發生增加突變。積溫的突變特征(圖3e)可以看出，積溫在1996年發生增加突變。

圖3 1961～2013年塔城地區各氣候因子的突變檢驗注：a．平均氣溫(Tmean)、b.降水量(P)、c.日照時數(SH)、d.潛在蒸散量(ET0)、e.積溫(AT)

2.3 塔城地區各氣象因子的周期特征

為探究年平均氣溫周期變換特征，采用 Morlet小波變換進行分析研究，其分布如圖4a所示，實線表示正位相，即實部值大于0，虛線則反之，小波的實線和虛線波動表征了年平均氣溫隨時間偏多和偏少交替變化特征。可以看出，年平均氣溫存在多尺度的周期特征，即大尺度周期變化嵌套著小尺度周期的演變。其中，在30年左右的周期尺度上，年平均氣溫大致呈現了“偏高-偏低-偏高”的變化過程， 1961～1975年和1995～2013年年平均氣溫處于偏高期，在1975～1995年處于偏低期。在1961～1997年存在15～17年的周期變換，經歷了“偏高-偏低-偏高-偏低”的變化過程。年降水量周期變換特征如圖4b所示，有明顯的多尺度周期特征。在大周期尺度上，存在30年的周期特征，表現在1961～1975年和1996～2014年的偏豐期以及1975～1996年的偏枯期； 在1970～2005年，年降水量還存在15年的中尺度周期特征； 在1961～1980年還存在7年的小尺度周期變化以及1980～2013年的3～5年的年際尺度周期變化。日照時數的周期變換特征，如圖4c所示，存在多尺度周期變換特征，大尺度周期上來看，年日照時數存在30年的大周期，且貫穿整個研究時段，在1961～1977年和1996～2014年處于偏長期，在1977～1996年處于偏短期。在1970～2005年，年日照時數存在15年的中尺度周期變化，經歷了一次“偏長-偏短-偏長”的變換過程。而在較小年際尺度上，年日照時數無明顯的周期特征。潛在蒸散量的周期變換特征如圖4d所示，年潛在蒸散量存在多尺度周期變化特征，即存在30年的大周期和15年的小周期。其中， 30年大尺度周期上，經歷了偏大-偏小-偏大的變化過程，在1961～1976年和1996～2013年處于偏大期， 1976～1996年處于偏小期； 15年的周期尺度上，偏小(1970～1980)-偏大(1980～1990年)-偏小(1990～2005年)的變化過程。積溫的周期變換特征(圖4e)，積溫也存在明顯的多尺度周期特征，即是貫穿整個研究時段的30年的周期和1970～2005年的15年的周期。30年周期來看，塔城地區的積溫經歷了偏大(1961～1976)-偏小(1976～1996年)-偏大(1996～2013年)的變化過程。中尺度周期(15年)可以看出，塔城地區的積溫經歷了偏小-偏大-偏小的變化過程。基于積溫的周期尺度變化，可以看出，未來幾年，塔城地區即為仍處在偏大期，但在周期內呈現逐漸減少的變化特征。

圖4 1961～2013年塔城地區各氣候因子的小波分析注：a．平均氣溫(Tmean)、b.降水量(P)、c.日照時數(SH)、d.潛在蒸散量(ET0)、e.積溫(AT)

2.4 塔城地區各氣象因子的空間分布特征

由于自然地理環境的空間異質性，塔城地區年平均氣溫的空間分布差異明顯。圖5a可以看出，近53年以來，塔城地區東部和南部氣溫偏低，而西部氣溫偏高。其中，多年平均氣溫的均值的最高值出現在額敏縣的西南部和托里縣的西北部，為0.050～0.055℃。最低值出現在和布克賽爾的中西部和烏蘇市的中東部地區，為0.032～0.037℃。因此，空間上大致呈現西高東低的空間分布特征。年降雨量空間分布大致呈現西多東少的經線分布特征(圖5b)，其中最大年降雨量發生裕民縣，達到283.90～340.16 mm； 在和布克賽爾中部和沙灣地區大部以及烏蘇中東部，降水量偏少，僅為143.47～177.41 mm。圖中還可以看出，塔城地區降水量空間分布不均勻，東部降水稀少，氣候偏干； 而西部降水相對充沛，有利于農牧業的發展。年日照時數有明顯的緯向分布特征(圖5c)，是大致呈現南短北長的空間分布特征。其中，在和布克賽爾、塔城和額敏的北部日照時數達到2 890 h以上，烏蘇和沙灣的南部達到2 678～2 793 h。年潛在蒸散量存在明顯的地域性(圖5d)。可以看出，潛在蒸散量大致呈現自南向北逐漸減少的空間分布特征。其中，烏蘇和沙灣的南部多年平均潛在蒸散量較大，達到1 022.80～1 071.00 mm，西部的裕民縣年潛在蒸散量最少，小于942.14mm。塔城地區積溫的空間分布呈明顯的維度地帶性(圖5e)，即是自南向北積溫逐漸減少。因此，烏蘇和沙灣地區光熱資源最為豐富，尤其是在烏蘇和沙灣地區南部，積溫達到了3 600℃以上。

圖5 1961～2013年塔城地區各氣候因子的空間變化特征注：a．平均氣溫(Tmean)、b.降水量(P)、c.日照時數(SH)、d.潛在蒸散量(ET0)、e.積溫(AT)

2.5 塔城地區各氣象因子的變化趨勢空間分布特征

氣候變化下，塔城地區的氣溫呈上升趨勢(圖6a)。但在空間上有所差異，大致呈現南部升溫較強，北部升溫較弱。具體而言，在南部和東部呈明顯的緯向分布，在西部呈經向分布。其中，南部的烏蘇和沙灣增勢最強，達到7.25～8.16℃/10年，和布克賽爾的增勢最弱，中北部地區增勢在3.84～4.86℃/10年之間。塔城地區年降水量變化趨勢在空間上差異明顯，(圖6b)塔城市降水量增加趨勢最明顯，達到2.19～2.88mm/年，東北地區的和布克賽爾地區增勢較弱，僅為0.83～1.17mm/年； 塔城西南部的托里和烏蘇地區降雨量也有明顯的增勢。因此，西部降水相對充沛的地區降雨增勢較強，而東部和東南部降水稀少地區降雨增勢較弱。年日照時數空間變化上，(圖6c)減勢最強和最弱的地方都分布在塔城地區南部，其中烏蘇地區減勢最強(-9.38～-6.64 h/年)，沙灣減勢最弱(-0.307～-2.67 h/年)； 塔城西北的塔城市、額敏縣、裕民和托里減勢也較為明顯。年潛在蒸散量變化趨勢既有增加趨勢，也有減少趨勢，但是整個研究區域以減勢為主(圖6d)； 其中，在沙灣的中東部和塔城和額敏的大部都呈增加趨勢，而其他地區年潛在蒸散量都呈減少趨勢。烏蘇的中東部和和布克賽爾的中部地區，年潛在蒸散量減勢最強。積溫(圖6e)變化趨勢在空間分布上具有獨特性，最強的增勢中心和最弱的增勢中心都位于塔城西北地區。其中，塔城和托里的積溫增勢最強，達到9.71～11.5℃/年，額敏和裕民站的積溫增勢最弱，為4.83～6.91℃/年。

圖6 1961～2013年塔城地區各氣候因子的空間變化趨勢特征注：a．平均氣溫(Tmean)、b.降水量(P)、c.日照時數(SH)、d.潛在蒸散量(ET0)、e.積溫(AT)

3 結論和討論

(1)過去53年塔城地區年平均氣溫、降水量、積溫呈增加趨勢，增勢為0.04℃/年、4.33mm/年、8.36 ℃/年； 日照時數、潛在蒸散量呈減少趨勢，氣候傾向率為-2.46 h/年、-0.49mm/年。

(2)塔城地區年平均氣溫的空間分布差異明顯，大致呈現西高東低的空間分布特征，降雨量大致呈現西多東少的經線分布特征，日照時數大致呈現南短北長的維度地帶性特征，潛在蒸散量存在自南向北逐漸減少的空間分布特征，積溫的空間分布呈明顯的自南向北積溫逐漸減少的維度地帶性特征。

(3)平均氣溫、日照時數、積溫存在明顯的多尺度周期特征，即貫穿整個研究時段30年的大周期和15年的小周期變化； 年降水量的多尺度周期特征表現在大周期尺度上，存在30年的周期特征和15年的中尺度周期，還存在7年的小尺度周期變化以及3～5年的年際尺度周期變化。

(4)1961～2013年塔城地區平均氣溫在1989年發生增加突變，年降水量在1985年發生增加突變，年日照時數在1997年發生增加突變，年潛在蒸散量在1967年發生增加突變，積溫在1996年發生增加突變； 綜合分析可知，塔城地區氣候在1961～2013年發生的“暖濕化”的突變，對生態環境改善、農牧業生產和水資源利用有正面影響。

該文利用塔城地區7個氣象站點探究了氣象因子的時空變化特征，可為我國西北地區以及新疆氣候變化的研究提供參考。研究得出， 1961～2013年塔城地區氣溫和積溫升高，降水增多； 日照時數、潛在蒸散量減少，氣候呈較明顯的“暖濕化”趨勢，這和全國[18-19]、包括新疆大多數地區的氣候變化趨勢基本一致[20-21]。農業是對氣候變化響應最為敏感的部門之一，直接受制于氣候變化與氣象要素。未來氣候變化與氣象要素時空性與振蕩性的加劇，需對農業生產系統全方位影響做因地制宜、因時制宜全方位多層次應對。由于水平和條件有限，該文只是粗略的分析了近52年塔城地區7個氣象站點4個氣象要素的年際時空分布變化趨勢，水平僅限于初步探討，該文未考慮經緯度和海拔高度等因子，為了研究更深層次的氣候變化機制問題，結合多種氣象要素搜集更多的資料，以便深入研究氣候變化原因，通過數理統計分析以揭示氣候變化規律。

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SPATIAL-TEMPORAL VARIATION CHARACTERISTICS OF CLIMATE IN TACHENG AREA DURING 1961-2013*

Luo Nana1，Bake Batur1，Wu Yanfeng2，ZulkiyeManaf1，Xue Yarong1，Kang Lijuan1
(1.College of Grassland and Environmental Science, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2. Northeast Institute of geography and agricultural ecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun, Jilin130102, China)

The spatio-temporal variation of climate in Tacheng area was analyzed by using trend analysis, Mann-Kendall test analysis and ArcGIS technology based on the daily meteorological data of seven stations from 1961 to 2013. The results showed that the average annual temperature, precipitation and accumulated temperature experienced increased trend, the sunshine and the potential evapotranspiration had the decreasing trend from 1961-2013.Annual average temperature, precipitation, annual sunshine and annual potential evapotranspiration increased significantly in 1989,1985,1997,1967,1996, respectively.The average temperature, precipitation and sunshine had multi-scale cycle characteristics, namely long cycle of 30a and short cycle of 15a. The average temperature in Tacheng area had obvious difference, which was generally high in the West and low in the east. Precipitation had a Meridian distribution characteristic. Sunshine duration largely showed a short South and a long North latitudinal zonality charactierstics. The spatial distribution characteristics of potential evapotranspiration gradually decreased from south to north. And accumulated temperature gradually reduced obviously from south to north with a latitude characteristic. Under the global climate change, understanding the trend of climate change in Tacheng area can provide a great theoretical basis for establishing early warning and promoting agricultural health development.

climate change; Tacheng area; M-K test; cycle and mutation; spatio-temporal variations

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170614

2016-06-26

羅那那(1989—)，女，甘肅天水人，碩士。研究方向：干旱區生態與環境。※通訊作者：巴特爾·巴克(1973—)，男，新疆喀什地區莎車縣人，教授。研究方向：干旱區生態與環境。Email：bateerbake@163.com

*資助項目：國家國際科技合作計劃資助“亞洲中部干旱區應對氣候變化的生態系統管理”(2010DFA92720-13)； 新疆維吾爾自治區土壤學重點學科資助

P467

A

1005-9121[2017]06099-10