全球變化背景下新疆和田地區近半個世紀極端氣溫變化特征分析

武勝利, 劉強吉,3, 胡雪瑛, 潘 蕾, 夏詩書, 夏 黎, 虞游毅

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室,新疆師范大學, 烏魯木齊 830054; 3.新疆師范大學 繼續教育學院, 烏魯木齊 830054)

全球變化背景下新疆和田地區近半個世紀極端氣溫變化特征分析

武勝利1,2, 劉強吉1,2,3, 胡雪瑛1,2, 潘 蕾1,2, 夏詩書1,2, 夏 黎1,2, 虞游毅1,2

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室,新疆師范大學, 烏魯木齊 830054; 3.新疆師范大學 繼續教育學院, 烏魯木齊 830054)

對新疆和田地區1960—2013年的極端氣溫進行研究，以期為該區短期氣候預測、生態環境安全以及災害控制提供科學依據。通過累計距平法、滑動平均、一元線性回歸趨勢法、Mann-Kendall突變檢驗法及Morlet小波分析法，對該地區極端氣溫變化特征進行了分析，以探討該地區氣溫變化的事實。結果表明：近54年來和田地區極端低溫、極端高溫分別以0.48℃/10 a(p<0.01)和0.19℃/10 a(p<0.01)的速率呈明顯的上升趨勢。極端低溫自60年代以來呈現波動上升趨勢；極端高溫變化幅度較大，自60年代前期下降后波動上升，70年代后期至80年代初下降，之后波動上升，90年代末以來先下降后波動上升。極端低溫、高溫四季呈明顯的上升趨勢，均為秋季變化幅度最大，對年變化的貢獻最大。年均極端高溫在1997年發生突變，年均極端低溫突變現象不明顯。該區極端氣溫上升明顯，向暖濕化方向發展。

新疆和田地區; 極端氣溫; 趨勢變化; 突變檢驗; 小波分析

全球氣候變暖是不爭的事實。過去100 a全球地表氣溫升高0.74℃，IPCC報告預測未來100 a全球氣溫可能升高1.1～4.6℃[1-5]。地球表面的氣候正經歷一次顯著的變暖，我國的氣候變化趨勢與全球變化基本一致。據統計，中國近百年氣溫上升0.4～0.5℃[1]，增溫速率接近0.22℃/10 a，比全球或半球同期平均增溫速率明顯偏高，且地表溫度增暖主要發生在最近的20余年[6-7]。多數學者認為近50 a的增暖主要是由人為引起的大氣溫室氣體濃度增加造成的[8]，選擇1960年以來的地面觀測資料，系統分析新疆和田地區在這一時期主要氣候要素——極端氣溫變化的基本特征，仍然具有重要意義。

近年來，國內對于氣溫方面研究頗多。韓翠華等[3]運用正交旋轉因子分析了中國年、冬、夏半年氣溫特征，認為1951—2010年各區域氣溫均呈上升趨勢。王勁松等[9]認為1960—2005年西北地區氣溫變化幅度達0.56℃/10 a，無論是年或四季平均的增溫率，西北地區都比全國平均高。孟秀敬等[2]對河西走廊近57 a來氣溫變化進行分析，認為該區氣溫上升率呈顯著上升趨勢，高達0.27℃/10 a，并在1986年發生突變。何清等[10]對新疆氣溫研究表明，近40 a來新疆氣溫呈明顯升高趨勢。陳亞寧等[11]認為20世紀80年代中期以來全疆各地氣候一致表現為氣溫升高、降水增多，北疆變化最為顯著。馬建勇等[12]認為北疆地區近55 a氣溫變化傾向率為0.332℃/10 a。王維霞等[13]認為1960—2009年開都河上下游增溫強度分別為0.27℃/10 a和0.22℃/10 a。這些研究增進了對中國器測時期氣候變化規律的認識，為深入理解氣候變化的原因和影響奠定了基礎。

氣溫是研究氣候變化的基本要素，其變化對該地區生態環境的變遷起著決定作用。已有的研究對和田地區平均氣溫、降水關注的較多[14-18]，而對于極端氣溫關注較少。本文擬從極端低溫、高溫著手，探討新疆和田地區氣溫變化趨勢。和田地區地處歐亞大陸中心，遠離海洋，氣候干旱，降水稀少，土地貧瘠，自然條件十分惡劣。農業用地基本集中在僅有的一些綠洲區域，使得人們對于綠洲區域格外重視。該地區位于新疆維吾爾自治區南隅(77°31′—84°55′E，34°22′—39°38′N)，南越昆侖山抵藏北高原，東部與巴音郭楞蒙古自治州毗鄰，北部深入塔克拉瑪干沙漠腹地，西部連喀什地區，西南枕喀喇昆侖山與印度、巴基斯坦接壤，轄1市7縣，暖溫帶極端干旱的荒漠氣候，全年降水稀少，多風沙天氣，是典型的少、邊、窮地區，沙漠廣布，自然條件惡劣，耕地面積少且第一產業占據相當大的比重。因此，本文將對和田地區極端氣溫的時空變化特征進行研究，既可以揭示中緯度西風帶控制下干旱區極端氣溫的變化規律，也可以對當地生態環境的改善、能源利用、工農業生產提供科學依據。

1 資料來源與研究方法

依據資料的連續性及最長時段性等標準，共選取符合條件的氣象站4個(和田、皮山、于田、民豐)。地面氣象站的極端低溫、極端高溫日值資料均來自國家氣象地面基準站。為了保證所選氣象站數據資料長度的均一和穩定，氣象資料時間跨度一致取為1960年1月1日—2014年2月28日。按照3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季，對極端低溫和極端高溫資料進行處理。對研究區極端低溫和極端高溫資料進行匯總，采用一元線性趨勢分析和累計距平分析對氣溫資料進行變化特征分析；采用M-K檢驗方法對氣候要素序列進行氣候突變檢驗，判定突變年份與氣候要素突變趨勢；采用Morlet小波分析法探討極端氣溫的周期變化。

1.1 一元線性回歸

利用直線回歸的方法對原時間序列擬合線性方程，消除其他成分變動，揭示出數列長期直線趨勢，公式為：

y=a+bt

式中：線性方程中斜率b的10倍定義為氣候傾向率，表征時間序列的變化趨勢。氣候傾向率的大小表征變化的速度，正負值表示變化方向。

1.2 累計距平法

距平累積法能夠直觀反映氣溫年際變化的階段性特征，其計算公式為：

1.3 Mann-Kendall突變檢驗法

在正序列曲線超過臨界值置信度的前提下，若正序列(UF曲線)與逆序列(UB曲線)在置信區間內有交叉點，則表明交叉點為突變點，且統計上顯著。

1.4 小波分析

小波分析方法可以通過伸縮和平移等運算功能，對函數或信號序列進行多尺度細化分析，研究不同尺度(周期)隨時間的演變情況。公式為：

Ψ(x)=eicxe-t2/2式中：Ψ(x)為基本小波或母小波；t為時間；c為常數。小波系數實部反映了給定時間和尺度信號下，相對于干擾其他時間和尺度信號的強弱和位相兩方面的信息。

2 極端低溫、極端高溫的時間序列

2.1 年代際極端氣溫的時間序列

表1顯示，1960—2013年和田地區年、季極端低溫在60—80年代均較小，為負距平；90年代除冬季以外均較小，為負距平，冬季為正距平，高于多年均值0.67℃；2000年以來年、季極端低溫均較大，為正距平，并高于多年均值分別為1.26℃，1.15℃，1.45℃，1.49℃和0.97℃。年、季極端高溫在60—80年代均較小，為負距平；90年代除春季以外均較大，為正距平，春季為負距平，低于多年均值0.54℃；2000年以來年、季極端高溫均較大，為正距平，并高于多年均值分別為0.52℃，0.98℃，0.29℃，0.70℃和0.13℃。

表1 和田地區年、季氣溫年代際距平

2.2 年極端氣溫的時間序列

由圖1可知，近54 a來，和田地區極端低溫變化的趨勢系數為0.68，以0.48℃/10 a的速率呈明顯的上升趨勢，此值遠低于全國(0.74℃/10 a)[19]和新疆地區(0.74℃/10 a)[20]。極端低溫多年均值為5.43℃，最大值出現在2010年，為7.48℃，最小值出現在1961年，為4.02℃，極差為3.46℃。1997年以前氣溫均較低(1966年、1980年、1991年和1994年除外)，之后均較高。對和田地區極端低溫進行6階多項式擬合，從圖1A可以看出，近54 a來和田地區的極端低溫變化可分為3個階段：1960—1976年為平緩上升期；1977—2006年為急劇上升期，該時期適逢我國大力實施改革開放進入全面發展的時期，溫室氣體的增加造成該地氣溫持續升高；2007年至今為平緩下降期。

近54 a來，和田地區極端高溫以0.19℃/10 a的速率呈明顯的上升趨勢，此值大于全國極端高溫變化速率(0.12℃/10 a)[19]。多年均值為19.61℃，最大值出現在2007年，為21.13℃，最小值出現在1974年，為17.98℃，極差為3.15℃。1997年之前氣溫總體以偏低為主，之后均偏高。對和田地區極端高溫進行6階多項式擬合，從圖1B可以看出，近54 a來和田地區的極端高溫變化可分為3個階段：60年代氣溫以下降為主；70年代至2004年左右呈“上升—下降—上升”型；2005年至今為平緩下降期。

圖1極端低溫和極端高溫年際變化趨勢

2.3 季極端氣溫的時間序列

春季極端氣溫均呈上升趨勢，極端低溫的趨勢要比極端高溫的大。極端低溫趨勢系數為0.43，增溫幅度為0.39℃/10 a，60年代至70年代前期上升較快，70年代中期至80年代末呈快速下降趨勢，90年代開始急劇升溫，到2008年達到最高值，之后略有下降。極端高溫趨勢系數為0.12，增溫幅度為0.23℃/10 a，60年代平緩上升，70年代至80年代末緩慢下降，90年代氣溫開始大幅度上升，到2007年達到最高值，之后略有下降。

夏季極端低溫的趨勢系數是0.53，增溫幅度為0.47℃/10 a，60年代至80年代末呈波動緩慢下降，90年代開始急劇上升，21世紀初達到最高點。極端高溫趨勢系數為0.04，增溫幅度為0.10℃/10 a，60年代前期下降迅速，之后波動平緩上升。

秋季極端低溫的趨勢系數是0.58，增溫幅度為0.54℃/10 a，60年代至70年代中期平緩上升，之后緩慢下降后急劇上升，2006年達到最高值，之后呈下降趨勢。極端高溫趨勢系數為0.30，增溫幅度為0.32℃/10 a，自60年代以來呈波動上升趨勢，2006年達到最高值。

冬季極端低溫的趨勢系數為0.32，增溫幅度為0.51℃/10 a，60年代至70年代中期微微下降，之后急劇上升，2005年左右緩緩下降。極端高溫趨勢系數為0.006，增溫幅度為0.01℃/10 a，60年代呈下降趨勢，70年代至90年代末平緩上升，21世紀以來微微下降。

圖2和田地區極端低溫、極端高溫四季趨勢變化

2.4 月極端氣溫的時間序列

由表2可知，1960—2013年，新疆和田地區極端低溫最高值出現在7月，為18.55℃，8月和6月次之，分別為17.27℃和17.10℃，最低值出現在1月，為-10.87℃。由月變化傾向率來看，8月、9月、11月和12月變化傾向率均較大，介于0.56～0.67℃/10 a之間，1月、4月和5月變化傾向率較小，介于0.34～0.40℃/10 a，其余各月介于0.41～0.48℃/10 a。1960—2013年，和田地區極端高溫最高值同樣出現在7月，為32.88℃，8月和6月次之，分別為31.88℃和31.44℃，最低值出現在12月，為-8.83℃。月變化傾向率顯示，2月、10月和11月變化傾向率均較大，介于0.30～0.45℃/10 a，1月、6月、7月和12月變化傾向率較小，介于-0.02～0.07℃/10 a，其余各月介于0.18～0.27℃/10 a。

表2 和田地區氣溫月均值和月變化傾向率

3 極端低溫、高溫M-K突變檢驗及小波分析

采用M-K突變檢驗方法對新疆和田地區極端氣溫進行突變檢驗。圖3中UF代表極端高溫的順序統計曲線，UB為極端高溫的逆序列統計曲線，并給定顯著性水平，當α=0.05，即臨界值為±1.96。從圖中60年代極端高溫總體表現為負值，表明該段時期極端高溫均偏低，70年代至80年代中期極端高溫總體為正值，表明該段時間極端高溫均偏高，80年代中期至90年代末總體為負值，表明該段時期極端高溫偏低。UF曲線和UB曲線在臨界值±1.96之間有個明顯的交點，之后UF曲線持續上升，并于2007年突破臨界值1.96，表明近54 a來和田地區極端高溫發生了明顯的突變升高，突變點為1997年。極端高溫春季和秋季突變年限分別為2002年和1995年，夏季和冬季突變現象不明顯。極端低溫春夏秋冬突變年限分別為2000年、2001年、1997/1998年、1985年，年均值突變現象不明顯。

圖3和田地區年均極端高溫突變檢驗

圖4A給出了和田地區極端低溫的Morlet小波變化系數的實部時頻變化，正值區表示氣溫偏高，負值區表示氣溫偏低。由圖4A可以看出年極端低溫小波系數等值線在4～6 a，21～23 a和27～29 a時間尺度上較為密集，且發生了小波系數高、低值中心的變化。年極端低溫小波方差圖(圖4C)顯示小波方差在28 a，22 a和5 a存在極值，因此，可以得出和田地區年極端低溫在32 a尺度內存在28 a的強顯著周期，此外還有22 a和5 a的尺度變化周期。

圖4B給出了和田地區極端高溫的Morlet小波變化系數的實部時頻變化，正值區表示氣溫偏高，負值區表示氣溫偏低。由圖4B可以看出年極端高溫小波系數等值線在27～29 a時間尺度上較為密集，且發生了小波系數高、低值中心的變化。年極端高溫小波方差圖(圖4D)顯示小波方差在28 a存在極值，因此，可以得出和田地區年極端高溫在32 a尺度內存在28 a的強顯著周期。

4 結 論

(1) 和田地區年、季極端低溫在60—90年代總體較小，為負距平，2000年以來為正距平，氣溫較高，高于近54 a來年、季均值分別為1.26℃，1.15℃，1.45℃，1.49℃和0.97℃。極端高溫在60—80年代均較小，為負距平，90年代以來總體較大，為正距平，2000年以來年、季極端高溫高于多年均值分別為0.52℃，0.98℃，0.29℃，0.70℃和0.13℃。

(2) 1960—2013年，和田地區極端低溫、極端高溫分別以0.48℃/10 a和0.19℃/10 a的速率呈明顯的上升趨勢。極端低溫自60年代以來呈現波動上升趨勢，極端高溫自60年代前期下降后波動上升，70年代后期至80年代初下降，之后波動上升，90年代末以來先下降后波動上升。

(3) 和田地區極端低溫四季變化均呈明顯的上升趨勢，上升速率分別為0.39，0.47，0.54，0.51℃/10 a。秋季變化幅度最大，對年變化的貢獻率最大，冬季次之，春季變化幅度最小。極端高溫四季變化呈現明顯的上升趨勢，上升速率為0.23，0.10，0.32，0.10℃/10 a。秋季變化幅度最大，對年變化貢獻最大，春季次之，夏季和冬季均為最小。

圖4 小波變化實部等值線、小波方差

(4) 和田地區極端低溫最高值和最低值分別為出現在7月和1月，12月變化傾向率最大，5月最小。極端高溫最高值和最低值分別出現在7月和12月，11月變化傾向率最大，12月最小。

(5) 近54 a來，極端低溫四季突變年限分別為2000年、2001年、1997/1998年、1985年，年均值突變現象不明顯。極端高溫年、春季、秋季突變年限分別為1997年、2002年和1995年，夏季和冬季突變現象不明顯。

[1] 李宗省,何元慶,辛慧娟,等.我國橫斷山區1960—2008年氣溫和降水時空變化特征[J].地理學報,2010,65(5):563-579.

[2] 孟秀敬,張士峰,張永勇.河西走廊57年來氣溫和降水時空變化特征[J].地理學報,2012,67(11):1482-1492.

[3] 韓翠華,郝志新,鄭景云.1951—2010年中國氣溫變化分區及其區域特征[J].地理科學進展,2013,32(6):887-896.

[4] 易湘生,尹衍雨,李國勝,等.青海三江源地區近50年來的氣溫變化[J].地理學報,2011,66(11):1451-1465.

[5] China Meteorological Administration. Climate and Environment in China[M]. Beijing: China Meteorological Press, 2006.

[6] 竇睿音,延軍平,王鵬濤.全球變化背景下甘肅近半個世紀氣溫時空變化特征[J].干旱區研究,2015,32(1):73-79.

[7] 任國玉,郭軍,徐銘志,等.近50年來中國地面氣候變化基本特征[J].氣象學報,2005,63(6):942-956.

[8] Honghton J T, Ding Y, Griggs D J, et al. Climate change2001:The Scientific Basis[M]. Cambridge:The Press Syndicate of Cambridge University，2001.

[9] 王勁松,費曉玲,魏鋒.中國西北近50 a來氣溫變化特征進一步研究[J].中國沙漠,2008,28(4):724-732.

[10] 何清,楊青,李紅軍.新疆近40 a來氣溫、降水和沙塵天氣變化[J].冰川凍土,2003,25(4):423-427.

[11] 陳亞寧,徐長春,楊余輝,等.新疆水溫資源變化及對區域氣候變化的響應[J].地理學報,2009,64(11):1331-1341.

[12] 馬建勇,潘捷,姜江,等.北疆地區1955—2009年氣溫、降水變化特征的時間序列分析[J].沙漠與綠洲氣象,2012,6(2):18-24.

[13] 王維霞,王秀君,姜逢清,等.開都河流域上下游過去50 a氣溫降水變化特征分析[J].干旱區地理,2012,35(5):746-753.

[14] 劉海濤,張向軍,李繡東,等.和田河流域1954—2007年氣溫及降水氣候特征分析[J].沙漠與綠洲氣象,2009,3(4):26-30.

[15] 玉蘇甫·阿布都拉,程鵬,馬宏武,等.氣候變化對和田河夏季平均流量的影響[J].新疆氣象,2006,29(3):8-10.

[16] 玉素甫·阿布都拉,馬宏武,買買提·阿布都拉,等.和田河流域氣候變化特征分析[J].氣象,2006,32(4):97-100.

[17] 徐宗學,米艷嬌,李占玲,等.和田河流域氣溫與降水量長期變化趨勢及其持續性分析[J].資源科學,2008,30(12):1833-1838.

[18] 馬蓉.和田市近30年來氣溫的變化及其對農業的影響[J].亞熱帶水土保持,2008,20(3):18-22.

[19] 張寧,孫照渤,曾剛.1955—2005年中國極端氣溫的變化[J].南京氣象學院學報,2008,31(1):123-128.

[20] 普宗朝,張山清,李景林,等.1961—2010年新疆不同保證率極端最低氣溫變化分析[J].中國農業氣象,2014,35(1):10-16.

CharacteristicsofExtremeTemperatureChangesinHotanRegionUnderGlobalChanges

WU Shengli1,2, LIU Qiangji1,2,3, HU Xueying1,2, PAN Lei1,2, XIA Shishu1,2, XIA Li1,2, YU Youyi1,2

(1.CollegeofGeographicalScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 2.XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResources,Urumqi830054,China; 3.ContinuingEducationInstitute,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)

The minimum and maximum temperatures in four national primary standards of the ground meteorological stations in Hotan region of south Xinjiang from 1960—2013 were examined to provide a scientific basis for short-term climate prediction, ecological environment security and disaster control. In order to analyze trends of the extreme temperature, the cumulative method, the method of monadic linear regression, and the Mann-Kendall mutation and Moler wavelet analysis method were used to analyze the temperature changes in the region. The results showed that: the minimum and the maximum temperature elevated obviously at the approximately 0.48℃/decade (p<0.01) and 0.19℃/decade (p<0.01), respectively, in Hotan Region in recent 54 years. The minimum temperature had fluctuated upward trend since the 1960s. Since the early 1960s, the maximum temperature fluctuations increased after the fall; in the late 1970s and the early 1980s, the maximum temperature trend wave rose, about the late 90s, it increased after the first drop in fluctuations. The minimum and maximum temperature presented the rising trend, variation was significant in the autumn and the contribution to the annual change was the largest. The annual mutation of maximum temperature occurred in 1997, but mutation phenomenon did no exist for minimum temperature. According to the study, it is found that the future development of the basin will be warm and wet.

Hotan Region of Xinjiang; extreme temperature; trend analysis; mutation test; wavelet analysis

2016-09-10

：2016-11-08

國家自然科學基金項目“艾比湖流域拋物線沙丘形成與演變研究”(41161004);國家自然科學基金NSFC-新疆聯合基金重點項目“新疆博斯騰湖環境演變及對氣候變化的響應”(U1138302);新疆干旱區環境與資源實驗室資助項目“500年來博斯騰湖流域檉柳沙堆年層沉積及其環境記錄”(XJDX0909-2012-03);新疆干旱區環境與資源重點實驗室資助項目“額爾齊斯河流域風沙環境特征研究”(XJDX0909-2014-04)

武勝利(1977—),男,河南西平人,博士,教授,碩士生導師,研究方向為干旱區環境演變與氣候變化。E-mail:wushengli77@126.com

劉強吉(1988—),男,陜西漢中人,碩士,研究方向為干旱區環境演變與氣候變化。E-mail:damodeying62@126.com

P412.11

：A

：1005-3409(2017)05-0209-06