新疆北疆地區旱澇災害對氣候變化的響應

郭 超，楚新正，張 揚，欒 玥，許超宗

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】IPCC第五次評估指出，過去的130年全球升溫0.85 ℃，過去3個10年的地表已連續偏暖于1850年以來的任何一個10年。在北半球，1983-2012年可能是過去1400年中最暖的30年[1]。除全球氣溫顯著變化外，降水空間分布格局也發生變化，不僅導致一些地區洪水發生強度與頻率增加，區域性的重大干旱的發生也有增加[2]。同時，極端降水事件的明顯增加，一些流域在降水總量減少情況下，局部降水強度加大，增加洪澇和干旱的風險[3]。我國干旱有發生頻率高、分布面積大、時空分布不均勻、持續時間長等特點[4]，對農業生產的影響尤其嚴重[5]。在中國，氣候變暖導致的極端氣候事件(干旱、颶風、洪水、極端高溫、低溫等)的出現頻率有增加的趨勢，20世紀90年代，氣象災害每年造成的損失占GDP的3 %～6 %，其中約80 %是由旱澇氣象災害造成的[6]。【前人研究進展】新疆深居內陸，距離海洋遠，降水極為稀少，旱災多發。但隨著全球氣候的變化，尤其是降水量的增加，新疆特別是北疆地區降水量的增多[7]，使澇災發生的次數增加。干旱對農作物的生長具有嚴重的危害性，因而一系列干旱指標已被建立，包括氣象指標(降水距平百分比、Z指數等)、土壤墑情指標(土壤相對濕度、土壤有效水分存貯量等)、作物生理生態指標(氣孔導度、葉水勢、光合速率等)及其它綜合監測指標等[8]。考慮到北疆地區降水量自身較少，農作物的種植一般采用滴灌、噴灌等技術，因而本文選擇了干旱指標內氣象指標中較具有代表性的Z指數作為研究。鞠笑生等[9]在全國范圍內選取了8個典型站點，分別采用3種旱澇指標確定單站旱澇等級，Z指數是最接近實際情況的，關于西北地區旱澇指標的選擇，確定單站指標時Z指數的應用更廣泛[10]。Z指數的計算幾乎考慮了所有的因子，如蒸散、土壤有效含水量、土壤水分的損失、土壤水分的補充、徑流和降水等。有關新疆地區旱澇災害的研究較少，集中在南北疆旱澇時空對比上[11-12]，對于小區域旱澇災害的研究較為缺乏。【本研究切入點】文章對北疆地區近56年氣候變化與旱澇災害的研究，不僅能為降低氣象災害帶來的各種損失提供借鑒；同時，能進一步揭示北疆地區氣候變化對全球氣候變暖的響應，具有一定的科學認識意義。【擬解決的關鍵問題】北疆地區旱澇等級時空變化特征，及氣候變化對旱澇災害變化的影響。

1 研究區概況

通常以天山山脈為界，把新疆分為2個主要大區即南疆和北疆，研究區北疆位于43°23′～49°10′N，79°57′～91°32′E，總面積約為 5.95×105km2[13]。行政區上包括烏魯木齊、昌吉、伊犁、博爾塔拉、阿勒泰等地、州、市。地勢西、北和南部高，中部和東部低，中部是古爾班通古特沙漠。為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，夏季酷熱，冬季寒冷，雨量稀少，氣候干燥，四季氣溫相差懸殊。區域年均氣溫-4～9 ℃。全年降水量150～200 mm；境內河流數量達387條，占新疆河流總量的67.9 %[14]。大部分是中小河流且多發源于山間，較大的有伊犁河、額爾齊斯河、瑪納斯河和烏倫古河等10多條，并因此形成了該區獨特的綠洲灌溉農業區。

2 材料與方法

2.1 數據來源

文章選擇中國氣象科學數據共享服務網提供的北疆地區20個氣象站1961-2016年逐日降水、氣溫實測數據，考慮到氣象臺站觀測中存在缺測和誤測的問題，我們選取數據質量較好(缺測和誤測較少)的臺站(圖1)作為研究對象，站點選取參考白磊等[15]的校正數據。

圖1 北疆地區氣象站點分布Fig.1 Distribution of weather stations in northern Xinjiang

2.2 研究方法

對實測的氣溫、降水數據進行簡單處理，選取趨勢線法和5a滑動等數理統計方法，對該區近56年氣候變化趨勢進行分析，M-K突變檢驗法進行突變檢驗，得到相關的突變特征。

(1)空間插值方法:新疆面積廣闊，地形復雜，海拔高度差異較大，因而氣候要素的變化不但會受到經緯度、海拔高度等宏觀因子的影響，也會受到下墊面性狀、“城市熱島效應”等局部小地形因子的影響。為了提高氣溫、降水變化的模擬精度，本文采用經陳鵬翔[16]等實際驗證模擬精度較高的混合插值法(宏觀地理因子的三維二次趨勢面模擬+殘差內插)對北疆氣溫、降水變化率進行1000 m×1000 m柵格點的空間插值模擬[17-18]。

(2)旱澇等級計算方法:旱澇災害選擇單站Z指數法與區域旱澇指數標準。Z指數法能夠說明旱澇的空間分布以及旱澇程度，用來確定區域內單站點旱澇等級指標，消除了降水量平均值不同的影響，通過對降水量X進行處理而得到的服從標準正態分布的序列，對旱澇程度具有一定的反映能力[19-21,9]。根據公式(1)～(5)計算出單站旱澇指標Z指數，旱澇等級分類標準采用修正后的Z指數標準(表1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，CS表示偏態系數，Φi表示標準變量，這2個數值可以由降水資料序列得到。

表1 Z指數劃分旱澇災害等級[22]

區域旱澇指標，既能表征旱澇的空間分布，又要能反映出旱澇的輕重程度[23]。對整個區域的旱澇狀況來說，鞠笑生[9]在此基礎上提出了一種區域旱澇指標(表2)，見公式(6)～(8)：

(6)

(7)

HL=(I-L)×100

(8)

式中:I，L分別為雨澇指標和干旱指標，分別為該區域內Z指數為 1、2、3、4、5、6、7 級的站數，n為區域總站數。

3 結果與分析

3.1 氣溫時間變化特征

對研究區56年氣溫變化分析(圖2)，氣溫總體呈大范圍波動上升趨勢,遞增速率為0.33 ℃·(10 a)-1。平均氣溫6.0 ℃，最高值為2013年7.38 ℃，最低值1969年3.66 ℃。從氣溫距平值得出，氣溫年變幅較大，先增加—波動下降—波動增加的趨勢，20世紀90年代以后氣溫年距平值均高于多年平均值；20世紀60-90年代，氣溫年距平值總體小于平均值，且變化幅度較為劇烈。一元線性趨勢分析顯示，55年間氣溫是不斷升高的，氣溫增溫率為0.33 ℃·(10 a)-1，此結論與任國玉[25]等研究的全國平均氣溫上升率0.25 ℃·(10 a)-1具有一致性，表明北疆氣溫的變化和全國氣溫變化存在相似性。從5a滑動趨勢分析，90年代中后期(1995年)至今氣溫高于距平值且波動上升，90年代以前，氣溫的變化為先下降后上升的。各年代平均氣溫不斷上升，56年間氣溫上升1.9 ℃，20世紀80～90年代氣溫上升幅度最高0.46 ℃，60～70年代最低為0.1 ℃。

3.2 降水時間變化特征

根據北疆地區年降水量圖(圖3)顯示，研究區多年平均降水量為268.9 mm，年降水量呈波動上升的變化趨勢，以12.05 mm·(10 a)-1的線性速率增長。降水量最高記錄2016年398.1 mm，最低值1997年184.3 mm，二者相差213.8 mm。年代間平均降水量逐步增加，20世紀60～90年代降水量大致低于平均值且變化較為平緩；90年代至今降水量高于平均值并波動增長，尤其是近5年的增長十分明顯。從5a 滑動趨勢線分析，北疆降水量總體為先增加后減少而后又波動增長的特征。

表2 區域旱澇災害等級[24]

圖2 1961-2016年北疆地區氣溫變化Fig.2 Temperature changes in northern Xinjiang from 1961 to 2016

3.3 氣候變化空間分析

通過對研究區56年氣溫、降水量進行趨勢分析，并運用混合空間插值方法繪制出研究區氣溫和降水量的空間變化率分布(圖4)。氣溫空間上的變化主要是增溫率北邊高于南邊，氣溫空間變化最為顯著的區域為富蘊站點0.68 ℃·(10 a)-1，在研究時間段內，富蘊站點增溫3.8 ℃；烏昌地區增溫較為緩慢，56年間平均增加了1.2 ℃。降水量空間變化規律較為復雜，變化率大體上是由南向北、西北降低，山區多于平原和盆地，尤其是天山山區降水量增加顯著，形成這種分布的原因主要受北疆地形影響，北疆地形主要表現為南高北低，這樣的地形分布有利于北部海洋暖濕氣流南下，受地形影響抬升形成地形雨，因而降水集中在南部山區地帶。研究期間，降水總共增加了67.5 mm，以天山北坡增加的最為明顯，其中以烏魯木齊站點增加165.4 mm速度最快，其次是新源138.2 mm，最后為木壘128.3 mm。降水變化較小的地區主要集中在中部和西北部地勢較為平坦的地區。

圖3 1961-2016年北疆地區降水量變化Fig.4 Precipitation changes in northern Xinjiang from 1961 to 2016

3.4 氣溫突變分析

從一個穩定的氣候階段向另一個穩定的氣候階段過渡，且其后階段持續時間的長度遠大于過渡時間的長度，這種現象稱作氣候突變[26]。根據圖5氣溫M-K突變檢驗得出，1962年，UF<0，說明此時氣溫處于下降階段，1963-2016年，UF>0，說明氣溫處于上升時段，期間，1992年后UF曲線超出置信區間(U0.05=1.96)，說明20世紀90年代至今氣候具有顯著上升的變化趨勢，曲線UF和UB在置信區間內有一個交點1991年，通過滑動t檢驗，此點正是氣溫發生突變的年份。

3.5 旱澇變化特征

3.5.1 旱澇災害時間變化分析 基于單站旱澇等級指數標準，得出區域旱澇等級的時間序列分布狀況(圖6)。根據對研究區氣溫、降水的簡易分析，研究區氣候存在由冷干向暖濕化的過渡，在此背景下，近56年發生澇災的頻率為37.50 %，旱災的頻率30.36 %，澇災的頻數較高于旱災。其中有4年發生重澇，時間為1987、1993、2010、2016年；發生7年大澇年份分別為1969、1992、1998、2002、2007、2013、2015年；11年偏澇主要有1966、1984、1988、1990、1999、2000、2003、2004、2005、2011年。在近56年時間內，研究區澇災的發生主要以偏澇為主，其次是大澇，重澇頻率最小。旱災發生頻率為30.36 %，期間有6次重旱發生，分別為1962、1967、1974、1975、1982、1997年；6次大旱發生為1963、1965、1968、1985、1991、2008年；偏旱的年份有1961、1977、1978、1989、1995年。

圖4 1961-2016年北疆地區氣溫、降水變化率空間分布Fig.4 Spatial distribution of temperature and precipitation in northern Xinjiang from 1961 to 2016

圖5 北疆地區氣溫突變Mann-Kendall檢驗Fig.5 Mann-Kendall test for abrupt temperature changes in northern Xinjiang

由表3可知，氣溫突變前后研究區旱澇等級發生頻率差異較為明顯。在56年間重澇發生頻率由突變前的3.3 %升高到突變后的11.5 %，重澇變化較為明顯；大澇突變前為3.3 %，突變后增加到23.1 %，變化最為顯著；偏澇由突變前的10 %增加到23.3 %；正常年份由氣溫突變前的40 %下降到突變后的26.9 %；偏旱突變前為13.3 %，突變后為3.8 %；大旱由氣溫突變前的13.3 %下降到氣溫突變后的7.7 %；重旱則由突變前的16.7 %下降到突變后的3.8 %。

1961-2016 年，在1991年氣溫發生突變前后，新疆北疆地區澇災增加了41 %，變化極為明顯；正常年份所占比例由 40 %降至26.9 %；旱災年份由氣溫突變前的 43.3 %減少至15.4 %。表明在氣溫發生突變后，北疆地區旱澇災害發生更加頻繁，其中澇災發生頻率減少，而旱災增多的趨勢更顯著。

圖6 北疆地區近56年旱澇等級Fig.6 Levels of droughts and floods in northern Xinjiang in the past 56 years

3.5.2 旱澇災害空間變化分析 根據單站旱澇Z指數計算出每個站點洪澇頻率和干旱頻率得出研究區氣溫突變前后旱澇頻率在空間上的分布特征(圖7)。由氣溫突變前旱澇頻率可知，干旱高頻區域主要集中在地形平坦的平原、盆地地區，有3個干旱高發區即以青河、哈巴河、烏蘇—克拉瑪依—石河子站點為中心的地區，低值中心主要位于西北部。氣溫突變前洪澇災害高發區分布以北塔山和塔城為中心的區域，洪澇災害低頻區主要集中在西南部，以溫泉、托里、烏蘇這3地為代表。1991年氣溫發生突變后，北疆地區干旱發生頻率明顯減小，干旱高發區面積縮小，對比氣溫突變氣候干旱災害的空間變化不難發現，不僅各站點在干旱發生概率上顯著減少，而且在干旱空間分布上發生變化，干旱高發區面積縮小，低發區面積擴大，干旱災害發生率在一定程度上降低。氣溫突變后洪澇災害發生頻率增多，洪澇高發區和突變前存在差異，突變后主要集中在西南部伊犁河谷、南部天山山區等地區，低值中心也發生了變化，由相對分散變得集中于研究區東部和西北部。總之，研究區自氣溫突變后，旱澇災害空間分布發生較為顯著變化，尤其是各站點干旱頻率的空間變化，干旱發生的頻率、面積都明顯減少，這與研究區氣候發生冷干向暖濕的轉變密切相關。

表3 1961-2016年北疆地區氣溫突變前后各級旱澇指數出現頻率及時間

圖7 北疆地區氣溫突變前后旱澇頻率空間分布Fig.7 Spatial distribution of drought-flood frequencies in northern Xinjiang in the past 56 years

4 結 論

(1)1961-2016年，北疆地區氣候變化的總特征是氣溫升高降水增多，氣候朝著暖濕化發展。氣溫以0.34 ℃·(10 a)-1的上升速率變化；降水量遞增速率為12.05 mm·(10 a)-1。氣候在空間上的變化主要是，氣溫總體是由西南向東遞減的，降水量空間分布較為復雜，山區多于平原盆地。

(2)1961-2016年，北疆地區氣溫發生突變的時間為1991年。旱澇災害的發生頻率為澇災(37.5 %)多于旱災(30.36 %)。從 Z 指數等級7級和澇-正常-旱 3 級的比例來看，氣溫突變前干旱發生頻率由43.3 %降至15.4 %，正常年份由突變前的40 %減少為26.9 %，而洪澇則由16.7 %增至57.7 %；空間上，氣溫突變后，干旱頻率減少，面積縮小，洪澇災害頻率升高，說明北疆地區氣溫升高，降水增加，暖濕化趨勢明顯，北疆地區在不斷向洪澇狀態變化。