1961—2017年新疆區域氣候變化特征分析

吳秀蘭，張太西，王 慧，余行杰，鄭先念，李海燕

（新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002）

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告[1]指出，近百年全球氣候變暖毋庸置疑，1880—2012年全球地表平均溫度大約升高了0.85℃，1983—2012年是過去1400 a來最熱的30 a。中科院院士施雅風曾提出西北干旱區氣候呈現“暖濕化”特征，位于其西部的新疆更加明顯[2-3]。在全球變暖背景下，一些學者從不同的空間、時間和氣象要素分析研究均得到新疆氣候總體上向暖濕轉變。近50多年來，新疆氣溫和降水分別以0.32℃/10 a和8 mm/10 a的傾向率增加，且最低氣溫增溫幅度最大[4-5]；1961—2013年，新疆年平均氣溫和降水量呈顯著上升趨勢，氣候傾向率分別為0.324℃/10 a和16.238 mm/10 a[6]；1951—2016年氣溫分析表明，新疆的南疆和北疆氣溫差異較大，南疆氣溫明顯高于北疆，新疆大部分地區年平均氣溫增暖明顯[7]；北疆地區年平均氣溫傾向率為0.35℃/10 a，增溫幅度較大區域主要在準噶爾盆地、塔城地區及富蘊[8]；近51 a來新疆天山山區降水量呈增加趨勢（降水氣候傾向率為1.134 mm/a），以20世紀90年代和21世紀初前10 a尤為明顯[9-10]。在全球變暖和水分循環加快的背景下，強烈的人類活動增加了氣候突變發生的可能性，新疆氣候會更加不穩定，降水變率增加，極端事件將隨之增多。自1987年以來，新疆氣候和生態環境發生了重大變化[11]，對于新疆極端氣候事件，近些年來學者們從極端高（低）溫、極端降水數值及頻次變化的角度對新疆極端氣溫降水等進行了研究[12-15]，研究結果呈現出新疆極端事件的發生頻次和強度均呈上升態勢。

新疆地處歐亞大陸腹地，屬于溫帶大陸性氣候，地形復雜、地域遼闊、自然環境多樣，大部分是典型的干旱氣候區，生態環境相當脆弱。因此，研究新疆區域溫度、降水的時空分布規律，既是一項基礎性的科研工作，又對研究氣候變化對新疆社會經濟發展以及生態環境等方面產生的影響、指導生產和生活具有重要意義。同時，在氣候變暖的背景下，進入21世紀以來，新疆氣候也發生著變化，表現為氣溫出現躍變式升高且維持高溫波動，降水量呈微弱的減少態勢[16]。前人在該領域的研究多是針對整個西北地區或者新疆的局部地區[17-20]，而較少從新疆全區角度對新疆氣溫、降水的年、四季及其空間特征進行研究，因此，本文利用新疆1961—2017年最新氣象觀測資料，詳細分析近57 a新疆氣溫、降水的時空變化特征，以期為當地的社會、經濟、農業及生態環境建設等提供參考。

1 數據資料及研究方法

本文選用1961—2017年新疆89個國家級氣象觀測站年、四季平均氣溫和降水量資料進行研究分析；同時，參照新疆氣候特點及氣候業務將新疆劃分為3個區域分別研究，其中北疆有37個氣象站、天山山區有14個氣象站、南疆有38個氣象站。研究過程中氣象指標變化趨勢分析采用一元線性回歸進行趨勢傾向估計。用最小二乘法通過實測資料計算出a、b的值，其中a為直線斜率，通過a數值的正負反映氣候要素的年平均增加、減少速率；運用Mann-Kendall檢驗、山本（Yamamoto）法及累計距平法對北疆年平均氣溫、降水進行突變檢測；變化趨勢顯著性檢驗采用相關系數的顯著性檢驗判斷，即相關系數通過0.05的顯著性水平檢驗則說明變化趨勢顯著。

2 氣溫變化特征

2.1 年平均氣溫

1961—2017年，新疆年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫速率為0.3℃/10 a（通過0.05的顯著性檢驗），遠遠高于全球近百年平均升溫速率0.06℃/10 a[1]，也高于全球近50 a升溫速率0.13℃/10 a和全國1953—2017年升溫速率0.24℃/10 a[21]。1997年開始新疆出現明顯增暖，年平均氣溫連續多年持續偏高，近57 a最暖的19 a均出現在1997年以后；年際間波動明顯，2007年和2015年為近57 a最暖的年份，比多年平均值偏高1.10℃；1984年為近57 a最冷的年份，比多年平均值偏低1.70℃。與第一次新疆區域氣候變化評估報告[22]相比，新疆年平均氣溫升溫速率下降了0.01℃/10 a。

北疆、天山山區、南疆年平均氣溫變化趨勢與新疆區域一致，均呈顯著上升趨勢，升溫速率分別為0.36、0.31、0.28℃/10 a。各分區均在1997年以后出現了明顯增暖；最近20 a以偏高為主。各分區年平均氣溫呈現逐年代階梯狀上升趨勢，北疆、天山山區、南疆21世紀10年代以來比20世紀60年代分別上升了1.53、1.18、1.10℃。天山山區增溫幅度較大，北疆次之，南疆較小（圖1）。

圖1 新疆區域1961—2017年氣溫變化趨勢

近57 a，新疆有98%的站點年平均氣溫呈上升趨勢，富蘊升溫趨勢最明顯，升溫速率為0.68℃/10 a，增溫幅度由南向北增加，伊犁河谷、北疆北部、哈密北部、北疆沿天山一帶的部分地區及和田局部地區氣溫上升明顯，升溫速率為0.39～0.68℃/10 a，南北疆大部地區及天山山區升溫速率主要為0.17～0.40℃/10 a，阿克蘇、喀什、巴州等地的局部地區＜0.20℃/10 a，僅南疆的庫車、阿克陶呈極弱的降溫趨勢（圖2）。

圖2 新疆區域1961—2017年氣溫變化趨勢

2.2 氣溫突變檢測

采用Mann-Kendall法和累積距平法對新疆及北疆、天山山區和南疆3個分區氣溫并結合山本（Yamamoto）法[23]對突變點進行了檢驗。本研究中，通過Mann-Kendall法和累計距平法得到的新疆年平均氣溫發生突變的年份均為1996年，利用山本法驗證得到R_SN=1.175，即本文認為新疆氣溫增暖的突變點為1996年。

Mann-Kendall法（圖3a）和累積距平法（圖3b）分析顯示，新疆氣溫突變年為1996年（圖3），20世紀80年代中期開始UF表現為持續快速上升的趨勢，并于1996年與UB曲線有一個明顯的交點，之后，UF曲線于1998年突破了α=0.05的臨界線1.96。突變后（1997—2017年）較突變前（1961—1996年）新疆年平均氣溫升高了1.03℃，但突變年前后，全疆各分區年平均氣溫的變化具有區域性差異，這可以從各分區的突變點看出，北疆、天山山區和南疆3個分區的年平均氣溫發生突變的年份分別是1994年、1994年、1998年。

圖3 新疆年平均氣溫Mann-Kendall突變（a）、累積距平值（b）

2.3 四季平均氣溫

新疆區域春、夏、秋、冬四季平均氣溫分別為10.41、22.21、8.27、-8.38℃。1979年春季是新疆區域近57 a來最冷的春季，比多年平均值偏低2.1℃，1997年和2008年春季是最暖的春季，比多年平均值偏高2.5℃；1972年夏季是近57 a來最涼快的夏季，比多年平均值偏低1.3℃，2008年夏季是最炎熱的夏季，比多年平均值偏高1.2℃；1981年秋季是新疆區域近57 a來最涼的秋季，比多年平均值偏低2.1℃，2006年秋季是最熱的秋季，比多年平均值偏高1.9℃；1968年冬季是近57 a來最寒冷的冬季，比多年平均值偏低4.3℃，1989年冬季是最溫暖的冬季，偏高2.0℃

1961—2017年，新疆區域春、夏、秋、冬四季平均氣溫均呈顯著上升趨勢，升溫速率分別為0.30、0.22、0.32℃/10 a和0.40℃/10 a，其中，冬季平均氣溫上升趨勢最明顯，夏季最弱。

北疆、天山山區、南疆四季平均氣溫變化趨勢與新疆區域一致，均表現為冬季升溫趨勢最顯著，升溫速率分別為0.47、0.32℃/10 a和0.36℃/10 a；夏季天山山區升溫速率最大，南疆最小；春季北疆和天山山區相當，南疆最大；秋季，天山山區增溫速率最大，北疆最小；各分區4個季節升溫趨勢均顯著，通過了0.05的顯著性檢驗（表1）。

表1 新疆區域及各分區四季平均氣溫變化趨勢系數a（℃/10 a）及相關系數r

春季平均氣溫變化趨勢的空間分布差異較小，趨勢系數為-0.05～0.58℃/10 a。新疆99%的區域呈升溫趨勢，有84%的區域升溫趨勢通過了0.05的顯著性水平檢驗。其中，富蘊升溫趨勢最明顯，趨勢系數為0.58℃/10 a，托里次之，為0.54℃/10 a；庫車降溫趨勢系數為-0.05℃/10 a，升溫趨勢遠遠大于降溫趨勢。

夏季平均氣溫趨勢系數為-0.26～0.69℃/10 a，全疆有87%的區域呈升溫趨勢，有80%的區域升溫趨勢顯著，只有個別地方呈降溫趨勢。其中，巴里坤升溫趨勢最明顯，趨勢系數為0.69℃/10 a，富蘊次之，為0.53℃/10 a；阿克陶降溫趨勢最明顯，趨勢系數為-0.26℃/10 a，柯坪次之，為-0.25℃/10 a，升溫趨勢遠遠大于降溫趨勢。

秋季平均氣溫變化趨勢系數為-0.18～0.63℃/10 a，空間分布地區差異較小，全疆93%的區域呈升溫趨勢，70%的區域升溫趨勢顯著，通過了0.05的顯著性水平檢驗。其中，吐魯番升溫趨勢最明顯，趨勢系數為0.63℃/10 a，巴里坤次之，為0.62℃/10 a；庫車呈降溫趨勢，趨勢系數為-0.18℃/10 a，升溫趨勢遠遠大于降溫趨勢。

冬季平均氣溫變化趨勢的空間分布基本無差異，全區各地呈現一致的顯著升溫趨勢，有83%的站點升溫趨勢顯著。其中，富蘊升溫趨勢最明顯，趨勢系數為1.04℃/10 a。

2.4 年平均最高氣溫和年平均最低氣溫

1961—2017年，新疆年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均呈上升趨勢，升溫速率分別為0.22、0.52℃/10 a，年平均最低氣溫是年平均最高氣溫的2倍多，也遠高于年平均氣溫，對年平均氣溫的上升貢獻最大。兩者均在20世紀90年代末開始出現了明顯增暖，2000年代后高于多年平均值，年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的最高值均出現在21世紀10年代，最低值均出現在20世紀60年代。

從地域分布看，近57 a新疆區域各地年平均最高氣溫（圖4a）和年平均最低氣溫（圖4b）均呈升溫趨勢。年平均最高氣溫升溫趨勢系數為-0.01%/10 a～0.44%/10 a，全疆有92%的區域升溫趨勢顯著，通過了0.05的顯著性水平檢驗，北疆西部、北部和北疆沿天山一帶、南疆西部、塔里木盆地東南部升溫速率＞0.30℃/10 a，澤普升溫趨勢最明顯，趨勢系數為0.44℃/10 a；年平均最低氣溫升溫趨勢系數為-0.13%/10 a～1.07%/10 a，全疆有96%的區域上升趨勢顯著，升溫速率多在0.3℃/10 a以上，北疆北部、西部和天山山區的個別地方在0.9℃/10 a以上。托里上升趨勢最明顯，趨勢系數為1.07℃/10 a。

圖4 新疆區域1961—2017年平均最高（a）、最低（b）氣溫變化

3 年季降水時空變化特征

3.1 年降水量

1961—2017年，新疆區域年降水量呈增加趨勢，降水距平百分率增加速率為10.14 mm/10 a，且增加趨勢顯著，通過了0.05的顯著性水平檢驗。1986年以前降水量以偏少為主，1987年以后降水量明顯增加；21世紀10年代比20世紀60年代年平均降水增加了43.54 mm，增幅為30%；年際間波動明顯，多年平均年降水量為170.62 mm，2016年較多年平均值偏多44.7 mm，即偏多26%；1997年較多年平均值偏少55.92 mm，即偏少32.78%。與第一次《新疆區域氣候變化評估報告》相比，新疆區域年降水量增加速率下降了0.57%/10 a，1981—2010年的多年平均年降水量比1971—2000年增加了12.46 mm（圖5）。

圖5 新疆區域1961—2017年降水量變化

北疆、天山山區、南疆年降水量均呈增加趨勢，增加速率分別為6.09%/10 a、4.49%/10 a、8.40%/10 a。各分區與新疆區域一樣，20世紀80年代中期以前降水量變化趨勢不明顯，80年代中期以后明顯增多；21世紀10年代比20世紀60年代分別增加了60.16、65.93、27.41 mm，增幅分別為34%、21%、60%。各分區年降水量增加速率顯著，均通過了0.05的顯著性水平檢驗。

從地域分布看，近57 a新疆區域年降水量的空間分布地區差異較小，全疆所有地區均呈增加趨勢，北疆和天山山區增加趨勢大于南疆，南疆西部大于南疆偏東地區，其中天山山區增加趨勢最明顯，增加速率在10～30 mm/10 a，北疆大部分地區和南疆塔里木盆地北緣增加速率在5～10 mm/10 a，南疆偏東地區在5 mm/10 a以下。烏魯木齊增加趨勢最明顯，增多速率為28.36 mm/10 a（圖6）。

3.2 降水量突變檢測

年降水量的Mann-Kendall（圖7a）檢驗結果顯示，UF曲線與UB曲線在1986—1990年間有3次相交，而累計距平（圖7b）分析表明，1961—1986年新疆年降水量呈明顯的下降趨勢，1987—2017年降水量呈上升趨勢，1986年累積距平值最低，說明新疆降水量經歷了先減少后增加的過程，結合山本（Yamamoto）法驗證以及降水量實況數據綜合分析，認為1986年為降水增多的轉折點（圖7）。利用相同的方法依次確定了北疆、天山山區和南疆3個分區的年降水量發生突變的年份分別是1987、1993、1987年。

圖7 新疆年平均降水量Mann-Kendall突變（a）、累積距平值（b）

3.3 四季降水量

新疆春、夏、秋、冬四季多年平均降水量分別為44.55、72.02、35.05、19.09 mm，主要集中在夏季，冬季最少。從季節變化看，1961—2017年新疆區域春、夏、秋、冬季降水量均呈增加趨勢，且增加趨勢顯著，均通過了0.05的顯著性水平檢驗。其中，冬季降水量增加趨勢最明顯，增加速率為10.2%/10 a；春季、夏季和秋季相當，分別為4.28%/10 a、5.64%/10 a、5.84%/10 a。

春、夏、秋、冬季降水量年際間波動明顯，四季年降水量的最小值均出現在20世紀90年代以前，分別比多年平均值偏少23.01、25.81、21.46、14.88 mm；最大值分別出現在1964年、2016年、1987年、2009年，比多年平均值分別偏多23.73、39.75、23.59、21.25 mm。春、夏、秋、冬四季，21世紀10年代比20世紀60年代分別增多了14%、31%、35%、60%。

近5 a新疆春、夏、秋、冬四季年降水量變化趨勢的空間分布比較相似，空間分布地區差異均較小，大部分地方呈增多趨勢，但各季增加幅度有所差異，總體上冬季降水量的增多趨勢明顯高于其他3個季節（表2）。

表2 新疆區域及各分區四季降水距平百分率變化趨勢系數a（%/10 a）及相關系數r

春季降水全疆87.6%的區域呈增加趨勢，趨勢系數為-0.96～12.01 mm/10 a，其中，天池增多趨勢最明顯，于田減少趨勢最明顯。全疆春季93%的區域降水量變化趨勢不顯著，未通過0.05的顯著性水平檢驗。

夏季降水量變化趨勢的空間分布地區差異較小，全疆98%的區域呈增加趨勢。其中，大西溝降水量增多趨勢最明顯，為11.88 mm/10 a；尉犁減少趨勢最明顯，趨勢系數為-0.78 mm/10 a。降水量增加趨勢顯著區域主要位于天山山區、南疆西部、沿天山一帶部分地方。

秋季降水量全疆90%的區域呈增加趨勢，有33%的站點降水量增加趨勢顯著，主要位于北疆西部和北部、北疆沿天山一帶個別地方及南疆西部等地。趨勢系數為-1.22～7.38 mm/10 a。

冬季降水量全疆有97%的站點增加趨勢顯著，通過了0.05的顯著性水平檢驗，主要位于北疆、東疆、天山山區大部分地區以及南疆克州、喀什山區、阿克蘇等地。其中，裕民降水量增多趨勢最明顯，趨勢系數為7.42 mm/10 a，烏魯木齊次之，為6.75 mm/10 a。

3.4 極端降水

選用暴雨日數和暴雨量對新疆極端降水進行分析。新疆降水等級標準規定：暴雨指一晝夜24 h內降雨量超過24 mm或12 h降雨量超過20 mm的雨。一天（24 h）降雨量＞24 mm，定義為一個暴雨日。年暴雨量指一年內暴雨日的降水量合計。

3.4.1 暴雨日數

新疆區域及北疆、天山山區、南疆各分區多年平均暴雨日數分別為0.42、0.35、1.30、0.18 d。1961—2017年，隨著降水的增加，新疆區域及各分區平均年暴雨日數均呈明顯增加趨勢，增加速率分別為0.05、0.06、0.12、0.02 d/10 a，各分區差異顯著，天山山區較南疆高達6倍之多。20世紀60年代—90年代中期新疆暴雨出現相對較少，90年代中期以后出現相對較多；21世紀10年代比20世紀60年代增加了0.19 d。年際波動不大，歷年平均年暴雨日數為0.42 d，最多的一年出現在2016年，比歷年平均值偏多0.63 d；最少的一年出現在2014年，比歷年平均值偏少0.29 d（圖8a）。

圖8 1961—2017年新疆年暴雨日數（a）和年暴雨量（b）的逐年變化

3.4.2 暴雨量

1961—2017年，隨著降水的增加，新疆平均年暴雨量呈明顯增加趨勢，增加速率為1.75 mm/10 a，增加趨勢顯著，通過了0.05的顯著性水平檢驗。20世紀90年代中期以前新疆暴雨量以偏少為主，90年代中期以后偏多年份增多；21世紀10年代比20世紀60年代增加了7.1 mm。年際波動較明顯，歷年平均年暴雨量為13.8 mm，年暴雨量最大值與最小值相差達31.2 mm。另新疆夏季暴雨量的變率遠遠超過年降水量，在低山區的一些山洪溝，平日干涸無水，只有在夏季降暴雨后才有水流，這種情況有時幾年甚至幾十年才會出現一次（圖8b）。

北疆、天山山區、南疆各分區年平均暴雨量與新疆區域一致，均呈現增加趨勢，增加速率分別為1.92、4.33、0.64 mm/10 a，南疆增加趨勢不顯著，未通過0.05的顯著性水平檢驗。北疆、天山山區、南疆21世紀10年代比20世紀60年代分別增加了9.3、13.2、3.7 mm。

4 討論

近57 a新疆氣溫顯著上升，同時降水也呈顯著增加趨勢，氣候變化比較明顯，這一結果也得到了多方驗證：施雅風等[2]學者認為整個西北區域有“暖濕化”的特征；康麗娟[6]、馬建勇等[18]對新疆20世紀60年代以來的氣溫降水的時空變化及突變時間等做了分析，所得結論與本研究的結論相近。本文和以上類似的研究相比，使用了研究區更多站點（89個）觀測資料，且不僅研究了新疆整個區域，還分析了3個分區全年以及四季的特征。在資料方面有更充足的數據支持，且數據更新到了最新年份，在空間上也有更細致的分析。

根據本文分析，新疆年暴雨日數及年暴雨量呈顯著增加趨勢，暴雨本就為干旱區一種少見的極端事件，其具有一定災害風險。新疆出現大范圍暴雨相對較少，但是容易出現小范圍短時大暴雨，具有局地性強、持續時間短、強度大的特點。暴雨自身可以造成災害，導致平地積水、房屋倒塌、毀壞農作物等，暴雨還可引發洪水造成災害，也會引發泥石流和山體滑坡次生災害。暴雨及其衍生的次生災害是新疆的主要災害之一。

新疆氣溫變暖點相對于全國平均水平有稍微滯后的表現。20世紀90年代初全球變暖開始加劇[24]，這已是不爭的事實，我國氣溫也呈現整體的上升趨勢。任國玉等的研究顯示20世紀80年代以前，中國氣溫在較小的范圍內上下波動，而從80年代初開始，氣溫呈不斷上升趨勢[25]。由此可見，新疆的氣溫增暖也更好地印證了區域氣候對全球氣候變化的響應。關于有些學者提出的“新疆暖濕化”的問題，本文認為，新疆作為西北干旱區的重要組成亦有氣溫升高、降水增加的強烈信號，但是新疆由于其遠離海洋、深居內陸的地理位置影響，如此強烈的升溫必將伴隨著巨大的潛在蒸發，而降水增加的絕對值并不高（新疆年降水量增加速率僅為10.14 mm/10 a），因此，這種趨勢短期內不會改變新疆屬于干旱、半干旱地區的本質，這也遠不足以產生干濕狀況的質變。

本研究僅針對氣溫和降水兩大因子的變化趨勢對新疆區域及各分區近57 a的氣候變化事實進行了分析，更多的只是從平均態的趨勢上做了分析，在將來的研究中，應當考慮在全球氣候變暖大背景下新疆極端事件的發生頻次和強度均呈上升態勢的事實，從而更好地為農業生產等提供有力地科學支撐。

5 結論

（1）在全球變暖背景下，近57 a新疆及北疆、天山山區、南疆各分區的年和四季平均氣溫呈現一致的顯著上升趨勢，年平均氣溫升溫速率為0.31℃/10 a，1997年開始出現了明顯增暖，并連續14 a持續偏高。其中冬季升溫趨勢最明顯。20世紀60年代以來氣溫呈逐年代階梯式上升，21世紀10年代比20世紀60年代升高了1.3℃。新疆溫度增幅不僅高于全球水平，而且也高于我國東部地區。

（2）1961—2017年，新疆年平均最高氣溫呈上升趨勢，升溫速率為0.22℃/10 a，升溫趨勢不顯著，未通過0.05的顯著性水平檢驗。1997年開始出現了明顯增暖。年平均最低氣溫升溫速率0.52℃/10 a，遠高于年平均氣溫和年平均最高氣溫的升溫速率，對平均氣溫的升高貢獻率最大。

（3）新疆區域1961—2017年降水量呈顯著增加趨勢，增加速率為5.94%/10 a。冬季降水量增加趨勢最明顯，為10.2%/10 a。北疆、天山山區、南疆的年和四季降水量呈現一致的增多趨勢，南疆增加速率最大，天山山區最小。降水量1987年開始明顯增多，20世紀60年代以來呈逐年代增多趨勢，21世紀10年代比20世紀60年代增多了43.54 mm，增幅為30%。夏季降水量增加幅度最大。

（4）1961—2017年，隨著降水的增加，新疆區域及各分區平均年暴雨日數和暴雨量均呈顯著增加趨勢。20世紀90年代中期以后增加明顯。天山山區最顯著，較南疆高達6倍之多。