1961-2018年塔里木盆地氣溫時空變化特征

努爾比亞·吐尼牙孜，希熱娜依·鐵力瓦爾迪，王保鑫

(1.中亞大氣科學研究中心，烏魯木齊 830002；2.喀什地區氣象局，新疆喀什 844000)

位于我國西部干旱區的塔里木盆地，地處天山山脈和昆侖山、阿爾金山脈之間，地勢西高東低，中部為塔克拉瑪干沙漠，植被稀少，沙漠化嚴重，生態環境極其脆弱；氣溫的變化對當地生態系統、農業結構布局，農事活動及農業產品產量和品質都產生廣泛而深刻的影響。近些年來，眾多學者基于各類氣象資料針對塔里木盆地的氣候開展了探討：康麗娟、左敏、張音等[1-3]分析新疆氣溫的時空變化，指出對新疆地區而言，塔里木盆地氣溫增溫幅度小于北疆和天山山區；鄭奕等[4]分析近56 a塔里木盆地氣溫時間變化特點，指出塔里木盆地氣溫呈非對稱性增長，年平均最低氣溫變率為年平均最高氣溫變率的1.5倍；鄭紅蓮、楊蓮梅、劉進新等[5-7]分析塔里木盆地氣溫、降水變化特征，其結果表明塔里木地區氣溫、降水呈現較明顯的變暖變濕趨勢；同時也有學者分析塔里木盆地極端天氣事件，例如,趙麗、唐小英等[8-9]發現塔里木盆地極端降水和極端氣溫事件整體呈顯著增加趨勢，王秋香、馬禹、劉明哲等[10-12]指出塔里木盆地大風、浮塵、沙塵暴日數呈顯著減少趨勢，謝芳、劉靜等[13-14]的分析表明塔里木盆地冷空氣過程、寒潮減少趨勢顯著。

以上研究成果揭示了塔里木盆地氣候與西北地區同步[15-16]，表現出暖濕化趨勢，是一個受氣候變化影響比較突出和顯著的地區，分析研究塔里木盆地氣溫變化利于正確理解和評估區域氣溫變化的原因和趨勢，利于科學利用氣候熱量資源安排農業生產和防災減災工作，進而積極促進農業和社會經濟的可持續發展。前人對塔里木盆地氣溫變化的研究多數基于少數氣象站點為代表分析塔里木盆地氣溫的年代際變化，涉及空間分布及區域氣溫特征的研究并不多見，對地形復雜、地域遼闊的塔里木盆地而言其結論具有一定的局限性。針對以上不足，本文選取塔里木盆地氣溫資料健全的所有臺站數據分析其氣溫的時空變化特征及區域特征，同時針對Mann-Kenall突變檢驗的缺點，利用信噪比檢驗和滑動T檢驗對突變年份進行訂正，以期為塔里木盆地氣溫變化提供更科學更嚴謹的參考依據。

1 資料方法與數據處理

1.1 資料

選取塔里木盆地44個氣象觀測站1961—2018年逐日平均、最高、最低氣溫資料，剔除數據缺失過多的5個臺站后，選取了資料連續性好的39個臺站(圖1)，資料由新疆氣象信息中心提供，氣溫資料已進行了嚴格的質量控制。多年平均值采用1981—2010年的30 a平均值；最高、最低氣溫是指年(季)平均最高、最低氣溫；季節劃分為春季(3—5月)，夏季(6—8月)，秋季(9—11月)，冬季(12月—次年2月)。

1.2 方法

(1)采用線性趨勢分析方法和R/S分析方法分析塔里木盆地近58 a平均、最高、最低氣溫的年代際、季節變化趨勢及持續性，利用Mann-Kendall (簡稱M-K)方法對氣溫時間序列進行突變檢驗，針對M-K統計量UF、UB 曲線交點出現在信度線之外的情況，結合滑動 T 檢驗和信噪比檢驗進行驗證[17]58-65。

(2)利用氣候傾向率、R/S分析、方差分析等方法分析研究塔里木盆地39個臺站平均、最高、最低氣溫長期變化的空間差異。基于R/S分析的H指數定量描述長程依賴性的主要方法之一，該方法屬于非參數分析法，具有較好的穩健性[18]，H取值范圍為(0,1)，當H=0.5時，表示序列是隨機的，不具備長期依賴性，將來的發展趨勢與已經發生的事件沒有關系；0.5

(3)根據塔里木盆地三面環山向東開口的倒喇叭口地形，將其分成盆地西—南部(共20個站點)，中北部(共10個站點)及東部(共9個站點)3個氣候區，利用線性趨勢，Morlet小波[17]99-104分析及M-K突變檢驗等方法，分析塔里木盆地氣溫變化的區域差異。

2 分析與結果

2.1 時間變化特征

2.1.1 年際、年代際變化 1981—2010年塔里木盆地年平均，最高、最低氣溫分別為10.1 ℃、17.4 ℃及3.7 ℃。從歷年氣溫的線性變化趨勢(圖2)可知：近58 a塔里木盆地平均氣溫、最高、最低氣溫變化趨勢相似，均圍繞其多年平均值呈波動上升趨勢，氣候傾向率分別為0.25、0.21、0.37 ℃/(10 a)，均通過a=0.01的顯著性檢驗，表明近58 a來塔里木盆地氣溫與全球氣溫變化一致趨于變暖；氣候傾向率從高到低依次為最低氣溫、平均氣溫、最高氣溫，即最低氣溫對氣溫變暖的貢獻大于最高氣溫，間接表明塔里木盆地日較差趨于減小。從逐年變化來看,氣溫具有明顯的階段性特征，1961—1980年平均最高氣溫圍繞多年平均值上下波動但變化趨勢不明顯，而年平均氣溫、最低氣溫呈緩慢上升趨勢，其氣候傾向率分別為0.14、 0.33 ℃/(10 a)(表1)，其中最低氣溫氣候傾向率通過a=0.05的顯著性檢驗，而1981—2018年平均、最高、最低氣溫呈一致的上升趨勢，其氣候傾向率分別為0.34、0.32、0.46 ℃/(10 a)(表1)均通過a=0.01的顯著性檢驗。說明20世紀80年代以后塔里木盆地氣溫對氣候變暖的響應更顯著。

圖2 1961—2018年塔里木盆地氣溫年際變化

表1 塔里木盆地分時段氣溫氣候傾向率 單位：℃/10 a

由氣溫距平的年代變化(圖3)分析可知：20世紀60—80年代，塔里木盆地年平均、最高、最低氣溫距平值均為負值，且絕對值60年代最大，其次為70年代，最后是80年代，表明20世紀 60年代是近58 a最冷的時期。20世紀90年代起氣溫距平由負值轉為正值，塔里木盆地進入偏暖期，2001—2010年氣溫距平值達到峰值，其中最低氣溫距平值達到+0.68 ℃，為近58 a之最，表明21世紀00年代是近58 a內最暖的10 a。

圖3 1961—2018年塔里木盆地氣溫距平年代際變化

2.1.2 季節變化 1981—2010年塔里木盆地各季節年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫：春季為12.8、20.0、6.0 ℃，夏季為22.7、30.1、16.0 ℃，秋季為9.9、17.9、3.2 ℃，冬季為-5.3、1.3、-10.7 ℃。分析季氣溫的氣候傾向率(表2)可知：近58 a塔里木盆地四季氣溫呈上升趨勢，除冬季最高氣溫外均通過α=0.01的顯著性檢驗。氣候傾向率從高到低排序：平均氣溫為冬季、秋季、春季、夏季，最高氣溫為春季、秋季、冬季、夏季，最低氣溫為冬季、秋季、春季、夏季。季節內最低氣溫大于最高氣溫，全年而言冬季最低氣溫升溫最快，夏季最高氣溫升溫最慢。由氣溫年代變化可知(圖略)：春季20世紀60—70年代三種氣溫上升均不明顯，80年代至90年代初氣溫呈略下降趨勢，90年代中期后氣溫呈快速上升趨勢；夏季平均、最高、最低氣溫60年代穩定少變，70年代以后圍繞歷年平均值呈波動上升趨勢，其中70年代至90年代中期夏季氣溫變幅較大，之后氣溫呈穩定上升趨勢；秋季平均、最高、最低氣溫呈穩定上升趨勢，20世紀60—80年代秋季氣溫偏低，之后氣溫穩定處在上升期；冬季20世紀60—70年代氣溫整體偏低，80年代初期開始氣溫上升，90年代中期達到峰值，此后雖然上升趨勢減緩氣溫呈略下降趨勢，但氣溫始終偏高。

表2 1961—2018年塔里木盆地季節氣溫氣候傾向率 單位：℃/10 a

2.1.3 突變檢驗 利用M-K法對塔里木盆地1961—2018年氣溫序列進行突變檢驗，給定顯著性水平a=0.05，臨界值為±1.96。結果顯示塔里木盆地近58 a年季平均、最高、最低氣溫均發生了顯著性增溫突變(表3)，突變最早的是冬季氣溫，最晚的是春季最低氣溫和夏季最高氣溫。另外在a=0.05顯著性水平臨界值內UF、UB曲線，春季平均最高氣溫和最低氣溫出現多個交點，年最低氣溫交點出現在臨界值外，結合滑動T檢驗和信噪比檢驗，當步長n=4、5、6時檢驗結果表明春季平均最高、最低氣溫及年平均最低氣溫分別于1996、 1996、1997年發生顯著增溫性突變。

表3 1961—2018年塔里木盆地年、季氣溫的突變年

綜上所述，近58 a塔里木盆地年、季氣溫呈顯著上升趨勢，氣候傾向率最低氣溫大于同期最高氣溫，冬季最低氣溫升溫最快，夏季最高氣溫升溫最慢，除冬季氣溫增溫性突變均發生在20世紀90年代，其突變起始年份與新疆發生暖濕化突變時間相比[19-20]出現較晚。

2.2 空間變化特征

2.2.1 氣溫與方差分布 由塔里木盆地三種氣溫空間分布(圖4)可知：近58 a塔里木盆地平均、最高、最低氣溫分布不均勻，存在明顯的空間差異。三種氣溫均呈現出自西北山區向東南塔克拉瑪干沙漠腹地遞增的格局，整體表現為平原氣溫高于山區，平原西部氣溫高于東部，南部氣溫高于北部的特征，而氣溫的這種格局主要與塔里木盆地三面環山，東部開口的特殊地形有關。

為了進一步分析塔里木盆地氣溫振幅變化特征，計算了39個臺站三種氣溫的方差，其分布(圖4中陰影所示)可知，近58 a塔里木盆地三種氣溫方差分布不均勻，振幅變化有差異。平均氣溫方差0.002～0.025 ℃，最高氣溫方差0.003～0.026 ℃，二者大值中心位于塔里木西部的巴楚站和巴音布魯克山區站；而最低氣溫方差0.002～0.025 ℃，方差水平梯度及大值范圍較大，大值區主要集中在山區和塔克拉瑪干沙漠與綠洲交界處。由此可見，塔里木盆地下墊面屬性對最低氣溫振幅變化的影響更明顯，與沙漠接壤的巴楚站和巴音布魯克山區是塔里木盆地氣溫波動最明顯的地區。

圖4 1961—2018年塔里木盆地平均氣溫的空間分布(等值線)及方差(陰影區)(單位為℃)

2.2.2 氣溫變化 圖5給出了1961—2018年塔里木盆地三種氣溫的氣候傾向率(等值線)和H指數(陰影)空間分布。由圖5a平均氣溫空間分布可知：近58 a除阿克陶、庫車站平均氣溫呈下降趨勢(低值中心為-0.01)外，其余站點呈上升趨勢，其氣候傾向率為0.02～0.44 ℃/10 a，大值中心位于塔里木盆地南部，其中巴音布魯克、和碩、烏什、阿克陶及阿拉爾山站沒有通過a=0.05的顯著性檢驗，其余站點均通過0.01的顯著性檢驗。最高氣溫氣候傾向率 0.07～0.34 ℃/10 a(圖5b),大值中心位于南疆盆地南部及西部的巴楚、麥蓋提，其中中天山南側9個站沒有通過a=0.05的顯著性檢驗，其余站點通過0.01的顯著性檢驗。最低氣溫氣候傾向率(圖5c)，除庫車呈下降趨勢外，其余站點呈一致的上升趨勢，升溫最明顯的地區位于塔里木盆地西南部的于田縣為0.7 ℃/10 a，遠超過全國0.278 ℃/10 a[21]和新疆0.37 ℃/10 a[2]的平均水平。經統計除和碩、烏市、阿克陶、阿拉爾等臺站沒有通過a=0.05的顯著性檢驗外，其余站點均通過a=0.01的顯著性檢驗。

由H指數分布(圖5a、圖5b及圖5c中的陰影)可知：平均氣溫 H指數為0.49～0.86，大于0.8的大值區集中出現在塔里木盆地南部，最小值出現在巴倫臺；最高氣溫 H 指數為0.47～0.81，大值中心分布較分散；最低氣溫H指數為0.48～0.89，與平均氣溫相似，大值中心位于塔里木盆地南部。

以上結果表明近58 a塔里木盆地氣溫大部分臺站呈顯著上趨勢并在未來同過去一致保持升溫趨勢，且盆地南部地區升溫的可能性高于東部，這將進一步增大塔里木盆地氣溫的空間差異。

圖5 1961—2018年塔里木盆地氣溫的氣候傾向率(單位為℃/a)及H指數空間分布(陰影區)

2.3 區域特征

1961—2018年塔里木盆地3 個氣候區的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫各不相同：西—南地區為10.5、17.6、4.3 ℃，中北部地區為9.3、16.5、3.0 ℃，東部地區10.2、17.9、3.2 ℃，可見塔里木西—南地區較其余2個氣候區相對偏暖，這與塔里木西—南地區三面環山境外冷空氣被山脈阻擋有關。

由氣溫的氣候傾向率可知(表4)：3個氣候區平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈顯著上升趨勢(均通過a=0.01的顯著性檢驗)，其傾向率從大到小為塔里木西—南地區、東部地區、中北部地區，且最低氣溫傾向率大于同期最高氣溫和平均氣溫，表明近58 a塔里木盆地區域升溫幅度有差異，相對而言塔里木西—南地區升溫最快，中北部地區升溫較慢。

表4 1961—2018年塔里木盆地不同區域氣溫的氣候傾向率 單位：℃/10 a

由M-K突變檢驗圖6(a～c)可知：塔里木盆地西—南地區平均氣溫，中北部和東部地區平均氣溫、最高氣溫在臨界范圍內(±1.96)UF、UB曲線有且僅有一個交點，交點依次為1997、1992、1996、1993、1993年，且UF曲線穩定通過臨界值，表明近58 a發生了由冷向暖的顯著增溫突變。而西—南地區最高氣溫90年代中期出現2個交點，3個區域最低氣溫交點均出現在臨界曲線外，結合滑動T檢驗和信噪比檢驗，當步長n= 6時,上述地區氣溫均發生了增溫性突變,其突變年份西—南地區最高氣溫為1994年,最低氣溫西—南、中北部及東部地區依次為1997、1990、1990年。

圖6 1961—2018年塔里木盆地西—南(a)、中北部(b)、東部(c)地區氣溫M-K突變檢驗

以塔里木盆地西—南地區平均氣溫為例,分析塔里木盆地區域氣溫周期變化特征。由圖7可知，盆地西—南地區平均氣溫通過0.05的顯著性水平檢驗的區域和時間域聚集中心分別為：(2，1972)，(4,1993)，(8,1972)，(2,2012)，對應的影響年份范圍分別是1962—1974年、1986—1997年、1967—2008年、2003—2014年，存在2、4、8 a左右周期，其中8 a左右振蕩周期為主周期。由其他區域小波能量譜時頻(表5)特征可知：塔里木盆地區域最低氣溫近58 a周期特征不明顯，其余區域氣溫存在4 a左右和8 a左右高頻震蕩周期，其中以8 a左右周期震蕩為主周期。

粗虛線表示通過0.05水平的顯著性檢驗；細點線包圍的區域為邊界效應影響區域。圖7 1961—2018年塔里木盆地西—南地區平均氣溫Morlet小波能量譜分布

表5 1961—2018年塔里木盆地區域氣溫的小波能量譜時頻特征

3 結論

(1)近58 a塔里木盆地年、季平均、最高、最低氣溫均呈顯著升溫趨勢并發生了由冷向暖的升溫突變，但氣候傾向率和突變年份有差異。就全年而言，冬季最低氣溫升溫最快，夏季最高氣溫升溫最慢，升溫突變最早的是冬季氣溫，最晚的是春季最低氣溫和夏季最高氣溫，同時年、季最低氣溫的氣候傾向率高于同期最高氣溫。

(2)塔里木盆地平均、最高、最低氣溫空間分布相似，呈現自西北山區向東南塔克拉瑪干沙漠腹地遞增的格局，而方差空間差異表明氣溫振幅較大的區域集中在山區及沙漠地帶，其中地形對最低氣溫振幅的影響最明顯，這可能是塔里木盆地最低氣溫升溫最明顯的原因之一。

(3)塔里木盆地氣溫的變化及連續性存在空間差異，除個別站外，大部分臺站氣溫呈顯著上升趨勢且具有較好的連續性。在未來塔里木盆地氣溫同過去一致，將保持升溫趨勢，盆地南部升溫的可能性高于東部，這將進一步增大塔里木盆地氣溫的空間差異。

(4)塔里木盆地西—南地區、中北部和東部3個區域氣溫近58 a表現為顯著上升趨勢，西—南地區升溫較中北部和東部地區明顯，區域最低氣溫較最高氣溫升溫明顯；突變特征表明，3個區域升溫性突變均發生在20世紀90年代；周期特征表明塔里木盆地最低氣溫區域周期特征不明顯，時間域內平均和最高氣溫存在8 a左右主周期低頻震蕩。