瑪納斯河流域52年氣象要素變化分析

李戰國

(新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100)

在過去60年間，全球氣候變暖了約0.72℃。自19世紀后期以來，二十一世紀每十年平均氣溫是最溫暖的[1]。同時，降水的空間分布和強度也發生了變化，全球變暖可能導致大氣中水蒸氣含量的增加[2]。過去的研究表明，潮濕地區會變得更潮濕[3]，干燥地區會變得更干燥，北半球高緯度地區的降水量呈增加趨勢，而中國、澳大利亞和太平洋小島嶼國家的降水量表現出減少的趨勢[4]。

研究區擁有中國最重要的草原資源，其在過去幾十年中發生了嚴重退化。未來的氣候變化可能會大規模加速北美和亞洲半干旱地區草原的退化[5]。盡管目前對氣候變化及其在不同地區和大范圍的時空尺度上的影響進行了許多研究，但對研究區近52年來的氣候變化，尤其針對日最低和最高氣溫的變化特征研究還不夠。因此，需要對研究區的主要氣候變量，如降水量、日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫進行系統研究，以提高對研究區氣候變化的時空特征和氣候變化原因的認識，幫助有關部門更好的制定適應和減緩氣候變化的措施。本文的研究目的為：(1)分析近52年來研究區月、年降水量及日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的變化；(2)分析研究區氣候變化發生的可能原因。

1 研究區概況

瑪納斯河流域源于天山北麓。其氣候冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤。其年平均太陽輻射為5 200 mJ，年總日照時數約2 619 h。根據降水量的空間分布，研究區通常從東到西分為5個氣候帶，由濕潤氣候帶過度到半干旱氣候帶。由于水和熱能是控制中緯度溫帶草原的2個關鍵因素，研究區草原植被的類型從東到西依次為草甸草原、典型草原和荒漠草原。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文選擇研究區內的46個氣象站的氣象數據作為研究對象，數據長度為1961-2012年。數據集通過檢測控制其質量，包括無誤差數據，降水和氣溫數據集的缺失數據不超過0.1%。所有缺失的數據采用以下方法補充：當缺失數據的時間間隔小于或等于5 d時，采用線性插值方法計算其缺失數據，當缺失數據的時間間隔大于5 d時，則缺失數據由所有其他年份中具有數據的站點根據距離采用IDW插值獲得。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢變化

對于樣本量為n的氣候要素x，X與時間的線性回歸方程為：

X=at+b，t=1，2，3，…，n

(1)

式中：a為趨勢斜率；b為y軸截距，可用最小二乘法確定。

每十年的變化趨勢β為十年內氣溫或降水的變化率乘以10。b為正值表示上升趨勢，負值表示下降趨勢。

2.2.2 濕度指數

濕潤指數是干旱指數的倒數，能夠合理的反映地表的干濕狀態，是描述研究區氣候特點的一種有效且常用的方法。濕潤指數是降水量與潛在蒸散發的比值，表示自然條件下大氣濕潤的輸入和輸出，其計算公式如下：

K=P/(0.1∑θ)

(2)

式中： k為濕潤指數；p為年總降水量；q為0℃以上的氣溫。

k值越高，氣候越濕潤。研究區的濕潤指數可分為6個等級，即非常干(K< 0.3)、干旱(0.32.0)[6]。

本文對研究區46個氣象站52年(1961-2012年)的日平均氣溫(平均值、最高氣溫和最低氣溫)進行統計計算獲得了各年的月平均值和年平均值。對于降水量，將日數據計算為每年的月和年總量。并利用回歸分析和趨勢分析對月、年時間序列進行了統計分析，即計算各站氣溫、降水量的b值。采用F檢驗方法檢驗了在0.05水平上回歸方程的顯著性。由于單純根據各站的趨勢很難確定區域氣溫或降水模式，因此也進行了空間分析來研究區域趨勢。所有主要氣候變量的空間分布圖均采用ArcGIS軟件包中嵌入的反距離加權插值方法構建。每個地圖的網格大小為0.02°。

3 結果分析

3.1 降水和濕潤指數的趨勢變化分析

表1給出了月降水量的變化趨勢和具有顯著性變化(增加或減少)趨勢的站點數量。降水量的平均變化趨勢為-1.6 mm/10a；二月、七月、八月和十月呈負的變化趨勢，其他月份呈現上升趨勢。八月表現出最大的負趨勢值，為5.54 mm/10a，有10個站具有顯著的變化趨勢，7月份的負趨勢值1.73 mm/10a，6月份顯示最大正趨勢值為2.54 mm/10a；在過去的52年中，冬季(12-5月)和春季(3-5月)顯示出略微的正趨勢值。大多數站點的濕度指數具有負的變化趨勢，只有三個站顯示出正趨勢值，這些站均分布于研究區西部。平均趨勢值大約為0.03/10a，變化范圍為：-0.08～0.02。濕度指數值高的地區(位于研究區東部)呈現較大的下降趨勢，為-0.04/10a，研究區西部濕度指數的變化趨勢大約為-0.01/10a。

表1 降水量的變化趨勢及具有顯著性變化趨勢的站點數量

表2 平均、最高、最低溫度的平均變化趨勢及具有顯著變化趨勢的站點數量

表3 日平均、最高和最低溫度與其他氣象要素之間的相關系數

3.2 日平均、最低和最高氣溫變化趨勢分析

研究區所有氣象站的平均氣溫均呈現正的變化趨勢，平均趨勢值為0.37℃/10a，最小趨勢值出現在研究區東部，其趨勢值小于0.25℃/10a。最高和最低氣溫的變化趨勢表現出與日平均氣溫相似的空間分布。所有氣象站的最高和最低氣溫趨勢值均為正值。與最高氣溫和平均氣溫相比，最低氣溫有較大的正趨勢，平均趨勢值為0.51℃/10a。研究區日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的月變化趨勢見表2。可以看出：在所有月份中，二月的平均氣溫上升趨勢最大，為0.80℃/10a，93%的站點(n= 43)顯示出統計上的顯著上升趨勢(p<0.05)。二月份的最高和最低氣溫比其他月份具有更大的上升趨勢，平均趨勢值為0.67℃/10a和0.95℃/10a，其在統計上表現出顯著性變化趨勢的站點百分比分別為85%和93%。對9個月(即2月至10月)的分析表明，超過50%的站點的平均氣溫呈顯著的正趨勢。對于最低氣溫， 除一月份外，其他月份均有超過一半的站點呈現出明顯的上升趨勢。其中只有四個月(即2月、7月、8月和9月)超過50%的站點最高氣溫表現出顯著性增加的趨勢。

3.3 相關性分析

表3 給出了日平均、最高和最低溫度與其他氣象要素之間的相關系數。可以看出：年尺度上日平均溫度與水汽壓的相關系數為0.82，表明日平均溫度與水汽壓之間存在很強的相關性。平均溫度和大氣壓力之間的相關系數為0.67。在季節尺度上，冬季月份(12-5月)的平均溫度和水汽壓之間的相關系數最高為0.73～0.80，其次是春季(3月)和秋季(9-11月)，相關系數值分別為0.29～0.61和0.58～0.74，夏季(6-8月)的日平均氣溫和水汽壓之間的相關系數最弱，相關系數值為0.08～0.34。與日平均溫度相似，最高溫度和最低溫度都與蒸氣壓力有很強的相關性，相關系數值分別為0.85和0.78；與大氣壓力的相關系數分別為0.67和0.66。計算的相關系數結果還表明，日平均溫度、最低溫度和最高溫度與包括降水、風速和日照時數在內的其他大氣變量間沒有顯著的相關性。

4 結語

氣候變化，尤其是降水量和氣溫的變化，對研究區草原生態系統產生了顯著影響。為了提高對研究區氣候變化的認識，本文分析了過去52年的氣象要素的空間分布和變化趨勢。在過去的幾十年里，研究區變得越來越溫暖，日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫分別以0.37℃/10a、0.25℃/10a和0.51℃/10a的趨勢值上升。與其他月份相比，二月份的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫呈現出最高的上升趨勢，趨勢值為0.8 ℃/10a、0.67℃/10a和0.95 ℃/10a。尤其在二月的最后10天，氣溫的變化趨勢達到了最大值。在降水量方面，年降水量減少，降水量顯著減少主要發生在7月和8月。研究區變得越來越干燥，濕潤指數有較大的下降趨勢。在過去的52年里，研究區變得越來越溫暖和干燥。