20世紀上半葉塔里木河流域夏季干濕的演變特征

李紅軍，李淑娟，陳 靜，迪麗努爾·托列吾別克

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊 830002）

全球氣候變暖導致了不同區域的干濕產生不同的變化[1-2]。塔里木河流域地處昆侖山、天山、阿爾金山和帕米爾高原之間，流域總面積為1.02×106km2，是一個封閉的內陸水循環和水平衡相對獨立的水文區域，自1987年以來，氣候出現由“暖干”向“暖濕”轉型現象[3]，吸引了眾多學者對塔里木河流域干濕變化的關注。最初，多是利用降水量來研究塔里木河流域干濕，得到塔里木河流域自20世紀60年代以來降水量呈增多趨勢，在80年代出現轉折性或突變性增多[4-7]，在汛期，流域上游變濕顯著，源流區和中游變濕不顯著，下游有微弱變濕趨勢[8]。樹木年輪重建的流域西部近300 a降水序列顯示，20世紀初和1991—2014年是濕潤期，20世紀其他時期是干期[9]。之后的研究把蒸發量或溫度也考慮進來[10-13]，得到在20世紀40年代以前，塔里木河流域北部的濕潤指數有一個明顯的減小趨勢，到40年代初達到20世紀最干，之后呈現波動變化的特征[10]。在1960—2003年，包括塔里木河流域的西風帶氣候區的年干濕特征呈現比較顯著的變濕趨勢，大約在20世紀70年代中期均發生了由干向濕的突變[11]。塔里木河流域的西北部由于降水量增加和蒸散減少，氣候變濕，這與中國西部其他地區的干濕變化不同，西北其他地區和西南大部分地區由于年降水量減少和蒸散增加，氣候呈顯著變干的趨勢[12]。對新疆各測站1961—2008年的降水和溫度的均一化指標變化趨勢的研究表明，新疆整體上呈干旱化趨勢，其趨勢由東南向西北方向逐漸減弱[13]。使用蒸散與降水差值研究表明，塔里木河流域近100 a來呈變干的趨勢[14]，樹木年輪重建的干濕序列表明塔里木盆地20世紀初較為濕潤，之后變干旱，20世紀80年代中期以來增濕趨勢明顯，且仍在持續[9，15]。

后來的研究使用Palmer干濕指數，相繼把土壤水分和徑流也考慮進來[1，16-18]，Palmer干濕指數綜合考慮了水分蒸散、降水和土壤水分交換等因素以及前期降水量和水分供求對后期的影響，物理意義清晰明確[19-20]，因而得到廣泛應用[21-22]。研究得到，塔里木河流域干濕與中國北方其他地區干濕的變化趨勢相反，西北西部當前正處在一個相對濕的時段，但溫度的升高削弱了這種變濕趨勢[23]。新疆氣候就平均態而言，整體上屬于正常的氣候條件，研究時段內年平均和季節平均氣候以濕潤化趨勢為主要變化特征[24]，用Dai等估算的全球PDSI柵格1953—2003年各季節數據得到，西北西部主要受西風帶影響，20世紀80年代開始有逐漸變濕的趨勢[1]。Palmer干濕指數EOF分析揭示在典型的ENSO暖狀態，中國西北容易偏濕，西北自20世紀80年代中期的變濕，與ENSO朝更暖的狀態變化及全球變暖有著緊密的聯系[17]，塔里木河流域的干濕變化與其相鄰的中亞干濕變化存在差異，在中亞的哈薩克斯坦，除南部外，夏季降水在20世紀下半葉呈減少趨勢[25]；在1948—2018年，塔吉克斯坦中北部、吉爾吉斯斯坦東部以及里海、咸海之間年降水量呈增加趨勢，中亞其余各地降水以負增長為主[26]。

以上關于塔里木河流域干濕的大多數成果揭示了近40～60 a流域干濕的變化特征，對20世紀上半葉干濕研究，使用代用資料研究流域的干濕具有一定的不確定性，少量的研究使用觀測站數據形成的格點資料給出了塔里木河流域部分區域或整個中亞區域百年干濕變化[10，14，23]，但未單獨給出塔里木河流域20世紀前半葉干濕的具體演變特征。以上研究也表明塔里木河流域干濕變化與相鄰的中國西北東部、中亞大多區域以及華北有著不同的演變特征，需要進一步具體研究。本文使用Climatic Research Unit（CRU）提供的1901—1950年Palmer干濕指數研究給出了20世紀上半葉塔里木河流域夏季干濕演變特征，初步討論了流域干濕變化成因，為認識流域干濕長期演變規律提供了科學基礎。

1 研究區、數據和方法

塔里木河流域地處亞歐大陸的腹地（37°～41°N，75°～91°E），東西長約1 500 km，南北寬約600 km，面積達1.05×106km2，是中國面積最大的內陸河流域，屬于典型的暖溫帶大陸性干旱氣候。天山、昆侖山和阿爾金山環繞在其周邊，地勢西高東低，海拔在800～8 611 m，中部是著名的塔克拉瑪干沙漠，邊緣為戈壁、綠洲和山麓。塔里木河流域大氣年相對濕度為30%，降水＜100 mm，極為干旱，對全球氣候變化特別敏感，20世紀80年代中期以來，氣候變化與周邊大多地區不同，出現了變濕的趨勢，是研究干旱區氣候變化的典型區。

文中所用的氣候干濕資料為英國East Anglia大學環境科學學院Climatic Research Unit（CRU）提供的最新數據集中的夏季6—8月的Palmer干濕指數，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間為1901—2019年。該資料在氣象臺站觀測數據基礎上，擴充了新的數據源，使用數學方法對數據源進行整合，在人工和半自動質量控制之后，在時間與空間上采用相關性衰減范圍內插值，在資料的重建過程中包含了嚴格的時間均一性檢驗，時間尺度更長，空間分辨率更高[27-29]，與其他數據集比較[29]，在1901—2008年，塔里木河流域所在區域（5°～50 °N，64°～100°E）年平均氣溫和年總降水分別與UDEL（the University of Delaware）數據集氣溫[30]和GPCC（Global Precipitation Climatology Centre）數據集降水[31]的相關顯著，通過了α=0.001的顯著檢驗，這套數據集除了在極低、海洋、高原或極區等地區外，偏差比較小[29]。

CRU數據集被大量運用于氣候變化研究中（包括20世紀上半葉塔里木河流域干濕數據），是目前全球使用最為廣泛的近地面氣候數據集之一[2，10，14，23，32-34]。與中國已有的氣候數據相比具有如下優點：（1）中國西部20世紀上半葉非常缺少觀測，CRU資料盡管包含插值帶來的誤差，經比較仍可作為有一定信度的參考，在新疆的百年尺度上，CRU資料的年平均溫度與代用資料重建的序列的相關系數顯著，通過了α=0.001的顯著檢驗[33]；全球百年長度降水數據被廣泛接受的是英國的Hulme資料[33]，該降水格點資料與我國觀測資料（包括塔里木河流域）的檢驗結論是：雖然分辨率不高，但基本保持了近百年中國降水的大尺度特征[36]，該降水格點資料是CRU這套數據集降水變量最主要的數據源之一[28-29]。研究表明，CRU資料所揭示的中國20世紀降水和溫度的氣候變化與160個觀測站（包括塔里木河流域）的相關性較高，比較完整地描述了中國降水和溫度的氣候變化的基本特征，而CRU資料又經過了嚴格的時間均一性檢驗，可以認為1901年以來的CRU資料有較高的可信度[33]。（2）中國現有的百年溫度序列只是年或季分辨率，而CRU資料達到月分辨率。（3）建立這個序列僅使用觀測結果做統計內插，不包括代用資料所帶來的不確定性，有比較大的可靠性[33]。Palmer干濕指數由氣溫與降水資料等計算得出，根據研究[19-20]，Palmer干濕指數劃分為9個干旱等級（表1）。

表1 Palmer干濕等級劃分標準

文中使用滑動平均分析了年代際變化，趨勢值和趨勢顯著性檢驗使用線性趨勢統計檢驗方法。振幅變化分析使用變率，干濕指數的周期分析使用最大熵譜和小波變換，干濕序列突變檢驗使用滑動t檢驗法，干濕指數和變率偏離均值是否顯著分別使用t檢驗和F檢驗方法，各方法見文獻[37]。

2 結果分析

2.1 塔里木河流域干濕的空間變化特征

圖1為1901—1950年塔里木河流域夏季干濕指數的多年平均值、線性趨勢和變率的空間分布。塔里木河流域夏季干濕指數的多年平均值的空間分布具有明顯的區域差異（圖1a），塔里木河流域西南—東北呈“-+”分布，大約以庫車縣—且末縣為干濕指數正負的過渡區。塔里木河流域的西南，即克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區的南部和和田地區的中部及西部，干濕指數多年平均值的等級為輕微干旱，其中于田縣和烏恰縣是塔里木河流域干旱最嚴重的地方。塔里木河流域的北部、東部和南部的東部區域，干濕指數的多年平均值的等級為正常，尉犁縣—若羌縣是塔里木河流干濕指數多年平均值的最大區域。塔里木河流域各地的多年平均干濕等級為正?；蜉p微干旱，沒有輕微濕潤及以上和中等干旱及以下等級的區域。

塔里木河流域1901—1950年夏季干濕指數的線性趨勢的分布從西至東主要分為“+-+-”4個區域（圖1b）。塔里木河流域西部偏西的區域，即在克孜勒蘇柯爾克孜自治州中部和南部區域，干濕變化的線性趨勢為變濕潤，線性趨勢由東南至西北逐漸增大，趨勢值在0/10 a～0.3/10 a。塔里木河流域西部的大部分區域和中部的偏西區域，線性趨勢為變干旱，在此區域的西北部和南部是變干中心，變干最大趨勢為-0.3/10 a，中心區域變干旱趨勢顯著（α=0.05）。塔里木河流域的中部大部分區域，線性趨勢為變濕潤，但趨勢微弱。塔里木河流域的東部偏東區域的線性趨勢為變干旱，趨勢微弱。塔里木河從流域干濕的線性趨勢整體上看，空間分布具有明顯差異，但大部分區域的趨勢都不顯著。

圖1 1901—1950年夏季塔里木河流域Palmer指數平均值（a）、趨勢（b，單位：/10 a）和變率（c）空間分布

塔里木河流域1901—1950年夏季干濕指數的變率分布主要分為東部和西部（圖1c）。東部包括了巴音郭楞蒙古自治州和阿克蘇地區的東部，西部為塔里木河流域其余區域。除了東部的東北角區域外，在東部大部分區域，干濕指數的變率為正值，變率值為0.0～1.2，4個正值中心分布在東部區域的東部、南部、西部和北部，中心最大變率值為1.2；西部區域的變率為負值，區域內西北和西南部變率較小，東南和東北部的變率較大，西部大部分區域的變率值在-0.4～-1.6，在西部區域西北部的負值中心，干濕指數的變率最小，達到-2以下。

2.2 塔里木河流域干濕的時間變化特征

2.2.1 年際變化

1901—1950年夏季塔里木河流域Palmer干濕指數的平均值為-0.28，干濕等級為正常，50 a呈顯著減小趨勢（a=0.05），年際變化明顯，呈階段性變化（圖2）。干濕指數在20世紀初期的10 a，干濕指數較大，變化振幅較小，在0～0.3變動，其后10 a，干濕指數轉變為負值，變化振幅增大，1917年達到最小值，為-1.15，1934年之后，干濕指數呈波動性減小，到1944年波動性減小到極小值，1949年干濕指數又增大到極大值。流域的干濕基本以20世紀10年代初為分界點，在分界點之前，各年的干濕指數為正，年際變化較小，較為穩定，干濕等級為正常；在分界點之后，干濕指數年際變化大，年際變化不穩定性增大，50 a的最小值出現在分界點之后，最小值的干旱等級達到輕微干旱，出現在1917年。分界點之后，流域干濕指數在1910年由正值轉為負值，振蕩變化的正負振幅明顯增大，在-1.15～0.26，負值明顯增多。1901—1910年干濕指數正負年份比例分別是90%和10%，而1911—1950年干濕指數正負年份比例分別是20%和80%，說明1910年后塔里木河流域Palmer干濕指數的變化比之前劇烈，干濕指數為負值的年份也明顯增多。

圖2 1901—1950年夏季塔里木河流域Palmer指數變化

2.2.2 年代際均值、趨勢與變率

1901—1950年夏季塔里木河流域Palmer干濕指數的11 a滑動平均值序列見圖3。20世紀00年代中期—10年代中期Palmer干濕指數呈逐漸減小趨勢，10年代中期減小到最小值后，又逐漸增大，30年代中期達到極大值，之后逐漸減小。20世紀00年代中期和10年代中期，干濕指數分別達到50 a的最大和最小值，分別為0.09和-0.62，都為干濕正常等級。該序列具有明顯的年代際變化特征，其中滑動平均值較大，高于50 a平均值的年代主要有兩個時段，分別是20世紀00年代中期—10年代初期和20年代中期—30年代后期，前一時期的滑動平均值較大，50 a的最大值出現在這一時期的00年代初期，干濕等級為正常，前一時期之后，滑動平均值的趨勢是向干旱發展，后一個滑動平均值較大時期的持續時間較長。除兩段滑動平均值較大的時期外，其余兩段時期的干濕指數滑動平均值低于50 a平均值，干濕等級都為正常，滑動平均值最小值出現在20世紀10年代中期，等級為正常。

圖3 1901—1950年夏季塔里木河流域干濕指數滑動平均和t統計值

11 a滑動平均值的較大和較小時期的交替出現，最大值和最小值的干濕等級都為正常，說明20世紀00年代以來，流域的年代干濕值呈周期性變化且干濕等級變化不大。運用t統計檢驗了各11 a滑動平均值與50 a值差異是否顯著，得出在20世紀00年代后期、10年代中期、30年代初期和40年代初期，11 a滑動平均值偏離50 a平均值顯著，說明這些時期流域夏季干濕年代值的變化很大。

1901—1950年夏季塔里木河流域干濕指數的11 a滑動平均線性趨勢序列見圖4。20世紀00年代中期—10年代中期，滑動平均線性趨勢為負值并逐漸減小到最小，為-0.12 a-1，10年代末期達到最大值，為0.08 a-1，20年代中期出現一個極小值、30年代初期出現一個極大值，線性趨勢波動性到30年代末期又出現一個極小值，之后，略有增大。20世紀10年代中期—30年代初期，正趨勢較多，其余兩個時期都為負趨勢，滑動平均線性趨勢波動性大，年代際間差異大，正負之間轉變多，分別在20世紀10年代中期、20年代中期、30年代初期滑動平均線性趨勢在正負值之間轉換，說明干濕指數在這些時期處于劇烈變化中。根據11 a滑動平均線性趨勢的t統計值，能夠看出，在20世紀10年代末期正線性趨勢顯著（α=0.05），00年代后期—10年代中期、30年代末期和40年代初負線性趨勢顯著（α=0.05）。

圖4 1901—1950年夏季塔里木河流域干濕指數線性趨勢與t統計

圖5為1901—1950年夏季塔里木河流域干濕指數的11 a滑動平均變率。20世紀10年代初期—20年代中期滑動平均變率較大，F值最大值為5.23，在此之前滑動平均變率相對較小，F值從1.03逐漸波動上升到4左右，20年代后期—40年代滑動平均變率處于一個相對較小時期，F值在2上下波動。10年代初期—40年代后期，滑動平均變率呈減小趨勢。根據11 a滑動平均變率的F統計檢驗可知，與50 a變率的均值相比較，多數年份的滑動平均變率都較大，除1906年左右、1927年左右、1928年左右、20世紀30年代的中期和后期與40年代中期外，其余時期的滑動平均變率較大，達到顯著水平（α=0.05），說明在50 a內塔里木河流域年代際的干濕指數的變化較大。

圖5 1901—1950年夏季塔里木河流域干濕指數滑動變率與F檢驗

2.2.3 突變與周期

1901—1950年夏季塔里木河流域干濕指數年際和年代際的均值差異和年代際變率較大，所以塔里木河流域干濕在50 a內存在突變的可能。采用滑動t檢驗法（α=0.05）對50 a塔里木河流域夏季的干濕序列進行突變檢驗（圖6），突變點分別出現在1910、1919、1927和1938年，流域夏季干濕指數在突變點前后的均值分別為：0.14、-0.75、-0.28、-0.04、和-0.50，突變點前后干濕指數的均值差異顯著。塔里木河流域夏季干濕指數t檢驗值呈現先減小形成突變，接著又波動性增大形成突變的形態。因塔里木河流域50 a夏季的干濕指數呈現波動變化，所以可能存在顯著周期，最大熵譜檢測表明25、7.14、3.57和2.78 a是顯著周期。由Morlet小波變換系數分析可知，塔里木河流域夏季的干濕指數在1901—1950年存在3.5、6.9和16.5 a的周期振蕩，3.5和6.9 a的周期振蕩較強，在20世紀00年代—20年代中期16.5 a周期振蕩也較強。

圖6 1901—1950年夏季塔里木河流域干濕指數突變的10 a滑動t檢驗

3 流域干濕變化的原因

新疆近40～60 a降水和濕度的變化均存在顯著的年際和年代際尺度變化[7，16-17，23-24]。從1901—1950年塔里木河流域的干濕變化可知，結果與以上研究結論類似，這些干濕變化的原因需進一步探討。塔里木河流域的干濕狀況與海溫和大氣環流的變化相聯系[38-40]。為此，本文分3個時段，即1901—1950年干濕全部時段的夏季，1911—1921年干濕指數較小時段，1929—1939年干濕指數較大時段，計算了塔里木河流域的干濕與ENSO、北大西洋濤動（NAO）、南方濤動（SO）、北極濤動（AO）7 a滑動平均的相關（表2）。在全時段的50 a夏季塔里木河流域干濕與NAO、SO和AO的7 a以上的滑動平均聯系緊密，相關系數通過了α=0.05的顯著性檢驗，特別是NAO和AO與塔里木河干濕的相關系數通過了α=0.01的顯著性檢驗。在塔里木河流域干濕指數較小時段，干濕與NAO、SO和AO的7 a以上的滑動平均相關顯著，均通過了α=0.05的顯著性檢驗，特別是NAO與流域干濕相關系數通過了α=0.01的顯著性檢驗。在干濕指數較大時段，塔里木河流域干濕與ENSO的7 a以上的滑動平均相關顯著，通過了α=0.01的顯著性檢驗。相關統計說明在7 a以上時間尺度，塔里木河流域干濕變化與ENSO、NAO、SO和AO的變化密切相關。

表2 塔里木河流域干濕變化與AO、SO、NAO、ENSO的7 a滑動平均相關

在全時段的夏季，NAO對塔里木河流域的干濕影響最顯著，在干濕指數較小和較大時段的夏季，AO和ENSO分別對塔里木河流域的干濕影響最顯著，這說明在不同時間尺度和不同時期，海溫和大氣環流變化對塔里木河流域干濕的影響不同。20世紀80年代以來，印度洋水汽經南亞和中亞向塔里木河流域輸送增多[39]，這是SO和ENSO年代際強弱周期變化的體現，可能在以往時期也周期性出現，這種變化導致SO和ENSO對塔里木河流域干濕的影響發生了變化。NAO影響塔里木河流域干濕的機制是NAO的異常引起斯堪的納維亞半島EP通量的輻散中心位置東西向變動和強度大小的變化，擾動能量通過中高緯靜止波傳播，導致西亞和新疆上空西風急流的Rossby波活動異常，從而影響新疆降水以及干濕狀況[41]。AO影響流域干濕的方式可能是在夏季AO指數偏強年代，700 hPa風場上，貝加爾湖及其以南地區有較強的反氣旋性距平環流，包括塔里木河流域、中國西北的西風帶區出現西風距平。中國西北上空的500 hPa高度場為西低東高結構，使得中國西北的西風帶區在夏季以西風氣流為主，降水偏多，氣候偏濕，而AO指數偏強年代中國西北的西風帶區盛行偏北氣流，降水偏少，氣候偏干[42]。

以上著重分析了1901—1950年夏季塔里木河流域干濕變化的特征及其與海溫變化和大氣濤動的同期相關性，雖然給出了流域干濕與海溫變化和大氣濤動的相關關系，但對它們相關的形成機理未深入涉及，這種相關的機理有待于利用氣候模式進行數值模擬研究，以期對它們相互作用的機理有一個深刻的認識。

4 討論

有關20世紀上半葉塔里木河流域干濕特征的研究，本文與其他的研究在總體變化特征上相似，基本是在20世紀初期流域較為濕潤，之后逐漸變干旱。馬柱國等[10]對中國北方百年（1902—2002年）干濕變化研究得到，塔里木河流域北部在20世紀40年代以前年濕潤指數有一個明顯的減小趨勢，40年代是20世紀上半葉最干旱時期，突變出現在20世紀的初期和20年代的后半期[10]；這與本文得到的塔里木河流域干濕變化的整體趨勢相同，其最干旱時期與本文得出的20世紀10年代中后期存在差異，干濕的突變方面，本文也多了2個突變點，即1919和1938年，這可能是兩者研究區域、研究季節和干濕指數不同造成的。

全球百年（1902—2002年）干濕的EOF主模態研究[1]顯示，在20世紀上半葉，中亞地區（包含塔里木河流域）的年干濕指數變化趨勢不明顯，最干旱年代出現在20世紀30年代中后期。差異的原因可能是兩者歷史數據來源略有不同，同時研究區域和研究季節不同也造成兩者差異。另有中亞百年（1902—2002年）干濕變化研究得到，在20世紀初期中亞第3分區濕潤，之后逐漸變干旱，在20世紀10年代后期最干旱[14]，與本文的最干旱期略有差異，這與研究方法和研究區不同有關，該研究中使用Mann-Kendall趨勢檢驗方法確定研究區各時期是否變干或變濕，該研究區包含了塔里木流域、中亞南部地區和塔里木流域以外部分東部地區。

樹木年輪重建得出的塔里木盆地歷史時期的相對濕度和降水[9，15]與本文得出的干濕結果比較，兩者在干濕期上都能較好地對應，都在20世紀00年代比較濕潤，之后至40年代較之前時期干旱，兩者都在1910年發生突變，都存在6.9 a的周期，而在干濕極值出現時間有前后幾年差異，在突變點和周期個數方面也有差異，這與兩者采用的數據來源和研究時間尺度不同有關。

5 結論

本文利用1901—1950年塔里木河流域夏季Palmer干濕指數資料，研究了流域夏季干濕的年和年代際時空變化特征，主要得到以下結論：

（1）20世紀上半葉，塔里木河流域各地夏季多年平均干濕為正?；蜉p微干旱，呈西南略低、東北略高的分布。塔里木河流域各地干濕變化的趨勢從西至東呈“+-+-”分布，整個塔里木河流域50 a變干旱的趨勢顯著，但大部分地區的趨勢不顯著。塔里木河流域干濕的變率在東部為正，西部為負，東部有多個正值中心。塔里木河流域的干濕年際變化明顯，年代干濕呈周期性變化，干濕等級變化不大，都在正常等級內，但20世紀00年代后期、10年代中期和30年代初期與1901—1950年均值正差異顯著，而40年代初期與50 a均值負差異顯著。

（2）塔里木河流域干濕的年代趨勢呈波動性減小，50 a整體趨勢不顯著，20世紀10年代末期正趨勢顯著，而20世紀00年代后期—10年代中期、30年代末期和40年代初負趨勢顯著。塔里木河流域變率的年代值較大，20世紀00年代后期—20年代中期、30年代初期和后期與40年代初期達到顯著水平。干濕的突變點分別出現在1910、1919、1927和1938年。3.5和7 a左右是此序列顯著周期。

（3）塔里木河流域干濕變化與海溫變化、大氣濤動在不同時期存在顯著相關，未來應深入研究這些相關的形成機理。本文與其他的研究得出的20世紀上半葉流域干濕總體變化特征相似，而由于數據來源、研究區和研究方法存在不同，兩者在具體結果方面存在差異。