近48年新疆博州地区气候变化趋势的分析

杨勇,普宗朝,张山清,沙拉木

(1新疆博州气象局,博乐833400;2乌鲁木齐市气象局,乌鲁木齐 830001)

近48年新疆博州地区气候变化趋势的分析

杨勇1,普宗朝2,张山清2,沙拉木2

(1新疆博州气象局,博乐833400;2乌鲁木齐市气象局,乌鲁木齐 830001)

采用线性回归、Molet小波和Mann-Kendall突变检测等方法,对博州地区所辖4个气象台站1961-2008年的年平均气温、降水量、日照时数和平均风速以及年潜在蒸散量和湿润指数等要素的变化趋势和变化特征进行了分析,结果表明:1)近48年博州地区年平均气温、降水量呈升高(增多)趋势,日照时数和年平均风速呈减少(小)的趋势;2)博州地区潜在蒸散量与年平均气温、日照时数和平均风速呈极显著的正相关关系,而与年降水量呈极显著的负相关关系,受其综合影响,潜在蒸散量呈减小趋势而湿润指数呈增大趋势;3)博州地区年平均气温、降水量和湿润指数分别在1972年和1971年发生了突变性的升高,年日照时数、平均风速和潜在蒸散量分别于1979年、1970年和1978年发生了极显著的突变性减小,综合气温、降水和湿润指数的突变特征,可以认为,博州地区气候在1971-1972年发生了“暖湿化”的突变;4)各气候要素和潜在蒸散量、湿润指数分别存在不同时间尺度的周期性变化。

新疆博州地区;气候;变化趋势;潜在蒸散量;湿润指数

Abstract:Based on the climatological data between 1961 and 2008 from four meteorological stations in Bortala region,the fundamental change characteristics of various climatic elements were analyzed by using linear regression,wavelet analysis and abrupt in the Botala region in the last 48 years.Main results are as follows:1)The annual mean temperature and precipitation are increasing,but the annual sunshine hours and wind speed are decreasing;2)Correlation analysis show that there are significant positive correlation between potential evapotranspiration and the annual average temperature,annual sunshine hour and average wind speed,and there are significant negative correlations between potential evapotranspiration and annual rainfall.In the comprehensive influence of climatic factors,the potential evapotranspiration are significantly decreasing and surface humidity index are increasing;3)The annual mean temperature,precipitation and surface humidity index had the discontinuity ascension in 1972 and 1971,the hours of sunshine,average wind speed and the annual potential evapotranspiration had discontinuity reducing in 1979,1970 and 1978 respectively.To sum up,the sudden change characteristic of temperature,precipitation and surface humidity index,the climate in the Bortala region occurred the sudden change of“warm-wet”in 1971-1972;4)Various climatic element had the cyclical change of the different time criterion respectively.

Key words:Bortala region of Xinjiang;climate;variation trend;potential evapotranspiration;surface humidity index

全球气候变暖的趋势已成为事实[1],但许多研究[2-9]表明,近40多年新疆大部分地区因气温上升、降水增多而表现出不同程度的“暖湿化”趋势,这对改善新疆脆弱的生态环境具有重要意义[4]。但事实上,对降水稀少、蒸发强烈、极度干旱的新疆,仅考虑温度、降水等单一气候要素的变化,难以客观描述该地区气候的温、湿变化特征。因此,在对各气候要素变化趋势和变化特征研究分析的基础上,探讨能够综合体现温、湿气候条件和水分收支平衡特征的潜在蒸散量和地表湿润指数[10]的变化对新疆生态环境的保护和农牧业生产的指导意义更为深远。

博尔塔拉蒙古自治州(简称博州地区)位于新疆维吾尔自治区西北边缘准噶尔盆地西南部,地理坐标 E79°53′～83°53′,N44°02′～45°23′,海拔高度 189～4569 m,总面积2.7万 km2,辖博乐市、精河县、温泉县、阿拉山口口岸行政管理区,是我国连接中亚和欧洲各国及向西开放国际贸易大通道的前沿基地。博州地区地貌特征大致由南北两侧山地、中部博尔塔拉河谷地和东部艾比湖盆地三大单元组成。受复杂的地形地貌和多样的下垫面状况的影响,各地气候差异显著。近年,针对博州地区温度或降水等气候要素的变化趋势和变化特征已有一些研究[3,9],但关于该地区近几十年光、温、湿、风等多气候要素变化规律及对潜在蒸散量和地表湿润指数等复合气候指标变化特征影响的相关报道,目前还很少见。因此,全面、客观地分析近半个世纪以来博州地区的气候变化趋势和变化规律,对适应气候变化,采取趋利避害的生态环境保护和农牧业生产管理技术措施具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

选取博州地区境内的阿拉山口、博乐、温泉、精河等4个资料序列完整且具有较好代表性的气象台站1961-2008年逐年(月)气候资料,进行气候要素变化趋势、特征以及潜在蒸散量和地表湿润指数的计算和分析。并将4站各要素序列的平均值代表近48年博州地区气候变化信息的时间序列。

1.2 方法

1.2.1 气候变化趋势分析方法

通常用一次直线方程来描述气候要素的变化趋势[4],即

其中,t为年序,a为线性方程的斜率,也就是气候要素的线性变化趋势和速率。a为正(负)表示增加(减小)趋势,零表示无变化趋势,并将 a×10年定义为气候倾向率,单位为℃/10年、mm/10年或 h/10年等,b为常数,可通过最小二乘法求取。

1.2.2 湿润指数的计算方法

湿润指数是表征1个地区气候干湿程度的重要指标,一般以降水量与潜在蒸散量的比值来表示[10],即:

其中,K为干燥度;P为降水量(mm);PE为潜在蒸散量(mm)。

由于湿润指数综合考虑了水分的收支和热量平衡,因此,具有较气温、降水、日照、风速等单一气候因子更优越的指示意义。

潜在蒸散量的计算方法很多[11-18],其中 Penman-Monteith公式由于具有较充分的理论依据,且计算精度较高,因此,1998年联合国粮农组织将该公式推荐为计算潜在蒸散量的标准方法,近年来在世界各地得以广泛应用[11-12,15,18]。本文也利用该公

式进行博州地区潜在蒸散量的计算和分析。

1.2.3 气候要素的周期性分析方法

由于小波分析在时频两域都具有表征信号局部特征的能力,可以对信号进行多尺度细化分析,同时,它还具有数学意义上的严格的突变点诊断能力,因此,被誉为“数学显微镜”。近年来小波分析在气候系统的多时间尺度分析研究中有较多应用,本文采用Morlet小波研究分析博州地区近48年的年平均气温、降水量、日照时数、风速以及潜在蒸散量和湿润指数等要素的特征尺度和变化周期[19]。

1.2.4 气候突变分析方法

气候突变是指在短时期内由一种相对稳定的气候状态过渡到另一种气候状态的变化,它是气候系统非线性性质的一种表现。检验气候突变的方法有多种,本文采用检测范围宽、定量化程度高,且被广泛认为理论基础和应用效果均较好的Mann-Kendall方法[20],对新疆博州地区近48年年平均气温、降水量、日照时数、风速以及潜在蒸散量和湿润指数等要素进行突变检测。

2 结果

2.1 气候要素的年际和年代际变化

2.1.1 平均气温

虽然博州地区4站年平均气温差异明显,但其变化趋势基本一致(表1)。线性趋势分析结果表明,近48年,各站年平均气温分别以0.188～0.443℃/(10年)的倾向率上升,明显大于近40年全国平均增温速率[21]0.04℃/(10年),这说明全球变暖的大背景和大尺度的天气、气候变化是影响该地区气温变化的主要因素。4站平均气温上升的倾向率为0.316℃/(10年),达到了α=0.001的极显著水平。48年里博州地区年平均气温已升高了1.5℃,见图1a。

气温的年代际变化也呈递增之势(表2),其中1960年代、1970年代和1980年代气温总体较低,分别为6.2、6.5和6.7℃,均低于48年平均值6.8℃,1990年代以来气温上升速率加快,1990年代平均气温7.1℃,较1980年代上升了0.4℃,2001-2008年平均气温7.6℃,较1990年代又升高了0.5℃。

2.1.2 降水量

尽管博州地区各站年降水量差异明显,但其变化趋势基本一致。线性趋势分析结果表明:近48年,各站年降水量均分别以7.610～23.689 mm/(10年)的倾向率增多(表1)。4站平均年降水量增多倾向率为13.555 mm/(10年),达到了0.01的显著水平。48年间博州的年降水量已增加了65.1 mm(图 1b)。

从近48年博州地区降水量的年代际变化(表2)可知,1960年代和1970年代降水较少,分别只有135 mm左右,低于48年平均降水量(157.1 mm),1980年代以来降水有所增加,1980年代和1990年代分别为166.7 mm和158.2 mm,2001-2008年的年平均降水量增加明显,达197.2 mm。

表1 近48年博州地区4站各气候要素变化倾向率Tab.1 The change tendency rate of various climate elements in Bozhou region in recent 48 years

表2 博州地区气候要素的年代际变化Tab2.The decadal changes of various climate elements in Bozhou region

2.1.3 日照时数

博州地区光照充足,全州多年平均日照时数2673.6 h。线性趋势分析结果(图1c)表明,近48年,博州地区各站年日照时数均分别以-57.689～-68.420 h/(10年)的倾向率减少,见表1;4站平均以-63.191 h/(10年)的倾向率呈极显著的减少趋势。

1960和1970年代日照时数相对较多,为2780 h左右;1980和1990年代减少明显,分别降至2650 h和2573.9 h,2001-2008年略有减少,为2567.2 h(表2)。

2.1.4 平均风速

博州地区各站风速差异明显,阿拉山口站年平均风速高达5.8 m/s,博乐、温泉和精河站风速相对较小,分别为1.7～2.2 m/s,但其变化趋势基本一致。线性趋势分析(表1)表明,近48年,各站年平均风速分别以-0.213～-0.313((m/s)/10年)的倾向率减小。4站平均年均风速减小倾向率为-0.268((m/s)/10年),达到了0.001的极显著水平。48年里博州地区年平均风速已减小了1.3 m/s(图 1d)。

从近48年博乐地区年平均风速的年代际变化(表2)可知,1960年代最大,为 3.4 m/s,1970年代降至3.0 m/s,1980年代为2.9 m/s,1990年代风速减小明显,降至2.4 m/s,2001-2008年平均仍稳定在2.4 m/s。

图1 近48年博州地区气候要素的年变化Fig.1 Change tendency of various climatic element in Bozhou region in recent 48 years

2.1.5 平均潜在蒸散量

48年来,博州地区各站年潜在蒸散量均分别以-20.62～-38.914 mm/(10年)的倾向率减小,4站平均以-31.978 mm/(10年)的倾向率呈极显著递减趋势(图1e),48年里博州地区平均年潜在蒸散量已减少了153.5 mm。统计分析博州地区4站1961-2008年的潜在蒸散量(样本数 n=192)与同期年平均气温、降水量、日照时数、平均风速、空气相对湿度等要素的相关关系,可以发现,潜在蒸散量与年平均气温、日照时数和平均风速分别以0.6486、0.8308和0.9615的相关系数呈极显著(α=0.001)的正相关关系,与年降水量以-0.5276的相关系数呈极显著的负相关关系,而与其它要素的相关性不显著。这说明,影响潜在蒸散量变化的气候因素是复杂多样的。近48年,尽管博州地区平均气温呈上升趋势,但由于风速、日照时数减小和降水量增多对潜在蒸散的减少作用补偿了气温升高的影响,导致潜在蒸散量总体呈极显著的减小趋势。

从近48年博州地区年潜在蒸散量的年代际变化情况(表2)来看,其变化总体呈逐年代递减之势,1960、1970、1980和1990年代的潜在蒸散量分别为1256.1、1234、1209.6mm 和 1139.2mm,但 2001-2008年平均较1990年代略增,为1495.2 mm,48年平均年潜在蒸散量为1198.9 mm。

2.1.6 平均湿润指数

受年降水量和潜在蒸散量变化的共同影响,近48年博州地区各站湿润指数均分别以0.008～0.033/(10年)的倾向率增大,4站平均以0.015/(10年)的倾向率呈显著性递增趋势(图1f),48年里博州地区年平均湿润指数已增大了0.072。从1961-2008年博州地区湿润指数的年代际变化来看,总体表现为持续递增,各年代及2001-2008年平均湿润指数分别为 0.109、0.1113、0.1386、0.1409、0.1735,1961-2008年平均湿润指数为0.133(表2)。近48年博州地区气温升高,降水增多,日照时数减少,风速减小,潜在蒸散减少,湿润指数增大,气候呈较明显的“暖湿化”趋势。

2.2 各要素周期变化

2.2.1 年平均气温

由图2a可见,9年和23年的振荡周期贯穿了该地区近48年气温变化的始终,另有3～5年的周期变化。受不同尺度变化周期叠加的综合影响,70年代初出现了气温由下降转为总体升高的转折。

2.2.2 年降水量

由图2b可见,博州地区年降水量主要存在16、11、6～8年以及3年的周期变化,其中,16年的年代际周期最为明显。受不同尺度变化周期叠加的影响,70年代初出现了降水由偏少转为总体偏多的较明显的转折。

图2 博州地区各气候要素Morlet小波系数实部等值线Fig.2 The real part of Morlet wavelet coefficients of various climate elements in Bozhou region in recent 48 years

2.2.3 年日照时数

近48年,博州地区年日照时数主要存在6年和3年的变化周期,其中6年的周期更为明显,另外,自1970年代初至2008年还出现了12年和16年相互叠加的年代际尺度的周期变化(图2c)。

2.2.4 年平均风速

由图2d可见,博州地区年平均风速主要存在23年的年代际尺度变化周期。另外,1980年代中期以来,16年的周期也有所显现。

2.2.5 年潜在蒸散量

博州地区年潜在蒸散量主要存在3、6～8、11和23年的周期变化,另外,1980年代中期以来16年的周期也有所显现(图2e)。对比潜在蒸散量与各气候要素的变化周期可以看出,潜在蒸散量的较长尺度的周期变化(23和16年)与气温和风速基本一致,而中、短尺度(3、6～8年和11年)的变化周期则主要受降水、日照的影响。

2.2.6 湿润指数

由图2f可见,博州地区湿润指数主要存在16年、11年、6年～8年和3年的周期变化,其小波结构与降水量几乎完全一致(图2b),而与潜在蒸散量大体相反(图2e)。不同尺度变化周期的叠加,导致1970年代初出现了湿润指数由下降转为总体上升的较明显的转折。

2.3 各要素突变检测

利用 Mann-Kendall方法分别对博州地区1961-2008年年平均气温、降水量、日照时数、风速、潜在蒸散量和湿润指数等要素进行突变检测,结果表明,期间年平均气温、降水量分别在1972年、1971年发生了显著(α=0.01)的突变性升高,年日照时数、平均风速分别于1979年和1970年发生了极显著(α=0.001)的突变性减小,受上述各要素变化的综合影响,潜在蒸散量于1978年发生了极显著的突变性减小,而湿润指数于1971年发生了极显著的突变性增大(图略)。这与各要素小波分析结果基本一致。综合气温、降水和湿润指数的突变特征,可以认为,博州地区气候在1971-1972年发生了“暖湿化”的突变。

3 结论

1961-2008年,博州地区年平均气温以0.316℃/(10年)的线性倾向率上升,年降水量以13.555 mm/(10年)的倾向率增多,年日照时数以-63.191 h/(10年)的倾向率减少,年平均风速以-0.268 m/(s/(10年))的倾向率减小,潜在蒸散量以-31.978 mm/(10年)的倾向率减小,湿润指数以0.015/(10年)的倾向率增大。综合各气候要素的变化特征,可以认定,在全球变暖背景下,近48年博州地区气候总体呈现较明显的“暖湿化”变化,并且该变化还于1971～1972年发生了“暖湿化”的突变。另外,周期分析表明,1961-2008年,博州地区各气候要素都具有3-23年不同尺度的周期变化特征。

4 讨论

1)本文分析结果表明,近48年博州地区气候呈较明显的“暖湿化”趋势,这与新疆大多数地区的气候变化趋势基本一致[2-9]。但博州地区气候发生“暖湿化”突变的时间却与文献[22]提出的“西北地区气候在1987年前后发生了由暖干向暖湿转变”的论述有一定差异。其原因,很可能是研究区域和研究时段不同所致,这也说明,各地气候变化具有区域性特征。

2)博州地区气候的“暖湿化”变化有利也有弊:一方面气候变暖使农业热量资源更加丰富,作物生长季延长,有利于农业复种指数和作物品种熟性的提高,增加农产品产量和农业经济效益;与此同时降水增多、潜在蒸散量减少、空气相对湿度和湿润指数的增大可增加农业水资源量、减少作物需水量,提高水资源利用率。但另一方面气候的“暖湿化”变化将使许多农作物害虫的发生世代、发生数量和发生面积增大,病害的菌源基数增加,导致病虫害对农牧业生产的危害进一步加剧;另外,气候变暖将导致干热风和高温热害等高温型农业气象灾害发生的频次增加,对喜凉作物将产生不利影响。

3)值得说明的是,博州地区地域辽阔,地形地貌复杂,气候类型多样,但气象台站稀疏且分布不均,用仅有的4个台站的气候资料难以客观真实地体现全地区气候变化的事实。因此,在加密气象监测站网建设的同时,重视“GIS”等现代高新技术在气候要素精细化空间分布中的应用,是增强对博州地区气候变化时空分布规律认知度,提高气候变化趋势预测准确性的必然趋势。

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An Analysis of the Climatic Change in the Bortala R egion in the Last 48 Years

YANG Yong1,PU Zongchao2,ZHANG Shanqing2,SHA Lam2
(1 Bortala Mongol Autonomous Prefecture Meteorological Bureau of Xinjiang,Bole 833400,China;2 Urumqi Meteorological Bureau of Xinjiang,Urumqi 830001,China)

P467

A

1007-7383(2010)04-0446-07

2009-12-08

新疆气象局科研项目(200708)

杨勇(1965-),男,工程师,从事气候变化与地面气象探测研究;e-mail:yy8885993@sohu.com。