玛纳斯河流域近30年气候要素变化研究

侯丽娜，刘慧明，王绍明

（1石河子大学生命科学学院，石河子 832003；2环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094）

自20世纪以来，全球气温不断升高，气候变暖已经成为全世界共同关注的重大国际问题［1］。目前，由气候变化而引起的冰川融化、干旱蔓延、作物生产力下降、动植物行为发生变异等影响已严重影响人类的正常生活［2］。

自20世纪80年代以来，许多学者对全球气候变化作了研究。在过去100年里，全球平均温度上升了0.7℃，并且近50年最为明显，随着两半球中纬度西风的逐渐增强，温度的上升很可能成为导致亚洲中部和北部降水增加的主要因素［3］。在全球气候变暖的趋势下，不同地区呈现出不同的响应。中国气候变化与全球变化一致，其中以干旱区最为明显，该区域对全球变化响应具有独特性，能及时、灵敏地反映气候变化，体现全球变化的早期信号。而新疆是最为突出的地区之一［4］。近50年来新疆气候也表现出增温、变湿的强劲信号［5］。新疆位于亚欧大陆腹地，远离海洋，高温少雨，蒸发量大，生态环境极其脆弱，其气候变化也具有自身的特点［6］。玛纳斯河流域发源于新疆天山北麓，准噶尔盆地南缘，并且作为典型山地－绿洲－荒漠生态系统对气候变化的响应极为灵敏，且研究气温和降水的变化特征对于玛纳斯河流域绿洲区的工农业生产、区域生态环境保护等具有重要作用［7］。

新疆内陆河气候变化的研究主要集中在塔里木河流域，并取得了丰硕成果［8－10］，而关于玛纳斯河流域气候变化的研究也相对较多［11－14］，但大部分是基于时间序列气候变化的简单探讨，且集中在径流量对气候变化的响应方面，极少涉及到对气候因子变化特征的探讨。基于此本文从气候系统要素的变化出发，分析该流域绿洲地区气候变化，气候变化的季节性差异，气候突变，旨在更深入地认识气候要素之间的关系及该区域在全球气候变暖的趋势下是如何响应的。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区玛纳斯河流域位于新疆准噶尔盆地南緣，地理位置位于东经84°42′～86°33′，北纬43°05′～45°58′，该区行政区划包括新疆兵团第八师石河子市、沙湾县、玛纳斯县、克拉玛依小拐乡、新疆兵团第六师新湖农场。本文选取玛纳斯河流域内9个气象站做为代表站，利用各站1983－2012年的逐月平均气温、平均最低气温、平均最高气温、年较差、日较差（分别用T、Tmin、Tmax、YTR、DTR 表示）年平均降水量、夏季、冬季降水量作为研究材料，从各方面阐述玛河流域的气候变化情况。

1.2 方法

研究区幅员辽阔，地形和气候复杂，气象站的覆盖率较低，由于南部上游为山区，北部为沙漠，故气象站多集中于中游经济发达，人口密集区，因此本文根据9个气象站的分布情况，利用确定代表面积数量的所谓“三角形”法［15］将整个流域划分成9个区，求出各代表站所代表的区面积权重值，用面积权重法求的整个流域的气温、降水值。其中，考察气温变化为T序列、夜间温度变化为Tmin序列、白天温度变化为Tmax序列、年较差为YTR，（YTR＝T7（max）－T1（min），即7月平均最高气温与1月平均最低气温之差）、日较差为DTR（DTR＝Tmax－Tmin，即日最高气温与最低气温之差）。为了求得各季节气温序列，取1月为冬季，7月为夏季［16］。用1983－2012年的平均值作为多年平均气温的标准化值，进行3年滑动平均，绘成标准化坐标，即正常值。

气温的变化趋势用下式进行估计：

其中，Ti为温度；ti为时间（1983－2012年）；b为现行趋势项，即线性趋势变化率，b0和b一般用最小二乘法进行估计，由方差分析检验显著性。构建如下的统计量：

其遵从分子自由度为1，分母自由度为n－2的F分布。其中U 为（1）式中t拟合T 的回归平方和；Q为残差平方和；如果（2）式中F值大于一定的临界值Fa（如a＝0.05），则可认为回归方程（1）在a＝0.05的水平上有统计学意义，也可以说，b在a＝0.05的水平上显著大于0。

图1 玛纳斯河流域9个代表气象站分布Fig.1 Distribution of 9representative meteorological stations in the Manas River Basin

2 结果与分析

2.1 气温变化特征

2.1.1 玛河流域30年年平均、年最高和年最低气温变化特征

如表1分析可见，T、Tmax、Tmin的线性变化率于春季（3－5月）呈增加趋势，秋季（9－11月）呈减少趋势，且基本呈对称性；除春、秋季节外，T、Tmin、Tmax的变化趋势基本相同，且变化率很低，维持在0.5以内。4月Tmin线性变化率为最高值，即4月（春季）对年增暖的贡献最大。月Tmin有5个月呈下降趋势，T有4个月呈下降趋势，且均集中在冬季，而Tmax仅有1个月为下降，其余均为上升趋势。

表1 年平均气温、平均最高气温、平均最低气温变化率 ［℃·（10a）－1］Tab.1 Linear trends of the annual average，maximum and minimum temperatures

2.1.2 玛河流域30年年平均气温、年平均日最高、最低气温的年际变化

2.1.2.1 年平均气温年际变化

玛纳斯河流域年平均气温非线性增暖，增长率为0.11℃／10a（图2）。气温变化明显有2个时期，第1个时期为1984－1994年，这一时期所有年份处于相对负距平，即平均气温低于6.38℃；第2时期为2006－2011年，这一时期年份均为正距平。此后气温明显平滑上升。YTR呈下降趋势，下降率为－3.2℃／10a（表2）。

图2 玛纳斯河流域1983－2011年平均气温以及5年滑动平均气温变化Fig.2 Change of the annual average temperature and its 5－year smoothed average in Manas River Basin from 1983to 2011

表2 玛纳斯河流域年平均气温的年际变化Tab.2 Decadal change of the annual average temperature in Manas River Basin

2.1.2.2 年平均日最高、日最低气温的年际变化

近30年日最高气温变化跳跃性较小（图3），如2008年和2009年，日最高气温分别为17.13、16.32℃，较年均气温值高。5年滑动最低气温曲线比5年滑动最高气温曲线平缓，5年滑动振幅由0.5℃增至0.7℃。21世纪初相对于20世纪80、90年代呈上升趋势，分别上升了3.5和1.9℃（表3），21世纪初明显高于20世纪80、90年代，2011年为最高。

图3 玛纳斯河流域1983－2012年最高气温以及5年滑动气温变化Fig.3 Change of the daily maximum temperature and its 5－year smoohed average in Manas River Basinfrom 1983to 2012

日最低气温变化与平均气温、日最高气温的年际变化总体趋势基本一致（图3）。日最低气温在1983－1996年下降，与日最高气温同时进入暖期；日最暖期为2007年以后，此时段高于最冷时段（20世纪80年代）6.8℃，此变化幅度高于平均气温、日最高气温的最暖与最冷时段的幅度。

表3 玛纳斯河流域1983－2012年日最高、最低气温的年际变化 ℃Fig.3 Decadal change of the daily maximum and minimum temperature in Manas River Basin

2.1.3 玛河流域30年冬季（1月）平均气温、平均日最高、最低气温的年际变化

2.1.3.1 冬季（1月）平均气温年际变化

1月的平均气温同年平均气温变化基本一致（图4）。最冷时段为20世纪80年代初，与年平均气温和日平均气温一致；最暖时段为21世纪00年代末，这与年最低气温的变化一致，即年最低气温20世纪80年代末增温中，1月的贡献最大。20世纪80年代是最冷时段（－16.1℃），21世纪00年代为最暖时段（－12.9℃），年代间1月平均气温相差1.6℃（表4），因此玛纳斯河流域的冬季气温自20世纪80年代以来一直呈上升趋势。

图4 玛纳斯河流域1983－2012年1月平均气温以及5年滑动变化Fig.4 Change of the monthly temperature and its 5－year smoothed average in January in Manasi River Basin from 1983to 2012

表4 玛纳斯河流域1月平均、最高、最低气温的年际变化 ℃Tab.4 Decadal change of the monthly temperature，daily maximum and minimum temperature in January in Manasi River Basin

2.1.3.2 1月平均日最高气温、日最低气温的年际变化

1月平均日最高气温变化同1月平均气温、年平均日最高气温的差异：1）月平均日最高气温呈上升趋势，但曲线波动较大，而年平均日最高气温则曲线较为平缓（图5）；2）1月最冷时期分别为20世纪80年代和21世纪00年代中期，与历年1月平均气温变化趋势相同，但却与年平均日最高气温的变化不一致；3）1月平均气温最冷时期是1月最高气温与最低共同起作用；4）1月最高气温呈上升趋势，开始较为平缓，随后较大趋势上升，并连续出现3个升温峰值；5）5月1日最高、最低气温分别出现在2009年和1984年，二者相差12.54℃。

1月平均日最低与最高气温变化曲线相似（图5）。1月平均日最低气温整体呈上升趋势，线性变化率为18.57℃／100a；在近30年中，初期和末期都有升温趋势，而中期相对初末期有下降趋势。最冷时段在20世纪80年代中期，与1月日平均最高温度的变化相同。这说明，20世纪90年代的增温是日最高和最低气温共同起作用的。1月日较差在20世纪90年代显著上升（上升率为1.6℃／10a），之后又下降，下降率为0.8℃／10a（表4）。年代间日最低温度变化较为显著，最冷为20世纪80年代，随后3个年代段分别较之上升0.6、3.1和4.5℃，呈显著上升趋势。气温最高为2009年（－10.34℃），最低为1985年（－23.36℃），二者相差13.02℃。可见，1月份的气温变化存在对称性，即日最低气温的上升幅度与日最高气温及其相似。

图5 玛纳斯河流域1983－2012年1月平均最高、最低气温以及5年滑动变化Fig.5 Change of the daily maximum and minimum temperature and its 5－year smoothed average in January in Manas River Basin from 1983to 2012

2.1.4 夏季（7月）平均气温、平均日最高、最低气温的年际变化

2.1.4.1 7月平均气温年际变化

玛纳斯河流域7月平均气温（图6）多年变化幅度比年平均气温较大，但较1月平均气温较小，其变化过程也存在着很多不同，其线性变化率为0.87℃／10a。20世纪80－90年代，7月平均气温都是上升的，上升了0.4℃，而全年平均气温上升了1.3℃，1月平均气温上升了1.3℃；20世纪90年代－21世纪00年代7月平均气温上升，这与全年的平均气温和1月的平均气温变化相同；玛纳斯河流域7月份的极值点温度分别为21.36和27.79℃。表5中玛纳斯河流域的7月平均气温表明：20世纪80年代中期气温有所上升，1987－2001年变化幅度不大，变化幅度仅在0.4℃以内，20世纪90年代气温回升末期下降，随后21世纪00年代一直呈上升状态，增温的幅度还是略小于1月平均气温。2011－2012年时段与20世纪80年代比增温幅度小于全年平均气温、1月平均气温。

图6 玛纳斯河流域1983－2012年7月平均气温以及5年滑动变化Fig.6 Change of the monthly temperature and its 5－year smoothed average in July in Manas River Basin from 1983to 2012

表5 玛纳斯河流域7月平均、最高、最低气温的年际变化 ℃Tab.5 Decadal change of the monthly temperature，daily maximum and minimum temperature in July in Manas River Basin

2.1.4.2 7月平均日最高气温、日最低气温的年际变化

由图7可见，玛纳斯河流域7月平均日最高气温变化与其平均气温变化有些相似，相反，同1月平均日最高气温却有些差异。7月平均日最高气温线性变化率为1.3℃／10a，最高气温2008年35.57℃，最低气温2003年26.73℃。1987－2001年7月气温较为平稳，2003年后升温较快。与1月年际气温变化相同，7月日最高气温的最低年代为20世纪80年代，随后3个年代较之分别增温0.32、1.39和4.34℃（表5）。夏季的最高气温变化较平缓，有升温趋势，2011－2012年是年代间最高时段。

7月平均最低气温（图7）同7月的平均气温、平均日最高气温，整体变化趋势相似。线性变化率为0.82／10a；5年滑动曲线较平，接近直线。20世纪80年代末到21世纪00年代初呈上升趋势，21世纪00年代初到中期呈略微下降，而随后呈上升趋势。气温最低位20世纪80年代，随后逐渐增加，20世纪90年代较之升温0.51℃，21世纪00年代较之升温0.81℃，2011－2012年较之增温2.75℃（表5）。

图7 玛纳斯河流域1983－2012年7月平均最高、最低气温以及5年滑动变化Fig.7 Change of the daily maximum and minimum temperature and its 5－year smoothed average in July in Manas River Basin from 1983to 2012

2.2 玛河流域30年降水量变化的基本特征

由图8所示，近30年来玛纳斯河流域降水量略呈增多趋势，冬季降水量变化波动较小，但与年平均降水量变化趋于一致。年平均降水量、夏季、冬季降水量都呈逐渐增加趋势。可见玛纳斯河流域的冬夏季节降雨的增加量都比较均衡。年均降水量与冬季降水量变化较为相似，而夏季降水量变化与年均降水量变化相比，自2001－2007年出现明显的相反变化趋势，夏季降水量时增时减，变化不稳定。

图8 玛纳斯河流域1983－2012年年平均、夏季、冬季降水量变化Fig.8 Change of the year and summer，winter rainfall and its 5－year smoothed average in Manas River Basin from 1983to 2012

2.3 玛河流域30年降水量与气温相关性分析

图9为玛纳斯河流域年平均气温与年降水量、典型月份（1、7月）平均气温与降水量间的相关分析。可见，降水量与气温之间均存在一定的相关关系。其中，全年、1月、7月气温以及降水量均呈上升趋势，R 值分别为0.83467、0.98051、0.80176，分别在ɑ＝0.01和ɑ＝0.05时达到显著水平。

图9 气温与降水量相关性分析Fig.9 Correlation analysis with temperature and rainfall

3 讨论

玛纳斯河流域气温处于逐渐变暖状态，21世纪初00年代平均气温较20世纪80和90年代有所提高；20世纪80－90年代提高幅度为1.3℃，明显低于21世纪初00年代与其差值2.8℃；21世纪初的00年代比20世纪90年代增温1.5℃，这些均大大超出全球平均气温增幅（0.6 ℃）［3］。2001－2010年平均气温最高，为近30年最高时期。可见该流域在20世纪90年代持续变暖，与全国气温变化趋势一致。1月平均气温线性变化率为16.4℃／100a，较中国冬季增温率（0.3℃／10a）［17］高。1月平均日最高气温整体呈增加趋势，最暖为2011－2012年，为－7.8℃，最冷为1983－1990年，低于最暖时段4.2℃（表4）。这表明该流域1月平均日最高气温变化同全国日最高气温变化相比［17］，有一定的差异。

4 结论

1）玛纳斯河流域年平均气温、平均最高气温、平均最低气温的线性变化率春季（3－5月）呈增加趋势，秋季（9－11月）呈减少趋势，且基本呈对称性；除春、秋季节外，T、Tmin、Tmax的变化趋势基本相同，且变化率很低；年平均日最高气温对年平均气温的影响大于年平均日最低气温对年平均气温的影响。流域冬季（1月）平均日最低气温增温大于年平均气温、年平均日最低气温，1月日最高气温波动相对较大，但整体呈上升趋势。

2）玛纳斯河流域夏季（7月）平均日最低气温、平均日最高气温、平均气温都呈上升趋势，且平均日最低气温与平均气温的10年增温率相同，远低于平均最高气温。

3）玛纳斯河流域冬、夏季的年最低气温增长率大于低于最高气温增长率。如夏季前者增长率为0.82／10a，而后者为1.3 ℃／10a，前者约为后者1／2，其结果导致日较差增加。

4）玛纳斯河流域的年平均降水量与冬季降水量变化趋势较为相似，年平均降水量每10年增加量几乎相同，无太大变化。

5）玛纳斯河流域气温变化与降水量呈显著正相关。

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