1955-2012年南北疆气温、降水及相对湿度趋势分析
2015-04-10杨太保
何 毅, 杨太保, 陈 杰, 冀 琴, 徐 旻
(兰州大学 资源环境学院 冰川与生态地理研究所, 兰州730000)
1955-2012年南北疆气温、降水及相对湿度趋势分析
何 毅, 杨太保, 陈 杰, 冀 琴, 徐 旻
(兰州大学 资源环境学院 冰川与生态地理研究所, 兰州730000)
利用新疆境内的12个国家标准气象站1955—2012年温度、降水和相对湿度数据，通过气候趋势分析、气候突变分析及Morlet小波分析等方法，研究近60 a来南北疆气候变化特征。结果表明：1) 近60 a来南北疆的温度总体呈上升趋势，并以北疆增温幅度较南疆明显；不同温度指标的增幅大小排列为：年平均最低温度(Tmin)>年平均温度(Tmean)>年平均最高温度(Tmax)；2) 南北疆的年平均温度(Tmean)、年平均最高温度(Tmax)、年平均最低温度(Tmin)均有突变发生。其中，北疆的突变时间均在1987—1989年，南疆的突变时间均在1993—1994；3) 南北疆年降水量的变化趋势不如气温变化明显，总体上呈增加趋势，北疆降水量变化相对稳定，而南疆呈增加趋势；南疆的年均降水量在1981年发生突变；而北疆的正反序列曲线均未超过95%置信度线，未出现突变点；4) 北疆年均相对湿度总体上呈减少趋势，而南疆总体上呈增加趋势；南北疆相对湿度总体经历了“增加—减少—增加—减少”的变化。从全区来看，进入21世纪南北疆相对湿度均急剧减少；5) Morlet小波分析结果显示，南北疆的气温均存在4 a和8 a的明显周期，降水量、相对湿度均存在3 a，6 a和16 a左右的周期变化规律。
气候变化; 温度和降水; 相对湿度;Morlet小波分析; 南北疆
气候变化将对人类生存环境、经济发展和社会进步产生深远的影响，因而成为各领域研究的热点和重点问题[1-3]。IPCC第四次评估报告显示，到21世纪末，全球地表将平均增温1.1～6.4℃[4]。但各地的升温幅度并不完全相同。一般认为，北半球大于南半球，高纬度地区大于低纬度地区[5-6]。同一纬度地区，因受地形等多种因素的影响，各区域的升温幅度也存在着一定的差异。近年来，我国乃至全球气候灾害严重，气候变化加剧，极端天气出现频率增加[7-8]，尤其雅江源区升温特别显著[9]。研究指出，随着气候变暖，干旱、半干旱地区将遭受降水和水资源的进一步减少[10]。在全球气候变暖的背景下，我国西北地区气候也发生了很大变化，由暖干向暖湿转型[11-12]。新疆位于西北地区，属于典型的干旱、半干旱气候，水汽来源少，水资源匾乏。独特的降水时空分布特征对水资源形成和生态环境产生了十分明显的影响[13]。近些年，新疆的气候发生了较明显的变化，大部分地区出现气温升高、降水增多，气候总体呈“暖湿化”趋势[14-15]。虽然新疆气候变化与中国西北地区气候变化趋势基本一致，但由于新疆复杂的地形分割作用，而产生区域气候的差异，必将导致在同一全球气候变化背景下新疆不同地区的气候变化特征不会完全相同。因此，我们将新疆省划分为南北疆来揭示其气候变化特征，对于指导当地农林业发展以及制定应对区域气候变化的战略和行动计划更具有重要的理论和实践意义。
1 研究区概况
新疆维吾尔自治区位于中国的西北部，是我国行政面积最大的省区。自北向南分别是：阿尔泰山，准格尔盆地，天山，塔里木盆地，昆仑山。新疆沙漠广布，以温带草原带为主，远离海洋，四周高山环抱，是典型的温带大陆性干旱气候，年平均气温10.4℃，年均降水量188.1 mm，是全国降水量最少的地区。夏季高温、干旱少雨；冬季寒冷，昼夜温差大。新疆三大山脉的积雪、冰川孕育汇集为500多条河流，分布于天山南北的盆地，其中较大的有塔里木河(我国最大的内陆河)、伊犁河、额尔齐斯河(流入北冰洋)、玛纳斯河、乌伦古河、开都河等20多条，河流流量季节变化比较大，夏季径流量大，补给水源为高山冰雪融水，冬季净流量小。农业类型以绿洲农业和灌溉农业为主；植被以干旱半干旱草原、亚寒带针叶林和温带落叶阔叶林为主，但是因为新疆有很多山地，山地的植被随海拔的变化而变化，垂直自然带明显。本文利用新疆境内的12个国家标准气象站1955—2012年的温度、降水和相对湿度资料，研究近60 a 来南北疆的年际变化、气候突变特征及周期性分析；在此基础上，综合比较南北疆之间的气候变化特征。以其为南北疆适应气候变化对策的制定提供科学依据。
2 试验材料与方法
2.1 数据来源
气象数据由中国气象科学数据共享服务网提供(http:∥cdc.cma.gov.cn)，选取分布在新疆境内的12个国家标准气象站(北疆5个，南疆7个)1955—2012年温度、降水和相对湿度资料研究新疆南北气候的变化特征。
2.2 处理方法
2.2.1 数据分析和处理 采用回归分析(Regression Analysis)揭示气候变化规律；利用SPSS 18.0和Excel统计软件分析气象数据；运用ArcGIS 10和Origin 8.1绘制新疆南北气象各站点分布简图及气候变化图。趋势分析采用一元回归求取线性趋势的方法，做出年际变化曲线、气候倾向率。
2.2.2 气候倾向率 气象要素y的长期变化趋势采用线性回归方程来描述，计算公式：
yi=a+bti
式中：t——年份序列号(i=1，2，…，n)；a——回归常数；b——回归系数。回归系数b的符号表示气候变量x的趋势倾向。当b>0时，说明随时间t的增加，x呈上升趋势；当b<0时，说明随时间t的增加，x呈下降趋势。b值表示上升或下降的倾向程度，通常称为倾向值，其大小反映了上升或下降的速率，这种方法叫做线性倾向估计。yi表示气象要素的拟合值；bt10称为气候倾向率，表示气象要素每10 a的变化率。
2.2.3 气候要素变化趋势的显著性检验及突变检测 采用Mann-Kendall(M-K)法研究气温和降水量变化趋势的显著性及突变情况[16]，其公式如下：
式中：Zc——秩相关系数；τ——检验统计变量；p——数据序列所有对偶观测值(Rj,Ri,j 在M-K检验中，若统计量|Zc|≤Z(1-α/2)，则认为序列没有显著趋势；当Zc 2.2.4 小波分析 小波分析是一种时、频多分辨率分析方法，是时间和频率的区域变换，能有效的从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化。用来做小波变换的小波有好几种，这里简单采用Morlet能谱小波函数，具体方法如下： Ψ(t)=e-2πitexp[-(2π/kΦ)2|t|2] 小波变换系数为： 式中：ξ(t＇,a)——小波系数；f(t)——时间序列；Ψ*——Ψ的共轭函数[17]。 3.1 气温年际变化特征 对南北疆逐月观测数据进行整理，获得年际尺度温度数据，绘制气温变化图，运用一元线性回归拟合气温变化趋势，分析南北疆年平均气温(Tmean)、年平均最高气温(Tmax)和年平均最低气温(Tmin)变化趋势，结果见图1，图2和图3。 由图1可知，1955—2012年期间，北疆年均气温为6.7 ℃，年均最高气温为13.5 ℃，年均最低气温为0.7 ℃；南疆分别为10.3 ℃，17.8 ℃和3.5 ℃，可以看出，南疆总体温度较北疆高。年际尺度上南北疆的年平均气温(Tmean)、年平均最高气温(Tmax)和年平均最低气温(Tmin)总体上呈上升趋势，均通过p<0.05显著性检验，并且年际温度最大值均发生在2000之后，这与国内学者研究[18]提出的我国进入21世纪以后处于较温暖阶段的结论相吻合。南北疆增温幅度总体均表现为Tmin>Tmean>Tmax，但北疆增温幅度较南疆明显(表1)。由10 a趋势滑动分析结果可知，北疆Tmean，Tmax和Tmin均经过5次波动，在1965，1985，1989，1998，2007年达到波峰，在1954，1970，1984，1994，2002年达到波谷。南疆Tmean和Tmax均经过6次波动，在1963，1972，1978，1990，1999，2007年达到波峰，在1961，1967，1975，1986，1994，2002年达到波谷；而Tmin经过4次波动，在1973，1980，1988，2006年达到波峰，在1969，1975，1984，1993年达到波谷。说明南北疆的气温变化存在波动性差异。 图1 南北疆温度逐年变化特征 表1 南北疆年际温度变化及其突变点分析 注：***表示P<0.001。 从各年代来看(表2)，总的来说南北疆气候变化总趋势以变暖为主，20世纪80，90年代以来气温有明显上升，Tmean，Tmax和Tmin逐年代都在增加，70年代与60年代相比略有增加。Tmean，Tmax和Tmin在各年代增温幅度也都呈现Tmin>Tmean>Tmax；南北疆对比来看，Tmax增温幅度均是北疆快于南疆，Tmean和Tmin增温幅度在80，90年代北疆显著，而70年代和21世纪南疆显著。 表2 各年代平均气温、平均最高气温和平均最低气温分别与60年代的差值 ℃ 南北疆的气温M-K显著性检验显示，整体升温趋势明显，北疆年平均气温1977年出现了增加趋势，1989年之后达到了显著水平，而南疆年平均气温1979年出现了增加趋势，1990年之后达到了显著水平；南北疆的气温M-K突变检测显示(图3)，北疆年平均气温(Tmean)、年平均最高气温(Tmax)和年平均最低气温(Tmin)的正序列曲线在20世纪末期均超过95%置信度线，而南疆其正序列曲线在2005年之后超过95%置信度线，且它们正反序列曲线在置信度区间内均存在一个交叉点(图3)，显示出南北疆均有突变发生，但发生突变的时间有所不同，以北疆地区发生较早，约在1990年前1～2 a左右，与锡林浩特市地区相一致[19]。南疆则在1995年前1～2 a左右(图3)，表明北疆先进入了一个相对偏暖的气候状态。 (上下两虚直线为α=0.05显著性水平临界值信度线；带圆点的实线为正序列；带三角的实线为反序列)，下图同。 3.2 降水量年际变化特征 对新疆南北逐月观测数据进行整理，获得年际尺度降水量数据，绘制降水变化图，运用一元线性回归拟合降水变化趋势，分析南北年均降水量变化趋势，结果见图4和图5。由图4可知，1955—2012年，南北疆年降水量的变化趋势不如气温变化趋势明显，总体上来看呈现增加趋势，分别为35.96 mm/10 a和54.51 mm/10 a,以北疆增幅较南疆大；由10 a趋势滑动分析结果可知，北疆年均降水量经过3～4次大的波动。而南疆年均降水量波动性频繁，规律性较差。 图3 新疆南北降水量逐年变化特征 从各年代来看(表3)，北疆降水量总体变化相对稳定，而南疆在各个年代都呈现增加趋势。南北疆降水量M-K突变检测显示(图4)，南疆的正序列曲线在20世纪90年代中期超过95%置信度线，且正反序列曲线在置信度区间内存在一个交叉点(图4)，出现在1981年，表明南疆在1981年发生突变；而北疆的正反序列曲线均未超过95%置信度线，未出现突变点。 表3 各年代年均降水量和相对湿度与60年代的差值 图4 1955-2012年新疆南北降水量的Mann-Kendall 突变检测 3.3 相对湿度年际变化特征 对新疆南北逐月观测数据进行整理，获得年际尺度相对湿度数据，绘制相对湿度变化图，运用一元线性回归拟合相对湿度变化趋势，分析南北疆年均相对湿度变化趋势，结果见图5和图6。 由图5可知，从总体上来看，1955—2012年北疆年均相对湿度呈下降趋势，而南疆呈上升趋势；由10 a趋势滑动分析结果可知，北疆年均相对湿度经过4次大波动，在1960，1971，1989，2003年达到波峰，在1963，1976，1997，2012年达到波谷；南疆年均相对湿度也经过4次波动，在1962，1975，1992，2002年达到波峰，在1966，1983，1992，2009年达到波谷。 图5 新疆南北相对湿度逐年变化特征 从各年代来看(表3)，北疆相对湿度总体经历了“减少—增加—减少—减少”的变化，而南疆经历了“增加—减少—增加—减少”的变化。从全区来看，进入21世纪南北疆相对湿度均急剧减少。 南北疆相对湿度M-K突变检测显示(图6)，南北疆的正反序列曲线均超过95%置信度线，并且正反序列曲线在置信度区间内存在一个交叉点(图6)，分别出现在1958年和1969年，表明南疆在1958年发生突变，而北疆在1969年发生突变。 3.4 周期性分析 3.4.1 气温周期性 采用Morlet小波对南北疆1955—2012年气温多时间尺度进行了分析。图7、8为小波变换系数实部在时—频域及小波方差分布图。从图7中可以看出北疆的气温演变均存在着4 a，8 a和14 a的周期变化规律，但年均最高气温还存在30 a的周期，在8 a左右的尺度上，周期变化具有较好的连续性，经历了4个气温增大、减小的交替时期；而在14 a左右的尺度上，气温的演变时域上的连续性较差，经历2次比较明显的一个正值区和一个负值区组成的准一次振荡。还可以看出不同时段各时间尺度的信号强弱分布，其中贯穿于整个时间域8 a左右的尺度信号最强，此外，14 a尺度的信号也较强，周期变化最为明显，且连续性强；其次是4 a尺度信号；其余则较弱。这表明北疆的气温在4 a，8 a和14 a时间尺度范围内存在比较明显的周期变化。 图6 1955-2012年新疆南北相对湿度的Mann-Kendall 突变检测 图7 北疆的温度Morlet小波换小波系数实部的时频分布 从图8中可以看出南疆气温演变均存在着8 a和28 a的周期变化规律，但年均最高气温不存在28 a的周期，在28 a左右的尺度上，气温的演变时域上的连续性较差，经历2次比较明显的一个正值区和一个负值区组成的准一次振荡。贯穿于整个时间域8 a左右的尺度信号最强，周期变化最为明显，且连续性强。 这表明南疆的年均气温和年均最高气温在8 a和28 a时间尺度范围内存在比较明显的周期变化，而最低气温只存在8 a的明显周期。 图8 南疆的温度Morlet小波换小波系数实部的时频分布 3.4.2 降水量周期性 采用Morlet小波对南北疆1955—2012年降水量多时间尺度进行了分析。图9为小波变换系数实部在时—频域及小波方差分布图。从图9中可以看出北疆降水量演变均存在着3 a，6 a，16 a及40 a左右的周期变化规律，在3 a和6 a的尺度上，周期变化具有较好的连续性，而在40 a左右的尺度上，降水量的演变时域上的连续性较差。贯穿于整个时间域16 a左右的尺度信号最强，周期变化最为明显，且连续性强；表明北疆的降水量在3 a，6 a和16 a时间尺度范围内存在比较明显的周期变化；由图9可以显示，南疆降水量演变均存在着3 a，6 a和8 a左右的周期变化规律，且在8 a的尺度上信号最强，周期变化最为明显，且连续性强。表明南疆的降水量在6 a和8 a时间尺度范围内存在比较明显的周期变化； 3.4.3 相对湿度周期性 采用Morlet小波对南北疆1955—2012年相对湿度多时间尺度进行了分析。图10为小波变换系数实部在时—频域及小波方差分布图。从图10中可以看出北疆相对湿度演变均存在着3 a，6 a，14 a及32 a左右的周期变化规律，在6 a和14 a的尺度上，周期变化具有较好的连续性，而在32 a左右的尺度上，相对湿度的演变时域上的连续性较差。贯穿于整个时间域6 a和14 a左右的尺度信号最强，周期变化最为明显且连续性最强；表明北疆的相对湿度在3 a，6 a和14 a时间尺度范围内存在比较明显的周期变化；由图10可以显示，南疆相对湿度演变均存在着3 a，6 a，12 a和26 a左右的周期变化规律，且在12 a和26 a左右尺度上信号最强，周期变化最为明显且连续性最强。表明南疆的相对湿度在12 a和26 a时间尺度范围内存在比较明显的周期变化。 图9 南北疆降水量Morlet小波换小波系数实部的时频分布 图10 南北疆的相对湿度Morlet小波换小波系数实部的时频分布 1) 在全球气候变暖背景下，南北疆的气温均呈显著上升趋势，以北疆增幅大于南疆。这与刘波等[20]研究1960—2005年新疆气候变化的基本特征得出的结论相一致。不同温度指标结果是年平均最低温度(Tmin)>年平均温度(Tmean)>年平均最高温度(Tmax)。 2) 南北疆年平均温度发生突变的时间分别在20世纪90年代初、80年代末期，以北疆较早发生突变；北疆的气温突变点与尹云鹤[21]等提出的我国气候发生突变的时间(1989年)基本一致，而南疆推迟大概3 a；南北疆的气温突变后较20世纪60年代有明显增加。 3) 南北疆年降水量的变化趋势不如气温变化趋势明显，总体上呈增加趋势，变化差异不大，而以北疆增幅大于南疆，这与刘波等的研究结论相一致[20]。北疆近40 a的降水量总体经历了“减少—增加—增加—减少”的年代间变化，但未出现明显的年际突变点；南疆在各个年代都呈现增加趋势，且年均降水量在1981年发生突变，降水量出现明显增加。 4) 年均相对湿度总体上呈北疆减少显著、南疆略有增加；南北疆相对湿度总体经历了“减少—增加—减少—减少”的变化；从全区来看，进入21世纪南北疆相对湿度均急剧减少。 5) 利用时、频多分辨率Morlet小波分析发现，北疆的气温存在4 a，8 a和14 a的周期，降水量、相对湿度均存在3 a，6 a和16 a；南疆的年均温和年均最高温存在8 a和28 a的明显周期，而最低温只存在8 a，降水量存在6 a和8 a，相对湿度存在3 a，6 a，12 a和26 a左右的周期变化规律。 [1] 海全胜,阿拉腾图娅,宁小莉,等.内蒙古正蓝旗草地的区域生态足迹分析[J].干旱区研究,2011,28(3):532-536. 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Long-term Trend of Temperature, Precipitation and Relative Humidity in the Northern and Southern Regions of the Xinjiang from 1955 to 2012 HE Yi, YANG Taibao, CHEN Jie, JI Qin, XU Min (CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,InstitutionofGlaciersandEcogeography,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China) By connecting temperature, precipitation and relative humidity data of twelve national standard meteorological stations which evenly distributed in the northern and southern regions of the Xinjiang from 1955 to 2012 with the existing climatic regionalization of the Xinjiang, rate of linear tendency and Mann-Kendall test were used to illustrate the change trends and detect abrupt changes of meteorological elements, respectively. We investigated climate change of the northern and southern regions in Xinjiang in the last 60 years．The results showed that: 1) the trend of obvious temperature increase existed in these regions in the last 60 years, the warming rates were higher in the north, the warming rates were increasing in the order of annual average maximum temperature (Tmax) climate change; temperature and precipitation; relative humidity; Morlet wavelet analysis; the northern and southern regions of Xinjiang 2014-05-08 2014-07-15 国家自然科学资助项目“黄河上游晚更新世河流阶地和冰川演化对千年尺度气候变化的响应”(41271024);中央高校自由探索—优秀研究生创新项目(Lzujbky-2014-274);中央高校基本科研业务费专项资金(Lzujbky-2012-137)；国家基础科学人才培养基金项目(J1210065) 何毅(1987—),男,甘肃会宁人,博士生,主要研究环境演变与全球变化。E-mail:heyi11@lzu.edu.cn 杨太保(1962—),男,山西人平陆县人,博士,教授/博导,主要从事自然地理环境变化研究。E-mail:yangtb@lzu.edu.cn P467；P461.2；P333.1 1005-3409(2015)02-0269-09
3 结果与分析
4 结 论
