1969-2016年天山天池降水变化及其影响因素分析

孔凯凯 ，韩炜 ＊，马霄华

（1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐830054；2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，新疆 乌鲁木齐830054）

近50年，亚欧大陆东部增温明显，年平均地表温度以0.4-1.04℃/20a速率呈增加趋势［1］，全球变暖成了人们关注的重要问题，对新疆的气候变化带来了很大的影响［2，3］，比如从境外输入的水汽量的增多使新疆年平均降水量增加［4］。新疆处于欧亚大陆腹地，属于典型的大陆性干旱气候，地形复杂，降水量的分布极不均匀［5］，成为了很多专家学者研究的方向。冯新灵［6］等在研究中国1953-2002年的降水变化趋势后表明，中国五大区年降水量的变化趋势有着多样性的特点，西北地区的降水量呈减少趋势；辛渝［7］等将新疆分为6个气候区研究了降水量的时空变化特征；贺晋云［8］等研究表明新疆气候向暖湿方向转化；马洪亮［9］等指出天山天池49年来气温和降水的变化呈暖湿化发展，并且有明显的年际变化；刘黎［10］等进一步研究表明过去37年温度在1%置信度下呈单调递增趋势，降水也表现出增加趋势。因此降水量一直是众多研究者的热点话题，对于干旱区的新疆来说更是显得尤为重要。

气象气候要素与每个地区的经济社会的发展紧密关联［11］。天山天池是新疆5A级景区之一，是一个国际自然保护区［12］。天山天池的环境比较脆弱，时常会有自然灾害发生，主要是环境灾害和生态灾害［13］。在这种情况下为了能防止自然灾害对生态环境的破坏，同时为给当地居民提供更好的生活环境和全面地满足旅游者的需求，需要对天池的降水量和其他气候因素进行分析研究。文章研究的重点是降水的变化趋势和其他因素对降水量的影响，从而合理地保护自然保护区的生态环境，对人类生活提供最有效方便的服务。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

天山天池位于新疆昌吉回族自治州阜康境内，天山山脉东段博格达峰北坡山腰，距阜康市区37km，距乌鲁木齐97km，是亚欧大陆内部山岳型景观的代表之一。整个天池湖面为半月形状，海拔1928m，南北长度约3400m，东西最宽处约1500m，面积4.9km2，最深处105m。天池的主要特征以雪山冰川、完整的垂直自然景观带高山湖泊为主，东南面是雄伟的博格达主峰，海拔达5445m，主峰左右又有两峰相连，属于典型的大陆性干旱气候。

1.2 材料与方法

文章资料取自天山天池气象站的逐月地面观测资料，资料站点号为51470，分别整理出1969-2016年的月降水资料和其他气候资料，同时为了分析地形对天池降水的影响分别整理出以天池为中心的17个气象站点1969-2016年的月降水资料。

用年降水量资料和按春季3月至5月，夏季6月至8月，秋季9月至11月，冬季12月至次年2月逐季生成降水资料，统计四季降水量的各项指标，运用趋势系数和数值曲线图对天山天池48年的降水量做年度和季度变化分析。

数据处理以天山天池为中心的17个站点，1969-2016年的降水量数据，比较17个点的等高线图和降水量的等值线图，来分析天山天池的地理位置和海拔对降水量的影响。运用相关性分析各个要素之间的相关性，使用曲线图分析其他气象要素对降水量的影响，说明各气象要素对降水量的影响。

2 天山天池降水变化

2.1 降水量变化特征

根据气象站1969-2016年的天池降水量的数据统计，天池的年平均降水量为544.44 mm，标准差为125.63，变异系数为0.23。从图1可知，天池降水量变化幅度较大，最大年降水量为835 mm（2003年），最小年降水量为294 mm（1978年）。从48年降水量变化趋势来看，天池降水量整体上呈增加的变化趋势，但是增加的趋势不显著，以4.2 mm/10a的速率增加，可以用线性方程y=0.4265x+533.99来拟合。

图1 天山天池1969-2016年降水量变化

按照标准，降水距平数值Z＞1.037为大涝，0.5244＜Z≤1.037为偏涝，-0.5244≤Z≤0.5244为正常，-1.037≤Z＜-0.5244为偏旱，Z＜-1.037为大旱。图2中可以看出48年间没出现大涝和大旱，在此期间出现两年偏涝，在1969年和2013年，有5年偏旱，在1972年、1978年、1984年、1987年和2007年，其余年份指数正常。1969年到1988年间的降水波动较大，从1988年到2016年间的降水波动明显变小，1971年到1988年偏旱年份较多，并且降水量均值低于距平值，从1997年开始偏旱年份明显变少且降水量高于距平值的年份增加，表明随时间尺度的变化年均降水量在增多，降水量增多的主要原因可能与全球变暖带来的境外输入的水汽量增多有关［4，14］。

图2 天山天池1969—2016年累计距平值

2.2 天山天池降水量的季节性变化分析

天山天池1969-2016年各季降水量差异甚大，由图3可知，48年来夏季降水量变化幅度最大，每年的降水量在四季中最多，春、秋季的降水量变化幅度较小，降水量较少，春季在5月的降水量较多，秋季在9月的降水量较多。冬季降水量的变化幅度小，在四季降水量中表现最少。综上，天山天池每年降水集中在夏季，春季和秋季降水量比较少，冬季降水量极少。

图3 1969-2016年天山天池四季降水量变化图

结合表1和图3可知，春季最大降水量为235.6 mm（1969年），最小降水量为39.9mm（2001年），春季年平均降水量为148.63mm，占全年降水量的27.35%。夏季最大降水量为503.6mm（2013年），最小降水量为125.7mm（1978年），夏季年平均降水量为283.86 mm，占全年降水量的52.25%。秋季最大降水量为162.8mm（1993年），最小降水量为26.6 mm（2007年），秋季年平均降水量为87.75mm，占全年降水量的16.15%。冬季最大降水量为54.8mm（1996年），最小降水量为0.1mm（1977年），年平均降水量为23.08mm，占全年降水量的4.25%。

从表1可知，春、夏、秋、冬四季的峰度分别为-0.7、-0.43、-0.54、-0.37，该数据与正态分布［15，16］相比较，四季峰度K＜0比正态分布平坦，为平顶峰。四季中春季偏度为-0.22，偏度值小于0，表示数据的分布形态与正态分布相比是负偏离。其中数据位于均值左边的比位于右边的少，直观表现为左边的尾部相对于右边的尾部较长。夏季、秋季和冬季的偏度分别为0.29、0.19、0.27，偏度值都大于0，表示数据的分布形态与正态分布相比是正偏离，数据位于均值右边的比位于左边的少，直观地表现右边的尾部相对于左边的尾部要长。春、夏、秋、冬四季的变异系数分别为32%、33%、34%、52%。一般，CV≤10%为弱变异性，10%＜CV＜40%为低等变异性，40%＜CV＜100%为中等变异性，CV≥100%为强变异性。春季、夏季、秋季都表现低等变异，数据之间的离散程度也低，差值小，而冬季表现为中等变异，离散程度为中等。

1969-2016年天山天池春、夏、秋、冬四季的变化幅度明显，春、夏、秋和冬四季降水量分别表现为增多、减少、减少和增多趋势，春季增多的趋势最大，增多幅度为6.81 mm/10a，冬季增多幅度为2.38 mm/10a，夏季降水量下降趋势最为明显，减少幅度为-4.64 mm/10a，秋季减少幅度为-1.37 mm/10a。

表1 天山天池四季降水量统计表

3 影响降水量的因素

3.1 地形对降水量的影响

新疆深处内陆，远离海洋，降水稀少，但不同地形区分布不均匀。新疆北部有阿尔泰山，中部横贯天山，南部和东南部是昆仑山和青藏高原，西部有帕米尔高原，中间有塔里木盆地和准噶尔盆地，是“三山夹两盆”的地形，这种独特的地形给新疆的降水带来巨大影响。一方面，由于来自印度洋的水汽被青藏高原和喜马拉雅山脉、昆仑山阻挡，南疆塔里木盆地地区降水稀少。另一方面，由于西伯利亚地势较低，阿尔泰山海拔也相对较低，所以来自北冰洋的水汽能进入到准噶尔盆地，故北疆地区降水较多。同时，新疆以西是亚欧大陆平原丘陵地带，西风带来的水汽遇到天山山脉阻挡，使得在天山周围形成降水，位于迎风坡的地区降水量高于其他地区。总体而言，受地形地貌的影响，塔里木盆地南部降水较少，北部降水较多，准噶尔盆地南部降水较多，北部降水少，天山山脉北坡降水多于南坡，天山西部降水较多，东部降水较少［17-19］。

不同地形对气流运动有着不同的作用，同时影响降水的分布。天山天池是高山湖泊，处于天山迎风坡，山地迎风坡在一定的高度上降水较多，所以天池降水量相比周围其他地区要多。吐鲁番盆地是天山东部南坡的一个山间盆地，吐鲁番盆地四周山地环绕，由于地形封闭，海洋水汽难以进入，而且气温较高，所以降水也较少，气候极度干旱［20］。

由图4可知，降水量的分布不均匀，并且随着海拔高度增加降水量也在增加。海拔最高点为天山天池，海拔高度为1942m，天池48年平均降水量为544mm，海拔最低点为十三间房，海拔高度为34.5m，十三间房48年平均降水量为15.6mm。除了最高点和最低点的降水量之间差异极大以外，其他地区的降水量整体上也随着海拔高度在变化。以天山南北坡来讲，北坡的降水量明显比南坡的降水量要多，以天山东西走向来看，西部地区的降水量明显多于东部地区。

图4 降水量等值线图与海拔高程

3.2 气候因素对降水量的影响

每个地区除了地形地貌会影响降水量外，气象也是影响降水量的重要因素。表2用相关分析的Pearson来计算两个变量之间的相关系数，可以看出各气象要素之间都具有相关性。相关系数在-1与1之间，r＞0时是正相关，r＝0时是无线性相关，r＜0时是负相关。降水量与气温、小型蒸发、水气压、低云量和风速都有相关性，显著性分别为0.003、0.0001、0.001、0.024和0.841，降水量与气温、小型蒸发、水气压之间的显著性小于0.01，与低云量之间的显著性小于0.05，表明相关显著，但是与风速之间的显著性数值表明相关不显著。降水量与平均气温之间是负相关，相关系数为-0.423，与小型蒸发之间也表现为负相关，相关系数是-0.635，与风速之间表现负相关，相关系数为-0.03，降水量与水气压之间是正相关，相关系数为0.468，与低云量之间也表现为正相关，相关系数为0.326。数值表示温度高时降水量减少，相反温度较低时降水量增多，同样小型蒸发量越大时降水量越低，而水气压越大降水量越多，低云量越多降水量也会增加。各气象要素之间的相关性都比较明显，影响程度也有所不同。

降水量除了与其他气候因素之间有相关性外，其他气候要素之间的相关性也会间接地影响这个地区的降水量。从表2中可以看出气温与小型蒸发和水气压是正相关，与低云量和风速是负相关，但只跟小型蒸发有较弱的显著性，与其他因素之间相关不显著。小型蒸发与水气压和低云量之间是负相关，而与风速之间是正相关，除了与风速之间相关不显著以外，其他都有较弱的显著性。水气压与低云量之间正相关，与风速之间是负相关，显著性都较弱。低云量与风速之间是负相关，相关不显著。从各气象要素之间的相关性可知各要素之间的紧密关系，虽然显著性不是很强，但是还能看出相互之间的影响，比如气温高时小型蒸发量就会越大，从而降水量会减少，水气压越高低云量越多，同时降水量也会增加。

表2 各气象要素之间的相关性分析表

**.在置信度（双测）为0.01时，相关性显著；*.在置信度（双测）为0.05时，相关性显著。相关性方法为Pearson相关性。

从上述的相关性分析中可以看出各气象要素之间的相关性，并且可知各气象要素之间除了有直接的影响以外还有间接的影响。刘波［21］等认为低云量和水气含量的增加会使降水量增多，所以可能直接影响降水量的多少。48年来天山天池的平均气温是呈现上升的趋势，上升幅度为0.17℃/10a。从图5中看出，平均气温和平均降水量的变化幅度趋向于一致，平均气温相对较低的时候平均降水量可能相对增多，反之降水量可能相对减少。蒸发与降水虽然是两个相反的过程，但相互依存，在一元回归方程分析中平均小型蒸发量呈下降趋势，减少幅度为0.09 mm/10a，减少趋势不明显。从图5可以看出，平均小型蒸发的最大值为4.49mm，最小值为3.02mm，从数值来看变化幅度较小蒸发量较多时可能使降水量减少，反之可能让降水量增多，但是山地蒸发量小于降水量，从文章来看小型蒸发量的数值高于降水量，测到的小型蒸发量与实际蒸发量有偏差，表明天山天池蒸发能力较强。水气压在48年间呈上升趋势，上升幅度为0.1 mm/10a，在图5中平均水气压和降水量都较大，但是曲线的规律较一致，表示水气压的上升可能会引起降水量的增加，反之可能会使降水量减少。平均低云量同样也呈增多趋势，增多幅度为0.02/10a，从低云量与降水量之间的曲线图对比来看可能一致性较弱，不能直接看出相关性，在上述的相关性分析中显示有相关性，但是显著性较弱。风速呈下降趋势，趋势系数为0.016/10a，在上述分析中看出相关性也较弱，并且是负相关，从图5中可以看出有些年份风速较快时降水量较低，但并不明显。

图5 1969-2016年各气象要素与降水量之间的关系

4 结论

天山天池48年来降水量以4.2mm/10a的速率呈增加趋势，有两年偏涝，有五年偏旱，其他年份降水量都较正常，从1988年开始有转折性的变化幅度变小，降水量逐步增多，偏旱年份减少。季节降水量差异大，春季和冬季降水量变化明显增多，夏、秋季降水量则减少。“三山夹两盆”的地形影响整个天山降水量，天山西部降水比东部降水多。气温、水汽压和低云量呈上升趋势，小型蒸发量和风速呈下降趋势，降水量与其他气候因素有相关性，但显著性较弱，降水量与低云量和水汽压之间是正相关，二者对天池降水量影响较大。