东天山北坡气温与降水时空变化特征

苗运玲, 秦 榕, 张云惠, 伏晓慧

(1.新疆乌鲁木齐市气象局, 乌鲁木齐 830006;2.新疆气象信息中心, 乌鲁木齐 830002; 3.新疆气象局, 乌鲁木齐 830002)

全球气候不断增暖将改变各地的温度场，并影响大气的运行规律，各地蒸发量和降水量的时空分布亦随之改变。IPCC第五次评估报告指出，1880—2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，平均升高0.85℃，最近30 a，每10 a的温度都高于1850年以后的任何一个10 a[1]。近百年来中国的气候变化与全球候变化总趋势基本一致[2-5]。但是由于受地理条件、太阳辐射和大气环流的影响，气候变化又具有很强的地域性、季节性和周期性等。因此，国内外众多学者针对引起气候变暖的众多气候因子从不同区域、不同角度，利用不同方法进行了大量的研究[6-9]。

气温和降水作为研究气候变化的基本因素，其变化对该区域生态环境变迁起到决定性作用[10]。新疆地处亚欧大陆腹地，是典型的干旱区，水资源是生态环境系统的核心，而新疆水资源的补给主要靠山区每年的自然降水[11]。天山作为世界七大山系之一，横亘在新疆中部并贯穿全境，是影响新疆乃至我国中、西部地区天气气候和生态环境的重要天然屏障[12]，山区大气降水是新疆河川径流的最终来源。近年来，众多学者对新疆和天山山区气候变化特征和趋势进行了大量研究[13-20]。魏文寿等[13]利用树木年轮资料分析了天山山区235 a气候变化，指出进入20世纪80年代气候趋于暖湿化，并预测未来23 a山区以湿润为主，生态环境总体趋于好转。普宗朝等[14]指出天山山区的温度在1976年开始变暖，1986年是天山山区降水量呈现明显增多的突变点。刘友存等[15]指出天山山区降水呈现“西多东少，北多南少，高山多外围少”的特征，并与部分气候指数显示出较好的相关性。以上众多研究主要针对天山山区西段和中断的气候变化，而对于天山山区重要组成部分东段研究到目前为止却很少涉及。因此，本文利用东天山北坡5个国家级地面气象站1961—2016年温度和降水资料分析气候变化规律和趋势，探讨该区域是否与天山山区气候变化一致？是否也存在暖湿化变化？同时为今后该区域生态环境建设、水资源开发利用、农牧业布局等提供科学依据和理论参考。

1 研究区概况

东天山北坡地处亚欧大陆腹地，准噶尔盆地东南侧，以88°E为界，行政区隶属于新疆昌吉州东部的吉木萨尔、奇台、木垒哈萨克自治县和哈密北部的巴里坤哈萨克自治县、伊吾，总面积约为11.22万km2，地理坐标为42°25′—45°30′N，88°30′—96°23′E，海拔高度742.9～1 728.6 m(图1)，属于天山北坡经济带的东段。该区域气候敏感，生态环境脆弱，地形复杂，呈西低东高，北低南高，降水量少，气候干燥，昼夜温差大，属于温带大陆性干旱半干旱气候。

图1 东天山北坡地形及气象站点分布

2 资料与方法

选取1961年1月1日—2016年12月31日东天山北坡5个国家级地面气象站逐日平均气温和降水量资料。季节划分按照3—5月为春季、6—8 月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2 月为冬季。研究资料来自新疆维吾尔自治区气象信息中心，经过严格质量控制，资料真实可靠。气候平均值时段为1981—2010年。

使用线性趋势分析、累积距平和滑动平均等方法对研究区域气温和降水进行变化趋势分析，采用Mann-Kendall(简称M-K)检验方法对气候要素进行突变分析，为了检验气候要素转折是否达到突变标准，对突变点进行t检验和信噪比S /N检验，信噪比公式如下:

(1)

3 结果与分析

3.1 气温年代际变化

从表1可知，东天山北麓年与季的年代际变化总体表现为上升趋势，即呈增暖趋势，但是各季节年代际周期变化有所不同。20世纪60年代—80年代(80年代冬季除外)年、季气温以负距平为主，为气候偏冷期，80年代以后以正距平为主(90年代夏季除外，这与巴州地区夏季气温变化一致[21])，为气候偏暖期，其中冬季在21世纪近16 a变化与其他三季不同，呈先升后降的特征，即以降温为主。

表1 1961-2016年东天山北坡年与四季平均气温年代际距平

3.2 气温年际变化

1961—2016年东天山北坡年平均气温为4.84℃，最高出现在2013年，为6.34℃，最低出现在1984年，仅为2.65℃，极差达到3.69℃。从图2可知，近56 a东天山北坡年平均气温在波动中逐渐上升趋势，这与北半球和全球近百年来的温度增暖趋势相吻合[22]，增温率为0.34℃/10 a(通过0.01的显著性检验)，明显高于全国的[23]0.22℃/10 a，略高于新疆[24]的0.32℃/10 a和天山北麓[16]的0.30℃/10 a。从11 a滑动平均变化可知，年平均气温呈上升趋势，虽有小的波动变化，但变幅不大。从20世纪60年代—90年代中期仅有10 a偏高于历年平均值，气温属于相对偏低期，从1997年开始气温持续上升，气温属于相对偏高区。

图2 1961-2016年东天山北坡年平均气温变化趋势

3.3 气温季节、月变化

东天山北坡四季气温变化与年变化较一致，均呈增温趋势，增温率依次为：秋季(0.39℃/10 a)>冬季(0.37℃/10 a)>春季(0.33℃/10 a)>夏季(0.28℃/10 a)，均通过0.01的显著性检验，这与新疆[24]的研究结果相似，而与全国[23](冬季>春季>秋季>夏季)和天山北麓[16](冬季>秋季>春季>夏季)变化不太一致。东天山北坡秋季是四季中增温最明显的，对年气温的上升贡献最大，其次是冬、春季，夏季贡献最小。

东天山北坡月平均气温年内总体表现为单峰型变化趋势，即先增后减，1月是气温偏低期，为-14.63℃，然后逐渐上升，7月达到峰值，为气温偏高期，达到21.21℃，以后逐渐下降。从时间序列变化上可知，各月平均气温均表现为上升趋势(通过0.01的显著性检验)，其中2月增温速率最明显，气候倾向率为0.55℃/10 a,该月对冬季气温上升起到主导作用；5月增温速率相对较弱，为0.12℃/10 a。

3.4 气温突变检验

为了研究东天山北坡在较长时间序列内变化信号，利用M-K法(Uα=±2.56)进行突变检验分析。从图3可知，东天山北坡UF曲线总体呈上升趋势，其中1961—1963年呈上升趋势，1964—1971年呈波动下降趋势，1971年以后呈显著的上升趋势，与UB曲线相交于1993年，利用t检验方法，检验结果通过显著性(p<0.001)检验，即1993年是东天山北坡气温变暖的突变年，与文献[16]结论接近(1996年)。不同季节突变时间差异较大，春季出现在2004年，夏季1997年，秋季1989年，冬季1981年，均通过t检验(p<0.001)和信噪比(S/N>1)检验。

图3 1961-2016年东天山北坡平均温度突变分析

3.5 气温的空间分布

由图4A可知，东天山北坡年平均气温的空间分布总体上是以巴里坤为低值中心逐渐向两测增大，即随着海拔高度的降低温度逐渐升高，高值中心位于西部的吉木萨尔。从研究区气候倾向率变化可知，各站点均呈上升趋势，其空间分布(图4B)与年平均气温分布几乎相反，是以巴里坤为大值中心逐渐向两侧减小，在奇台形成一个低值中心，其中吉木萨尔和伊吾增温率相同，均为0.25℃/10 a。

图4 1961-2016年东天山北坡平均气温

3.6 降水年代际变化

东天山北坡年、春、秋年代际降水量与气温变化一致均呈上升态势，即呈增湿趋势，夏季降水量在20世纪70年代明显少于其他年代，仅有73.80 mm，而在21世纪近16 a也呈下降趋势,而冬季经历“增—减—增”的变化趋势。从表2可见，在20世纪60年代—80年代年与四季降水量(秋季80年代除外)总体为负距平，之后以正距平为主(冬季90年代除外)，说明在90年代以前年与各季降水量处于相对偏少期(偏枯期)，之后处于相对偏多期(偏丰期)。

3.7 降水年际变化

近56 a东天山北坡年平均降水量为206.96 mm，最大出现在2015年，达到334.28 mm，最小在1962年，仅有111.36 mm，极差达到222.92 mm。从图5可知，年降水量呈显著增加趋势，倾向率达到13.02 mm/10 a(通过0.01的显著性检验)，低于天山北麓[16]的15.67 mm/10 a，明显高于新疆[24]的8.23 mm/10 a。从11 a滑动平均可知，年降水量在波动中呈缓慢上升趋势，其中20世纪60年代到80年代中后期降水处于偏枯期，1987年以后降水明显增多，处于偏丰期。

表2 1961-2016年东天山北坡年与四季降水量年代际距平

3.8 降水季节、月变化

东天山北坡各季降水量与年降水量变化相同(图略)，呈增加趋势，但增湿强度不同。倾向率依次为：夏季(5.26 mm/10 a>春季(3.28 mm/10 a>冬季(2.66 mm/10 a>秋季(1.82 mm/10 a，通过0.01的显著性检验，与天山北麓[16]变化一致，与新疆[24](夏季>冬季>秋季>春季)变化不一致。

图5 1961-2016年东天山北坡降水量变化趋势

从图6可知，东天山北坡月降水量变化总体呈倒“V”型分布，即呈先增后减态势，1月、2月变化不大，月降水量在4.6 mm左右，从2月开始逐渐增大，7月达到峰值，为35.59 mm，然后逐渐减少。降水集中出现在夏季，占年降水量44.48%，几乎占到一半。从各月气候倾向率变化可知，除了9月(-0.35 mm/10 a)外，其他各月均表现为增加趋势(通过0.01的显著性检验)，5月增湿最明显，为2.18 mm/10 a，该月对春季降水量的增加贡献最大。

图6 1961-2016年东天山北坡降水量月变化

3.9 降水量突变检验

利用M-K法(Ua=±2.56)对东天山北坡1961—2016年降水量进行突变分析。从图7可知，UF曲线总体呈上升趋势，20世纪60年代到80年代变化幅度比较大，呈明显峰谷变化，80年代中期以后呈持续上升趋势，与UB相交于1990年、1992年，采用t检验和信噪比进行突变检验，1992年通过显著性(p<0.001)和信噪比(S/N=1.91)检验，即该年是东天山北坡降水量明显增多的突变年，明显晚于新疆[24](1963年、1975年、1978年、1980年)和天山北麓[16](1983年)。同样对四季进行了突变分析(图略)，夏季发生在1990年，秋季在1978年，冬季在1997年，通过t检验(p<0.001)和信噪比(S/N>1)检验，春季没有出现明显的突变现象。

3.10 降水量空间分布

从东天山北坡年降水量空间发布(图8A)可知，是以木垒为高值中心逐渐向两侧减小，低值出现在伊吾，为101.43 mm，仅为木垒年降水量的1/3。从降水倾向率变化可知，研究区各站点均呈增加趋势，空间分布(图8B)与年降水量分布一致，以木垒为大值中心逐渐向两侧减小，增加最小的是伊吾，仅为6.19 mm/10 a，说明降水量越大其降水增幅相对较大，反之相对较小。

图7 1961-2016年东天山北坡降水量突变

图8 1961-2016年东天山北坡平均降水与气候倾向率空间分布

5 结论与讨论

(1) 近56 a东天山北麓年平均气温为4.84℃，呈明显的增暖趋势，以0.34℃/10 a速率上升，明显高于全国，而略高于新疆和天山北麓。其中在20世纪60—80年代以负距平为主，为气候偏冷期，80年代以后以正距平为主，为气候偏暖期。年降水量为206.96 mm，呈显著的增加趋势，增湿率达到13.02 mm/10 a，低于天山北麓而明显高于新疆。其中60—80年代以负距平为主，降水处于相对偏少期，之后以正距平为主，降水处于相对偏多期。由此可以可知，近56 a东天山北坡的气候呈增暖增湿变化趋势。气温、降水量在四季和月变化中，总体呈增暖增湿趋势(降水除了9月)，但变化速率各有不同。

(2) 利用M-K法对东天山北坡气温和降水进行突变分析，发现气温在1993年发生突变，明显晚于新疆而略早于天山北麓；降水量发生突变在1992年，明显晚于新疆和天山北麓。对不同季节，发生突变时间各有不同。

(3) 从气温的空间分布可以看出是以巴里坤为低值中心逐渐向两边增大，即随着海拔高度的降低温度逐渐升高，增温率的空间分布与其几乎相反；降水量空间分布与增湿率相同，是以木垒为高值中心，逐渐向两侧减小，说明降水量越大其降水增幅相对较大，反之相对较小。

本文对研究区域逐日平均气温和降水量进行了详细分析，表明该区域存在气温升高、降水增多的变化趋势，即呈暖湿化方向发展，这与新疆、天山山区气候变化是一致的，但由于选用的气象站点稀少，数据时间长度有限，对于研究结果又一定的局限性；此外由于研究区气候属于干旱半干旱，生态环境比较脆弱，气温的升高会导致山区融雪性洪水的发生、蒸发量增大的现象，极端降水的增多会形成洪灾、山体滑坡、泥石流等灾害。因此，在今后的研究中应该加入区域自动站、水文站资料，利用更多方法，对各类气候因子进行全面深入的研究，为当地未来气候预测、生态环境变化、水资源利用提供一定的科学依据。