1976—2017 年乌鲁木齐市升温对季节的影响

张月华，王 健，蒋慧敏，王 毅*

（乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐830002）

气候变暖已是不争的事实[1-5]，气候变暖将直接导致四季长度的变化，因为四季的变化与人们的日常生活、生产等密切相关，如农事安排、作物生长、节能减排、穿衣保健、时令商品销售等无不受其影响。人们对这方面的研究也逐渐增多，如丁海燕对北京1951 年以来近60 a 日平均气温的变化分析，认为气温上升导致夏秋季延长，而冬春季缩短；环海军的研究表明1966—2015 年的近50 a 来山东中部夏季延长趋势明显，冬季缩短趋势明显；张静对江苏省四季变化分析认为春季开始期发生的时间向前推移了10 d 等[6-10]。但新疆气象工作者就气候变暖对当地季节的影响方面的研究工作不多，本文仅对乌鲁木齐市气温变化对季节的影响做了相应的分析，表明随着气候变暖，乌鲁木齐市四季也发生了明显的变化，即夏季明显延长、冬季明显缩短，当地政府和有关生产部门如果能顺应季节的变化，对当地的农牧业生产、疾病预防和控制、节能减排等合理安排，将意义重大。

目前作气候研究时对四季的划分有多种方法[11-12]，最常用的是天文学上的3 个月为一季，把1 a 划分为4 个时间等长的季节作为研究对象，但中国南北气候差异大，这种全国统一的四季划分标准很难准确反应出各地的四季更替，模糊了不同地区季节间的冷暖差异，对位于中高纬度的乌鲁木齐显然是不合适的。乌鲁木齐虽然四季分明，但冬季非常漫长，上述划分方法不仅不能反映出当地四季与群众生活和农牧业生产之间的关系，也不能反映出气候变暖背景下季节长度的变化情况。据张家宝主编的《新疆短期天气预报指导手册》中对新疆季节划分标准：以候平均气温稳定上升到0 ℃、农事活动伊始作为春季的开始，候平均气温稳定上升到20 ℃、作物生长旺盛阶段作为夏季的开始，当候平均气温下降到20 ℃以下时进入秋季，继续下降到0 ℃以下时进入冬季，这不仅与当地的农牧业生产相适应，也与人们的生活习惯相适应，即0～20 ℃为春季，20 ℃以上为夏季，20～0 ℃为秋季，0 ℃以下为冬季，这种结合物候和气温对四季的划分方法对新疆来说更接近实际、更科学。

本文从最基本的气象资料入手，对乌鲁木齐市的气温变化、四季的开始日期及季节长度的变化规律进行了全面阐述，并对四季开始时间与气温的关系、四季长度与气温的关系进行定量分析，为以后气候预测提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

由于迁站等原因，为使资料有一定的连续性，选用乌鲁木齐市国家基准站1976—2017 年共42 a 逐日平均、逐日最低、逐日最高气温资料作为研究对象。

1.2 分析方法

运用线性趋势法对气温、季节开始日期、季节长度进行一元线性回归，用F 检验对线性趋势方程进行检验， 判断线性趋势是否显著； 采用Mann-Kendall 方法进行突变分析。

各季开始日期（开春期、入夏期、入秋期、入冬期）选取时，为使气温资料更符合实际，以新疆地方标准DB65 T 2992-2009 气候术语中，规定的方法，如开春期选取方法：气温上升过程中，日平均气温5 d滑动平均稳定≥0 ℃时，取第一个日平均温度≥0 ℃的日期为开春期，当日平均气温已经稳定通过0 ℃后，若遇到持续低温天气过程，使得日平均气温又＜0 ℃，当前期≥0 ℃的日数多于＜0 ℃日数，则以前面的日期为开春期；当前期≥0 ℃的日数少于＜0 ℃日数，则以后面的日期为开春期。入夏期、入秋期和入冬期的选取方法同上。为了计算方便，四季开始日期选取时，将日期型转化为数字型进行计算。

四季长度的计算方法：选取开春期至入夏期的前一日为春季日数，同样计算出夏季、秋季、冬季的日数。

2 结果分析

2.1 气温年际变化

2.1.1 年平均气温的变化

1976 年以来，年平均气温的多年平均值为7.3 ℃，最高值出现在1997 年和2015 年，为8.8 ℃，最低值出现在1984 年为5.0 ℃。1997 年前的21 a 出现高于平均值的年份仅有3 a，1997 年之后的21 a 出现高于平均值的年份有19 a，且乌鲁木齐最暖的10个年份均出现在1997 年之后，可见乌鲁木齐市年平均气温1997 年后上升趋势非常显著（图1）。

图1 乌鲁木齐1976—2017 年气温年际变化

年平均气温上升明显，线性增温速率为0.50 ℃/10 a，42 a 上升了2.1 ℃，增暖的趋势通过了0.01 的显著性水平检验。据IPCC 第五次评估报告[13]指出1951—2012 年全球平均地表温度的升温速率为0.12 ℃/10 a，可见乌鲁木齐的增温速率远大于全球地表的升温速率，这是乌鲁木齐城市化效应影响的结果。

2.1.2 年平均最高和最低气温的变化

年平均最高气温多年平均值为12.8 ℃，最高值出现在1997 年为14.4 ℃，最低值出现在1984 年为10.6 ℃，1997 年前的21 a 正距平有7 a，1997 年后的21 a 正距平有15 a，且排在前8 位年份都出现在1997 年之后。年际间变化也有明显上升的趋势，线性增暖趋势为0.31 ℃/10 a，近42 a 共上升1.9 ℃，增暖的趋势通过了0.01 的显著性水平检验。

年平均最低气温多年平均值为2.9 ℃，最高值出现在2016 年为5.1 ℃，最低值出现在1984 年为0.2 ℃，1997 年前的21 a 高于平均值的年份仅4 a，而1997 年以后的21 a 高于平均值的有20 a，且1976 年以来的最暖的18 个年份均出现在1997 年之后。年平均最低气温上升的趋势最为明显，倾向率为0.77 ℃/10 a，上升速率明显大于年平均气温和最高气温，约是年平均最高气温的2.5 倍，42 a 共上升了3.2 ℃，增暖的趋势也通过了0.01 的显著性水平检验。

可见年平均、年平均最高、年平均最低气温都有明显的上升趋势，但增温速率不同，最低气温增温速率最大，最高气温增温速率最小，年平均气温的上升主要是由于最低气温的上升引起，导致气温日较差有减小的趋势。年平均、年平均最高、年平均最低气温变化的共同点是1984 年为最低值，20 世纪末开始显著上升，近20 多年来，气温偏高幅度达到了前所未有的高度。

2.2 四季开始日期和季节长度的变化

2.2.1 四季开始日期的变化

将各季节开始日期（即开春期、入夏期、入秋期、入冬期）转化为日序，计算其距平的大小作出图2。

从四季开始日期的演变曲线来看，各期的年际变化中不仅有提前或推后的趋势，也存在较大的波动性。如开春期多年平均值为3 月20 日，最早和最晚出现日期相差了31 d，2008 年前为缓慢提前的趋势，2008 年达历史最早为3 月3 日，比常年提前了17 d，2008 年后为推迟的趋势，2010 年达到历史最晚为4 月3 日，比常年偏晚了14 d，可见近10 a 开春期波动异常明显。从年际间变化来看，其倾向率为-1.8 d/10 a，通过了0.01 的显著性水平检验，即有明显提前的趋势。由于开春期的前一天是冬季结束日期，因此冬季结束期也有明显提前的趋势。

入夏期平均日期为6 月8 日，2008 年出现历史最早为5 月9 日，比常年提前了33 d，1987 年最晚为6 月25 日，比常年偏晚17 d，最早与最晚相差50 d，波动性大。从年际变化看，倾向率为-3.2 d/10 a，提前的趋势比开春期更明显。1987 年前略有推迟的趋势，之后提前趋势明显。

入秋期平均日期为9 月1 日，最早为1992 年8月15 日，最晚为2016 年9 月24 日，相差40 d。从年际变化看，倾向率为2.7 d/10 a，1988 年前略有推迟，1992 年后明显推迟。

入冬期平均日期为11 月12 日，最早为1987 年10 月27 日，最晚为1994 年11 月30 日，相差了34 d，虽然有缓慢推迟的趋势，但趋势并不明显，倾向率仅为1.9 d/10 a，相对而言入冬期变化比较平缓，波动性较小。

2.2.2 四季长度的变化

计算各季节的多年平均值可以看出，一年中冬季时间最长持续达129 d，夏季次之为86 d，秋季最短仅有71 d，春季为79 d。

由于四季开始日期的显著变化必然会导致四季长度的变化，四季之中只有夏季长度明显延长，其倾向率为5.9 d/10 a，42 a 共增加了25 d，其余各季均有不同程度缩短，其中缩短最明显的是冬季，其倾向率为-3.6 d/10 a，42 a 来减少了15 d，春秋季长度年际变化的倾向率分别为-1.4 d/10 a 和-0.8 d/10 a，42 a 分别减少了6 d 和4 d（图3）。

2.3 四季变化与气温的关系

图2 乌鲁木齐四季初日距平变化

图3 乌鲁木齐四季长度变化

2.3.1 四季开始日期与平均气温的关系

分析各季的开始日期和年平均气温、各月平均气温的关系发现，春夏冬季的开始日期不仅与年平均气温都有很好的线性相关性，并且开春期与3 月平均气温、入夏期与6 月平均气温、入秋期与9 月平均气温、入冬期与11 月平均气温的线性相关性更好，远远超过了0.01 的显著水平（表1）。

表1 各季开始日期与气温的关系

当年平均气温偏高时，开春期和入夏期将提前、入秋期和入冬期将推后；随着3 月和6 月气温的升高，开春期和入夏期显著提前，随着9 月和11 月气温的升高，入秋期和入冬期显著推迟，可见气温的变化对四季开始日期的影响是非常显著的。

由于四季开始日期与对应月份气温相关性密切，其相关性远远超过了0.01 的显著水平，证明它们之间存在着显著的线性相关关系，为了分析它们之间的定量关系，做春夏秋冬各季开始日期与其对应月的气温之间的线性方程如下：

式中，y1表示春季开始日期，x1表示3 月平均气温。

转椅也是老的，老到可以进博物馆，看着又有说不出的亲切。小时候，跟随母亲去街上理发，坐的就是这样的转椅，有点脏，又极舒服，椅背可以放下来，让人仰躺着。

式中，y2表示夏季开始日期，x2表示6 月平均气温。

式中，y3表示秋季开始日期，x3表示9 月平均气温。

式中，y4表示冬季开始日期，x4表示11 月平均气温。

由上述线性方程可以看出，当3 月气温升高1 ℃时，开春期将比常年提前近2 d；当6 月气温升高1 ℃时，夏季开始日期将提前4 d；当9 月气温偏高1 ℃时，秋季开始日期将推迟近3 d；当11 月气温升高1 ℃时，冬季开始日期将推迟2 d，特别是开春期与入冬期对气温变化的依赖性更高。

2.3.2 四季长度变化与气温的关系

由表2 可以看出，春季和秋季的长度变化与年平均气温的相关性不明显，夏季和冬季长度变化与年平均气温有很好的相关关系，相关性均通过了0.01 的显著性水平检验，其线性方程分别为：

式中，y5表示夏季长度，y6表示冬季长度，x5表示年平均气温，当年平均气温每升高1 ℃时，夏季长度会延长6 d，冬季长度就会缩减7 d，年平均气温的变化对冬季的延长或缩短更为明显。

表2 各季长度变化与气温的关系

2.4 突变检验

用M-K 检验方法对乌鲁木齐市年平均气温、四季长度变化趋势分别进行突变检验分析（图4），由图4a可以看出，年平均气温的UF 和UB 两条曲线在信度a=0.05 的±1.96 临界线之间交点位于1995 年，1997 年后年平均气温上升趋势超过了+1.96 临界线，说明1995年前后发生突变，1997 年后气温上升非常显著。

图4b 中春季日数波动明显，2008 年之前为波动增加的趋势，2008 年之后转为逐步减少的趋势，UF 和UK 两条曲线在±1.96 临界线之间交于2017年，说明春季日数的年际变化在2017 年后可能会发生转折；图4c 中夏季日数的UF 和UK 两条曲线在±1.96 临界线之间有一个交叉点为2007 年，2010年后夏季日数延长趋势超过了0.05 显著性水平的临界线，说明夏季长度在2007 年发生突变，2010年后延长趋势非常显著；图4d 中秋季日数的UF和UK 曲线有3 个交点，分别是在1985、1989 年和2015 年，为了进一步确定突变点，分别对3 个交叉点作不同时间的t 检验，发现3 个交叉点均不是突变点，且两条曲线均在临界线以内，说明秋季日数的年际变化比较平稳，波动性小；图4e 中冬季日数的UF 和UK 曲线在±1.96 临界线之间共有4 个交点，分别是1994、1997、1998 年和2000 年，用t 检验确定只有2000 年为突变点， 其t=3.17＞t0.05=2.021，超过了0.05 的显著性水平，可见2000 年之前冬季日数减少趋势不明显，之后减少趋势明显，特别是2007 年之后显著减少。由上可以看出乌鲁木齐市平均气温升高、夏季日数延长、冬季日数缩短的年际变化都发生了突变，但发生的突变年份各不相同，分别为1995、2007 年和2000 年，而春季日数和秋季日数有减少的趋势，2017 年之前并没有发生突变，说明气温的升高对各季长度的影响并不是同步的。

图4 年平均气温和各季长度的M-K 检验

3 结论

本文分析了乌鲁木齐市观测站1976—2017 年共42 a 气温资料，随着全球气候变暖乌鲁木齐市气温也明显上升，导致四季也发生显著的变化，主要表现在以下几个方面：

（1）乌鲁木齐市气温42 a 上升了2.1 ℃，年平均最低气温的升温速率远大于年平均最高气温的升温速率。

（2）春、夏、秋、冬四季开始日期多年平均值分别为3 月20 日、6 月8 日、9 月1 日、12 月11 日，春夏季开始日期随着气温的上升显著提前，提前速率分别为-1.8 d/10 a 和-3.2 d/10 a；而秋冬季开始日期则逐渐推迟，推迟速率分别为2.7 d/10 a 和1.9 d/10 a。

（3）春、夏、秋、冬四季的多年平均长度分别为79、86、71、129 d，夏季明显延长、冬季明显缩短，倾向率分别为5.9 d/10 a 和-3.6 d/10 a，42 a 夏季共延长了25 d，冬季缩短了15 d，春秋季分别缩短了6 d和4 d。

（4）四季的开始日期不仅与年平均气温显著相关，且春夏季开始日期还分别与3 月和6 月平均气温显著正相关，秋冬季开始日期分别与9 月和11 月平均气温显著负相关，相关性远远超过0.01 的显著性水平；夏季和冬季的长度与年平均气温也显著相关，年平均气温每上升1 ℃，夏季将会延长6 d，而冬季则会缩短7 d。

（5）乌鲁木齐市年平均气温、夏季日数、冬季日数的年际变化都发生了显著突变，突变年份有所不同，分别发生在1995、2007 年和2000 年。而春、秋季长度年际变化趋势不明显，没有发生突变。

4 讨论

乌鲁木齐的增温速率远大于全球地表的升温速率，可能是因为乌鲁木齐城市扩大过程中城市热岛效应贡献了升温速率的很大部分，对贡献量大小后期还需要做进一步的研究。升温使乌鲁木齐气候季节发生了显著变化，表现为上半年季节提前，下半年季节推迟，这些变化对当地的自然生态系统等会产生深刻影响，将影响动植物的生长发育、生存方式与生存数量、分布类型等，如在城市绿化方面，暖冬有利于病虫害越冬存活，来年病虫害将有可能趋重发生。同样对社会经济活动和人们生活的影响也很大，如夏季是一年中最热的季节，夏季的明显延长必将会导致高温热浪发生频数增加，要消耗更多的能源用于以降温、交通需求，同时对人们的健康影响较大，但对冷饮、夏季时令商品销售有利；而冬季的缩短和冬季最低气温的升高，将会减少供暖等方面的能源消耗，从而减少供暖带来的污染物的释放，对减轻老年人心脑血管疾病有利，但对冬季时令商品销售不利；可见升温造成的季节变化，对人们的生产生活的影响各有利弊，应根据季节的变化及时调整我们的生产和生活方式，对其它方面的影响，还需要我们进一步关注。