气候变化背景下新疆气温和降水时空演变特征分析

胡文峰，陈玲玲，姚俊强，季淑媛，孙 宁

(1.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830013；2.阜阳师范大学 历史文化与旅游学院，安徽 阜阳 236037；3.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐 830013；4.阜阳市颍州区生态环境分局 安徽 阜阳 236037）

气候变化是当前全球共同面临的科学问题。IPCC(2013)指出近100年气候变暖的事实，并强调气候变暖具有显著的区域差异[1]。Hulme在研究全球6个主要干旱区（1900-1996）气温后指出有增温趋势[2]，而半干旱区的显著增温导致全球陆地增温的贡献率高达44.46%[3]。在全球气温变化研究中，发现全球气温有长期的变化趋势，存在准21 a和准65 a的周期变化，且呈周期性波动[4]，全球温度变化的空间特征在不同时间段也存在差异[2]。中国的气候变暖趋势与全球基本一致，最近60年气温上升显著，平均为0.23℃/10 a左右，几乎是全球的2倍[5-9]。近半个世纪，我国西北干旱区的气温变化跟全国、全球的气温变化有较好的响应，但增幅要明显高于全球的平均水平[10]；另一方面，相关学者研究指出近几年全球增暖减缓[11-14]，并受到极大关注。

1 相关工作

早期相关研究认为全球变暖会加剧全球降水分布的不平衡，认为多雨地区降雨会更多，干旱地区将更少[15-18]，但最近的研究发现，“干越干，湿越湿”的降水变化格局在全球的陆地上的绝大数地区并不适用[19-20]。中国干旱、半干旱区的降水有明显变化[21]，研究指出，我国华北地区的降水呈持续减少的趋势[22]，而西北地区呈“西升东降”降水变化格局[23-24]，其中新疆地区[25]和河西走廊[26]降水增加最显著，西北东部地区主要表现为减少趋势[27]。秦大河等[28]研究指出西北地区的降水频率显著增多，以强降水为主[29]，东部降水强度比西部显著，尤其是20世纪80年代以后，西北地区降水增加，气候逐渐向暖湿型转变[30-31]。

新疆位于我国西北部，是欧亚大陆腹地，典型的大陆性干旱气候区和生态脆弱区，对全球气候变暖尤为敏感。施雅风等[30]研究指出，在全球气候变暖的背景下，中国新疆地区的气候由暖干向暖湿的转变；研究进一步发现新疆降水增加趋势更加明显，新疆地区的降水的增速大约为0.4～0.5 mm/a[32-35]，而且北疆的降水增加幅度要大于南疆[36]。另一方面，有关研究同样指出，新疆总的干旱气候格局将不会有多大改变，在气温增高的情况下，蒸散量上升，干旱次数将有增多的可能[37]。Yao[38-39]采用多源数据，从土壤湿度、河流径流量及植被指数等多个角度研究证实了从1997年后新疆地区由暖湿向暖干转变的事实。为进一步研究新疆地区气温和降水时空格局演变，对气候变化进行评估，这对一带一路的战略发展，区域水资源的管理、灾害防控等有着重要的意义。

2 资料与方法

2.1 资料来源

本文所用基础数据下载于中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn/）1961-2015年月平均地面各气象要素数据，对基础数据进行分析、评估，选择数据连续好的102个气象站作为新疆的代表性台站进行分析。

2.2 研究方法

线性趋势分析。为分析气象要素的线性增长趋势(气候倾向率)，利用最小二乘法对新疆102个台站55年降水和气温序列进行线性拟合：

其中：y表示降水或温度，t表示时间；a和b是通过实际资料计算得出的经验常数，a是线性函数的斜率，其值的大小反映了降水增加或减少的速率[40]。在求得线性趋势后，需检验时间与降水序列的相关系数R，若R通过信度检验，则认为该趋势有统计意义。

三次多项式曲线拟合。用Cubic函数形式把气候要素表达为时间t的非线性函数：

其中：a，b，c，d为经验常数，用最小二乘法通过时间资料计算的出，通过三次多项式曲线拟合曲线可以很好反映短时期尺度气候变化特征[41]。根据Cubic上阶段性极值可定性分析要素变化的转型特征，极小值对应要素值有下降转为上升的时间，极大值对应要素值有下降转为上升的时间[42]。

反距离插值。为了分析气温和降水变化的空间特征，本文是在ArcGIS软件中采用反距离插值法进行。

3 结果与分析

3.1 年平均气温与年降水量的变化特征

图1给出了1961-2015年新疆地区年平均气温和年降水量的变化趋势。从图1（a）可以看出新疆地区年平均气温呈波动上升趋势，Cubic函数拟合线呈“一峰一谷”型，在20世纪70年代初期达到极小值，在21世纪初达到极大值。这说明新疆地区在上世纪70年代初气温发生了降温-升温转型，从1970至21世纪初气温处于波动上升期，目前新疆地区气温增温放慢，处于高位震荡期。整个区域平均增温速率为0.3℃/10 a，增幅要明显高于我国及全球的平均水平[10]。

图1 新疆年平均气温与年降水量的变化变化趋势

图1（b）为新疆地区年降水量的变化趋势。Cubic函数拟合线亦呈“一峰一谷”型，自从上世纪60年代初期开始呈现上升趋势，在21世纪初的后期达到极大值。这说明新疆地区从上世纪60年代至21世纪初的后期降水处于波动上升期，此后新疆地区降水处于微弱减小期，整个新疆区域降水增加率为9 mm/10 a。结合温度和降水的变化趋势可以看出，自上世纪70年代至21世纪第一个10年间，新疆地区气候处于一个暖湿化的过程，目前新疆地区气温和降水均处于一个高度震荡期，可能处于“暖湿”向“暖干”的转型期，有“暖干”的变化趋势，这同Yao[38-39]的研究一致。

1961-2015 年平均气温和年降水量具有明显南北区域差异。气温低值中心在天山和阿尔泰山，高值中心在吐鲁番盆地和南疆的西南部；降水最大值出现在天山的西部伊犁河谷，最小值在南疆的南部。整体趋势是气温北低南高，降水时北多南少，呈现北部“冷湿”、南部“暖干”空间格局。

3.2 气温的季节变化特征

新疆地区四季气温在1961-2015年的变化如图 2。春季（3～5 月，图 2（a）），夏季（6～8 月，图 2（b））、秋季（9～11 月，图 2（c））平均气温分别为10.56、22.29和8.23℃。气温Cubic函数拟合线均呈“一谷”型，在20世纪70年代均达到极小值，说明新疆地区在上世纪70年代末春季、夏季和秋季气温发生了降温-升温转型。从1961-1979年气温处于波动下降期，但春季气温下降趋势比夏、秋两季要显著；从1970年开始气温呈波动上升，整个新疆区域春季、夏季和秋季增温速率分别为0.29℃/10 a、0.23℃/10 a和 0.35℃/10 a。冬季(12 月-次年 2 月，图 2（d）)平均气温为-8.72 ℃，Cubic函数拟合线与春、夏、秋三季有明显的差异，呈“一谷一峰”型，在20世纪60年代末期达到极小值，在21世纪初达到极大值，并在21世纪初发生了升温-降温的转型。从1961-1969年末冬季气温处于波动下降，从1970年至21世纪初冬季气温呈波动上升，从21世纪初至2015年冬季气温又波动下降。整个新疆区域冬季增温速率为0.35℃/10 a。从1961-2015年四季气温增温速率来看，夏季气温增温速率最小，秋、冬两季增温速率最大。这暗示着新疆地区秋、冬两季气温的增速对区域气候变暖的贡献最大，同时新疆地区当前气温增温放缓的是其冬季气温出现下降所致。

图2 四季气温的变化特征

新疆四季气温的空间分布有明显的差异，其中春季、夏季、秋季三季的气温低值中心位于天山山区，气温呈现“北低南高”的格局，而在冬季气温的低值中心在北部的阿尔泰山区，高值中心位于南疆的西南地区，气温呈现“东北低西南高”格局。

3.3 降水的季节变化特征

四季降水量在1961-2015年间具有明显差异。春季（3～5 月，图 3（a））、夏季（6～8 月，图 3（b））、秋季（9～11 月，图 3（c））和冬季（12-次年 2月，图 3（d））平均降水量分别为 42.56 mm、67.34 mm、32.99 mm和17.00 mm。Cubic函数拟合线四季降水呈显著差异。春季和夏季呈“一谷一峰”型，但春季的“一谷一峰”没有夏季明显，但均在20世纪70年代初期均达到极小值，21世纪初达到极大值，说明新疆地区在上世纪70年代初春季和夏季降水发生了“减少-增多”的转型，21世纪初春、夏降水发生了“增多-减少”的转型。从1961～1979年初春、夏降水处于波动减少期，但夏季降水减少趋势比春季显著；从1970年至21世纪初春、夏降水呈波动增加趋势，但夏季降水增加趋势比春季显著；从21世纪初至2015年春、夏降水又波动下降。整个新疆区域春季、夏季降水增加速率分别为1.6 mm/10 a和3.4 mm/10 a。与春、夏两季相比，秋、冬两季降水的Cubic函数拟合线没有明显的“谷”或“峰”，均呈上升趋势，说明新疆地区秋、冬两季降水均呈增加趋势，降水增加速率分别为1.8 mm/10 a和2.1 mm/10 a。根据降水四季的变化特征可以得出从21世纪初至2015年春季降水的减少是新疆地区当前气候变干的主要原因。

1961-2015 年新疆降水量的季节空间格局也存在分布不均。无论哪个季节，其降水均有区域差异，降水主要集中在天山以北的区域，且呈自西向东减少的趋势，南疆地区降水较少。春季降水主要集中在天山以北的中部地区，天山以南和阿尔泰地区，东疆地区较少；从春季到夏季，降水逐渐变多且降水区域逐渐扩展，阿尔泰地区和东疆地区乃至整个北疆进入雨季；从夏季到秋季其降水区域逐渐萎缩至新疆的西北区域，到冬季新疆的全域内降水更少，主要集中天山西部的伊犁河谷地区。新疆降水的整体格局是主要集中在天山以北，夏季是新疆降水最丰富，面积最广的季节。

图3 新疆降水量的季节变化趋势

3.4 降水和气温变化趋势空间分布

近55年来新疆地区降水和气温变化趋势在空间上不同步，存在明显差异。气温在新疆全域内呈增加趋势，但增加的幅度存在差异，其中北疆和东疆增温要比南疆要明显，吐鲁番盆地是增温最剧烈的地区，南疆的西部是增温最缓慢的区域。降水变化在空间上差异明显，降水明显变多的主要集中在天山山区，准格尔盆地和塔里木盆地、吐鲁番盆地降水呈减少趋势，尤其是南疆，越往东南，降水减少的趋势越显著。整体上，在新疆域内天山和阿尔泰山山区呈暖湿化趋势，准格尔盆地、塔里木盆地，吐鲁番盆地呈暖干化趋势。

4 小结

对新疆102个气象站所监测的降水和气温数据采用统计、拟合和空间分析等方法得到新疆域内近55年的气候变化变特征，具体结论如下：

（ⅰ）新疆地区在上世纪70年代初发生了降温-升温转型，从1970-2019年气温处于波动上升期，当前新疆地区增温放慢，处于高位震荡期。整个区域平均增温速率为0.3℃/10 a。从上世纪60年代至21世纪初的后期降水处于波动上升期，此后新疆地区降水处于微弱减小期。整个新疆区域降水增加率为9 mm/10 a。自上世纪70年代至21世纪第一个10年间，新疆地区气候处于一个暖湿化的过程，目前新疆地区气温和降水均处于一个高度震荡期，可能处于“暖湿”向“暖干”的转型期，呈“暖干”的变化趋势。

（ⅱ）新疆地区在上世纪70年代末春季、夏季和秋季气温发生了降温-升温转型，从1970年开始气温呈波动上升，整个新疆区域春季、夏季和秋季增温速率分别为 0.29℃/10 a、0.23℃/10 a和0.35℃/10 a；在21世纪初发生了升温-降温的转型。整个新疆区域冬季增温速率为0.35℃/10 a，新疆地区当前气温增温放缓主要是冬季气温出现下降所致。

（ⅲ）新疆地区在上世纪70年代初春季和夏季降水发生了“减少-增多”的转型，21世纪初春、夏降水发生了“增多-减少”的转型。整个新疆区域春季、夏季降水增加速率分别为1.6 mm/10 a和3.4 mm/10 a；秋、冬两季降水均呈增多趋势，降水增加速率分别为1.8 mm/10 a和2.1 mm/10 a，21世纪初至2015年春季降水的减少是新疆地区当前气候变干的主要原因。

（ⅳ）新疆季节降水量在空间上分布不均，降水存在区域差异，降水主要集中在天山以北的区域，且呈自西向东减少趋势，南疆地区降水较少；春季降水主要集中在天山以北的中部地区，天山以南和阿尔泰地区，东疆地区较少；从春季到夏季，降水逐渐变多且降水区域逐渐扩展，阿尔泰地区和东疆地区乃至整个北疆进入雨季；从夏季到秋季其降水区域逐渐萎缩至新疆的西北区域，到冬季新疆的全域内降水少，主要集中天山西部的伊犁河谷地区。新疆地区降水主要集中在天山以北，夏季是新疆地区降水最丰富，面积最广的季节。

（ⅴ）新疆地区降水和气温变化趋势在空间上不同步，存在明显差异。气温在新疆全域内呈增加趋势，但增加的幅度存在差异，其中北疆和东疆增温要比南疆要明显，吐鲁番盆地是增温最剧烈的地区，南疆的西部是增温最缓慢的区域；降水明显变多的主要集中在天山山区，准格尔盆地和塔里木盆地、吐鲁番盆地降水呈减少趋势；南疆越往东南，降水减少的趋势越显著。整体上天山和阿尔泰山山区呈暖-湿化趋势，准格尔盆地、塔里木盆地，吐鲁番盆地呈暖-干化趋势。