1963—2020年新疆天山北坡经济带主要城市气温日较差变化特征

郑新倩，杨 帆，李超凡，徐立帅，吴玉涛

（1.新疆兴农网信息中心 新疆维吾尔自治区农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所 新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站 中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地 新疆维吾尔自治区沙漠气象与沙尘暴重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；3.南京信息工程大学地理科学学院，江苏 南京 210044；4.山西农业大学资源环境学院，山西 太谷 030801；5.山丹县林业技术工作站，甘肃 山丹 734100）

全球气候变暖已呈趋势，过去130 年全球地表平均温度升高了0.85℃，2003 年至2012 年比1850 年至1900年气温升高了0.78℃，在未来100年全球气温将可能升高1.1-4.6℃［1］。相较于最高温度的升高，最低温度升高的趋势更为明显，这种非对称的变化引起了广泛关注。在气候变化研究方面，相较于平均气温，气温日较差能够反映出更多的信息［2］。同时，气温日较差反映全球或区域性的温度变化幅度，分析其变化特征对环境、气候异常的影响和可持续发展研究都具有重要的参考价值［3］。

由于全球气候变暖对气候变化相关问题的研究越来越多，在对气温日较差的研究中，国内学者发现近50年来中国年平均气温日较差整体呈下降趋势［4］，有明显的区域和季节性差异［5-7］，并且气温日较差日数随气温日较差数值的增大而减少［8］。例如，中国北方地区最低温度的升高速率大于最高温度，冬季升温速率大于夏季［9］，偏北地区大于偏南地区，且最低温度的变化比最高气温更为敏感［10］。许多学者还通过气候模式模拟来分析气温日较差的历史变化情况，并讨论其未来变化趋势。Stone等［11］利用CGCM1和CGCM2模式对全球1950—1993 年日较差进行模拟，得出这44 年日较差下降趋势为0.2℃/100a，远低于观测值0.8℃/100a.此外Braganza 等［12］通过多种气候模式对全球最高温度、最低温度进行模拟，得到了类似的结论。随着气候的波动，新疆气候向暖湿化变化已引起广大学者高度的重视。刘波［13］指出新疆在1960—2005 年间气温显著升高，但气温日较差呈现显著下降趋势。国内对气温日较差变化的研究较多，但多为大范围区域性的分析，新疆地域范围辽阔，地貌复杂多样，鉴于气温日较差变化的区域性和季节性差异，对重点区域进行详细分析将更加有利于农业生产和规划布局。文章特选取天山北坡经济带上极具代表性的乌鲁木齐市、阜康市、石河子市、乌苏市和克拉玛依市5个气象站，利用1963—2020年共计58年的逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、日照时数、平均风速等资料，系统分析天山北坡经济带气温日较差的气候变化规律以及与气象因子的相关关系，为进一步提升气象为农服务能力提供科学参考，也可为应对气候变化研究提供相关依据。

1 研究区概况

新疆在制定“十五”计划时提出天山北坡经济带［14］，地处准噶尔盆地南缘，天山北麓中段，是国家西部区域经济规划重点发展区域，建构以乌鲁木齐市—昌吉回族自治州为中心，以石河子市、奎屯市—乌苏市—独山子区三角地带、奇台县—吉木萨尔县准东地区和伊犁河谷为重点的空间开发格局［15］，这一地带是典型的干旱绿洲经济区、生产力高度集中地区，凭借得天独厚的资源优势和地缘优势，成为新疆科技、经济和社会发展的重心，也是新疆最具发展潜力和发展前景的区域之一［16］。

2 资料来源和数据处理

2.1 资料来源

综合考虑观测资料的连续性和完整性，文章选取了处于天山北坡经济带核心区域处于天山北坡经济带核心区域内极具代表性的5个气象站点，分别是乌鲁木齐市（经度43°47′纬度87°39′）、阜康市（经度44°10′纬度87°55′）、石河子市（经44°19′纬度86°03′）、乌苏市（经44°26′纬度84°40′）和克拉玛依市（经度45°37′纬度84°51′）。选取1963—2020年共计58年的逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、日照时数、平均风速等气象要素进行分析。

2.2 数据处理

气温日较差为最高气温和最低气温之差，月、季、年平均日较差为相应的平均最高气温与最低气温的差值。气温日较差的变化趋势采用气候倾向率进行分析，采用气候趋势系数方法对变化趋势的显著性进行检验，采用Person 相关分析方法计算各气象因子与气温日较差的关联性，采用Mann-Kendall（M-K）法检验气温日较差的突变特征。

3 结果与讨论

3.1 气温日较差的年变化特征

分析发现，1963—2020年天山北坡经济带气温年平均日较差主要介于8.40-13.97℃之间，整体平均值为10.98℃，其中石河子市日较差始终较大（12.58℃），阜康市次之（12.25℃），克拉玛依市一直保持较低水平（9.51℃）。整体来看，天山北坡经济带近58 a 气温年平均日较差呈极显著的减小趋势（图1），其减小速率依次为乌鲁木齐市（-0.303℃/10a）＞克拉玛依市（-0.272℃/10a）＞石河子市（-0.259℃/10a）＞乌苏市（-0.173℃/10a）＞阜康市（-0.172℃/10a）。

图1 天山北坡经济带主要城市1960—2020年年平均气温日较差变化

通过M-K突变检验法，分析天山北坡经济带5个代表站的气温日较差的突变特征（图2）。其中，乌鲁木齐市、石河子市、克拉玛依市的UF（k）和UB（k）曲线在多个年份相交，但均未在置信区间内，表明突变特征并不明显；阜康市和乌苏市的UF（k）和UB（k）曲线均在1976年左右相交于置信度为0.05的置信线（±1.96）之间，并且UF（k）曲线自1976 年来基本表现为持续下降趋势，这与气温日较差的变化趋势有较好的一致性，说明阜康市和乌苏市的气温日较差的降低突变发生在1976 年。在黄成荣［17］等的研究成果中，新疆平均、最低、最高气温的距平变化尤以最低气温的升温速度和幅度最大，且以1977年为界，前18年平均最低气温距平值低于平均最高气温，1977年以后，平均最低气温的距平值高于平均最高气温，这也进一步表明气温日较差的突变原因在于最低气温的变化。

3.2 气温日较差的季节变化

天山北坡经济带不同城市各月气温日较差均值处于6.3-15.9℃之间（图3），并伴有明显的季节变化差异，其中夏季最高，春秋季次之，冬季最小（表1）。夏季石河子市的气温日较差最高，最大可达15.1℃。冬季相对较低的日较差均值中克拉玛依市最低，达7.4℃。对于各季节的变化趋势来说，除乌苏市在春季有较弱的增加趋势外，其余各地各季节均呈减小趋势，并且冬季的减小趋势较其他季节普遍表现较强。

图3 天山北坡经济带主要城市1960—2020年月平均气温日较差的年变化特征

表1 天山北坡经济带主要城市1960—2020年不同季节的平均气温日较差、倾向率及趋势系数变化

3.3 最高、最低气温的变化

天山北坡经济带各地年平均最高、最低气温均表现为升高的趋势（表2），且最低气温的升高趋势表现更为明显，即夜间的升温幅度大于白天，促使昼夜温差减小，最高、最低气温变化不对称。年最高、最低气温均与年平均气温日较差呈现出相反的变化趋势，天山北坡经济带气温日较差降低的原因主要是最低气温的升温速率大于最高气温的升温速率。在四季中，气温日较差的变化与最低气温的显著升高关系更为紧密，并且气温日较差的降低趋势在最低气温显著升高的季节性表现也更为明显，这也再次印证了气温日较差减弱具有一定的季节性且冬季相对较强的结论［18-19］。

表2 天山北坡经济带主要城市1960—2020年年、季平均最高气温和最低气温的倾向率及趋势系数变化

3.4 气温日较差与气象因子的相关分析

为深入探究气温日较差与各环境因子间的关系，将气温日较差与其他气象因子（平均温度、日照时数、降水量、相对湿度和平均风速）进行相关分析及显著性检验（表3）。结果显示，不同城市的气温日较差总体与平均气温、降水量、相对湿度3 个气象因子呈负相关，与日照时数、平均风速2 个气象因子呈正相关，且与日照时数相关最为显著。这可能是由于地面水汽含量的增加，会增加空气热容量，减缓气温的波动，而日照时数减小会使最高气温下降，进而减小气温日较差［20］。

表3 天山北坡经济带主要城市1960——2020年气温日较差与不同气象因子间的相关性

4 结论

1963—2020年，天山北坡经济带气温年平均日较差主要介于8.40-13.97℃之间，整体平均值为10.98℃，各季节中以夏季值最大，冬季值最小。年平均气温日较差总体呈减小趋势，且以冬季减小趋势普遍相对较强。各地气温日较差均有不同程度的减小突变，但突变特征不尽相同，仅阜康市和乌苏市在1976 年的突变达到置信水平。

天山北坡经济带年最低气温的升高趋势大于最高气温，年最高、最低气温均与年平均气温日较差呈现出相反的变化趋势，气温日较差降低的原因主要是最低气温的升温速率大于最高气温的升温速率，且最低气温显著升高的季节气温日较差的降低趋势更为明显。此外，由于各地环境条件差异，不同城市环境因子与气温日较差均有不同程度的关联性，这种差异使得天山北坡经济带不同城市气温日较差的减小趋势有所不同。

综上所述，天山北坡经济带不同城市气温日较差除了具有区域性和季节性外，气候变化、大气环流和其他气象因子也是影响其变化的重要因子。鉴于其可反映多种环境因子的综合影响，并表征气候变化和人为活动的更多细节信息，因此对于植物生长发育、农作物产量提升、病虫害防治等均有很好的指导意义。后续应持续挖掘气温日较差蕴含的多种生态学意义，并深入研究其影响机制，进一步提升气象为农服务能力。