新疆开都河-孔雀河流域近59年极端气候事件时空变化特征

潘银妹，戴雪荣，2，毛东雷

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院/新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，乌鲁木齐 830054；2.华东师范大学地理科学学院，上海 200241）

全球气候变化是科学界持续关注的焦点。IPCC第五次气候变化评估报告指出，自1950年以来，气候变化史无前例，其中，2003—2012年平均气温相比1950—1900年增温0.78℃，1983—2012年可能是“史上最热”［1］。气候变化不仅包括平均值的变化，还包括极端气候的变化［2］。在全球气候变暖背景下，未来极端气候事件将增加。极端气候事件是指具有异常性、剧烈性、突发性等特点且偏离正常状态下气候要素观测值的事件［3］，其发生的强度和频率增加会对人类生态环境、生产生活、社会经济、粮食安全等造成巨大影响［4，5］。

从国内外学者研究成果来看，极端高温发生频次不断增加，极端低温发生频次减少。如Abatan等［6］研究发现尼日利亚热极端事件的频率显著增加，冷极端事件减少。Ortiz-Gómez等［7］研究发现墨西哥扎卡特卡斯州降水事件呈减少趋势，但强度略有增加。Zhang等［8］研究发现东亚极端暖事件和强降水事件发生的概率增加，极端冷事件发生的概率减小。李娟等［9］研究发现中国的极端高温和降水日数增加，极端低温指数降低。陈亚宁等［10］研究发现西北干旱区的极端气候/水文事件呈逐年增加趋势。唐小英等［11］研究表明南疆地区极端气候事件整体上呈显著增加趋势。丁之勇等［12］研究发现新疆艾比湖流域极端气温暖指数总体呈上升趋势，大部分冷指数呈降低趋势，降水指数均呈增加趋势。赵明玉等［13］研究发现新疆巴州冷暖指数变化呈非对称性，暖指数呈不同程度的显著上升，冷指数总体呈显著下降趋势。但基于新疆开都河-孔雀河流域（简称开孔河流域）极端气候时空演变分析及探索各极端气候指标关系的研究还相对较少。

新疆开孔河流域作为塔里木河流域四源一干之一，属于大陆性干旱气候，蒸发旺盛，气温日较差大，气候条件恶劣，生态环境较为脆弱［14］，对气候极端变化敏感性较高。极端气候影响植物的光合作用和呼吸作用［15］，缩短了生育周期［16，17］，造成农作物减产，制约流域内城市化发展进程和生态建设。因此，本研究基于1961—2019年开孔河流域8个气象站逐日气温和降水量数据，分析了该区域极端气候事件的时空演变规律，以期能够为该地区城市规划、城市气候灾害预警、农业灾害防护提供一定的科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

开孔河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内天山南麓、塔里木盆地东北缘，地理坐标为40°12′—43°50′N，83°32′—90°42′E。流域包括1市5县，即库尔勒市、和静县、和硕县、焉耆县、博湖县及尉犁县，总面积为12.02万km2［18］，河流主要由开都河、博斯腾湖和孔雀河构成，三者彼此水体相连。流域内多年平均气温为7.3～10.9℃，多年平均降水量为47.3～75.0 mm，集中于6—8月，多年平均蒸发量为1 887～2 777 mm，开孔河流域气温呈明显的持续增加趋势，降水呈缓慢的上下波动增加趋势。

图1 开孔河流域气象站点分布

1.2 数据来源及处理

开孔河流域8个气象站（巴音布鲁克、巴仑台、和静、和硕、焉耆、库尔勒、尉犁、铁干里克）的逐日最高气温、最低气温和降水量数据均来自国家气象地面基准站，时间范围为1961—2019年，剔除异常值和错误值后，所选的数据均通过标准正态一致性检验，数据质量可靠。选取指标原则参照世界气象组织（WMO）推荐的27个指标，根据研究区实际情况，选择12个极端气温指数和6个极端降水指数进行分析（表1），利用RClimDex（1.0）软件对各站点的极端气候指数进行计算。其中，SU25、GSL、TN90p、TX90p、WSDI、TR20表征极端高温事件，DTR表示气温日较差，FD0、ID0、TN10p、TX10p、CSDI表征极端低 温 事 件 ，R95p表 征 极 端 降 水 量 级 ，SDII、R10、RX1day表征极端降水强度，CDD和CWD表征极端降水持续时间，各指数所代表的意义见表1。

表1 极端气候指数定义

1.3 分析方法

采用一元线性回归方程对极端气候指数进行趋势分析，并用Mann-Kendall突变检验对极端气候各项指数变化趋势进行显著性检验，给定显著性水平α为0.05，其UF0.05=±1.96，即当 ||UF＞1.96时，说明检验是显著的，若-1.96＜UF＜1.96时，为无显著趋势。计算各极端气候指数的倾向率，并对其进行反距离权重（IWD）空间插值，分析各极端气候指数的空间变化趋势。

2 结果与分析

2.1 极端气候指数时间变化特征

2.1.1 极端气温指数时间变化特征 从开孔河流域的极端气温指数年际变化趋势（图2）可以看出，近59年整个流域表征极端高温事件的SU25、GSL、WSDI、TN90p、TX90p的变化趋势一致，均呈上升趋势，TR20（除了和硕呈弱下降外）以上升趋势为主。表征极端低温事件的TX10p、TN10p、CSDI的变化趋势一致，呈下降趋势，气温日较差（DTR）和表征低温的FD0整体变化趋势不一致，以下降趋势为主，ID0的变化差别较大，只有50%的站点呈下降趋势。

图2 开孔河流域极端气温指数的年际变化趋势

对8个站点的极端气温指数进行Mann-Kendall突变检验（表2），在极端高温指数方面，和静、焉耆、库尔勒、铁里干克的SU25，焉耆、铁里干克、尉犁的GSL，巴仑台、巴音布鲁克、和静、库尔勒、铁里干克、尉犁、焉耆的TN90p，巴音布鲁克、巴仑台、和静、和硕、库尔勒、铁里干克、尉犁的TX90p，和静、库尔勒、铁里干克、焉耆、尉犁的TR20均通过了0.05水平的显著性检验，WSDI未通过显著性检验。在极端低温指数方面，巴仑台的ID0，巴仑台、和静、库尔勒、焉耆、铁里干克的TX10p，巴仑台、巴音布鲁克、和静、库尔勒、铁里干克、尉犁、焉耆的TN10p，和静的CSDI均通过了0.05水平的显著性检验。极端气温指数的突变年份主要集中在20世纪80年代末至21世纪初。

表2 各乡、县、市的极端气温指数突变时间

总的来说，开孔河流域的极端高温指数变化明显，以上升趋势为主，说明极端高温事件增多，这与新疆变暖的趋势相同［19］。极端高温指数与极端低温指数的变化趋势相反，变化较为明显，以下降趋势为主，说明极端低温事件减少。

2.1.2 极端降水指数时间变化特征 较极端气温指数而言，极端降水指数变化不太明显，但CDD指数变化最明显。从开孔河流域极端降水指数的年际变化趋势（图3）和Mann-Kendall突变检验（表3）可以看出，1961—2019年反映降水强度、降水量级、降水持续时间的极端降水指数RX1day、SDII、R95p、R10、CWD的变化趋势不一致，以上升趋势为主，与表示持续干旱指数（CDD）呈下降趋势的结果一致。其中，巴音布鲁克的R95p、RX1day和巴仑台的R10显著上升，巴仑台、巴音布鲁克、和硕、库尔勒、尉犁、焉耆的CDD显著下降。极端降水指数R95p、RX1day、CDD突变年份主要集中在20世纪80年代至90年代初。

表3 各乡、县、市的极端降水指数突变时间

整个流域的降水强度、降水持续时间、降水量有一定的增加，尤其是持续干旱指数有明显的减小趋势，说明开孔河流域可能有缓慢变湿的趋势，这与南疆地区气候变湿趋势相同［20］。极端降水事件大部分地区无突变年份，其原因之一是开孔河流域位于内陆干旱区，水汽主要来自北部北冰洋气流和西风环流［21］，又受天山山脉阻挡，且周围大部分是沙漠区，降水稀少，因此由降水量增加引发的极端降水事件几乎不发生。

2.2 极端气候指数气候倾向率的空间变化趋势特征

由开孔河流域极端气温指数气候倾向率的空间变化趋势（图4）可以看出，极端高温指数气候倾向率整体呈上升趋势，气温日较差和极端低温指数气候倾向率整体呈下降趋势。其中，SU25、TR20、TX90p、WSDI、ID0的气候倾向率呈西北低、东南高的分布特征，SU25上升幅度最大的区域是焉耆（2.46 d/10年），其次是铁里干克、和静、库尔勒，分别以2.43、2.35、2.26 d/10年的速率显著上升，其他站点变化不明显；TR20、TX90p上升最显著的区域是铁里干克，增幅分别为4.09、3.46 d/10年，显著上升区域所占比例分别为62.5%和87.5%；WSDI变化幅度最小；ID0的气候倾向率各站点变化趋势有明显的东南、西北分异特征，东南部呈上升趋势，西北呈下降趋势，总体变化幅度小。GSL、TN90p的气候倾向率以东北为中心向四周越来越大，GSL显著上升的区域是铁里干克、尉犁、焉耆；TN90p的上升速率最显著，排序为巴仑台（5.17 d/10年）＞焉耆（4.94 d/10年）＞铁干里克（4.45 d/10年）＞和静（4.43 d/10年）＞尉犁（3.57 d/10年）＞库尔勒（2.70 d/10年）＞巴音布鲁克（2.50 d/10年）＞和硕（0.49 d/10年）；FD0与GSL、TN90p则呈相反特征，以东北为中心向四周越来越小，FD0显著下降，变化幅度范围为-4.11～0.26 d/10年。

图4 开孔河流域极端气候指数的气候倾向率的空间变化趋势

CSDI、TN10p、TX10p、DTR的气候倾向率呈西北高、东南低的分布特征，CSDI变化不明显，只有和静显著下降；TN10p变化幅度最明显，下降幅度范围为-0.62～-5.83 d/10年，显著减小区域所占比例达87.5%，绝对值排序为尉犁＞焉耆＞和静＞铁里干克＞库尔勒＞巴仑台＞巴音布鲁克；TX10p，DTR显著减小，TX10p显著下降区域是铁干里克（-1.86 d/10年）、库尔勒（-1.66 d/10年）、和静（-1.54 d/10年）、焉耆（-1.42 d/10年）、巴仑台（-1.11 d/10年）；DTR显著下降的区域是巴仑台、和静、库尔勒、铁里干克、尉犁、焉耆 ，速 率 分 别 为-0.19、-0.33、-0.09、-0.16、-0.48、-0.37℃/10年。造成这种空间变化差异的原因可能是开孔河流域地形自西北向东南逐渐倾斜，降水量和气温则随之减少和增加［22］，另一方面可能是焉耆盆地的四周向盆地倾斜的地貌形态［23］，导致温差大。

各乡、县、市极端降水指数RX1day、R10、R95p、CWD的气候倾向率的空间分布规律相同，均呈西北高、东南低的分布特点，CDD、SDII与之相反。其中，巴音布鲁克的R95p、巴仑台的R10分别以6.61、0.83 mm/10年的速率显著增加；CDD变化最显著，变化的范围为-6.56～-26.11 d/10年，显著减小的区域是巴仑台、巴音布鲁克、和硕、焉耆、库尔勒、尉犁；其他地区的极端降水指数的气候倾向率变化不明显。西北部地区较湿润，降水量大，东南部地区较干旱，降水量少，铁里干克的降水强度大，其原因一方面是开孔河流域北部、西部为寒冷山区，蒸发弱，铁里干克虽是干旱沙漠区，但海拔低，海拔低的上空气柱长［24］，因此降水强度大；另一方面可能是受植被覆盖度的影响，北部和中部的归一化植被指数（NDVI）高，南部和东部NDVI指数低［25］。

2.3 极端气候指数的对比及相关分析

地面增温导致地表蒸发强烈，影响大气水热平衡，进而改变极端降水事件的频率和强度，为进一步了解极端气候指数变化与开孔河流域年平均气温、年总降水量变化的关系，对三者进行相关性分析（表3）。极端气温指数变化与年平均气温关系密切，高温指数与年平均气温呈正相关，低温指数（除了TX10p）与年平均气温呈负相关，所有指数均通过0.01水平的显著检验，DTR与年平均气温的相关性通过了0.05水平的显著检验；极端降水指数SDII、R10、R95p、RX1day、CWD与年降水量呈极强的正相关，CDD则与其呈极强的负相关，各项指数均通过了0.01水平的显著检验，说明年降水量越大，极端降水指数越大。

表3 1961—2019年极端气候指数与年平均气温和年降水量变化的相关性

对各项极端气温指数与极端降水指数进行相关性分析，其中CDD与SU25、TR20、TN90p呈显著或极显著负相关关系；SDII与其他指标的相关性较差；R10、CWD与TN10p、CSDI、DTR呈显著或极显著负相关；R95p与TN10p、DTR呈显著负相关；RX1day与DTR呈显著负相关。这说明开孔河流域极端降水事件受对SU25、TR20、TN90p、TN10p、CSDI、DTR的影响较大。

3 小结与讨论

3.1 小结

1）1961—2019年，开孔河流域的极端高温指数变化较极端低温指数明显，极端高温指数与极端低温指数的变化趋势相反，极端高温事件增多，而极端低温事件减少；极端降水各项指数的变化不明显，CDD指数总体呈显著下降趋势，说明开孔河流域可能有缓慢变湿趋势。极端气温指数突变年份多发生在20世纪80年代末至21世纪初，极端降水指数R95p、RX1day、CDD突变年份主要集中在20世纪80年代至90年代初。

2）极端气温指数SU25、TR20、TX90p、WSDI、ID0的气候倾向率呈西北低、东南高的分布特征，CDSI、TN10p、TX10p、DTR的气候倾向率呈西北高、东南低的分布特征，GSL、TN90p的气候倾向率以东北为中心向四周越来越大，FD0的气候倾向率以东北为中心向四周越来越小。极端降水指数RX1day、R10、R95p、CWD的气候倾向率呈西北高、东南低的分布特点，CDD和SDII的气候倾向率呈西北低、东南高的分异特征且变化最显著。

3）极端高温指数和极端降水指数与年平均气温、年降水量呈显著或极显著正相关，极端低温指数与年平均气温呈显著负相关，极端气温指数变化对极端降水指数有一定的影响。

3.2 讨论

本研究通过线性拟合和M-K突变分析法分析了开孔河流域极端气候的时间变化特征。一方面，从表征极端气温事件的指标来看，高温指数呈显著或不显著上升趋势，低温指数呈显著或不显著下降趋势，表明极端高温事件增加，极端低温事件减少，这与王政琪等［26］、丁之勇等［27］的研究结论一致，主要是因为全球气候变暖导致极端气候事件的增多。另一方面，极端气温事件突变年份多发生在20世纪90年代以后，与新疆气温突变趋势一致［28］。开孔河流域属于内陆干旱区，降水稀少，蒸发量大，极端降水指数变化不明显，查阅开孔河流域的历年气象灾害事件［29］，1980—2000年，旱灾发生次数为8次，洪灾25次，霜冻8次，冻害3次，低温冷害4次，风灾33次，冰雹13次。洪灾的成因主要是高温引起高海拔地区冰川融化，增加河流径流量，洪水泛滥；高温引起的旱灾、风灾发生次数较突出，尤其是风灾隐患，所以各地各级政府要加强防范高温引起气象灾害事件。极端低温事件虽有减少，但霜冻、冻害、冷害不可避免，应当注意冬季农作物保暖。

极端气候指数的气候倾向率在空间上存在西北、东南差异，这可能是地形起伏、植被覆盖变化的地带性分布所导致的［30，31］。极端高温的变化趋势比极端低温更明显，说明开孔河流域持续升温中，高温日数增加会对喜阴作物的光合系统造成负面影响，使农作物生长期缩短，降低作物产量，同时加快土壤蒸发和植物的蒸腾作用，也可能加剧土壤盐渍化和沙漠化，极端低温事件的减少可以使植被避免冻害的影响。极端降水空间差异性大，降水增加区域主要集中在巴音布鲁克、库尔勒、铁里干克，南部地区降水量增加可能是人类活动的影响，为加快城市的绿色发展而栽种大量的植被，铁里干克的降水量增大却属于缺水地区，主要归因于蒸发量大，植被稀少不能储存水分；持续湿润指数有所增加，持续干旱指数缓慢减少，说明开孔河流域降水也发生了一定程度的变化，但变化幅度不明显，还应当加强人工灌溉。

对极端气候指数与年平均气温、年降水量进行相关性分析，说明气温升高和降水量增加与极端气候指数的变化有密切联系，气候变化会引起极端气候的变化，气候变暖导致极端高温指数呈上升趋势，极端低温指数呈下降趋势，极端降水指数R95p、R10、CWD呈非显著上升趋势，说明该区域高温事件增多，低温事件减少，干旱有所缓解的特征。