天山北麓近50a氣溫和降水變化特征分析

天山北麓近50a氣溫和降水變化特征分析

自20世紀(jì)下半葉以來(lái)，全球變化趨勢(shì)進(jìn)一步惡化。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告也指出,過(guò)去100a來(lái)全球地表溫度升高0.74℃;溫度升高可能導(dǎo)致極端氣候事件頻發(fā),給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大的負(fù)面影響。我國(guó)年平均氣溫呈現(xiàn)增高趨勢(shì),升溫幅度約為0.5~0.8℃,北疆年平均氣溫上升率達(dá)0.18℃/10a;全國(guó)年降水量呈減少趨勢(shì),但北疆及天山地區(qū)降雨增加趨勢(shì)明顯。施雅風(fēng)等指出,我國(guó)西北氣候在上世紀(jì)80年代末發(fā)生了由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)變,北疆及天山是氣候轉(zhuǎn)型的顯著區(qū)域。在極端氣候方面,近50a全球大部分陸地冷夜明顯減少,而暖夜增加趨勢(shì)顯著;中、美、俄等國(guó)的強(qiáng)降水事件均有所增加。我國(guó)高溫日數(shù)略有減少,暖日(夜)增加明顯,極端氣溫冷指數(shù)整體呈下降趨勢(shì);全國(guó)極端降水變化具有區(qū)域性特點(diǎn),西北地區(qū)降水強(qiáng)度在增強(qiáng),極端降水事件頻率顯著增加。目前,有關(guān)天山地區(qū)氣候變化已有一些研究。如普宗朝等研究指出,近36a天山山區(qū)氣候呈較明顯的暖濕化趨勢(shì),主要表現(xiàn)為氣溫上升,降水增多,線(xiàn)性增多速率達(dá)18.8mm/10a,下墊面濕潤(rùn)指數(shù)也明顯增大。藍(lán)永超等分析了1960—2005年來(lái)天山地區(qū)氣溫和降水的變化,發(fā)現(xiàn)自上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)天山山區(qū)氣溫明顯升高,近10a來(lái)增溫幅度最大;天山南坡降水增加幅度高于北坡,尤其是南坡西段是近10a降水增幅最大的區(qū)域。趙勇等采用1961—2007年32個(gè)氣象站的逐日降水資料分析發(fā)現(xiàn),天山地區(qū)極端降水事件呈增多趨勢(shì),極端降水量在天山南北坡均隨地形增加而增多。但有關(guān)天山地區(qū)極端氣溫的研究還很少見(jiàn)。近年來(lái),特殊地域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)已成為研究熱點(diǎn)。受自然和人為因素的影響,全疆各地區(qū)氣候變化趨勢(shì)并不一致,區(qū)域性特征明顯。天山北麓(43°24′—45°24′N(xiāo),81°01′—90°14′E)地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣,歐亞大陸腹地,總面積約14.90×104km2。境內(nèi)地勢(shì)總體為南高北低,東高西低,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,氣候干燥,屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。這里既是氣候變化敏感區(qū)域,又是生態(tài)脆弱帶,還是全疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域,土地和礦產(chǎn)資源豐富,城鎮(zhèn)化率超過(guò)了60%。有鑒于此,本文選取天山北麓8個(gè)氣象站1961—2010年的觀測(cè)資料,對(duì)其氣候特征及極端氣溫、降水事件的變化趨勢(shì)進(jìn)行較系統(tǒng)和全面的研究,旨在揭示氣候變化的演變規(guī)律,為今后區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)及資源可持續(xù)利用等提供科學(xué)依據(jù)。1氣象站資料分析采用的逐日最高溫度、最低溫度、平均溫度及日降水量資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。資料經(jīng)過(guò)完整的質(zhì)量控制,去除了由于臺(tái)站資料缺失以及部分臺(tái)站搬遷造成的資料不連續(xù),最后選取天山北麓8個(gè)氣象站1961—2010年的資料進(jìn)行分析(圖1)。采用線(xiàn)性趨勢(shì)分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)和Hurst指數(shù)等方法來(lái)研究氣溫和降水的變化特征。另外,從WMO發(fā)布的50種極端氣候指數(shù)中選取10種極端氣溫和降水指數(shù)[冰(霜)日、冷日(夜)、暖日(夜);1日最大降水量、極端強(qiáng)降水日數(shù)、零降水量日數(shù)、最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)]進(jìn)行分析,用以描述極端氣候指數(shù)的變化趨勢(shì)。在資料統(tǒng)計(jì)中,四季的劃分以3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月至次年2月為冬季。通過(guò)算術(shù)平均法分別構(gòu)建天山北麓近50a氣溫、降水及10種極端氣溫和降水指數(shù)變化的時(shí)間序列。2溫度和降水的變化特征2.1氣溫增溫和年降水量的變化近50a天山北麓年平均氣溫為6.89℃,其中2006年達(dá)到年平均最高氣溫8.17℃,1969年達(dá)到歷年平均最低氣溫5.09℃,相差近3.08℃,并且從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,氣溫一直呈上升趨勢(shì),特別是從90年代開(kāi)始?xì)鉁厣郎厮俾拭黠@加快,進(jìn)入偏暖期(表1)。天山北麓50a來(lái)年平均氣溫上升趨勢(shì)顯著(p<0.01),氣溫增長(zhǎng)約1.30℃,升溫幅度在0.26℃/10a左右(表2)。相較全國(guó)近50a線(xiàn)性升溫趨勢(shì)(0.22℃/10a)和全球近50a氣溫變暖趨勢(shì)(0.13℃/10a)則更加明顯。這表明在氣候變暖背景下,天山北麓增溫幅度較其它地區(qū)突出。如表2所示,所有站點(diǎn)年平均氣溫增溫趨勢(shì)明顯(p<0.05),但升溫幅度有一定的差異,其中氣溫上升幅度最大的為伊寧站,增溫幅度可達(dá)0.39℃/10a,其次是烏蘇站,增溫幅度為0.34℃/10a。其它地區(qū)氣象站也有(0.16~0.32)℃/10a左右的增幅。在年降水量方面,近50a天山北麓年均降水量為179.98mm,最高1987年為273.91mm,最低1968年為105.70mm。50a來(lái)年降水量增加趨勢(shì)顯著(p<0.01),降水傾向率達(dá)15.67mm/10a(表2)。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,各年代降水量逐漸增加(表1)。20世紀(jì)60、70年代是相對(duì)枯水期,年降水量明顯低于均值;80年代總體處于降水波動(dòng)期;而從90年代以后,降水明顯增多,進(jìn)入豐水期。這是由于天山北麓受西風(fēng)環(huán)流影響,來(lái)自北冰洋和大西洋的水汽在天山北坡受地勢(shì)阻擋被迫抬升,形成豐沛的地形雨。氣候變暖導(dǎo)致水循環(huán)加快,海洋和陸地水汽蒸發(fā)量加大,80年代中后期以來(lái),西風(fēng)環(huán)流增強(qiáng),帶來(lái)了豐沛的水汽,水汽輸入量增加,從而使天山降水量增多。這與胡汝驥、施雅風(fēng)等的研究結(jié)論相似。從各個(gè)臺(tái)站降水增加的顯著性看(表2),所有站點(diǎn)降水增加明顯(p<0.05)。其中烏魯木齊站的降水增加最為明顯,降水傾向率達(dá)到了30.42mm/10a,為天山北麓最高,伊寧站其次,降水傾向率達(dá)到23.34mm/10a,其它氣象站的降水傾向率也有(6.66~14.83)mm/10a左右的增加。2.2氣溫、降水的變化近50a天山北麓四季平均氣溫總體呈上升趨勢(shì)(表2),其中,秋、冬季升溫明顯(p<0.01),且以冬季增溫速度最快,氣溫平均增長(zhǎng)2.45℃,上升幅度為0.49℃/10a,秋季增溫幅度略小,升溫率為0.35℃/10a,均高于年平均氣溫的增長(zhǎng),春、夏季氣溫升溫率分別為0.14℃/10a和0.06℃/10a。秋、冬季近50a來(lái)總增溫大于年增溫,這可能是由于不同季節(jié)氣溫上升不同步所致,且秋、冬季氣溫的上升對(duì)天山北麓整體氣溫增高有直接的作用。天山北麓各站氣溫在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的差異(表2):春季除溫泉和烏魯木齊外,氣溫年際變化傾向率在0.15~0.31℃/10a之間,其中伊寧地區(qū)上升最高;夏季氣溫下降區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大,奇臺(tái)地區(qū)以0.09℃/10a趨勢(shì)略呈下降趨勢(shì),氣溫年際變化傾向率在(0.11~0.32)℃/10a之間;秋、冬季各站點(diǎn)全部呈上升趨勢(shì),其年際變化傾向率分別為(0.37~0.60)℃/10a和(0.27~0.79)℃/10a。50a來(lái),天山北麓四季降水總體呈增加趨勢(shì)(表2),其年際變化傾向率分別為3.83,5.44,2.45,3.92mm/10a。其中,降水增加趨勢(shì)在春、夏、冬季較為明顯(p<0.05),尤其是夏季降水在年降水變化中起主導(dǎo)作用。就空間分布而言(表2),除達(dá)坂城(春)和精河(秋)降水呈減少趨勢(shì),減幅分別為-0.36mm/10a和-0.64mm/10a外,其他各站點(diǎn)四季降水均呈增加趨勢(shì),年際變化傾向率分別為(0.68~9.79)mm/10a、(0.76~11.61)mm/10a、(0.45~6.14)mm/10a和(0.68~7.47)mm/10a,其中烏魯木齊在春、冬季降水顯著增多,溫泉和伊寧分別在夏、秋季降水較多。2.3氣溫、年降水量的變化由圖2年平均氣溫M-K突變檢驗(yàn)曲線(xiàn)可知,20世紀(jì)60—80年代UF值在零值上下波動(dòng),此后一直大于零值,從2000年開(kāi)始,UF值超出了信度線(xiàn),增溫趨勢(shì)更加顯著。UF和UB曲線(xiàn)在1996年相交,且交點(diǎn)處于兩條信度線(xiàn)內(nèi),說(shuō)明1996年為年平均氣溫的突變年份。這與姚俊強(qiáng)等提出的天山地區(qū)氣溫從1996年突然發(fā)生變化的觀點(diǎn)一致。從年降水量M-K突變檢驗(yàn)曲線(xiàn)可以看出(圖2),20世紀(jì)60—80年代初UF值在零值上下波動(dòng),年降水變化趨勢(shì)不明顯,從80年代末開(kāi)始降水明顯增加,且通過(guò)了α=0.05臨界線(xiàn),UF和UB曲線(xiàn)在1983年相交,交點(diǎn)在±1.96信度線(xiàn)之間,表明年降水量在1983年發(fā)生了突變。這與姜逢清等報(bào)道的北疆年降水量于1984年前后發(fā)生突變的論述基本一致,但較天山山區(qū)(1986年)略早。天山北麓年平均氣溫和年降水量的Hurst指數(shù)值分別為0.70和0.75,兩者均大于0.5,說(shuō)明未來(lái)兩者變化趨勢(shì)具有持續(xù)性,即與過(guò)去50a的變化趨勢(shì)相同。由M-K檢驗(yàn)結(jié)果可知,兩者過(guò)去呈明顯的增加趨勢(shì),因而未來(lái)天山北麓年平均氣溫和年降水量整體上也將呈增加趨勢(shì)。3極端氣候指數(shù)的變化特征3.1暖日夜的變化特征如圖3所示,近50a天山北麓冰(霜)日呈明顯下降趨勢(shì)(p<0.05),其年際變化傾向率分別為-1.78d/10a和-2.40d/10a。冰日在20世紀(jì)70年代中期之前呈增加趨勢(shì),之后處于波動(dòng)變化,上升或下降趨勢(shì)不明顯,近15a呈較明顯的下降趨勢(shì);而霜日在20世紀(jì)70年代之前呈增加趨勢(shì),此后開(kāi)始減少,80年代初又出現(xiàn)短暫上升,但從80年代中期以來(lái)一直呈明顯的下降趨勢(shì)。對(duì)同期冷日(夜),暖日(夜)進(jìn)行分析可知,50a來(lái)冷日(夜)呈顯著減少趨勢(shì)(p<0.05),線(xiàn)性?xún)A向率分別為-2.20d/10a和-4.40d/10a,而暖日(夜)分別以0.68d/10a和2.59d/10a的趨勢(shì)增加,尤其是暖夜增加趨勢(shì)明顯(p<0.05)。冷日(夜)在70年代之前呈增加趨勢(shì),之后一直處于波狀下降趨勢(shì);暖日(夜)在70年代前呈下降趨勢(shì),此后迅速上升,70年代中期之后又開(kāi)始減少,近15a出現(xiàn)波狀上升趨勢(shì)。冷日(夜)的變化幅度大于暖日(夜),夜間增暖的幅度明顯大于白天,說(shuō)明夜間氣溫升高對(duì)變暖的貢獻(xiàn)更大。同時(shí)冰(霜)日、冷日(夜)的減少趨勢(shì)和暖日(夜)的增加趨勢(shì)也在一定程度上反映了天山北麓近50a氣溫呈升高趨勢(shì)。各站點(diǎn)冰(霜)日、冷日(夜)均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)(圖4),其中伊寧站在冰日、霜日和冷日指數(shù)中,下降趨勢(shì)最為明顯;而冷夜下降中心則在烏魯木齊。大部分站點(diǎn)暖日(夜)呈增加趨勢(shì),上升趨勢(shì)最顯著的地區(qū)分別在精河和伊寧。50a來(lái),1日最大降水量和極端強(qiáng)降水日數(shù)呈逐漸增加的趨勢(shì)(圖3),其傾向率分別為1.36mm/10a和1.81d/10a,而零降水日數(shù)和最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)呈減少趨勢(shì)變化,下降速率分別為-2.86d/10a和-0.96d/10a,除最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)外,其他指數(shù)均通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。1日最大降水量和極端強(qiáng)降水日數(shù)在20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始呈明顯的波狀增加趨勢(shì),而零降水日數(shù)和最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)自60年代至今均呈減少的趨勢(shì),尤其是零降水日數(shù)振幅增加明顯。由圖4可看出,各站點(diǎn)1日最大降水量和極端降水日數(shù)均呈增加趨勢(shì),烏魯木齊站這兩個(gè)指數(shù)增加幅度最明顯,傾向率分別為28.35mm/10a和2.22d/10a;而零降水日數(shù)和最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)在大部地區(qū)呈減少趨勢(shì),下降趨勢(shì)最明顯的區(qū)域均位于精河縣。3.2平均氣溫與暖日夜的相關(guān)性由表3可知,平均氣溫和各極端氣溫指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.5,且通過(guò)了0.01的置信度檢驗(yàn)。平均氣溫與暖日(夜)呈較顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.52和0.609;平均氣溫與冷指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),負(fù)相關(guān)系數(shù)范圍在-0.6~-0.9之間。說(shuō)明隨著年平均氣溫的升高,極端高(低)溫事件顯著增加(減少)。除平均氣溫外其它各極端冷指數(shù)之間及暖日、暖夜之間也有很好的相關(guān)性。3.3年降水量與年極端降水事件的相關(guān)分析年降水量與極端降水指數(shù)也有很高的相關(guān)性,且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)(表4)。這與江志紅等得出中國(guó),尤其是北疆,年極端降水事件與年降水量之間存在較好的相關(guān)性的結(jié)論相符。年降水量與1日最大降水量和極端降水日數(shù)呈顯著正相關(guān),而與零降水日數(shù)和最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),尤其是年降水量與極端降水日數(shù)和零降水日數(shù)的相關(guān)性最好,分別達(dá)到0.972和-0.864。除年降水量外大部分極端降水指數(shù)之間也有很好的相關(guān)性。4年平均氣溫和年降水量的變化特征(1)近50a,天山北麓年平均氣溫和年降水量均呈增加趨勢(shì),其年際變化傾向率分別為0.26℃/10a、15.67mm/10a。這與施雅風(fēng)等得出的中國(guó)西北地區(qū)存在氣溫上升、降水增加,并有可能出現(xiàn)氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的結(jié)論相一致。天山北麓作為全疆經(jīng)濟(jì)核心區(qū)域,工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),土地和礦產(chǎn)資源豐富。增溫可能與溫室氣體的排放及土地利用方式的改變有關(guān)。而氣候變暖導(dǎo)致水循環(huán)加快,蒸發(fā)增強(qiáng),大氣中水汽含量的增加及大氣環(huán)流形式的改變可能是降水量增加的主要原因。(2)50a來(lái)四季平均氣溫和降水量總體均呈上升趨勢(shì)。其中,秋、冬季升溫趨勢(shì)要高于春、夏季,且以冬季增溫速度最快;降水增加趨勢(shì)在春、夏、冬季較為明顯,尤其是夏季降水在年降水變化中起主導(dǎo)作用。(3)天山北麓年平均氣溫和年降水量的突變年份分別在1996年和1983年,兩者的Hurst指數(shù)值均大于0.5,未來(lái)年平均氣溫和年降水量整體上仍呈增加趨勢(shì)。(4)天山北麓各站冰(霜)日、冷日(夜)均呈下降趨勢(shì),即極端低溫事件明顯減少,暖日(夜)呈明顯上升趨勢(shì),大部分地區(qū)增加趨勢(shì)較為明顯。而在極端降水方面,所有站點(diǎn)1日最大降水量和極端強(qiáng)降水日數(shù)均表現(xiàn)為一致的增加趨勢(shì),零降水日數(shù)和最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水日數(shù)各站的變化趨勢(shì)并不一致,多數(shù)站點(diǎn)減少趨勢(shì)較為明顯。極端氣溫指數(shù)與年平均氣溫、極端降水指數(shù)與年降水量均有很好的相關(guān)性。天山北麓氣候呈“暖濕化”趨勢(shì),在一