吉尔吉斯斯坦气候变化特征及其空间变异分析

2017-10-16 02:13王则玉唐亚莉买买提托合提苏来曼马雪琴王新勇陈署晃
新疆农业科学 2017年9期
关键词:吉尔吉斯斯坦降水量气候变化

丁 峰,王则玉,唐亚莉,买买提托合提·苏来曼,马雪琴,王新勇,陈署晃

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091;2.新疆和田地区农业技术推广中心,新疆和田 848000)

吉尔吉斯斯坦气候变化特征及其空间变异分析

丁 峰1,王则玉1,唐亚莉1,买买提托合提·苏来曼2,马雪琴1,王新勇1,陈署晃1

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091;2.新疆和田地区农业技术推广中心,新疆和田 848000)

目的吉尔吉斯斯坦共和国地处中亚东北部,天山山脉西麓,与中国新疆阿克苏地区接壤,研究其气候变化及空间变异空特征对于了解中亚气象与环境变化,应对中国新疆气象与环境将出现的演变都具有一定的意义。方法基于英国East Anglia大学Climatic Research Unit(CRU)提供的1971~2000年的降水和气温数据资料,并结合来自世界气象组织(WMO)的9个吉尔吉斯斯坦气象站点国际交换数据,分析吉尔吉斯斯坦共和国近30 a的气候变化特征。结果吉尔吉斯斯坦年总降水量为增加趋势,总降水量在东南部相对较少,西南部与塔吉克斯坦邻近地区降水量相对较大,季节差异明显,春季和冬季降水最多,夏季相对较少,与中国新疆降水特征差异较大,呈“地中海型气候”。年均气温不足10℃,“北热南冷,西热东冷”,冬季增温趋势明显,春季呈下降趋势,夏季幅度不大,秋季几乎无变化,气温年较差大于周边国家,但气温年较差减小。结论与同处于中亚地区的中国新疆在降水及气温变化上存在较大差异,吉尔吉斯斯坦降水量较高,区域差别更为显著。

气候变化;降水;气温;时空特征

0 引 言

【研究意义】气候是人类赖以生存的自然环境重要组成部分[1-2],其对人类生存的自然生态系统有着深远的影响。第四次IPCC气候变化评估报告指出:全球气候变化自1750年以来总体呈增暖趋势,在人类活动的影响下近百年来全球平均气温升高了(0.74±0.18)℃[3-5],自1900~2005年在北美和南美的东部、北欧、亚洲北部和中部地区的降水呈现显著增加的趋势[6]。【前人研究进展】陈发虎等[7-8]基于CRU资料指出,近80 a来中亚干旱区年降水和气温整体上表现出增加趋势,其中冬季降水的贡献最大。王劲松[9]指出中亚干旱区不同区域在20世纪的全球性第二次暖期中,气温增暖明显,降水整体上呈现增加趋势。宋连春[10]等指出中亚的降水量总体呈现下降趋势,其中20世纪70年代是个明显的转折点,由下降变为上升,年降水量以3~7 a的周期变化为主导。丁峰[11]等在研究吉尔吉斯斯坦农业应对气候变化的影响中指出咸海沿岸地区、吉尔吉斯斯坦的山前地带和塔拉斯河谷地带的气温呈明显的上升趋势,年降水量呈增加趋势,夏季降水量增加最为显著。【本研究切入点】近年来在全球变暖的背景下,全球气温和海平面不断升高,威胁着人类生存环境。吉尔吉斯斯坦共和国位于中国新疆西部,与阿克苏地区接壤,通过使用一元线性回归法对CRU资料中吉尔吉斯斯坦共和国的降水和气温进行分析,研究吉尔吉斯斯坦共和国的气候变化,这对了解中亚气候和深入了解与中国新疆气候的异同有一定的意义,为两国政府部门间的农业领域合作提供科学依据[12-13]。【拟解决的关键问题】基于英国East Anglia大学Climatic Research Unit(CRU)提供的1971~2000年的降水和气温数据资料,并结合来自世界气象组织(WMO)的9个吉尔吉斯斯坦气象站点国际交换数据,对吉尔吉斯斯坦共和国近30 a的气候变化特征及其空间变异进行分析。

1 材料与方法

1.1 材 料

吉尔吉斯斯坦9个气象站点数据来自于国际气象组织(WMO),有效数据主要集中在20世纪,列出其站点信息。表1

表1 吉尔吉斯斯坦气象站点信息
Table 1 Kyrgyzstan meteorological site information table

序号SerialNumber站点名称SiteName站点编号SiteNumber纬度(N)Latitude经度(E)Longitude海拔Altitude(m)1RYBACH'E3691942 4776 1816602NARYN3697441 4376 0020393TYAN'-SHAN'3698241 9278 2336144TALAS3834542 5272 2512175FRUNZE3835342 8374 587566KETMEN-TYUBE3847341 8372 879867DZHERGITAL3861341 1073 2311988OSH3861540 5372 808879GULCHA38615 140 3073 471542

研究使用的格点资料为英国East Anglia大学Climatic Research Unit(简称CRU)提供的1971~2000年的降水和气温资料。近年来Jones[14-15],Hansen[16],Peterson[17],New[18]等修改和更新了CRU陆面气温资料,重建了新的全球平均气温序列,并将空间覆盖面积延伸到所有土地面积。CRU通过整合若干个知名数据库,重建了一套分辨率高、覆盖完整、无中断,空间分辨率达到0.5°×0.5°(约50 km)的地表气候要素数据集。该资料使用数学方法对数据源进行整合和插值,不包含卫星观测,不使用模式同化,因此具有比较大的可靠性。中亚一些国家由于政治、经济等原因造成了很多缺测数据,故利用CRU资料来代替实测资料。

1.2 方 法

使用一元线性回归法对CRU资料中1971~2000年的吉尔吉斯斯坦共和国的降水和气温进行分析。

1.2.1 一元线性回归

降水要素的气候倾向率采用一元线性回归模型描述[19],即:

y=a+bx,x=1,2,……,n。

(1)

式中的y为降水要素,a为常数,x为时间,b为线性趋势项,用于定量分析降水变化的趋势,是目前普遍采用的一种方法。当b为正(负)时,表示要素在计算的时间段内线性增加(减弱),可以很直观的分析降水的趋势变化。

1.2.2 Mann-Kendall 突变检验

采用Mann-Kendall 突变检验法[20],给定显著性水平为0.05,其正态分布的范围值U0.05=±1.96。基本原理为[21]:定义统计量UF和UB,通过分析统计序列UF和UB可以分析序列x的变化趋势,并且可以进一步明确突变时间。若UF值大于0,则表明序列呈上升趋势,若小于0则表明呈下降趋势,当超过临界线时,表明上升、下降趋势显著。如果UF和UB两条曲线出现交点,且交点位于临界线之间,那么交点对应时刻即是突变开始时刻。

1.2.3 Morlet 小波分析

采用Morlet小波分析的方法[19],通过判读等值线的疏密程度来确定降水的周期变化,等值线密集的区域为高频区域,稀疏的为低频区域,其中心所对应纵轴上的数字为周期数。小波分析可以呈现出年与年间、波长与波长间的波幅变化形态与特征,被广泛地应用于气象领域。

2 结果与分析

2.1 吉尔吉斯斯坦降水分布及变化特征

2.1.1 吉尔吉斯斯坦季节降水季节分布

吉尔吉斯斯坦1971~2000年的年平均总降水量分布从东部到西部逐渐增多,东部年平均总降水量在250~350 mm左右,西部的最大年总降水量在600 mm以上,最大年总降水量主要分布在西部和西南部边境,最小年总降水量分布在东南部边境。

研究表明,1971~2000年冬季吉尔吉斯斯坦30年平均总降水量空间分布从西南部到东北部逐渐从70 mm减小到10 mm,春季30年平均总降水量空间分布与年总降水量相似,只是数量上较少,从东部到西部逐渐从20 mm增加到90 mm。夏季30年平均总降水量空间分布与年总降水量基本相反,从西南到东北逐渐从10 mm增加到50 mm。秋季30年平均总降水量空间分布与年总降水量相似,从西部到东部逐渐从45 mm减小到15 mm。吉尔吉斯斯坦夏季降水量在4个季节中最少,冬春季较多,体现“地中海气候”的特征,这与青藏高原冬夏季风特点密切联系。图1

图1 吉尔吉斯斯坦1971~2000年平均的四季降水量分布(mm)
Fig.1 Average distribution of seasonal precipitation in Kyrgyzstan during the period of 1971-2000 (mm)

2.1.2 吉尔吉斯斯坦年降水趋势变化

研究表明,RYBACH'E站年降水量在300 mm以下,多年年均降水量为115.6 mm,最大值出现在1981年,为282.6 mm。1967~1991年间降水总体上呈现增加趋势,增加幅度为22 mm/10 a,可通过95%信度检验,其中1971~1974、1978~1981、1983~1986年为三个增加较为显著时段。NARYN站年降水量均低于600 mm,多年年均降水量为304.1 mm,最大值出现在1969年,为558.0 mm,最小值出现在1961年,仅154.4 mm。1926~1993年间降水呈现较大的波动,但变化趋势不明显。TYAN'-SHAN'站年降水量集中在200~500 mm范围,多年年均降水量为314.0 mm。1959年以前,年均降水量呈波动变化,趋势不显著;1959年达到历史最高值,随后年降水量呈下降趋势。TALAS站年降水差异较大,变化范围为150~540 mm,多年年均降水量为324.8 mm。年均降水量呈微弱增加趋势;1987年达到历史最高值,随后年降水量呈下降趋势。FRUNZE站多年平均的年降水量为423.7 mm,年降水量呈微弱增加趋势,1987年达到历史最高值,随后年降水量呈下降趋势。KETMEN-TYUBE站降水量年际变化较大,变化范围为15.9~474.4 mm,多年年均降水量为285.5 mm。年均降水量呈微弱增加趋势。DZHERGITAL站降水量年均大于400 mm,最高年份达1 286.9 mm,出现在1969年,多年年均降水量为749.9 mm。年均降水量变化波动较大,无显著变化趋势。其中,1967~1969年为显著增大时段,1970~1975年为显著减少时段。OSH站年降水量变化范围在200~700 mm,最高年份达674.2 mm,出现在1969年,多年年均降水量为352.9 mm。年均降水量变化波动较大,无显著变化趋势。其中,1970~1971年为显著减少时段,1972~1986年为相对稳定期,1989~1993年为增大时段。GULCHA站年降水量变化范围在300~1 000 mm,最高年份达910.2 mm,出现在1987年,多年年均降水量为519.9 mm。年均降水量变化波动较大,呈微弱增长趋势。其中,1971~1981年为稳定增长时段,1982~1986年为减少时段。

从1971年至2000年年总降水量的趋势看,吉尔吉斯除南部边境一部分区域年总降水量减小外,整体上是增多的,其中北部和西部增多较大,最大达50 mm/10 a。图2

图2 吉尔吉斯斯坦各气象站年降水量线性趋势变化
Fig.2 Kyrgyzstan’s weather stations linear trend of annual precipitation change

研究表明,从春季30年年总降水量的趋势看,整体上是减少的,在北部区域减少最明显,其次是东部和西南部,北部最大达到6 mm/10 a;夏季30年年总降水量的趋势整体上是增多的,增多趋势从北到南由10 mm/10 a逐渐减小到0,在西北部和东北部分别是两个增多趋势中心,中心值超过10 mm/10 a。秋季30年年总降水量变化趋势与夏季的总体上基本相似,只是趋势较小,北纬41°以北从西到东依次分布着中心值超过3 mm/10 a,2 mm/10 a,1 mm/10 a和2 mm/10 a的4个增多趋势中心,在西南和东南秋季降水趋势为负值,西南的减少最多,达到3 mm/10 a。冬季30年年总降水量的趋势在中部和西南部是减少的,中部减少最多,中心值超过-5 mm/10 a。在西北角和东北角有两个范围和趋势都小的增多中心,北部大多是增多趋势,但趋势不强。图3

图3 1971~2000年吉尔吉斯斯坦年四季降水变化趋势分布(mm/10 a)
Fig.3 Change trend of seasonal precipitation in Kyrgyzstan during the period of 1971-2000(mm/10 a)

2.2 吉尔吉斯斯坦气温分布及变化特征

2.2.1 吉尔吉斯斯坦年均气温分布及变化特征

研究表明,吉尔吉斯斯坦呈现北热南冷的气候特征,东南部和中国交界山区及南部和塔吉克斯坦交界山区,由于海拔高,年均气温低,在0℃以下,最低可达-3℃,南部的奥什等地区,气温相对较高,年均气温在5℃以上。总的来说,由于吉尔吉斯斯坦是山地国家,气温低于周边国家。中亚属于大陆性气候,最高温度出现在7月,最低出现在1月,因此这里最高和最低温度只分析7月和1月的情况。吉尔吉斯斯坦的最低温度也是东南部和中国交界山区最低,在-20℃以下,最东端甚至达到了-30℃,和乌兹别克斯坦相邻地区温度先对较高,高于-20℃(4b)。最高温度相对周边国家要低,均在30℃以下,而乌兹别克斯坦和塔里木盆地,最高温度均在33℃以上,东南部山区最高温度不足20℃(4c)。从气温年较差来看,吉尔吉斯斯坦东部年较差大于西部地区,年较差在42℃以上,高于周边国家,该国最高和最低温度均低于周边国家,气温年较差相对大的主要因素是最低温度更低造成的(4d)。图4

注:a为年均温度,b为1月最低温度,c为7月最高温度,d为平均年较差

Note: a is the annual average temperature,b is the lowest temperature in January,c is the highest temperature in July,d is the average annual,unit:℃

图4 1971~2000年平均气温(℃)各要素分布
Fig.4 The elements distribution of average temperature during 1971-2000

2.2.2 吉尔吉斯斯坦气温季节分布

研究表明,冬季吉尔吉斯斯坦东南部山区气温在-15℃以下,最冷可达-18℃,而西南部和乌兹别克斯坦相邻地区,气温相对较高,在-10℃以上。北部平原气温总体高于南部山区。春季气温上升较快,普遍在0℃以上,依然呈北热南冷的分布特征。西南部是最热的区域,与这一地区海拔较低密切联系(5b)。夏季吉尔吉斯斯坦相对周边国家凉爽,平均气温除新南部个别地区外,不足20℃,因而吉尔吉斯斯坦,尤其伊塞克湖区,在夏季是著名的旅游度假胜地(5c)。秋季后,降温较快,大陆性气候特征明显,东南部局部山区气温已不足0℃,而东北部草原平原地区仍在5~10℃(5d)。图5

图5 1971~2000年均各季节气温(℃)分布
Fig.5 The annual seasonal temperature distribution during 1971-2000(℃)

2.2.3 吉尔吉斯斯坦气温趋势变化

吉尔吉斯斯坦均呈增温趋势,增温幅度呈南慢北快的趋势,相对于周边国家,增温要慢一些,说明全球变暖对吉国的影响要小。

研究表明,吉尔吉斯斯坦四季气温的趋势变化,冬季增温趋势明显,西北部最快,可达1℃/10 a,东南部较慢。春季吉尔吉斯斯坦气温呈下降趋势,说明在变冷。夏季,东南部有变冷趋势,而北部地区增暖,幅度均不大。秋季气温基本无变化,吉尔吉斯斯坦年均气温升高主要由冬季气温增暖贡献。图6

图6 四季平均气温趋势(℃/10a)变化
Fig.6 The change trend of seasonal average temperature(℃/10a)

研究表明,最高气温变化幅度不大,呈东增西减趋势,即东端山区最高温度升高,西部与吉尔吉斯斯坦相邻地区降低。最低温度升高明显,尤其在北部地区,说明冬季增温明显。气温年较差基本呈下降趋势,最高可达-0.9℃/10 a,由于年较差是最高温度和最低温度的差值,由上面分析可知,最高温度变化不大,而最低温度升高明显,因此差值减小。图7

注:a为7月最高气温,b为1月最低气温,c为气温年较差

Note: a is the highest temperature in July,b is the lowest temperature in January, c is the annual range of temperature,unit:℃/10a

图7 最高气温、最低气温和气温年较差趋势(℃/10a)变化
Fig.7 The change trend of maximum temperature,minimum temperature and annual temperature range

3 讨 论

3.1 吉尔吉斯斯坦平均总降水量在250~350 mm左右,东南部降水相对较少,在300 mm左右,西南部与塔吉克斯坦邻近地区,降水量相对较大,在600 mm以上。年均气温不足10℃,“北热南冷,西热东冷”,东部与中国邻近地区是最寒冷地区,而与乌兹别克斯坦邻近地区是最热地区,气温年较差大于周边国家。吉尔吉斯斯坦降水季节差异明显,春季和冬季降水最多,夏季相对较少,与新疆降水特征差异较大,呈“地中海型气候”。由于海拔较高,冬季寒冷,夏季凉爽,是优良的夏季避暑胜地。

3.2 吉尔吉斯斯坦年降水量存在较明显的年代际变化,西北部是年代际变化最为显著的地方,呈增加趋势,幅度最大可达30 mm/10 a,说明该国近30年在增湿。冬季和春季,虽然降水量相对较多,但随时间变化,降水量在减少,而降水最少的夏季,降水增加最为迅速,最大可达9 mm/10 a。观测资料结果也显示北方地区降水增加较为明显,其它地区虽有增加,但不明显。气温的年代际变化主要体现在冬季,其余季节不明显,冬季有较为明显的上升趋势,总之1月最低温度升高,而夏季温度变化幅度不大,对应7月最高温度略增,造成气温年较差减小。

3.3 RYBACH'E、NARYN、FRUNZE、DZHERGITAL的降水量分别于1985、1927、1950及1968年发生了突变,其余站点无突变发生。气温的数据只有纳伦1个站点资料,纳伦站年均气温呈明显上升趋势,发现在1966年附近发生了由冷向暖的气候突变,通过了95%的信度检验。

4 结 论

吉尔吉斯斯坦年总降水量为增加趋势,平均总降水量在250~350 mm左右,东南部降水相对较少,仅250 mm;西南部与塔吉克斯坦邻近地区,降水量相对较大,可达600 mm。吉尔吉斯斯坦降水季节差异明显,春季和冬季降水最多,20~90 mm;夏季相对较少,10~50 mm;与中国新疆降水特征差异较大,呈“地中海型气候”。 年均气温呈现增温趋势,年均气温不足10℃,“北热南冷,西热东冷”,东部与中国邻近地区是最寒冷地区,而与乌兹别克斯坦邻近地区是最热地区,气温年较差大于周边国家。 吉尔吉斯斯坦共和国呈增温趋势,冬季有较为明显的上升趋势,可达1℃/10a,对应1月最低温度升高,而夏季温度变化幅度不大,0.3℃/10a对应7月最高温度略增,造成气温年较差减小。

吉尔吉斯斯坦气候既具有与全球气候变化一致的方面,又具有其特殊的一面,主要和该国是山地国家有关,受青藏高原影响,该国气候类似“地中海气候”,即冬、春季降水多,夏、秋季降水少,这和高原冬、夏季风建立密切联系。但增暖幅度远小于周边地区,仅为0.2℃/10 a,夏季最高温度在东南部山区升高较快,对冰川消融产生不利影响。相对而言,同处于中亚地区的中国新疆地区在降水及气温变化上与吉尔吉斯斯坦存在较大差异,降水量低于吉尔吉斯斯坦,区域差别更为显著。

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Abstract:【Objective】 Kyrgyzstan Republic is located in the northeast of central Asia, and in the western foot of Tianshan Mountains, bordering with Akesu area in Xinjiang. The study of the spatial characteristics of climate change and spatial variability is of great significance for understanding the changes of weather and environment in Central Asia, and for the evolution of the meteorological and environmental changes in Xinjiang.【Method】Based on the 1971-2000 of rainfall and temperature data by CRU (Climatic Research Unit) of the East Anglia University in the UK, and combining international exchange data from the nine climate stations of WMO (World Metrological Organization) in the Kyrgyzstan, this project analyzed the characteristics of climate change nearly 30 years in Kyrgyzstan.【Result】The results show that the annual total precipitation in Kyrgyzstan is increasing, and the total precipitation is relatively small in the southeast; The precipitation in the southwest and Tajikistan is relatively large, the seasonal difference is obvious, the precipitation in spring and winter is the most, and in the summer it is relatively small, and the precipitation characteristics are different from those in Xinjiang, presenting "Mediterranean type climate" with the annual average temperatures less than 10 ℃. The north and west are hot and the south and east are cold. The trend of warming in winter is obvious but is decreasing in spring; in summer time, the change is small and in fall, there is nearly no change. The annual range of temperature is greater than the surrounding countries, with a warming trend, but the annual range of temperature decreased.【Conclusion】Compared with Xinjiang that is also located in Central Asia, Kyrgyzstan precipitation and temperature vary greatly, that is, the rainfall is quite high with significant regional difference.

Keywords: climate change;precipitation;temperature;spatial-temporal characteristics

TheCharacteristicsofClimateChangeinKyrgyzstanandItsSpatialVariabilityAnalysis

DING Feng1,WANG Ze-yu1,TANG Ya-li1,Maimaiti Tuohetisulaiman2,MA Xue-qin1,WANG Xin-yong1,CHEN Shu-huang1

(1.ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China; 2.AgriculturalTechnologyExtensionCenterofHetianPrefecture,HetianXinjiang848000,China)

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.09.022

S162;P467;P468

A

1001-4330(2017)09-1746-10

2017-05-10

国家自然科学基金项目(地区科学基金)项目“伊犁新垦区大坡降砂质薄层土不同灌溉方式下灌溉侵蚀机理与侵蚀过程研究”(41261071);中亚农业资源重点开放实验室建设-中亚农业科学中心一期(2016E03002)

丁峰(1980-),男,山东文登人,副研究员,硕士,研究方向为农作物高产节水灌溉技术和农业气象,(E-mail)nkydf@126.com

陈署晃(1973-),女,湖南人,研究员,硕士,研究方向为土壤肥料与农业信息技术应用,(E-mail)chensh66@163.com

Supported by: National Natural Science Foundation of China"Study on Laws of Soil and Water Loss of the New Reclamation Wasteland Under Different Irrigation Patterns in Ili Valley of Xinjiang"(41261071);Key Laboratory of Agricultural Resources in Central Asia-Central Asian Agricultural Science Center(2016E03002)

Corresponding author:CHEN Shu-huang(1973-),female,born in Hunan,researcher,masters degree,research direction:Soil fertilizer and agricultural information technology applications,(E-mail)chensh66@163.com

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