石河子地区近50 a气温和降水量变化特征分析

向 导，田 苗，刘 勇

（石河子气象局，新疆 石河子 832000）

0 引言

气温和降水的变化对自然环境和人类的作用非常重要[1]。目前，世界各地气温普遍上升已成为不争的事实，但这种升温现象在不同的地域反映出的特征并不相同，主要表现为时间和空间上分布不一致。施雅风[2]、于淑秋[3]等人研究发现，我国西北地区气温和降水整体不断增多，但是不同的地势条件和外部影响因素导致这个趋势出现差异，同时这种气候变化趋势对研究区域的生产生活及自然条件产生了不同程度的影响。本文研究了石河子地区的气温和降水量在不同时间序列上的差异，为了解当地的气候变化情况、水资源利用以及农业的发展提供参考。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

石河子地区位于 43°20′—45°20′N、84°58′—86°24′E之间，地处天山北麓中段，玛纳斯河以东，古尔班通古特沙漠以北，平均海拔450.8 m，地势由东南向西北倾斜，海拔高度差异大，地形地貌特征从南向北表现为山地、黄土丘陵、山前洪冲积平原、风成沙漠，区域大小为7 529 km2，分别由石河子市、安集海、下野地及莫索湾4个片区组成。

1.2 资料来源

本研究将3—5月划为春季、6—8月划为夏季、9—11月划为秋季、12月至翌年 2月划为冬季。文中所用气温和降水资料来自石河子市气象站、乌兰乌苏气象站、莫索湾气象站和炮台气象站。由于早期部分台站资料缺测较多以及建站年份不一致，资料年份开始时间不一致，鉴于对讨论结果可靠性及准确性的考虑，根据资料连续性和最长时间等原则，本文选取1964—2013年序列资料进行分析。

1.3 研究方法

本文采用线性趋势分析法、气候倾向率、Mann—Kendall检验方法、R/S分析法对石河子地区气温和降水变化特征进行分析，具体原理及方法详见参考文献[6-12]。

2 结果与分析

2.1 气温变化特征

2.1.1 气温年际变化和年代变化特征

由图1可以看出，近50年石河子地区气温呈波动上升趋势。其中年平均气温最低出现在1969年，为5.1℃，年平均气温最高出现在2006年，为8.8℃。年平均气温的增温率达到0.40℃/10 a，较我国年平均气温增长率偏高 0.14℃/10 a，与北疆年平均气温增长率0.37℃/10 a相比高0.03℃/10 a，由此可见，石河子地区属于我国年平均气温升高较显著的地区之一，并且对于研究北疆年平均气温变化具有一定的代表性。

由表1和表2可知，石河子地区年平均气温为6.8—7.5℃，7月平均气温和1月平均气温差值垦区北部（炮台、莫索湾）大于垦区南部（乌兰乌苏、石河子市）；月平均气温在0℃以下的月份主要为11月到次年的3月，北部的气温相对南部偏低。其中20世纪60年代研究区的年平均气温为6.2℃，进入70年代逐步增加到6.7℃，80年代到90年代是气温变化较大的时期，90年代达到7.4℃，较60年代增加了1.2℃；进入21世纪后，年均气温继续升高，2001—2013年平均气温为8.0℃。

图1 年平均气温的特征趋势图Figure 1 The variable trend graph of annual average temperature

2.1.2 年平均最高、最低气温变化特征

由表2和图2可知，石河子地区近50 a来年平均最高气温的气候倾向率为0.20℃/10 a，1997年后年平均最高气温明显上升。进入21世纪，年平均最高气温出现下滑，年平均值为13.5℃，2013年下降到12.5℃，低于50 a平均最高气温平均值1.4℃，这是由于气候变暖趋势下，极端气候事件频发造成的。近50 a平均最低气温的气候变化倾向率为0.55℃/10 a，增温速率为年平均最高气温增温速率的2.8倍。

表1 1964—2013年气温年际变化情况Table 1 The interannual variations of temperature from 1964 to 2013 ℃

表2 1964—2013年气温年代变化情况Table 2 The decadal changes of temperature from 1964 to 2013℃

2.1.3 季平均气温变化特征

由图3可知，近50 a四季平均气温表现出逐步增加的态势，但不同季节增温幅度不同，各季增温幅度：秋季（0.57℃/10 a）＞春季（0.48℃/10 a）＞冬季（0.37℃/10 a）＞夏季（0.21℃/10 a）。

从石河子地区近50 a四季平均气温年代变化来看（表2），近50 a春季平均气温在波动中稳步上升，增温速度最快的是20世纪90年代后期。夏季平均气温变化相对平稳，整体呈略上升趋势，90年代前期逐步下降，随后开始逐步不规则上升。秋季升温幅度居四季之首，进入21世纪升温较强，秋季平均最高气温出现在2006年（10.4℃），平均最低气温出现在1976年（5.0℃）。冬季平均气温上升趋势小于春季，平均最低气温出现在1984年（-18.8℃），平均最高气温出现在1989（-10.5℃）。

图2 1964—2013年石河子地区年平均最高最低气温变化过程Figure 2 The variable trend graph of annual average maximum/minimum temperature of Shihezi region from 1964 to 2013

图3 1964—2013年石河子地区四季平均气温变化过程Figure 3 The variable trend graph of average temperature in different seasons of Shihezi region from 1964 to 2013

表3 1964—2013年石河子地区年、季平均降水量Table 3 The annual and seasonal average precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013 mm

2.2 降水变化特征分析

2.2.1 年降水量变化特征

由图4可以得出，石河子地区年降水量总体呈增加趋势。近50 a气候倾向率为11.6 mm/10 a，这与我国西北地区降水量增加的结论一致，较北疆地区年平均降水量上升率19.75 mm/10 a偏少8.15 mm/10 a。其中1974—1984年期间降水偏少，1984年以后，石河子地区降水量呈增加趋势，出现了1987年、1988年、1999年、2004年和 2010年 5个多水年份，降水量均在250 mm以上，其中1987年为50 a中降水量最多的年份，达到了291.6 mm，而50 a中降水量最少为107.0 mm，出现在1967年，降水量最大值较最少值多178.5 mm。出现上述5个多水年份的原因是对应的某个季节降水量较大，如1987年秋季降水量多于常年同期降水量，因此该年份年平均降水量就达到最大值。

由表3可得出，20世纪60年代后7年至70年代是石河子地区降水偏少时期，均低于50 a平均值177.4 mm。从各年降水变化图可以看出，20世纪70年代是降水最少的时期。从1984年开始降水增多，1981—2000年这 20 a与 50 a的平均值相比较，表现出正常略偏多的特征。进入21世纪后，年降水量迅速增多，2001—2013年年平均降水量较70年代多了51.0 mm，与50年平均值相比多26.6 mm。

图4 1964—2013年石河子地区年降水量变化Figure 4 The variable trend of annual precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013

图5 1964—2013年石河子地区四季平均降水量变化Figure 5 The variation of seasonal average precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013

2.2.2 季节降水变化特征

由图5可知，近50 a石河子地区四季降水量的变化特征存在差异，四季降水气候气象率为夏季（4.32 mm/10a）＞ 冬季（3.37 mm/10 a）＞ 秋季（2.80 mm/10 a）＞ 春季（1.06 mm/10 a）。各季降水存在显著的年际差异，其中春季降雨量最大值出现在 1998年，为 108.3 mm，是 1963年以来同期最大的降雨量；冬季降水量最大值出现在2010年，为74.7 mm，是由当年特大雪灾引起的。近50 a石河子地区不同季节降水量存在明显的年代差异，四季降水量总体均呈增多趋势，且在12月至翌年2月增长最为明显；2000—2010年冬春季降雪较多，达到了年代最高。从20世纪60年代开始，春季降雨量的年代特征表现为“上升—下降—上升—下降—上升”。以20世纪90年代为界，90年代以前秋季降水量呈增多趋势，90年代以后夏季降水量呈增多趋势、秋季降水量呈下降趋势。

2.3 气温和降水的突变分析及持续性分析

2.3.1 气温突变点与持续性分析

图6 石河子地区1964—2013年气温突变曲线（M—K）Figure 6 The mann-kendall sudden change inspection of annual temperature of Shihezi region from 1964 to 2013

由石河子地区近50 a平均气温突变检测曲线（图6）可以得出，自20世纪80年代中期以来，石河子地区的年平均气温有一明显增暖趋势，且1972—2013年UF统计量均大于0，呈不断上升的趋势，从1990年开始UF统计量均大于2.16，并通过0.05显著性水平检验临界线，呈明显上升的趋势，1996年以后超过0.01显著性水平（U0.01=2.56），呈现出剧烈上升的趋势，表明石河子地区气温的上升趋势是十分显著的。综上，20世纪80年代中期升温是一突变现象，突变点为1987年。明后一时间段的变化趋势将与前一时间段一致，具有较好的持续性，即1988—2013年的温度变化也将呈上升趋势，结果通过验证该时段内的平均气温明显上升。因为温度序列1988—2013年的Hurst指数为0.778＞0.500，由此可以预测在2013年后的一段时间内，石河子地区的气温将呈上升趋势。从1964—2013年整个时间序列来看，气温不仅表现出上升趋势而且还较显著 （U=2.195＞1.960），其 Hurst指数为 0.699 ＞ 0.500，表明在未来的几十年里气温将和过去的50 a变化趋势一样向持续增暖发展，且这种增暖的趋势还非常的剧烈。

表4 石河子地区1964—2013年平均气温的R/S分析与趋势检验Table 4 The R/S analysis and tendency test of annual temperature of Shihezi region from 1964 to 2013

2.3.2 降水突变点与持续性分析

从石河子地区近50 a年降水量突变判别曲线（图7）可以得出，1974—1986年UF统计量均小于0，表明这一时间段石河子地区的降水量呈下降的趋势，自20世纪80年代中期至90年代初期U统计量均大于0，石河子地区的平均降水量有一明显增多趋势，但直到21世纪初期这种上升趋势才开始超过显著性水平检验0.05临界线，从1997年开始UF均大于1.96，表明石河子地区降水量的上升趋势是显著的，但没有气温的上升程度那么剧烈。并且能得出石河子地区的平均降水量在20世纪80年代中期至90年代初期的增多是一突变现象，突变点为1985年，在这之前降水量增多趋势不明显，在这之后降水量增多速度加快。

图7 1964—2013年石河子地区年降水量突变曲线（M—K）Figure 7 The mann-kendall sudden change inspection of annual precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013

由表5可知，1964—1985年石河子地区降水量呈稍微下降的趋势，但不显著，（U=-0.386＜0，0.05检验水平下的检验统计量为 1.96），而Hurst指数为0.283＜0.500，具有相反的持续性，这表明石河子地区1986—2013年的降水量将朝着相反方向发展，即降水会增多，且这种相反的持续性强度还较强。结果通过验证，该时段内的降水呈现出上升的趋势。因为降水序列1986—2013年的 Hurst指数为 0.661＞0.500，U=1.182＞ 0，由此可以预测在2013年后的一段时间内，石河子地区的年降水量将呈上升趋势。而从1964—2013年整个时间序列来看，降水量呈现出上升趋势（U=0.492），其Hurst指数为0.653，具有较强的持续性，说明石河子地区未来一段时间里的降水将和过去一样呈增多的趋势。

表5 石河子地区1964—2013年降水量的R/S分析与趋势检验Table 5 The R/S analysis and tendency test of annual precipitation of Shihezi region from 1964 to 2013

3 结论

（1）石河子垦区多年平均气温为7.2℃，温度在各年和各年代整体表现出逐步增加的特征，增温率达到0.41℃/10 a。四季平均气温表现出逐步增加的态势，但不同季节增温幅度不同。春季气温上升率为0.48℃/10 a，夏季气温上升率为为0.21℃/10 a（最慢），秋季气温上升率为0.57℃/10 a（最快），冬季气温上升率0.37℃/10 a。秋季气温和春季气温对年平均气温升高的贡献最大。年平均最高气温呈现略上升趋势，气候倾向率为0.20℃/10 a。年平均最低气温的气候变化倾向率为0.56℃/10 a。（2）垦区年降水量总体随着时间不断增加，近50 a气候倾向率为11.6 mm/10 a；20世纪60年代至70年代是石河子地区降水偏少时期，其中以20世纪70年代年平均降水量最低。各季降水量变化有所不同，春、夏、秋、冬四季降水量的气候倾向率分别为 1.06mm/10a、4.32mm/10a、2.80mm/10a、3.37 mm/10 a。夏季降水量增多的趋势最大，其次为冬季，春季降水量增多的趋势最小。（3）通过M—K突变检验和R/S分析，得出石河子地区气温和降水呈现出上升的趋势，而且气温上升趋势更为显著。年平均气温的突变反映在时间序列上是1987年，降水的突变反映在时间序列上是1985年。突变时间非常相近，趋势也基本一致，只是剧烈程度不同。气温和降水的Hurst值基本上都接近于0.7左右，说明气温和降水保持着良好的相关性，同时石河子地区在未来的几十年里气温将朝着增暖，降水将朝着增多的趋势发展，且气温增暖的持续性强于降水。

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