1961—2017年新疆区域气候变化特征分析

吴秀兰，张太西，王 慧，余行杰，郑先念，李海燕

（新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐830002）

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告[1]指出，近百年全球气候变暖毋庸置疑，1880—2012年全球地表平均温度大约升高了0.85℃，1983—2012年是过去1400 a来最热的30 a。中科院院士施雅风曾提出西北干旱区气候呈现“暖湿化”特征，位于其西部的新疆更加明显[2-3]。在全球变暖背景下，一些学者从不同的空间、时间和气象要素分析研究均得到新疆气候总体上向暖湿转变。近50多年来，新疆气温和降水分别以0.32℃/10 a和8 mm/10 a的倾向率增加，且最低气温增温幅度最大[4-5]；1961—2013年，新疆年平均气温和降水量呈显著上升趋势，气候倾向率分别为0.324℃/10 a和16.238 mm/10 a[6]；1951—2016年气温分析表明，新疆的南疆和北疆气温差异较大，南疆气温明显高于北疆，新疆大部分地区年平均气温增暖明显[7]；北疆地区年平均气温倾向率为0.35℃/10 a，增温幅度较大区域主要在准噶尔盆地、塔城地区及富蕴[8]；近51 a来新疆天山山区降水量呈增加趋势（降水气候倾向率为1.134 mm/a），以20世纪90年代和21世纪初前10 a尤为明显[9-10]。在全球变暖和水分循环加快的背景下，强烈的人类活动增加了气候突变发生的可能性，新疆气候会更加不稳定，降水变率增加，极端事件将随之增多。自1987年以来，新疆气候和生态环境发生了重大变化[11]，对于新疆极端气候事件，近些年来学者们从极端高（低）温、极端降水数值及频次变化的角度对新疆极端气温降水等进行了研究[12-15]，研究结果呈现出新疆极端事件的发生频次和强度均呈上升态势。

新疆地处欧亚大陆腹地，属于温带大陆性气候，地形复杂、地域辽阔、自然环境多样，大部分是典型的干旱气候区，生态环境相当脆弱。因此，研究新疆区域温度、降水的时空分布规律，既是一项基础性的科研工作，又对研究气候变化对新疆社会经济发展以及生态环境等方面产生的影响、指导生产和生活具有重要意义。同时，在气候变暖的背景下，进入21世纪以来，新疆气候也发生着变化，表现为气温出现跃变式升高且维持高温波动，降水量呈微弱的减少态势[16]。前人在该领域的研究多是针对整个西北地区或者新疆的局部地区[17-20]，而较少从新疆全区角度对新疆气温、降水的年、四季及其空间特征进行研究，因此，本文利用新疆1961—2017年最新气象观测资料，详细分析近57 a新疆气温、降水的时空变化特征，以期为当地的社会、经济、农业及生态环境建设等提供参考。

1 数据资料及研究方法

本文选用1961—2017年新疆89个国家级气象观测站年、四季平均气温和降水量资料进行研究分析；同时，参照新疆气候特点及气候业务将新疆划分为3个区域分别研究，其中北疆有37个气象站、天山山区有14个气象站、南疆有38个气象站。研究过程中气象指标变化趋势分析采用一元线性回归进行趋势倾向估计。用最小二乘法通过实测资料计算出a、b的值，其中a为直线斜率，通过a数值的正负反映气候要素的年平均增加、减少速率；运用Mann-Kendall检验、山本（Yamamoto）法及累计距平法对北疆年平均气温、降水进行突变检测；变化趋势显著性检验采用相关系数的显著性检验判断，即相关系数通过0.05的显著性水平检验则说明变化趋势显著。

2 气温变化特征

2.1 年平均气温

1961—2017年，新疆年平均气温呈显著上升趋势，升温速率为0.3℃/10 a（通过0.05的显著性检验），远远高于全球近百年平均升温速率0.06℃/10 a[1]，也高于全球近50 a升温速率0.13℃/10 a和全国1953—2017年升温速率0.24℃/10 a[21]。1997年开始新疆出现明显增暖，年平均气温连续多年持续偏高，近57 a最暖的19 a均出现在1997年以后；年际间波动明显，2007年和2015年为近57 a最暖的年份，比多年平均值偏高1.10℃；1984年为近57 a最冷的年份，比多年平均值偏低1.70℃。与第一次新疆区域气候变化评估报告[22]相比，新疆年平均气温升温速率下降了0.01℃/10 a。

北疆、天山山区、南疆年平均气温变化趋势与新疆区域一致，均呈显著上升趋势，升温速率分别为0.36、0.31、0.28℃/10 a。各分区均在1997年以后出现了明显增暖；最近20 a以偏高为主。各分区年平均气温呈现逐年代阶梯状上升趋势，北疆、天山山区、南疆21世纪10年代以来比20世纪60年代分别上升了1.53、1.18、1.10℃。天山山区增温幅度较大，北疆次之，南疆较小（图1）。

图1 新疆区域1961—2017年气温变化趋势

近57 a，新疆有98%的站点年平均气温呈上升趋势，富蕴升温趋势最明显，升温速率为0.68℃/10 a，增温幅度由南向北增加，伊犁河谷、北疆北部、哈密北部、北疆沿天山一带的部分地区及和田局部地区气温上升明显，升温速率为0.39～0.68℃/10 a，南北疆大部地区及天山山区升温速率主要为0.17～0.40℃/10 a，阿克苏、喀什、巴州等地的局部地区＜0.20℃/10 a，仅南疆的库车、阿克陶呈极弱的降温趋势（图2）。

图2 新疆区域1961—2017年气温变化趋势

2.2 气温突变检测

采用Mann-Kendall法和累积距平法对新疆及北疆、天山山区和南疆3个分区气温并结合山本（Yamamoto）法[23]对突变点进行了检验。本研究中，通过Mann-Kendall法和累计距平法得到的新疆年平均气温发生突变的年份均为1996年，利用山本法验证得到R_SN=1.175，即本文认为新疆气温增暖的突变点为1996年。

Mann-Kendall法（图3a）和累积距平法（图3b）分析显示，新疆气温突变年为1996年（图3），20世纪80年代中期开始UF表现为持续快速上升的趋势，并于1996年与UB曲线有一个明显的交点，之后，UF曲线于1998年突破了α=0.05的临界线1.96。突变后（1997—2017年）较突变前（1961—1996年）新疆年平均气温升高了1.03℃，但突变年前后，全疆各分区年平均气温的变化具有区域性差异，这可以从各分区的突变点看出，北疆、天山山区和南疆3个分区的年平均气温发生突变的年份分别是1994年、1994年、1998年。

图3 新疆年平均气温Mann-Kendall突变（a）、累积距平值（b）

2.3 四季平均气温

新疆区域春、夏、秋、冬四季平均气温分别为10.41、22.21、8.27、-8.38℃。1979年春季是新疆区域近57 a来最冷的春季，比多年平均值偏低2.1℃，1997年和2008年春季是最暖的春季，比多年平均值偏高2.5℃；1972年夏季是近57 a来最凉快的夏季，比多年平均值偏低1.3℃，2008年夏季是最炎热的夏季，比多年平均值偏高1.2℃；1981年秋季是新疆区域近57 a来最凉的秋季，比多年平均值偏低2.1℃，2006年秋季是最热的秋季，比多年平均值偏高1.9℃；1968年冬季是近57 a来最寒冷的冬季，比多年平均值偏低4.3℃，1989年冬季是最温暖的冬季，偏高2.0℃

1961—2017年，新疆区域春、夏、秋、冬四季平均气温均呈显著上升趋势，升温速率分别为0.30、0.22、0.32℃/10 a和0.40℃/10 a，其中，冬季平均气温上升趋势最明显，夏季最弱。

北疆、天山山区、南疆四季平均气温变化趋势与新疆区域一致，均表现为冬季升温趋势最显著，升温速率分别为0.47、0.32℃/10 a和0.36℃/10 a；夏季天山山区升温速率最大，南疆最小；春季北疆和天山山区相当，南疆最大；秋季，天山山区增温速率最大，北疆最小；各分区4个季节升温趋势均显著，通过了0.05的显著性检验（表1）。

表1 新疆区域及各分区四季平均气温变化趋势系数a（℃/10 a）及相关系数r

春季平均气温变化趋势的空间分布差异较小，趋势系数为-0.05～0.58℃/10 a。新疆99%的区域呈升温趋势，有84%的区域升温趋势通过了0.05的显著性水平检验。其中，富蕴升温趋势最明显，趋势系数为0.58℃/10 a，托里次之，为0.54℃/10 a；库车降温趋势系数为-0.05℃/10 a，升温趋势远远大于降温趋势。

夏季平均气温趋势系数为-0.26～0.69℃/10 a，全疆有87%的区域呈升温趋势，有80%的区域升温趋势显著，只有个别地方呈降温趋势。其中，巴里坤升温趋势最明显，趋势系数为0.69℃/10 a，富蕴次之，为0.53℃/10 a；阿克陶降温趋势最明显，趋势系数为-0.26℃/10 a，柯坪次之，为-0.25℃/10 a，升温趋势远远大于降温趋势。

秋季平均气温变化趋势系数为-0.18～0.63℃/10 a，空间分布地区差异较小，全疆93%的区域呈升温趋势，70%的区域升温趋势显著，通过了0.05的显著性水平检验。其中，吐鲁番升温趋势最明显，趋势系数为0.63℃/10 a，巴里坤次之，为0.62℃/10 a；库车呈降温趋势，趋势系数为-0.18℃/10 a，升温趋势远远大于降温趋势。

冬季平均气温变化趋势的空间分布基本无差异，全区各地呈现一致的显著升温趋势，有83%的站点升温趋势显著。其中，富蕴升温趋势最明显，趋势系数为1.04℃/10 a。

2.4 年平均最高气温和年平均最低气温

1961—2017年，新疆年平均最高气温和年平均最低气温均呈上升趋势，升温速率分别为0.22、0.52℃/10 a，年平均最低气温是年平均最高气温的2倍多，也远高于年平均气温，对年平均气温的上升贡献最大。两者均在20世纪90年代末开始出现了明显增暖，2000年代后高于多年平均值，年平均最高气温和年平均最低气温的最高值均出现在21世纪10年代，最低值均出现在20世纪60年代。

从地域分布看，近57 a新疆区域各地年平均最高气温（图4a）和年平均最低气温（图4b）均呈升温趋势。年平均最高气温升温趋势系数为-0.01%/10 a～0.44%/10 a，全疆有92%的区域升温趋势显著，通过了0.05的显著性水平检验，北疆西部、北部和北疆沿天山一带、南疆西部、塔里木盆地东南部升温速率＞0.30℃/10 a，泽普升温趋势最明显，趋势系数为0.44℃/10 a；年平均最低气温升温趋势系数为-0.13%/10 a～1.07%/10 a，全疆有96%的区域上升趋势显著，升温速率多在0.3℃/10 a以上，北疆北部、西部和天山山区的个别地方在0.9℃/10 a以上。托里上升趋势最明显，趋势系数为1.07℃/10 a。

图4 新疆区域1961—2017年平均最高（a）、最低（b）气温变化

3 年季降水时空变化特征

3.1 年降水量

1961—2017年，新疆区域年降水量呈增加趋势，降水距平百分率增加速率为10.14 mm/10 a，且增加趋势显著，通过了0.05的显著性水平检验。1986年以前降水量以偏少为主，1987年以后降水量明显增加；21世纪10年代比20世纪60年代年平均降水增加了43.54 mm，增幅为30%；年际间波动明显，多年平均年降水量为170.62 mm，2016年较多年平均值偏多44.7 mm，即偏多26%；1997年较多年平均值偏少55.92 mm，即偏少32.78%。与第一次《新疆区域气候变化评估报告》相比，新疆区域年降水量增加速率下降了0.57%/10 a，1981—2010年的多年平均年降水量比1971—2000年增加了12.46 mm（图5）。

图5 新疆区域1961—2017年降水量变化

北疆、天山山区、南疆年降水量均呈增加趋势，增加速率分别为6.09%/10 a、4.49%/10 a、8.40%/10 a。各分区与新疆区域一样，20世纪80年代中期以前降水量变化趋势不明显，80年代中期以后明显增多；21世纪10年代比20世纪60年代分别增加了60.16、65.93、27.41 mm，增幅分别为34%、21%、60%。各分区年降水量增加速率显著，均通过了0.05的显著性水平检验。

从地域分布看，近57 a新疆区域年降水量的空间分布地区差异较小，全疆所有地区均呈增加趋势，北疆和天山山区增加趋势大于南疆，南疆西部大于南疆偏东地区，其中天山山区增加趋势最明显，增加速率在10～30 mm/10 a，北疆大部分地区和南疆塔里木盆地北缘增加速率在5～10 mm/10 a，南疆偏东地区在5 mm/10 a以下。乌鲁木齐增加趋势最明显，增多速率为28.36 mm/10 a（图6）。

3.2 降水量突变检测

年降水量的Mann-Kendall（图7a）检验结果显示，UF曲线与UB曲线在1986—1990年间有3次相交，而累计距平（图7b）分析表明，1961—1986年新疆年降水量呈明显的下降趋势，1987—2017年降水量呈上升趋势，1986年累积距平值最低，说明新疆降水量经历了先减少后增加的过程，结合山本（Yamamoto）法验证以及降水量实况数据综合分析，认为1986年为降水增多的转折点（图7）。利用相同的方法依次确定了北疆、天山山区和南疆3个分区的年降水量发生突变的年份分别是1987、1993、1987年。

图7 新疆年平均降水量Mann-Kendall突变（a）、累积距平值（b）

3.3 四季降水量

新疆春、夏、秋、冬四季多年平均降水量分别为44.55、72.02、35.05、19.09 mm，主要集中在夏季，冬季最少。从季节变化看，1961—2017年新疆区域春、夏、秋、冬季降水量均呈增加趋势，且增加趋势显著，均通过了0.05的显著性水平检验。其中，冬季降水量增加趋势最明显，增加速率为10.2%/10 a；春季、夏季和秋季相当，分别为4.28%/10 a、5.64%/10 a、5.84%/10 a。

春、夏、秋、冬季降水量年际间波动明显，四季年降水量的最小值均出现在20世纪90年代以前，分别比多年平均值偏少23.01、25.81、21.46、14.88 mm；最大值分别出现在1964年、2016年、1987年、2009年，比多年平均值分别偏多23.73、39.75、23.59、21.25 mm。春、夏、秋、冬四季，21世纪10年代比20世纪60年代分别增多了14%、31%、35%、60%。

近5 a新疆春、夏、秋、冬四季年降水量变化趋势的空间分布比较相似，空间分布地区差异均较小，大部分地方呈增多趋势，但各季增加幅度有所差异，总体上冬季降水量的增多趋势明显高于其他3个季节（表2）。

表2 新疆区域及各分区四季降水距平百分率变化趋势系数a（%/10 a）及相关系数r

春季降水全疆87.6%的区域呈增加趋势，趋势系数为-0.96～12.01 mm/10 a，其中，天池增多趋势最明显，于田减少趋势最明显。全疆春季93%的区域降水量变化趋势不显著，未通过0.05的显著性水平检验。

夏季降水量变化趋势的空间分布地区差异较小，全疆98%的区域呈增加趋势。其中，大西沟降水量增多趋势最明显，为11.88 mm/10 a；尉犁减少趋势最明显，趋势系数为-0.78 mm/10 a。降水量增加趋势显著区域主要位于天山山区、南疆西部、沿天山一带部分地方。

秋季降水量全疆90%的区域呈增加趋势，有33%的站点降水量增加趋势显著，主要位于北疆西部和北部、北疆沿天山一带个别地方及南疆西部等地。趋势系数为-1.22～7.38 mm/10 a。

冬季降水量全疆有97%的站点增加趋势显著，通过了0.05的显著性水平检验，主要位于北疆、东疆、天山山区大部分地区以及南疆克州、喀什山区、阿克苏等地。其中，裕民降水量增多趋势最明显，趋势系数为7.42 mm/10 a，乌鲁木齐次之，为6.75 mm/10 a。

3.4 极端降水

选用暴雨日数和暴雨量对新疆极端降水进行分析。新疆降水等级标准规定：暴雨指一昼夜24 h内降雨量超过24 mm或12 h降雨量超过20 mm的雨。一天（24 h）降雨量＞24 mm，定义为一个暴雨日。年暴雨量指一年内暴雨日的降水量合计。

3.4.1 暴雨日数

新疆区域及北疆、天山山区、南疆各分区多年平均暴雨日数分别为0.42、0.35、1.30、0.18 d。1961—2017年，随着降水的增加，新疆区域及各分区平均年暴雨日数均呈明显增加趋势，增加速率分别为0.05、0.06、0.12、0.02 d/10 a，各分区差异显著，天山山区较南疆高达6倍之多。20世纪60年代—90年代中期新疆暴雨出现相对较少，90年代中期以后出现相对较多；21世纪10年代比20世纪60年代增加了0.19 d。年际波动不大，历年平均年暴雨日数为0.42 d，最多的一年出现在2016年，比历年平均值偏多0.63 d；最少的一年出现在2014年，比历年平均值偏少0.29 d（图8a）。

图8 1961—2017年新疆年暴雨日数（a）和年暴雨量（b）的逐年变化

3.4.2 暴雨量

1961—2017年，随着降水的增加，新疆平均年暴雨量呈明显增加趋势，增加速率为1.75 mm/10 a，增加趋势显著，通过了0.05的显著性水平检验。20世纪90年代中期以前新疆暴雨量以偏少为主，90年代中期以后偏多年份增多；21世纪10年代比20世纪60年代增加了7.1 mm。年际波动较明显，历年平均年暴雨量为13.8 mm，年暴雨量最大值与最小值相差达31.2 mm。另新疆夏季暴雨量的变率远远超过年降水量，在低山区的一些山洪沟，平日干涸无水，只有在夏季降暴雨后才有水流，这种情况有时几年甚至几十年才会出现一次（图8b）。

北疆、天山山区、南疆各分区年平均暴雨量与新疆区域一致，均呈现增加趋势，增加速率分别为1.92、4.33、0.64 mm/10 a，南疆增加趋势不显著，未通过0.05的显著性水平检验。北疆、天山山区、南疆21世纪10年代比20世纪60年代分别增加了9.3、13.2、3.7 mm。

4 讨论

近57 a新疆气温显著上升，同时降水也呈显著增加趋势，气候变化比较明显，这一结果也得到了多方验证：施雅风等[2]学者认为整个西北区域有“暖湿化”的特征；康丽娟[6]、马建勇等[18]对新疆20世纪60年代以来的气温降水的时空变化及突变时间等做了分析，所得结论与本研究的结论相近。本文和以上类似的研究相比，使用了研究区更多站点（89个）观测资料，且不仅研究了新疆整个区域，还分析了3个分区全年以及四季的特征。在资料方面有更充足的数据支持，且数据更新到了最新年份，在空间上也有更细致的分析。

根据本文分析，新疆年暴雨日数及年暴雨量呈显著增加趋势，暴雨本就为干旱区一种少见的极端事件，其具有一定灾害风险。新疆出现大范围暴雨相对较少，但是容易出现小范围短时大暴雨，具有局地性强、持续时间短、强度大的特点。暴雨自身可以造成灾害，导致平地积水、房屋倒塌、毁坏农作物等，暴雨还可引发洪水造成灾害，也会引发泥石流和山体滑坡次生灾害。暴雨及其衍生的次生灾害是新疆的主要灾害之一。

新疆气温变暖点相对于全国平均水平有稍微滞后的表现。20世纪90年代初全球变暖开始加剧[24]，这已是不争的事实，我国气温也呈现整体的上升趋势。任国玉等的研究显示20世纪80年代以前，中国气温在较小的范围内上下波动，而从80年代初开始，气温呈不断上升趋势[25]。由此可见，新疆的气温增暖也更好地印证了区域气候对全球气候变化的响应。关于有些学者提出的“新疆暖湿化”的问题，本文认为，新疆作为西北干旱区的重要组成亦有气温升高、降水增加的强烈信号，但是新疆由于其远离海洋、深居内陆的地理位置影响，如此强烈的升温必将伴随着巨大的潜在蒸发，而降水增加的绝对值并不高（新疆年降水量增加速率仅为10.14 mm/10 a），因此，这种趋势短期内不会改变新疆属于干旱、半干旱地区的本质，这也远不足以产生干湿状况的质变。

本研究仅针对气温和降水两大因子的变化趋势对新疆区域及各分区近57 a的气候变化事实进行了分析，更多的只是从平均态的趋势上做了分析，在将来的研究中，应当考虑在全球气候变暖大背景下新疆极端事件的发生频次和强度均呈上升态势的事实，从而更好地为农业生产等提供有力地科学支撑。

5 结论

（1）在全球变暖背景下，近57 a新疆及北疆、天山山区、南疆各分区的年和四季平均气温呈现一致的显著上升趋势，年平均气温升温速率为0.31℃/10 a，1997年开始出现了明显增暖，并连续14 a持续偏高。其中冬季升温趋势最明显。20世纪60年代以来气温呈逐年代阶梯式上升，21世纪10年代比20世纪60年代升高了1.3℃。新疆温度增幅不仅高于全球水平，而且也高于我国东部地区。

（2）1961—2017年，新疆年平均最高气温呈上升趋势，升温速率为0.22℃/10 a，升温趋势不显著，未通过0.05的显著性水平检验。1997年开始出现了明显增暖。年平均最低气温升温速率0.52℃/10 a，远高于年平均气温和年平均最高气温的升温速率，对平均气温的升高贡献率最大。

（3）新疆区域1961—2017年降水量呈显著增加趋势，增加速率为5.94%/10 a。冬季降水量增加趋势最明显，为10.2%/10 a。北疆、天山山区、南疆的年和四季降水量呈现一致的增多趋势，南疆增加速率最大，天山山区最小。降水量1987年开始明显增多，20世纪60年代以来呈逐年代增多趋势，21世纪10年代比20世纪60年代增多了43.54 mm，增幅为30%。夏季降水量增加幅度最大。

（4）1961—2017年，随着降水的增加，新疆区域及各分区平均年暴雨日数和暴雨量均呈显著增加趋势。20世纪90年代中期以后增加明显。天山山区最显著，较南疆高达6倍之多。