新疆北部地区不同下垫面区域气候变化差异分析

吴丽萍，杨余辉，杨景燕，冯先成，曾康康

（新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054）

全球气候变化背景之下，干旱半干旱地区生态环境脆弱，水源短缺［1］。新疆位于亚欧大陆中部，戈壁、荒漠广布，各种天气系统活动频繁，很容易受到气候变化的影响［2］。刘波等［3］对新疆气候变化研究得出，新疆气温总体呈上升趋势，降水量在20世纪80年代中后期发生明显的转折。甘艳露等［4］对北疆地区气候变化研究得出，北疆在20世纪中后期表现出不同程度的气温增加、降水量增多趋势，气候朝暖湿方向变化。姚俊强等［5］对西北干旱区降水时空分布特征研究表明，近几十年来西北干旱区降水增加明显。陈发虎等［6］在全球变暖背景下中亚干旱区降水变化特征及其空间差异的研究中指出，在短尺度上存在气候变化的“西风模式”。新疆气温持续上升已成为不争的事实［7-10］。研究表明，新疆气候朝暖湿化方向变化［11-14］。新疆近50年气温增温速率约0.28℃/10年［15］。新疆近50年来降水量增多，约为9.50 mm/10年［16］，学界对区域气候变化进行了大量研究，但是目前对同一区域不同下垫面条件下气候变化对全球气候变化的响应差异研究关注较少。基于此，本研究选取北疆荒漠、山地、绿洲地区41个气象站1961—2015年逐日气温和降水资料，分析北疆荒漠、山地、绿洲地区气温和降水量的变化趋势、突变特征及极端气候事件的空间分布，揭示北疆近55年来荒漠、山地、绿洲气候变化分异特征，探讨该区域气候变化对全球气候变化的响应过程。

1 研究区概况

北疆包括乌鲁木齐、克拉玛依、阿勒泰地区、塔城地区、昌吉、石河子、北屯、可克达拉、伊犁、博尔塔拉等地区，属于温带大陆性干旱半干旱气候，年均气温（-4）～9℃，全年降水量150～200 mm。将北疆划分为荒漠、山地、绿洲3大地区进行研究。其中，克拉玛依、蔡家湖为荒漠气象站点，青河、北塔山、天池、小渠子、大西沟、昭苏为山地气象站点，其余站点为绿洲气象站点（图1）。

图1 北疆气象站点分布

2 资料与方法

2.1 数据来源

选取1961年1月1日至2015年12月31日新疆国家气象站逐日气温降水资料。为保证各站点资料系列的同步性及具有较长的观测序列，使用1961—2015年逐日的气温降水数据，缺测太多的气象站点被剔除，最终选取北疆的41个气象站。

2.2 研究方法

对北疆荒漠、山地、绿洲地区的气温和降水量的年和代际变化进行了研究，通过北疆逐日气温降水资料，得出北疆各站点逐年的气温、降水量极值，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

2.2.1 线性趋势分析 利用Origin软件，采用线性回归法，分析该区域近55年气温和降水趋势倾向，以此获得北疆荒漠、山地、绿洲气温和降水量的年际变化趋势线及相应的趋势分析方程，采用一元线性趋势分析诊断气候序列的变化趋势［17，18］。

2.2.2 Mann-Kendall趋势检验 采用Mann-Kendal趋势检验分析气温降水变化特点及其规律。

式中，xi和xj为连续的数据值，n为数据集合的长度，sgn是符号函数，其定义如下。

式（1）中，统计量S的理论均值大致服从正态分布，其均值为0，方差如下。

式中，ti是第i组数据点的数目。

对于样本数大于10的集合，标准化统计量ZC按照如下公式计算。

2.2.3 突变检验法 采用Mann-Kendall突变检验法［19，20］，对北疆荒漠、山地、绿洲地区年平均气温和年降水量进行突变分析。计算原理如下。

以气温和降水量的时间序列Xi为基础，构造秩序列。

假设时间序列是独立随机的，定义统计变量。

将时间序列逆序xi排列，同时满足如下。

UFk与UBk的值分别构成两条曲线，在显著水平α内，如果交点在置信区间内，则该交点为突变时间点。

2.2.4 反距离加权（IDW）插值法 它是一种常见而简便的空间插值方法，属于精确性插值。基于相近相似的原理，即两个物体离的近，它们的性质就越相似，反之，离的越远相似性则越小。本研究在Arc-GIS9.3环境下，采用反距离加权插值法［21-23］作出北疆荒漠、山地、绿洲气温和降水量极值变化趋势的空间分布图，进行极端气候事件变化的空间差异分析。

3 结果与分析

3.1 近55年北疆不同下垫面气温和降水量年际变化

图2为1961—2015年北疆荒漠、山地、绿洲年平均气温变化趋势，由图2可见，北疆荒漠年平均气温为7.4℃，最高气温出现在2015年，为9.1℃，最低气温出现在1969年。为5.4℃，极差达到3.7℃。以0.2℃/10年的趋势增加，并通过显著性（α=0.01）检验，增温趋势明显；北疆山地年平均气温为1.1℃，整体以0.24℃/10年的速度增加，2006年为历年平均气温最高值，为2.6℃，最低气温出现在1984年，为-0.6℃，极差达3.2℃。北疆绿洲年平均气温为6.7℃，整体以0.3℃/10年的速度增加，气温最高值出现在2015年，为8.4℃，最低值出现在1969年，仅为4.5℃，两者相差3.9℃。

图2 北疆绿洲-荒漠-山地气温与降水量年际变化

近55年北疆荒漠、山地、绿洲气温均呈波动上升趋势，其趋势值分别为3.68、4.58、5.05，均通过了显著性（α=0.01）检验，增温趋势明显，其中以北疆绿洲增温趋势最显著，其次是山地，最后是荒漠（表1）。

北疆荒漠年降水量以8.46 mm/10年的速率增加，多年平均降水量为128.2 mm，其中年降水量最大值出现在1987年，为204.5 mm，极小值出现于1974年，为67.3 mm，极差达137.2 mm。北疆山地多年平均降水量为403.6 mm，以7.66 mm/10年的速度增加，2007年为年降水量最大值，为530.4 mm，1997年降水量为历年最小值，仅为282.2 mm。北疆绿洲年平均降水量为223.5 mm，以8.78 mm/10年的速度增加，最大降水量出现于2010年，为323.5 mm，最小降水量出现于1962年，为146.6 mm，极差达176.9 mm。

北疆荒漠、山地、绿洲降水量均呈波动上升趋势，其趋势值分别为3.27、2.22、3.37，其中荒漠、绿洲通过了显著性（α=0.01）检验，增湿趋势极显著，山地通过了显著性（α=0.05）检验，增湿趋势显著（表1）。

表1 近55年北疆绿洲-荒漠-山地气温和降水量Mann-Kendall趋势检验

3.2 近55年北疆不同下垫面气温、降水年代际变化

由表2可见，北疆荒漠、山地、绿洲气温年代际变化总体表现为上升趋势，即呈增暖趋势，但荒漠、山地、绿洲年代际周期变化略有不同。荒漠20世纪80年代气温升高速率最快，20世纪80年代比70年代气温升高7.2%。山地20世纪90年代气温升高速度最快，20世纪90年代比80年代气温升高44.4%。绿洲20世纪90年代比80年代气温上升7.7%，20世纪90年代气温上升最快。在各时间段，山地气温上升速率最快，20世纪90年代温度升高达到最大值。

表2 北疆绿洲-荒漠-山地气温年代际变化

由表3可见，北疆荒漠、山地、绿洲年代际降水量总体也呈增加趋势，除荒漠20世纪70年代、20世纪90年代和山地20世纪70年代降水量呈减少趋势外，其余年代均呈增加趋势。荒漠20世纪80年代降水量增加速率最快，20世纪80年代比70年代降水量增加了25.8%，为各年代中最大值。山地20世纪80年代降水量增加速度最快，20世纪80年代比70年代降水量增加7.1%。绿洲20世纪80年代比70年代降水量增加11.6%，绿洲20世纪80年代降水量增加最快，为各年代中最大值。在各年代中不同下垫面地区，荒漠降水量增加速率最快，20世纪80年代降水量增加速度达到最大值，比上一年代降水量增加了25.8%。

表3 北疆绿洲-荒漠-山地降水量年代际变化

3.3 近55年北疆不同下垫面气温、降水量突变分析

图3是用Mann-Kendall法对北疆荒漠、山地、绿 洲1961—2015年平均气温进行突变检验分析得到的检验统计曲线。荒漠UF与UB曲线在临界值之间在1993年有一个交点，1993年是北疆荒漠气温发生突变的年份；山地在1998年之后上升趋势超过了0.05的显著性水平，UF、UB在置信区间内在1993年有一个交点，1993年是山地气温发生突变的年份。绿洲UF、UB在临界值之间存在一个交点，在1993年附近。因此，1993年是北疆绿洲气温发生突变的年份。

图3 北疆绿洲-荒漠-山地年平均气温和年降水量Mann-Kendall检验统计曲线

北疆荒漠、山地、绿洲气温的突变年份均在1993年附近，而且达到了α=0.01的监测水平限，荒漠、山地、绿洲气温呈显著增加趋势。

荒漠降水量的检验统计曲线UF与UB在置信水平区间内有5个交点（1987年、1988年、1989年、1991年、1992年），这些年份是荒漠降水量发生突变的年份。山地年平均降水量的M-K检验结果显示，UF、UB在置信区间内有两个交点（1985年、1987年），该年份是山地降水量发生突变的年份。绿洲降水量的检验统计曲线UF与UB在置信区间相交于1987年，1987年是北疆绿洲降水量发生突变的年份。

由上可见，北疆荒漠、山地、绿洲的降水量突变年份均发生在20世纪80年代中后期，而且北疆荒漠、山地、绿洲的检验统计曲线均通过了显著性（α=0.05）检验，说明荒漠、山地、绿洲增湿趋势明显。

3.4 近55年（1961—2015）北疆不同下垫面温度、降水量极值变化趋势空间分布

图4是北疆绿洲、荒漠、山地气温极大、极小值变化趋势空间分布，由图4a发现，气温极大值通过显著性检验的地区大多为准葛尔盆地周围，部分气象台站通过了显著性（α=0.01）检验。由图4b可知，伊犁地区、青河、额敏，托里、沙湾、乌鲁木齐、吉木萨尔等气象台站气温极小值通过了显著性（α=0.05）检验，伊犁地区部分气象站，青河、乌鲁木齐气象站点通过了显著性（α=0.01）检验。

图4 北疆绿洲-荒漠-山地气温极大、极小值变化趋势空间分布

北疆极端气温事件上升趋势显著，在空间分布上主要表现为除准葛尔儿盆地以外的绿洲及山地，绿洲极端气温频数多且强度大。

图5是北疆绿洲、荒漠、山地降水量极大、极小值变化趋势空间分布，由图5a可知，伊犁地区北部和博尔塔拉西部、阿勒泰、青河、石河子、乌鲁木齐气象台站降水量极大值通过了显著性（α=0.05）检验，其中乌鲁木齐、阿勒泰、霍尔果斯、察布查尔、伊宁通过了趋势检验（α=0.01）。由图5b可知，降水量极小值趋势中，除塔城部分地区、阿勒泰地区西部、温泉、达坂城地区未通过显著性检验外，其余地区均通过了显著性检验（α=0.05），其中天山北部、阿勒泰地区西部通过了极显著（α=0.01）检验。

图5 北疆绿洲-荒漠-山地降水量极大、小值变化趋势空间分布

北疆极端降水事件上升趋势明显，在空间分布上存在较大差异，绿洲表现最明显，极端降水强度大，频数也多。

3.5 北疆不同下垫面气温、降水量季节年际变化特征

表4是北疆荒漠、山地、绿洲各个季节气温年际变化的趋势值。由表4可见，北疆荒漠、山地、绿洲各个季节的气温年际变化均呈上升趋势，其中，荒漠四季增温趋势中，秋季增温最快，通过了极显著（α=0.01）检验。山地夏季和秋季增温幅度最大，趋势值分别是4.52、3.64，通过了极显著检验（α=0.01），绿洲春季增温趋势通过了显著性（α=0.05）检验，夏季和秋季增温幅度通过了极显著检验（α=0.01），说明绿洲夏秋季增温幅度最大，春季次之，冬季增温幅度最小。荒漠、山地、绿洲均呈现先增加后减小的变化趋势。由荒漠、山地、绿洲在同一季节中的增温趋势值可看出，春季绿洲增温幅度较大，夏季山地和绿洲增温趋势极显著，秋季荒漠、山地、绿洲的增温幅度都通过了极显著检验。冬季荒漠、山地、绿洲气温增加幅度均未通过显著性检验。

表4 北疆绿洲-荒漠-山地季节气温Mann-Kendall检验趋势值

表5是北疆荒漠、山地、绿洲各个季节降水量年际变化的趋势值。由表5可知，荒漠四季增湿幅度中，夏季和冬季增湿幅度较大，其中冬季通过了极显著检验（α=0.01），降水量呈增加-减少-增加的趋势。山地四季降水量趋势值中，春季和冬季降水量增加幅度较大，冬季通过了极显著水平检验，降水量季节年际变化呈减少-增加的变化趋势。绿洲夏季、秋季、冬季增湿趋势均较显著，冬季通过了极显著检验（α=0.01）。降水量季节年际变化表现出逐渐增加的变化特征。山地春季的降水增加幅度较大，夏季荒漠和绿洲降水量增加幅度较大，秋季绿洲降水量增加趋势比荒漠和山地显著。冬季荒漠、山地、绿洲降水量增加趋势均极显著。

表5 北疆绿洲-荒漠-山地季节降水量Mann-Kendall检验趋势值

3.6 近55年北疆不同下垫面月平均气温、降水量年际变化特征

表6是北疆荒漠、山地、绿洲各月气温趋势值，由表6可知，荒漠、山地、绿洲各月气温均呈上升趋势，其中荒漠10月气温上升极显著，4月、11月气温上升显著。气温呈上升-下降-上升的变化规律。山地6月、7月、8月、9月、10月气温增加极显著，2月气温增加显著，各月气温呈上升-下降-上升的变化规律。绿洲气温均呈上升趋势，其中6月、7月、8月、9月、10月气温上升极显著，2月、4月、11月气温上升显著，各月气温呈在波动中不断增加的趋势。

表6 北疆绿洲-荒漠-山地月温度Mann-Kendall检验趋势值

表7是北疆荒漠、山地、绿洲各月降水量趋势值，荒漠在3月降水量呈减少趋势，其余各月均呈增加趋势，其中1月、4月、11月降水量上升趋势显著，2月、12月上升趋势极显著，整体趋势呈减少-增加的特征。山地在9月降水量呈下降趋势，其余各月均呈上升趋势，2月、11月、12月上升趋势极显著，表现为增加-减少-增加的特征。绿洲各月降水量均呈上升趋势，1月、2月、11月、12月降水量上升趋势极显著，整体变化趋势表现为先减少后增加。

表7 北疆绿洲-荒漠-山地月降水量Mann-Kendall检验趋势值

4 讨论

不同地区气候变化呈明显差异［8，24，25］，即使同一区域不同下垫面气候变化，对全球气候变化的响应也呈现出显著差异［26-28］，袁玉江等［8］在天山山区近40年秋季气候变化特征与南北疆比较中得出，天山山区秋季温度、降水量变化与南北疆呈现显著差异，苟晓霞等［29］在天山北坡不同海拔气候变化规律研究中也指出，海拔越高，气温增长越明显，随海拔增加增湿趋势略有减少。

近55年北疆绿洲增温趋势和降水量增加趋势最显著。荒漠秋季年际增温显著，山地和绿洲夏季和秋季年际增温显著；荒漠、山地、绿洲降水量变化均为冬季增加显著，这可能与近年来新疆北部冬季的持续性降水增加有关［8］。北疆气温、降水量增加趋势显著，极端气候事件也出现明显上升趋势，绿洲上升趋势最显著。有研究表明，全球气候变化引起北疆生态环境发生改变，极端气候事件在全球变暖背景下也出现了明显上升趋势［30］，绿洲作为北疆最大的地貌形态单元，极端气候事件在绿洲表现得更加明显。近55年北疆山地气温、荒漠降水量变化对全球气候变化的响应最为敏感。山地气温响应敏感的原因可能是由于海拔较高，更接近自由大气，对全球气候变暖的响应更加敏感。荒漠降水响应敏感的原因可能是由于荒漠受人类活动影响较小，且荒漠比热容较小，对温度变化较为敏感，气候变暖的大背景下，荒漠降水对气候变化的响应就更为敏感。

绿洲气温、降水显著增加可能原因如下。①绿洲温度增加显著是由于人类活动导致温室气体浓度增加，从而导致温度升高显著［31-33］；②全球气候变暖驱动水循环加快，温室气体增加导致的升温使大气中水汽含量增加，从而使陆地降水量增加［34］；③可能由于温度升高，加强了平原区与山区局地环流，山前平原空气湿度增加进而导致绿洲降水量增加［35］；④来自于大西洋、北冰洋西风环流，西风环流带来的大量水汽受地形抬升形成地形雨，所以绿洲降水量增加［36］。

5 结论

1）1961—2015年北疆荒漠、山地、绿洲气温、降水量年际变化呈波动上升趋势，其中荒漠、山地、绿洲的增温速率分别为0.2℃/10年、0.24℃/10年、0.3℃/10年，荒漠、山地、绿洲降水量的增加速率分别为8.46 mm/10年、7.66 mm/10年、8.78 mm/10年，均以绿洲增加趋势最为显著。年代际变化为山地气温、荒漠降水量对全球气候变化的响应最敏感。

2）近55年北疆荒漠、山地、绿洲气温发生突变的年份为1993年，降水量发生突变的年份分别是1985年、1987年。

3）北疆近55年极端气候事件出现明显上升趋势，极端气温和极端降水事件均以绿洲上升趋势最显著。北疆荒漠、山地、绿洲气温极大值趋势值在-2.41～5.43，气温极小值趋势值变化范围在0.33～3.86。降水量极大值趋势值在-1.18～3.26，降水量极小值趋势值在0.11～4.31。

4）近55年北疆荒漠、山地、绿洲各个季节气温趋势检验中，荒漠秋季增温极显著，山地和绿洲夏季和秋季增温极显著，对年际增温贡献最大；各个季节降水量趋势检验中，荒漠、山地、绿洲降水量均为冬季增加极显著，对年际增湿贡献最显著。

5）北疆荒漠、山地、绿洲1961—2015年各月气温年际变化中，10月、11月气温对荒漠秋季增温贡献最大，山地、绿洲6月、7月、8月、9月、10月增温极显著，对夏秋季增温贡献最大。荒漠、山地12月、2月增湿最显著，绿洲11月、12月、1月、2月增湿最显著，对荒漠、山地、绿洲冬季增湿贡献最大。