1981—2019年西北干旱区暖湿化分析

李亚楠 杨建军

摘要  ［目的］探究我國西北干旱区20世纪80年代以来的暖湿气候变化情况。［方法］利用国家气象数据中心发布的1981—2019年0.5°×0.5°气温和降水量月值格点资料，采用线性倾向率、Mann-Kendall检验、累积距平法，对近39年来该地区气温和降水时空演变特征进行研究。［结果］近39年来西北干旱区平均气温呈现显著上升趋势，气温倾向率为0.377 ℃/10 a（P<0.01），天山亚区增温趋势最大；各季节平均气温均呈显著增高趋势，春季增温趋势最大，冬季增温趋势最小，气温倾向率仅为0.121 ℃/10 a（P>0.05）；年平均气温在1997年发生增温突变，进入21世纪增温趋势减缓。西北干旱区年降水量整体呈增加趋势，降水量倾向率为9.509 mm/10a（P<0.01），天山亚区增湿趋势最大，降水量倾向率为25.673 mm/10 a（P<0.01）；四季均呈降水量增加趋势，夏季增加趋势最大，冬季降水量增加趋势相对较小；年降水量在2001年发生突变，降水量增加趋势明显。［结论］西北干旱区整体处于暖湿阶段，尤其天山亚区暖湿化最显著。

关键词  气温；降水量；时空变化；西北干旱区

中图分类号  S161.2+2  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）09-0176-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.039

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of Warming and Humidification in the Arid Region of Northwest China During 1981-2019

LI Ya-nan1，2， YANG Jian-jun1，2

（1.College of Resources and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi，Xinjiang 830046; 2.Key Laboratory of Oasis Ecology， Ministry of Education， Urumqi， Xinjiang 830046）

Abstract  ［Objective］To explore the changes of warming and humidification climate in the arid areas of northwest China since 1980s.［Method］Using the monthly temperature and precipitation from a 0.5°× 0.5° gridded datasets during 1981-2019 released by the National Meteorological Information Center，the spatiotemporal evolution characteristics of temperature and precipitation in the region over the past 39 years were studied using linear propensity rate， Mann-Kendall test and cumulative anomaly method.［Result］The temperature in the arid region of northwest had been increasing at a rate of 0.377 ℃/10 a（P<0.01） over the past 39 years， with the largest warming trend in the Tianshan subregion. The average temperature of all seasons showed a significant increasing trend， with the largest warming trend in spring. The warming trend in winter was the smallest， with a rate of only 0.121 ℃/10 a（P>0.05）. The mean annual temperature had an abrupt change in 1997， and the warming trend slowed down in the 21st century. The annual precipitation in the northwest arid region showed an increasing trend with a rate of 9.509 mm/10a（P<0.01）， and the Tianshan subregion showed the largest increasing trend with 25.673 mm/10a （P<0.01）. The precipitation trend increased in all seasons， with the greatest increase in summer and relatively small increase in winter; the annual precipitation had an abrupt change in 2001， followed by a significant trend of increasing precipitation. ［Conclusion］The arid region of northwest China is in the warm and humid stage， especially in the Tianshan subregion.

Key words  Temperature; Precipitation; Spatial and temporal variation;Arid region of Northwest China

基金项目  国家自然科学基金项目（42075168，51269030）。

作者简介  李亚楠（1996—），女，新疆奇台人，硕士研究生，研究方向：生态系统与全球变化生态学。

*通信作者，教授，博士，博士生导师，从事土壤侵蚀与荒漠化防治研究。

收稿日期  2023-07-08

在全球变暖背景下，由气候变化表现出的气温、降水的时空变化趋势和特征越来越多地受到学者们的关注［1-5］。西北干旱区属于典型的大陆性干旱半干旱气候，是我国主要的气候区之一。深居内陆的地理位置以及高大山脉、盆地相间的复杂地形地貌，使西北干旱区成为对全球气候变化响应最敏感的地区之一［6-9］。

施雅风等［10-11］研究认为，自20世纪80年代中期以来，我国西北地区的气候存在由温暖干燥转为温暖潮湿的趋势。不少学者对西北干旱区年、季节、月份的气温和降水进行了详尽分析，揭示西北干旱区气温和降水时空变化特征的同时，也对气候是否转型进行了证实。任朝霞等［12］分析1950—2000年西北干旱区气候变化发现，西北干旱区1986年后气温升高，尤其是北疆升温趋势较大。Chen等［13-15］利用气象站观测数据，研究得出西北干旱区20世纪90年代气温增长显著。姚俊强等［16］利用M-K非参数检验方法分析了西北干旱区降水，发现20世纪80年代至90年代初西北干旱区降水有明显的突变特征；Li等［17-18］研究西北干旱区年降水量和极端降水事件时空变化特征发现，1987年是降水量由少增多的突变年，山区降水的增加趋势大于平原和荒漠地区。关于20世纪80年代前西北干旱区气温和降水变化的研究结果较为全面，西北干旱区在20世纪80年代中后期的暖湿转型得到了验证。而对于1981—2019年西北干旱区气候是否保持暖湿趋势以及年度和季节的气温和降水趋势是否改变等方面研究还相对薄弱。

西北干旱区实地监测的气象站点数量有限且分布不均，而较高分辨率的格点气象数据在一定程度上可以解决站点分布不均的问题，并有助于全面认识该地区气温和降水变化特征。但目前的研究数据主要来自站点观测数据，使用格点数据的相关研究比较欠缺。基于此，笔者利用1981—2019年西北干旱区0.5°×0.5°气温和降水格点数据资料，对西北干旱区近39年气温和降水的时空变化趋势与分布特征进行分析，探讨转型后的暖湿化气候是否保持，以及季节、年际、年代际的气温和降水变化特征，以期为进一步削减全球变暖对农业生产、社会生产生活方式影响提供依据。

1  资料与方法

1.1  研究区概况

我国西北干旱区位于欧亚大陆中心（73°～107°E、35°～50°N），包括新疆维吾尔自治区全境、甘肃河西走廊、祁连山区、内蒙古阿拉善高原以及黄河宁夏段以西的宁夏回族自治区贺兰山以西部分，总面积为235.2 km2，约占全国土地面积的1/4。西北干旱区干燥少雨，冷热变化剧烈，且地形复杂，是季风气候系统和西风带气候变化互相作用区域，水资源分布极为不均，气温和降水的空间差异较大［19-20］。根据西北干旱区的地势及地貌特征，将研究区分为4个亚区，分别为北疆亚区、天山亚区、南疆亚区和河西走廊亚区（图1）。

1.2  数据来源

选用由国家气象数据中心发布的1981—2019年0.5°×0.5°中国地面气温和降水月值格点数据（V2.0），该数据集是基于我国2 400余个国家级地面气象站台站的观测数据，运用薄盘样条法（thin plate spline，TPS）空间插值所得。所有的格点数据文件进行了严格的质量检测控制、数据核查、数据更正及补录［21］，在我国得到了认可与应用［22-24］。根据该研究对西北干旱区范围的确定，共选取912个格点进行分析。

1.3  研究方法

该研究使用一元线性回归计算西北干旱区1981—2019年气温和降水随时间变化的气候倾向率［25］，结合Mann-Kendall非参数趋势检验法（M-K趋势检验），对气温和降水的时间序列进行趋势检验，如果M-K检验通过了0.01水平的顯著性检验，则认为变化趋势极显著，通过了0.05水平的显著性检验，则认为变化趋势显著，其余为变化趋势不显著［26-27］；累积距平法用来反映气温和降水年际变化的阶段性特征［28］；Mann-Kendall突变检验法（M-K突变检验）对气温和降水序列进行突变分析［29-30］。

2  结果与分析

2.1  气温的时空变化

2.1.1  年际变化。

1981—2019年西北干旱区年平均气温均值为5.86 ℃，天山亚区年平均气温最低，多年年平均气温为-0.19 ℃，河西走廊亚区年平均气温最高，多年年平均气温为6.88 ℃，相差7.07 ℃；南疆亚区多年年平均气温高于北疆亚区，分别为6.84和4.61 ℃。气温存在明显的空间差异，1981—2019年西北干旱区的低温区主要集中在昆仑山、天山、祁连山、阿尔泰山和阿尔金山等山区，高温区主要在沙漠和平原（图2）。

从1981—2019年西北干旱区及其各亚区年平均气温变化趋势（图3）可以看出，近39年西北干旱区年平均气温呈现增加趋势，气温倾向率为0.377 ℃/10 a，增温趋势极显著（P<0.01）。各亚区气温倾向率均为正值，且均通过0.01水平的显著性检验，但气温倾向率在各亚区有差异。天山亚区增温趋势最大，为0.402 ℃/10 a，其次为南疆和河西走廊亚区，增温趋势（0.387 ℃/10 a）均高于西北干旱区；北疆亚区增温趋势较小，为0.327 ℃/10 a，增温趋势低于西北干旱区。

2.1.2  季节变化。

从季节变化来看，1981—2019年西北干旱区的4个季节气温变化趋势一致，均呈增温趋势（表1），春季增温趋势最大，气温倾向率为0.570 ℃/10 a，其次为夏季和秋季，气温倾向率分别为0.405和0.402 ℃/10 a，均通过0.01水平显著性检验，为极显著增温趋势；冬季增温趋势最小，气温倾向率为0.121 ℃/10 a（P>0.05），增温趋势不显著。

各亚区气温的季节变化存在差异，河西走廊亚区和南疆亚区4个季节的年平均气温均高于西北干旱区平均水平，除冬季外，春季、夏季、秋季均呈现极显著增温趋势（P<0.01）。天山亚区四季年平均气温均低于全区平均水平，在各亚区中气温最低，增温趋势在春季和夏季极显著（P<0.01），秋季为显著增温趋势（P<0.05），冬季增温趋势不显著（P>0.05）。北疆亚区春季和夏季增温趋势极显著（P<0.01），秋季和冬季增温趋势不显著（P>0.05）。

2.1.3  年代际变化。

为分析西北干旱区的年代际变化特

征，按照年代为时间尺度统计西北干旱区1981—2019年的年平均氣温序列，结果发现（图4），近39年西北干旱区气温逐年代上升，1981—1990、1991—2000、2001—2010年增温明显，年平均气温分别为5.27、5.72、6.22 ℃，随后增温放缓，2011—2019年年平均气温为6.27 ℃，比2001—2010年仅增温0.05 ℃。各亚区中，北疆、南疆与河西走廊亚区增温趋势与全区保持一致，逐年代增温。天山亚区在1981—1990、1991—2000、2001—2010年增温，年平均气温分别为-0.86、-0.37、0.35 ℃，但2011—2019年年平均气温降低，年平均气温由2001—2010年的0.35 ℃降至0.14 ℃，温度降低0.21 ℃。

2.1.4  突变检验。利用Mann-Kendall突变检验法分析西北干旱区1981—2019年平均气温，结果发现（图5a），1981—1995年西北干旱区年平均气温呈现不显著的波动上升趋势，1996年后温度持续上升，1998年后UF曲线超过了0.05显著性水平检验线，气温上升趋势明显，UF曲线和UB曲线在1996—1997年产生交点。1981—2019年西北干旱区年平均气温累积距平曲线（图5b）显示，近39年西北干旱区年平均气温呈先下降后上升的趋势，1981—1996年温度下降，之后温度上升。结合2种方法的分析结果，西北干旱区年平均气温在1997年发生突变。

2.2  降水量的时空变化

2.2.1  年际变化。

1981—2019年西北干旱区年降水量均值

为157.00 mm，山区降水量多，并逐渐向其周边沙漠和走廊逐渐递减（图6）。天山亚区年降水量均值最高，为411.95 mm，高出西北干旱区平均值254.95 mm，其次为北疆亚区，年降水量均值为239.68 mm，河西走廊和南疆亚区年降水量低于西北干旱区。

从图7可以看出，近39年西北干旱区年降水量整体呈增加趋势，降水量倾向率为9.509 mm/10 a，降水量增加趋势极显著（P<0.01）。各亚区降水量倾向率均为正值，但各亚区存在差异，天山亚区、河西走廊亚区和北疆亚区的降水量增加趋势高于西北干旱区，其中天山亚区降水量增加趋势最大，为25.673 mm/10 a（P<0.01）。南疆亚区降水量增加趋势显著（P<0.05），但降水量倾向率低于西北干旱区。北疆亚区降水量倾向率未通过显著性检验（P>0.05），降水量增加趋势不显著。

2.2.2  季节变化。

从表2可以看出，1981—2019年西北干旱区4个季节降水量均呈增加趋势，夏季增加趋势最大，其次为秋季，降水量倾向率分别为3.878和2.419 mm/10 a，均通过0.01水平的显著性检验。春季降水量倾向率为2.133 mm/10 a（P<0.05），降水量增加趋势显著；冬季降水量增加趋势相对较小，降水量倾向率为1.191 mm/10 a（P<0.01），降水量增加趋势极显著。

在各亚区，四季的降水量变化趋势存在明显的区域差异。天山亚区4个季节的年降水量和降水量倾向率均高于全区平均水平，秋季降水量增加趋势较其他季节不显著，为3.756 mm/10 a（P>0.05）。北疆亚区各季节年降水量高于全区平均水平，但夏季降水量倾向率为负值，为-0.589 mm/10 a（P>0.05）。河西走廊亚区秋季降水量显著增加，降水量倾向率为3.879 mm/10 a（P<0.01）。南疆各季节降水量均较少，但夏季和冬季降水量倾向率增加趋势显著。

2.2.3  年代际变化。

从图8可以看出，近39年西北干旱区降水量年代际变化呈上升趋势，降水量逐年代增加，年代际平均降水量增加9.24 mm。各亚区降水量增加趋势与西北干旱区保持一致，其中，天山亚区的逐年代降水增加量高于其他亚区，年代际平均降水量增加25.11 mm。北疆亚区1981—1990、1991—2000、2001—2010年降水量增加较大，年降水量平均值分别为223.85、239.32、247.71 mm，但2011—2019年降水量增加较少，降水量由2001—2010年的247.71 mm增至248.76 mm，降水量仅增加1.05 mm。

2.2.4  突变检验。

从图9a可以看出，1981—2007年西北干旱区年降水量呈现小幅上升趋势，1986年降水量UF曲线降至最低水平，2010年降水量UF曲线超过了0.05显著性水平检验线并保持持续上升趋势，降水量增加趋势明显，2001—2005年UF曲线和UB曲线在临界线间有3个交点，在此之后，降水量保持上升趋势。1981—2019年西北干旱区年降水量累积距平曲线（图9b）显示，近39年西北干旱区年降水量先下降，2001年降至最低点，波动变化后持续上升。结合2种方法的分析结果，西北干旱区年降水量在2001年发生突变。

3  结论

该研究利用西北干旱区1981—2019年0.5°×0.5°气温和降水月值格点数据资料，分析近39年来西北干旱区气温和降水的时空变化特征，主要结论如下：

（1）1981—2019年西北干旱区年平均气温上升趋势显著，气温倾向率0.377 ℃/10 a（P<0.01），天山亚区增温趋势最显著。四季平均气温与年平均气温变化趋势一致，均呈现增温趋势，其中春季增温趋势最大，升温速率高达0.570 ℃/10 a，冬季增温趋势最小；各亚区中春季、夏季均表现为极显著增温趋势，冬季增温趋势不显著。年平均气温经历了先下降后上升的变化过程，1997年发生由低温到高温的突变。气温的年代际变化显示出明显增温趋势，但21世纪开始增温趋势减缓。

（2）从降水量来看，近39年西北干旱区年降水量整体呈增加趋势，降水量倾向率为9.509 mm/10 a（P<0.01），天山亚区增湿趋势最明显，北疆亚区增湿趋势不显著。全区四季降水量均呈增加趋势，夏季增加趋势最大，冬季降水量增加趋势相对较小，各亚区增湿趋势具有区域差异性，除北疆亚区夏季呈现降水减少趋势，其余均为增湿趋势。年降水量在2001年发生突变，降水增加趋势明显。

综上所述，1981—2019年西北干旱区呈现出整体暖湿化的趋势。西北干旱区具有的特殊地理位置以及复杂的气候系统，气候变化的影响因素多，在此背景下，今后对于西北干旱区气候变化的研究，更需要对各气候要素及其产生的影响进行全面分析。

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