近65年来吐鲁番市气温降水变化特征分析

2018-07-02杨少敏楚新正张扬

生态科学 2018年3期

杨少敏, 楚新正, 张扬

新疆师范大学地理科学与旅游学院, 乌鲁木齐 830054

1 前言

气候变化已成为全球性的问题, 引起世界各国政府和人民的关注与重视[1]。《第二次气候变化国家评估报告》认为[2]： 1951—2009年中国平均气温上升了1.38 ℃, 其变暖速率为0.23 ℃·(10 a)-1。丁一汇等[3]提出, 在全球变暖这一大背景下, 我国近百年的气候发生了明显变化, 我国气候变暖最明显的地区在西北地区、华北地区和东北地区。

新疆位于欧亚大陆腹地, 为典型的干旱、半干旱气候, 水汽来源较少, 水资源缺乏。新疆地域辽阔,自然环境复杂多样, 气候变化存在着明显的地域差异[4], 许多学者已经对新疆北部地区的气候变化问题进行了研究并取得进展[5-9], 然而对小区域气候变化特征的研究目前尚不全面和深入[10-13]。

吐鲁番市(2015年4月, 吐鲁番地区撤地设为地级市, 原“吐鲁番市”改名为“高昌区”, 本文研究的吐鲁番市指现在的高昌区)位于新疆维吾尔自治区中东部, 天山支脉博格达峰南麓, 吐鲁番盆地中部,东边与鄯善县相邻, 西边与托克逊县相接, 南边与尉犁县比邻, 北边到天山分水岭, 与乌鲁木齐、奇台、吉木萨尔等县相连。研究区热量丰富, 日照充足, 年平均气温为14.4 ℃, 全年平均降水量15 mm左右, 气候极端干燥; 年日照时数3000—3200 h, 无霜期为210 d。吐鲁番盆地属地堑盆地, 最低处的艾丁湖低于海平面155 m, 是全国最低点; 盆地地形封闭, 气候干旱炎热, 降水稀少, 风沙天气多, 蒸发量大, 空气极端干燥, 属于典型的大陆性气候。特殊的自然地理因素形成了吐鲁番市独特的气候特点, 与北疆其它地区有较大差异。近几年来, 更多关注到的是西部的资源、气候等特征, 对于中国西北干旱区新疆气温和降水变化特征研究已有较多的成果[14-20],但对于吐鲁番盆地这样尺度的气候变化研究较少,本文通过对研究区1952—2016年65 a气温、降水变化分析, 旨在揭示其气候变化规律, 充实和丰富全球变化背景下干旱区气候变化规律研究案例。

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

本研究所使用数据来自中国气象科学数据共享服务网(http：//cdc.cma.gov.cn) , 通过计算研究区1952—2016年的月平均气温、月平均降水量, 研究气温、降水变化特征。所用时间段为1952—2016年,数据通过均一性检验和质量控制。采用气象统计常用的四季划分：春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11 月)、冬季(12、1、2 月)。

2.2 研究方法

(1)线性趋势与波动分析

运用气候倾向率法和五年滑动平均分析气候变化趋势。气候要素y的趋势变化用线性回归方程表示, 设y(气温和降水的时间序列数据)为因变量,x(时间)为自变量, 建立一元回归方程：

式中,x为年份, a×10为气候倾向率, 单位为(10 a);a为正时, 表示气候要素y在对应时间内呈线性增加的趋势,a为负时, 表示气候要素y在对应时间内呈线性减少的趋势;b为气候变化趋势的截距。用F检验法对变化的趋势进行显著性检验。

用数据总体标准差(δ)用分析气象要素变化的波动性, 标准差越大, 表明变化的波动性也就越大[21]。

式中：χ为各年气温降水值,μ为65年的平均值, N为65。

(2)距平分析

将研究时段分为7个时段： 1952—1959年、1960—1969年、1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—1016年。首先计算 65 a各月平均气温/降水的气候态(m=1,2, ... , 12), 然后计算每个时间段累年月平均气温/降水(m=1, 2, ... , 12;n=1, 2, ...7)。不同时间段各月平均气温、降水的距平为

(3)夏季与冬季气温差

计算研究时段内各年夏季平均气温(Si)和冬季平均气温(Wi), 夏冬季节气温差d=Si-Wi(i=1952,1953, ... , 2016)。

(4)累积距平统计量与信噪比

气候突变是气候变化过程中的某些不连续现象,常用气候要素累计距平曲线来表示[22], 其指标为：

式中,Xi代表第i年平均气温或者降水量;为1952—2016年年平均气温或降水量。突变年可能是绝对值最大指标所对应的年份。

以下公式为信噪比[23]计算公式, 用来检验转折是否达到气候突变的标准,

式中, 1X、 2X和 1S、 2S分别为转折年份前和转折年份后两阶段的平均值和标准差。若 /S N＞1.0, 则定义在这个年份存在气候突变, 反之突变不显著。

3 结果与分析

3.1 气温变化基本特征

3.1.1 年平均气温变化趋势

图1为吐鲁番市 1952—2016年平均气温变化图。对年平均气温进行五年滑动平均和线性拟合,1952—2016年, 年平均气温 14.63 ℃, 最低气温为1960年12.38 ℃, 最高气温为2016年17.81 ℃, 相差5.43 ℃。1952年以来, 研究区平均气温总体呈上升趋势, 与新疆[24]、中国[25-26]和全球[27]升温趋势一致。平均气温变化倾向率a＞0, 呈明显上升趋势, 升温幅度为0.41 ℃·(10 a)-1ı, 高于新疆[24]0.27 ℃·(10 a)-1ı和中国[25]平均增温速率0.25 ℃· (10 a)-1ı, 气温增温显著并通过显著性水平(a=5%)F检验。从表1看出, 吐鲁番市年平均气温呈明显的年代波动上升趋势, 20世纪80年代以来气温明显升高, 21世纪开始升温速度加快, 近16年平均气温达到15.83 ℃, 与20世纪70年代平均气温(13.55 ℃)相比升高了2.28 ℃。对65年的年平均气温计算标准差, 为 1.03 ℃, 波动性整体较小; 平均气温变化大致呈升-降-升的特征, 总体呈上升过程。

3.1.2 年最高、最低气温变化

图2为吐鲁番市年平均最高气温与最低气温变化图。65 a来平均最高气温总体呈缓慢上升趋势(图2a), 平均最高气温增温速率为0.04 ℃·(10 a)-1。65 a平均最高温为 32.75 ℃, 气温最低年份为 1979年(30.6 ℃), 较年均偏低 2.15 ℃, 气温最高年份为2016年(35.7 ℃), 较年均偏高2.95 ℃。65 a平均最低气温呈现明显的上升趋势(图2b), 平均最低气温增温速率为 0.74 ℃·(10 a)-1。 65 a平均最低温为-8.55 ℃, 气温最低年份为1960年(-20.6 ℃), 较年均值偏低12.05 ℃, 气温最高年份2015年(-3.9 ℃),较年均值偏高4.65 ℃。总体而言, 年平均最低气温增幅大于年平均最高气温增幅。这种线性变化趋势的不对称性与全国最高、最低气温变化趋势一致,这也说明本研究区变暖在最低气温上表现更突出。

图1 吐鲁番市1952—2016年年均气温变化Fig. 1 Variations of the mean annual temperature in Turpan from 1952 to 2016

表1 吐鲁番市1952—2016年不同年代气温均值和距平值Tab. 1 Means and anomalies of temperature of different ages in Turpan from 1952 to 2016

图2 吐鲁番市1952—2016年年平均最高(a)、最低(b)气温变化Fig. 2 Annual average maximum (a) and minimum (b) temperature changes in Turpan from 1952 to 2016

3.1.3 气温季节变化特征

图3a表明, 吐鲁番市11—3月气温变化明显大于其它月份, 表明各年代之间气温的季节性变化有较大差异。20世纪50年代气温总体相对较低, 11月到 2月气温基本属于历史最低, 3月气温上升较快,表明早春气温回升快。50年代夏季平均气温高出距平值, 冬季低于距平值, 表明50年代冬夏季节温差较大,65 a温差最大值出现在1954年(43.57 ℃)(图3b)。

图3 吐鲁番市不同年代各月温度距平(a), 和冬夏季温差(b)Fig. 3 Monthly temperature anomaly during different ages (a) and temperature difference between winter and summer(b) in Turpan

60年代明显的气温异常出现在 4月(偏冷), 春季气温升高后又经历了降温, 5月份开始气温才开始升高。70年代平均气温较历史水平最低, 9月至2月气温较低, 说明70年代秋季气温下降快, 冬季偏早并持续时间较长。从80年代开始, 冬季呈偏暖变化。90年代冬季气温明显偏高, 而夏季气温偏低, 图3b也可看出90年代夏冬季节温差较小, 1993年达到历史最低水平(31.94 ℃)。21世纪以来各月气温基本达历史最高水平; 21世纪前10 年1—6月各月平均气温高于最近6 a (2010—2016 a), 7月—12月各月平均气温低于最近6 a (2010—2016 a)。总体来看, 20世纪80年代以来夏季气温变化不大, 冬季增温明显。吐鲁番市冬季与夏季的温差从 80年代开始呈下降趋势, 季节性持续减弱。

3.2 降水量变化基本特征

3.2.1 降水量年际变化特征

图4为吐鲁番市1952—2016年降水量变化曲线,对其进行五年滑动平均和线性拟合可见, 1952—2016年, 年平均降水量15.80 mm, 最低为1968年的2.9 mm, 最高为1958年的48.4 mm, 距平值为正且最大(表2), 与最低降水量相差45.5 mm。平均降水变化倾向率a＜0, 呈下降趋势, 下降幅度为 0.48 mm·(10 a)-1ı, 没有通过显著性水平(a=5%)F 检验,表明降水量下降不显著。研究区降水量呈减少趋势,但减少幅度较小, 与前人得出的西北地区降水量增加这一结论不一致, 与大范围的气候相比有其自身的特征。对65年的年平均降水量进行标准差计算发现, 其标准差为 9.57 mm, 表明其波动性整体较小,总体而言降水量呈轻微减少趋势。

3.2.2 降水量季节变化特征

图5是吐鲁番市1952—2016年不同年代各月平均降水量及距平变化。由图5a可以看出, 各月平均降水量变化总体波动不大, 6—8(夏季)月降水量相对较多, 其他季节月平均降水量多在2 mm以下。不同年代降水量的季节变化差异比较明显(5b)。20世纪50年代夏季降水量明显高于其他各年代, 其中8月份降水量异常偏多, 1月份降水是历史1月最高值;60年代和90年代春夏两季降水偏多, 秋冬两季降水偏少; 70年代与60年代、90年代正好相反, 秋冬两季降水较多, 春夏两季降水较少; 80年代秋季降水较多, 其它年代较少; 21世纪以来, 降水量节变化不明显, 波动较小, 全年降水比较均匀。

图4 吐鲁番市1952—2016年年降水量变化Fig. 4 Variations of annual precipitation in Turpan from 1952 to 2016

表2 吐鲁番市1952—2016年不同年代降水量均值和距平值Tab. 2 Means and anomalies of precipitation of different ages in Turpan from 1952 to 2016

3.3 突变分析

由图6(a)所示, 1985年为吐鲁番市气温累积距平曲线的绝对值最大年份, 气温由偏低期转为偏高期且偏高期一直持续到现在。对1985年气温计算信噪比以检查上述转折是否达到气候突变的标准, 结果显示：1X=13.90, 2X=15.43, 1S=0.69, 2S= 0.70;通过计算求得1985年气温转折的信噪比值为1.10＞1.0, 可认为气温突变年是 1985年, 突变后 1986－2016年平均气温15.43 ℃, 较突变前上升了1.53 ℃。

图6 吐鲁番市1952—2016年年平均气温(a)、降水量(b)累积距平变化曲线Fig. 6 Annual average temperature (a) and precipitation (b) cumulation anomalies curve in Turpan from 1952 to 2016

图6(b)为吐鲁番市降水量累积距平曲线, 由图可以看出, 20世纪50年代末至60年代中期快速上升, 之后又急剧下降。1964年为绝对值最大年份, 此次转折降水量由偏多期转为偏少期, 1964年后的偏少期一直持续到20世纪80年代, 1986年达到最低值, 这次转折是降水量由偏低期转为偏高期。分别对1964和1986年降水量计算信噪比, 检查上述转折是否达到气候突变的标准, 结果显示： 1964年,=19,X2 =14.66,S1=12.6,S2=8.29; 通过计算求得 1964年降水量转折的信噪比值为 0.21 ＜1.0;1986年,X1=15.79,X2=16.05,S1=10.87,S2=8.12 ; 通过计算求得1964年降水量转折的信噪比值为0.01 ＜1.0。可知1964年和1986年降水量转折的信噪比均小于1.0, 所以1964年和1986年降水量突变不明显。

4 结论与讨论

近65年来吐鲁番市气温呈明显的上升趋势, 气温上升速率为0.41 ℃·(10 a)-1ı, 20世纪80年代以后气温上升趋势更加明显, 1985年为突变年, 突变后近 30年平均气温较突变前上升了 1.53 ℃, 气温上升速率为0.55 ℃·(10 a)-1ı, 高出平均气温上升速率34%, 与全国大范围气温增暖主要发生在近20年[25-26], 西北干旱地区1986年后气温明显升高[12]的结论相同。近65年来夏季气温变化不大, 冬季增温明显; 这与任朝霞等得出的西北干旱区包括新疆年最低气温有增加趋势[28]的一致; 冬季与夏季的温差从80年代开始呈明显下降趋势。冬季升温程度较大,夏季变化则不明显, 因而冬季气温的升高对年平均气温升高的贡献率最大。吐鲁番市位于北纬 41°20′—43°35′之间, 平均海拔 300 mm,特殊的地理位置与地形使得气温变化比较敏感,因此, 吐鲁番市近 65年来升温率[0.41 ℃·(10 a)-1]高于新疆[24]和中国[25-26]平均水平。气温升高除了自然气候变率的原因外, 很可能与城市发展有关。近年来随着城市化进程的加快, 城市人口密度增大, 城区建筑面积递增,水泥路面等下垫面增加了对太阳辐射的吸收, 不断增加的建筑物增加了散射辐射, 另外城市污染增加了对太阳辐射的吸收和散射, 这些因素都可能使温度升高[29]。

近65年来研究区降水量呈缓慢下降趋势, 年平均降水量15.80 mm, 平均降水量下降率为0.48 mm·(10 a)-1ı,降水量突变不明显。各月平均降水量总体变化不大,6—8(夏季)月降水量相对较多, 其他季节月平均降水量多在2 mm以下。新疆地区近半个世纪以来降水量总体水平呈增加趋势, 而吐鲁番市与大范围的气候相比有其自身的区域性特征, 从地理位置看,它位于天山山脉背风坡, 来自大西洋与北冰洋的湿润气流很难进入。影响降水的因素很多, 也很复杂,如大气环流、天气系统和下垫面等因素, 不同的环流型、天气系统及下垫面对降水的贡献是有差异的,而且降水的产生并不是单个因子作用的结果, 而是由多个因素综合影响的[30]。这些因素在多大程度上对降水产生了影响, 需要进一步深入研究。

本研究结果表明, 吐鲁番市气温升高, 降水减少。这种现象可能会对小区域水循环产生影响, 发生干旱的风险将会提高。今后研究中应该深人探索区域性主要气候要素的变化对水资源利用的影响。降水与气温是气候的重要因素, 研究气温和降水变化规律与空间分布, 对促进区域经济可持续发展,合理规划水资源利用有重要意义。

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