郭 超，楚新正，张 扬，栾 玥，许超宗

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054)

【研究意义】IPCC第五次评估指出，过去的130年全球升温0.85 ℃，过去3个10年的地表已连续偏暖于1850年以来的任何一个10年。在北半球，1983-2012年可能是过去1400年中最暖的30年[1]。除全球气温显著变化外，降水空间分布格局也发生变化，不仅导致一些地区洪水发生强度与频率增加，区域性的重大干旱的发生也有增加[2]。同时，极端降水事件的明显增加，一些流域在降水总量减少情况下，局部降水强度加大，增加洪涝和干旱的风险[3]。我国干旱有发生频率高、分布面积大、时空分布不均匀、持续时间长等特点[4]，对农业生产的影响尤其严重[5]。在中国，气候变暖导致的极端气候事件(干旱、飓风、洪水、极端高温、低温等)的出现频率有增加的趋势，20世纪90年代，气象灾害每年造成的损失占GDP的3 %～6 %，其中约80 %是由旱涝气象灾害造成的[6]。【前人研究进展】新疆深居内陆，距离海洋远，降水极为稀少，旱灾多发。但随着全球气候的变化，尤其是降水量的增加，新疆特别是北疆地区降水量的增多[7]，使涝灾发生的次数增加。干旱对农作物的生长具有严重的危害性，因而一系列干旱指标已被建立，包括气象指标(降水距平百分比、Z指数等)、土壤墒情指标(土壤相对湿度、土壤有效水分存贮量等)、作物生理生态指标(气孔导度、叶水势、光合速率等)及其它综合监测指标等[8]。考虑到北疆地区降水量自身较少，农作物的种植一般采用滴灌、喷灌等技术，因而本文选择了干旱指标内气象指标中较具有代表性的Z指数作为研究。鞠笑生等[9]在全国范围内选取了8个典型站点，分别采用3种旱涝指标确定单站旱涝等级，Z指数是最接近实际情况的，关于西北地区旱涝指标的选择，确定单站指标时Z指数的应用更广泛[10]。Z指数的计算几乎考虑了所有的因子，如蒸散、土壤有效含水量、土壤水分的损失、土壤水分的补充、径流和降水等。有关新疆地区旱涝灾害的研究较少，集中在南北疆旱涝时空对比上[11-12]，对于小区域旱涝灾害的研究较为缺乏。【本研究切入点】文章对北疆地区近56年气候变化与旱涝灾害的研究，不仅能为降低气象灾害带来的各种损失提供借鉴；同时，能进一步揭示北疆地区气候变化对全球气候变暖的响应，具有一定的科学认识意义。【拟解决的关键问题】北疆地区旱涝等级时空变化特征，及气候变化对旱涝灾害变化的影响。

1 研究区概况

通常以天山山脉为界，把新疆分为2个主要大区即南疆和北疆，研究区北疆位于43°23′～49°10′N，79°57′～91°32′E，总面积约为 5.95×105km2[13]。行政区上包括乌鲁木齐、昌吉、伊犁、博尔塔拉、阿勒泰等地、州、市。地势西、北和南部高，中部和东部低，中部是古尔班通古特沙漠。为温带大陆性干旱半干旱气候，夏季酷热，冬季寒冷，雨量稀少，气候干燥，四季气温相差悬殊。区域年均气温-4～9 ℃。全年降水量150～200 mm；境内河流数量达387条，占新疆河流总量的67.9 %[14]。大部分是中小河流且多发源于山间，较大的有伊犁河、额尔齐斯河、玛纳斯河和乌伦古河等10多条，并因此形成了该区独特的绿洲灌溉农业区。

2 材料与方法

2.1 数据来源

文章选择中国气象科学数据共享服务网提供的北疆地区20个气象站1961-2016年逐日降水、气温实测数据，考虑到气象台站观测中存在缺测和误测的问题，我们选取数据质量较好(缺测和误测较少)的台站(图1)作为研究对象，站点选取参考白磊等[15]的校正数据。

图1 北疆地区气象站点分布Fig.1 Distribution of weather stations in northern Xinjiang

2.2 研究方法

对实测的气温、降水数据进行简单处理，选取趋势线法和5a滑动等数理统计方法，对该区近56年气候变化趋势进行分析，M-K突变检验法进行突变检验，得到相关的突变特征。

(1)空间插值方法:新疆面积广阔，地形复杂，海拔高度差异较大，因而气候要素的变化不但会受到经纬度、海拔高度等宏观因子的影响，也会受到下垫面性状、“城市热岛效应”等局部小地形因子的影响。为了提高气温、降水变化的模拟精度，本文采用经陈鹏翔[16]等实际验证模拟精度较高的混合插值法(宏观地理因子的三维二次趋势面模拟+残差内插)对北疆气温、降水变化率进行1000 m×1000 m栅格点的空间插值模拟[17-18]。

(2)旱涝等级计算方法:旱涝灾害选择单站Z指数法与区域旱涝指数标准。Z指数法能够说明旱涝的空间分布以及旱涝程度，用来确定区域内单站点旱涝等级指标，消除了降水量平均值不同的影响，通过对降水量X进行处理而得到的服从标准正态分布的序列，对旱涝程度具有一定的反映能力[19-21,9]。根据公式(1)～(5)计算出单站旱涝指标Z指数，旱涝等级分类标准采用修正后的Z指数标准(表1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，CS表示偏态系数，Φi表示标准变量，这2个数值可以由降水资料序列得到。

表1 Z指数划分旱涝灾害等级[22]

区域旱涝指标，既能表征旱涝的空间分布，又要能反映出旱涝的轻重程度[23]。对整个区域的旱涝状况来说，鞠笑生[9]在此基础上提出了一种区域旱涝指标(表2)，见公式(6)～(8)：

(6)

(7)

HL=(I-L)×100

(8)

式中:I，L分别为雨涝指标和干旱指标，分别为该区域内Z指数为 1、2、3、4、5、6、7 级的站数，n为区域总站数。

3 结果与分析

3.1 气温时间变化特征

对研究区56年气温变化分析(图2)，气温总体呈大范围波动上升趋势,递增速率为0.33 ℃·(10 a)-1。平均气温6.0 ℃，最高值为2013年7.38 ℃，最低值1969年3.66 ℃。从气温距平值得出，气温年变幅较大，先增加—波动下降—波动增加的趋势，20世纪90年代以后气温年距平值均高于多年平均值；20世纪60-90年代，气温年距平值总体小于平均值，且变化幅度较为剧烈。一元线性趋势分析显示，55年间气温是不断升高的，气温增温率为0.33 ℃·(10 a)-1，此结论与任国玉[25]等研究的全国平均气温上升率0.25 ℃·(10 a)-1具有一致性，表明北疆气温的变化和全国气温变化存在相似性。从5a滑动趋势分析，90年代中后期(1995年)至今气温高于距平值且波动上升，90年代以前，气温的变化为先下降后上升的。各年代平均气温不断上升，56年间气温上升1.9 ℃，20世纪80～90年代气温上升幅度最高0.46 ℃，60～70年代最低为0.1 ℃。

3.2 降水时间变化特征

根据北疆地区年降水量图(图3)显示，研究区多年平均降水量为268.9 mm，年降水量呈波动上升的变化趋势，以12.05 mm·(10 a)-1的线性速率增长。降水量最高记录2016年398.1 mm，最低值1997年184.3 mm，二者相差213.8 mm。年代间平均降水量逐步增加，20世纪60～90年代降水量大致低于平均值且变化较为平缓；90年代至今降水量高于平均值并波动增长，尤其是近5年的增长十分明显。从5a 滑动趋势线分析，北疆降水量总体为先增加后减少而后又波动增长的特征。

表2 区域旱涝灾害等级[24]

图2 1961-2016年北疆地区气温变化Fig.2 Temperature changes in northern Xinjiang from 1961 to 2016

3.3 气候变化空间分析

通过对研究区56年气温、降水量进行趋势分析，并运用混合空间插值方法绘制出研究区气温和降水量的空间变化率分布(图4)。气温空间上的变化主要是增温率北边高于南边，气温空间变化最为显著的区域为富蕴站点0.68 ℃·(10 a)-1，在研究时间段内，富蕴站点增温3.8 ℃；乌昌地区增温较为缓慢，56年间平均增加了1.2 ℃。降水量空间变化规律较为复杂，变化率大体上是由南向北、西北降低，山区多于平原和盆地，尤其是天山山区降水量增加显著，形成这种分布的原因主要受北疆地形影响，北疆地形主要表现为南高北低，这样的地形分布有利于北部海洋暖湿气流南下，受地形影响抬升形成地形雨，因而降水集中在南部山区地带。研究期间，降水总共增加了67.5 mm，以天山北坡增加的最为明显，其中以乌鲁木齐站点增加165.4 mm速度最快，其次是新源138.2 mm，最后为木垒128.3 mm。降水变化较小的地区主要集中在中部和西北部地势较为平坦的地区。

图3 1961-2016年北疆地区降水量变化Fig.4 Precipitation changes in northern Xinjiang from 1961 to 2016

3.4 气温突变分析

从一个稳定的气候阶段向另一个稳定的气候阶段过渡，且其后阶段持续时间的长度远大于过渡时间的长度，这种现象称作气候突变[26]。根据图5气温M-K突变检验得出，1962年，UF<0，说明此时气温处于下降阶段，1963-2016年，UF>0，说明气温处于上升时段，期间，1992年后UF曲线超出置信区间(U0.05=1.96)，说明20世纪90年代至今气候具有显著上升的变化趋势，曲线UF和UB在置信区间内有一个交点1991年，通过滑动t检验，此点正是气温发生突变的年份。

3.5 旱涝变化特征

3.5.1 旱涝灾害时间变化分析 基于单站旱涝等级指数标准，得出区域旱涝等级的时间序列分布状况(图6)。根据对研究区气温、降水的简易分析，研究区气候存在由冷干向暖湿化的过渡，在此背景下，近56年发生涝灾的频率为37.50 %，旱灾的频率30.36 %，涝灾的频数较高于旱灾。其中有4年发生重涝，时间为1987、1993、2010、2016年；发生7年大涝年份分别为1969、1992、1998、2002、2007、2013、2015年；11年偏涝主要有1966、1984、1988、1990、1999、2000、2003、2004、2005、2011年。在近56年时间内，研究区涝灾的发生主要以偏涝为主，其次是大涝，重涝频率最小。旱灾发生频率为30.36 %，期间有6次重旱发生，分别为1962、1967、1974、1975、1982、1997年；6次大旱发生为1963、1965、1968、1985、1991、2008年；偏旱的年份有1961、1977、1978、1989、1995年。

图4 1961-2016年北疆地区气温、降水变化率空间分布Fig.4 Spatial distribution of temperature and precipitation in northern Xinjiang from 1961 to 2016

图5 北疆地区气温突变Mann-Kendall检验Fig.5 Mann-Kendall test for abrupt temperature changes in northern Xinjiang

由表3可知，气温突变前后研究区旱涝等级发生频率差异较为明显。在56年间重涝发生频率由突变前的3.3 %升高到突变后的11.5 %，重涝变化较为明显；大涝突变前为3.3 %，突变后增加到23.1 %，变化最为显著；偏涝由突变前的10 %增加到23.3 %；正常年份由气温突变前的40 %下降到突变后的26.9 %；偏旱突变前为13.3 %，突变后为3.8 %；大旱由气温突变前的13.3 %下降到气温突变后的7.7 %；重旱则由突变前的16.7 %下降到突变后的3.8 %。

1961-2016 年，在1991年气温发生突变前后，新疆北疆地区涝灾增加了41 %，变化极为明显；正常年份所占比例由 40 %降至26.9 %；旱灾年份由气温突变前的 43.3 %减少至15.4 %。表明在气温发生突变后，北疆地区旱涝灾害发生更加频繁，其中涝灾发生频率减少，而旱灾增多的趋势更显著。

图6 北疆地区近56年旱涝等级Fig.6 Levels of droughts and floods in northern Xinjiang in the past 56 years

3.5.2 旱涝灾害空间变化分析 根据单站旱涝Z指数计算出每个站点洪涝频率和干旱频率得出研究区气温突变前后旱涝频率在空间上的分布特征(图7)。由气温突变前旱涝频率可知，干旱高频区域主要集中在地形平坦的平原、盆地地区，有3个干旱高发区即以青河、哈巴河、乌苏—克拉玛依—石河子站点为中心的地区，低值中心主要位于西北部。气温突变前洪涝灾害高发区分布以北塔山和塔城为中心的区域，洪涝灾害低频区主要集中在西南部，以温泉、托里、乌苏这3地为代表。1991年气温发生突变后，北疆地区干旱发生频率明显减小，干旱高发区面积缩小，对比气温突变气候干旱灾害的空间变化不难发现，不仅各站点在干旱发生概率上显著减少，而且在干旱空间分布上发生变化，干旱高发区面积缩小，低发区面积扩大，干旱灾害发生率在一定程度上降低。气温突变后洪涝灾害发生频率增多，洪涝高发区和突变前存在差异，突变后主要集中在西南部伊犁河谷、南部天山山区等地区，低值中心也发生了变化，由相对分散变得集中于研究区东部和西北部。总之，研究区自气温突变后，旱涝灾害空间分布发生较为显著变化，尤其是各站点干旱频率的空间变化，干旱发生的频率、面积都明显减少，这与研究区气候发生冷干向暖湿的转变密切相关。

表3 1961-2016年北疆地区气温突变前后各级旱涝指数出现频率及时间

图7 北疆地区气温突变前后旱涝频率空间分布Fig.7 Spatial distribution of drought-flood frequencies in northern Xinjiang in the past 56 years

4 结 论

(1)1961-2016年，北疆地区气候变化的总特征是气温升高降水增多，气候朝着暖湿化发展。气温以0.34 ℃·(10 a)-1的上升速率变化；降水量递增速率为12.05 mm·(10 a)-1。气候在空间上的变化主要是，气温总体是由西南向东递减的，降水量空间分布较为复杂，山区多于平原盆地。

(2)1961-2016年，北疆地区气温发生突变的时间为1991年。旱涝灾害的发生频率为涝灾(37.5 %)多于旱灾(30.36 %)。从 Z 指数等级7级和涝-正常-旱 3 级的比例来看，气温突变前干旱发生频率由43.3 %降至15.4 %，正常年份由突变前的40 %减少为26.9 %，而洪涝则由16.7 %增至57.7 %；空间上，气温突变后，干旱频率减少，面积缩小，洪涝灾害频率升高，说明北疆地区气温升高，降水增加，暖湿化趋势明显，北疆地区在不断向洪涝状态变化。