胡文峰，陳玲玲，姚俊強(qiáng)，季淑媛，孫 寧

(1.中國(guó)氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830013；2.阜陽(yáng)師范大學(xué) 歷史文化與旅游學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236037；3.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊 830013；4.阜陽(yáng)市潁州區(qū)生態(tài)環(huán)境分局 安徽 阜陽(yáng) 236037）

氣候變化是當(dāng)前全球共同面臨的科學(xué)問(wèn)題。IPCC(2013)指出近100年氣候變暖的事實(shí)，并強(qiáng)調(diào)氣候變暖具有顯著的區(qū)域差異[1]。Hulme在研究全球6個(gè)主要干旱區(qū)（1900-1996）氣溫后指出有增溫趨勢(shì)[2]，而半干旱區(qū)的顯著增溫導(dǎo)致全球陸地增溫的貢獻(xiàn)率高達(dá)44.46%[3]。在全球氣溫變化研究中，發(fā)現(xiàn)全球氣溫有長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)，存在準(zhǔn)21 a和準(zhǔn)65 a的周期變化，且呈周期性波動(dòng)[4]，全球溫度變化的空間特征在不同時(shí)間段也存在差異[2]。中國(guó)的氣候變暖趨勢(shì)與全球基本一致，最近60年氣溫上升顯著，平均為0.23℃/10 a左右，幾乎是全球的2倍[5-9]。近半個(gè)世紀(jì)，我國(guó)西北干旱區(qū)的氣溫變化跟全國(guó)、全球的氣溫變化有較好的響應(yīng)，但增幅要明顯高于全球的平均水平[10]；另一方面，相關(guān)學(xué)者研究指出近幾年全球增暖減緩[11-14]，并受到極大關(guān)注。

1 相關(guān)工作

早期相關(guān)研究認(rèn)為全球變暖會(huì)加劇全球降水分布的不平衡，認(rèn)為多雨地區(qū)降雨會(huì)更多，干旱地區(qū)將更少[15-18]，但最近的研究發(fā)現(xiàn)，“干越干，濕越濕”的降水變化格局在全球的陸地上的絕大數(shù)地區(qū)并不適用[19-20]。中國(guó)干旱、半干旱區(qū)的降水有明顯變化[21]，研究指出，我國(guó)華北地區(qū)的降水呈持續(xù)減少的趨勢(shì)[22]，而西北地區(qū)呈“西升東降”降水變化格局[23-24]，其中新疆地區(qū)[25]和河西走廊[26]降水增加最顯著，西北東部地區(qū)主要表現(xiàn)為減少趨勢(shì)[27]。秦大河等[28]研究指出西北地區(qū)的降水頻率顯著增多，以強(qiáng)降水為主[29]，東部降水強(qiáng)度比西部顯著，尤其是20世紀(jì)80年代以后，西北地區(qū)降水增加，氣候逐漸向暖濕型轉(zhuǎn)變[30-31]。

新疆位于我國(guó)西北部，是歐亞大陸腹地，典型的大陸性干旱氣候區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，對(duì)全球氣候變暖尤為敏感。施雅風(fēng)等[30]研究指出，在全球氣候變暖的背景下，中國(guó)新疆地區(qū)的氣候由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)變；研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新疆降水增加趨勢(shì)更加明顯，新疆地區(qū)的降水的增速大約為0.4～0.5 mm/a[32-35]，而且北疆的降水增加幅度要大于南疆[36]。另一方面，有關(guān)研究同樣指出，新疆總的干旱氣候格局將不會(huì)有多大改變，在氣溫增高的情況下，蒸散量上升，干旱次數(shù)將有增多的可能[37]。Yao[38-39]采用多源數(shù)據(jù)，從土壤濕度、河流徑流量及植被指數(shù)等多個(gè)角度研究證實(shí)了從1997年后新疆地區(qū)由暖濕向暖干轉(zhuǎn)變的事實(shí)。為進(jìn)一步研究新疆地區(qū)氣溫和降水時(shí)空格局演變，對(duì)氣候變化進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)一帶一路的戰(zhàn)略發(fā)展，區(qū)域水資源的管理、災(zāi)害防控等有著重要的意義。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

本文所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下載于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）1961-2015年月平均地面各氣象要素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)估，選擇數(shù)據(jù)連續(xù)好的102個(gè)氣象站作為新疆的代表性臺(tái)站進(jìn)行分析。

2.2 研究方法

線性趨勢(shì)分析。為分析氣象要素的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)(氣候傾向率)，利用最小二乘法對(duì)新疆102個(gè)臺(tái)站55年降水和氣溫序列進(jìn)行線性擬合：

其中：y表示降水或溫度，t表示時(shí)間；a和b是通過(guò)實(shí)際資料計(jì)算得出的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，a是線性函數(shù)的斜率，其值的大小反映了降水增加或減少的速率[40]。在求得線性趨勢(shì)后，需檢驗(yàn)時(shí)間與降水序列的相關(guān)系數(shù)R，若R通過(guò)信度檢驗(yàn)，則認(rèn)為該趨勢(shì)有統(tǒng)計(jì)意義。

三次多項(xiàng)式曲線擬合。用Cubic函數(shù)形式把氣候要素表達(dá)為時(shí)間t的非線性函數(shù)：

其中：a，b，c，d為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，用最小二乘法通過(guò)時(shí)間資料計(jì)算的出，通過(guò)三次多項(xiàng)式曲線擬合曲線可以很好反映短時(shí)期尺度氣候變化特征[41]。根據(jù)Cubic上階段性極值可定性分析要素變化的轉(zhuǎn)型特征，極小值對(duì)應(yīng)要素值有下降轉(zhuǎn)為上升的時(shí)間，極大值對(duì)應(yīng)要素值有下降轉(zhuǎn)為上升的時(shí)間[42]。

反距離插值。為了分析氣溫和降水變化的空間特征，本文是在ArcGIS軟件中采用反距離插值法進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 年平均氣溫與年降水量的變化特征

圖1給出了1961-2015年新疆地區(qū)年平均氣溫和年降水量的變化趨勢(shì)。從圖1（a）可以看出新疆地區(qū)年平均氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，Cubic函數(shù)擬合線呈“一峰一谷”型，在20世紀(jì)70年代初期達(dá)到極小值，在21世紀(jì)初達(dá)到極大值。這說(shuō)明新疆地區(qū)在上世紀(jì)70年代初氣溫發(fā)生了降溫-升溫轉(zhuǎn)型，從1970至21世紀(jì)初氣溫處于波動(dòng)上升期，目前新疆地區(qū)氣溫增溫放慢，處于高位震蕩期。整個(gè)區(qū)域平均增溫速率為0.3℃/10 a，增幅要明顯高于我國(guó)及全球的平均水平[10]。

圖1 新疆年平均氣溫與年降水量的變化變化趨勢(shì)

圖1（b）為新疆地區(qū)年降水量的變化趨勢(shì)。Cubic函數(shù)擬合線亦呈“一峰一谷”型，自從上世紀(jì)60年代初期開(kāi)始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在21世紀(jì)初的后期達(dá)到極大值。這說(shuō)明新疆地區(qū)從上世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初的后期降水處于波動(dòng)上升期，此后新疆地區(qū)降水處于微弱減小期，整個(gè)新疆區(qū)域降水增加率為9 mm/10 a。結(jié)合溫度和降水的變化趨勢(shì)可以看出，自上世紀(jì)70年代至21世紀(jì)第一個(gè)10年間，新疆地區(qū)氣候處于一個(gè)暖濕化的過(guò)程，目前新疆地區(qū)氣溫和降水均處于一個(gè)高度震蕩期，可能處于“暖濕”向“暖干”的轉(zhuǎn)型期，有“暖干”的變化趨勢(shì)，這同Yao[38-39]的研究一致。

1961-2015 年平均氣溫和年降水量具有明顯南北區(qū)域差異。氣溫低值中心在天山和阿爾泰山，高值中心在吐魯番盆地和南疆的西南部；降水最大值出現(xiàn)在天山的西部伊犁河谷，最小值在南疆的南部。整體趨勢(shì)是氣溫北低南高，降水時(shí)北多南少，呈現(xiàn)北部“冷濕”、南部“暖干”空間格局。

3.2 氣溫的季節(jié)變化特征

新疆地區(qū)四季氣溫在1961-2015年的變化如圖 2。春季（3～5 月，圖 2（a）），夏季（6～8 月，圖 2（b））、秋季（9～11 月，圖 2（c））平均氣溫分別為10.56、22.29和8.23℃。氣溫Cubic函數(shù)擬合線均呈“一谷”型，在20世紀(jì)70年代均達(dá)到極小值，說(shuō)明新疆地區(qū)在上世紀(jì)70年代末春季、夏季和秋季氣溫發(fā)生了降溫-升溫轉(zhuǎn)型。從1961-1979年氣溫處于波動(dòng)下降期，但春季氣溫下降趨勢(shì)比夏、秋兩季要顯著；從1970年開(kāi)始?xì)鉁爻什▌?dòng)上升，整個(gè)新疆區(qū)域春季、夏季和秋季增溫速率分別為0.29℃/10 a、0.23℃/10 a和 0.35℃/10 a。冬季(12 月-次年 2 月，圖 2（d）)平均氣溫為-8.72 ℃，Cubic函數(shù)擬合線與春、夏、秋三季有明顯的差異，呈“一谷一峰”型，在20世紀(jì)60年代末期達(dá)到極小值，在21世紀(jì)初達(dá)到極大值，并在21世紀(jì)初發(fā)生了升溫-降溫的轉(zhuǎn)型。從1961-1969年末冬季氣溫處于波動(dòng)下降，從1970年至21世紀(jì)初冬季氣溫呈波動(dòng)上升，從21世紀(jì)初至2015年冬季氣溫又波動(dòng)下降。整個(gè)新疆區(qū)域冬季增溫速率為0.35℃/10 a。從1961-2015年四季氣溫增溫速率來(lái)看，夏季氣溫增溫速率最小，秋、冬兩季增溫速率最大。這暗示著新疆地區(qū)秋、冬兩季氣溫的增速對(duì)區(qū)域氣候變暖的貢獻(xiàn)最大，同時(shí)新疆地區(qū)當(dāng)前氣溫增溫放緩的是其冬季氣溫出現(xiàn)下降所致。

圖2 四季氣溫的變化特征

新疆四季氣溫的空間分布有明顯的差異，其中春季、夏季、秋季三季的氣溫低值中心位于天山山區(qū)，氣溫呈現(xiàn)“北低南高”的格局，而在冬季氣溫的低值中心在北部的阿爾泰山區(qū)，高值中心位于南疆的西南地區(qū)，氣溫呈現(xiàn)“東北低西南高”格局。

3.3 降水的季節(jié)變化特征

四季降水量在1961-2015年間具有明顯差異。春季（3～5 月，圖 3（a））、夏季（6～8 月，圖 3（b））、秋季（9～11 月，圖 3（c））和冬季（12-次年 2月，圖 3（d））平均降水量分別為 42.56 mm、67.34 mm、32.99 mm和17.00 mm。Cubic函數(shù)擬合線四季降水呈顯著差異。春季和夏季呈“一谷一峰”型，但春季的“一谷一峰”沒(méi)有夏季明顯，但均在20世紀(jì)70年代初期均達(dá)到極小值，21世紀(jì)初達(dá)到極大值，說(shuō)明新疆地區(qū)在上世紀(jì)70年代初春季和夏季降水發(fā)生了“減少-增多”的轉(zhuǎn)型，21世紀(jì)初春、夏降水發(fā)生了“增多-減少”的轉(zhuǎn)型。從1961～1979年初春、夏降水處于波動(dòng)減少期，但夏季降水減少趨勢(shì)比春季顯著；從1970年至21世紀(jì)初春、夏降水呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，但夏季降水增加趨勢(shì)比春季顯著；從21世紀(jì)初至2015年春、夏降水又波動(dòng)下降。整個(gè)新疆區(qū)域春季、夏季降水增加速率分別為1.6 mm/10 a和3.4 mm/10 a。與春、夏兩季相比，秋、冬兩季降水的Cubic函數(shù)擬合線沒(méi)有明顯的“谷”或“峰”，均呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明新疆地區(qū)秋、冬兩季降水均呈增加趨勢(shì)，降水增加速率分別為1.8 mm/10 a和2.1 mm/10 a。根據(jù)降水四季的變化特征可以得出從21世紀(jì)初至2015年春季降水的減少是新疆地區(qū)當(dāng)前氣候變干的主要原因。

1961-2015 年新疆降水量的季節(jié)空間格局也存在分布不均。無(wú)論哪個(gè)季節(jié)，其降水均有區(qū)域差異，降水主要集中在天山以北的區(qū)域，且呈自西向東減少的趨勢(shì)，南疆地區(qū)降水較少。春季降水主要集中在天山以北的中部地區(qū)，天山以南和阿爾泰地區(qū)，東疆地區(qū)較少；從春季到夏季，降水逐漸變多且降水區(qū)域逐漸擴(kuò)展，阿爾泰地區(qū)和東疆地區(qū)乃至整個(gè)北疆進(jìn)入雨季；從夏季到秋季其降水區(qū)域逐漸萎縮至新疆的西北區(qū)域，到冬季新疆的全域內(nèi)降水更少，主要集中天山西部的伊犁河谷地區(qū)。新疆降水的整體格局是主要集中在天山以北，夏季是新疆降水最豐富，面積最廣的季節(jié)。

圖3 新疆降水量的季節(jié)變化趨勢(shì)

3.4 降水和氣溫變化趨勢(shì)空間分布

近55年來(lái)新疆地區(qū)降水和氣溫變化趨勢(shì)在空間上不同步，存在明顯差異。氣溫在新疆全域內(nèi)呈增加趨勢(shì)，但增加的幅度存在差異，其中北疆和東疆增溫要比南疆要明顯，吐魯番盆地是增溫最劇烈的地區(qū)，南疆的西部是增溫最緩慢的區(qū)域。降水變化在空間上差異明顯，降水明顯變多的主要集中在天山山區(qū)，準(zhǔn)格爾盆地和塔里木盆地、吐魯番盆地降水呈減少趨勢(shì)，尤其是南疆，越往東南，降水減少的趨勢(shì)越顯著。整體上，在新疆域內(nèi)天山和阿爾泰山山區(qū)呈暖濕化趨勢(shì)，準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地，吐魯番盆地呈暖干化趨勢(shì)。

4 小結(jié)

對(duì)新疆102個(gè)氣象站所監(jiān)測(cè)的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)、擬合和空間分析等方法得到新疆域內(nèi)近55年的氣候變化變特征，具體結(jié)論如下：

（ⅰ）新疆地區(qū)在上世紀(jì)70年代初發(fā)生了降溫-升溫轉(zhuǎn)型，從1970-2019年氣溫處于波動(dòng)上升期，當(dāng)前新疆地區(qū)增溫放慢，處于高位震蕩期。整個(gè)區(qū)域平均增溫速率為0.3℃/10 a。從上世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初的后期降水處于波動(dòng)上升期，此后新疆地區(qū)降水處于微弱減小期。整個(gè)新疆區(qū)域降水增加率為9 mm/10 a。自上世紀(jì)70年代至21世紀(jì)第一個(gè)10年間，新疆地區(qū)氣候處于一個(gè)暖濕化的過(guò)程，目前新疆地區(qū)氣溫和降水均處于一個(gè)高度震蕩期，可能處于“暖濕”向“暖干”的轉(zhuǎn)型期，呈“暖干”的變化趨勢(shì)。

（ⅱ）新疆地區(qū)在上世紀(jì)70年代末春季、夏季和秋季氣溫發(fā)生了降溫-升溫轉(zhuǎn)型，從1970年開(kāi)始?xì)鉁爻什▌?dòng)上升，整個(gè)新疆區(qū)域春季、夏季和秋季增溫速率分別為 0.29℃/10 a、0.23℃/10 a和0.35℃/10 a；在21世紀(jì)初發(fā)生了升溫-降溫的轉(zhuǎn)型。整個(gè)新疆區(qū)域冬季增溫速率為0.35℃/10 a，新疆地區(qū)當(dāng)前氣溫增溫放緩主要是冬季氣溫出現(xiàn)下降所致。

（ⅲ）新疆地區(qū)在上世紀(jì)70年代初春季和夏季降水發(fā)生了“減少-增多”的轉(zhuǎn)型，21世紀(jì)初春、夏降水發(fā)生了“增多-減少”的轉(zhuǎn)型。整個(gè)新疆區(qū)域春季、夏季降水增加速率分別為1.6 mm/10 a和3.4 mm/10 a；秋、冬兩季降水均呈增多趨勢(shì)，降水增加速率分別為1.8 mm/10 a和2.1 mm/10 a，21世紀(jì)初至2015年春季降水的減少是新疆地區(qū)當(dāng)前氣候變干的主要原因。

（ⅳ）新疆季節(jié)降水量在空間上分布不均，降水存在區(qū)域差異，降水主要集中在天山以北的區(qū)域，且呈自西向東減少趨勢(shì)，南疆地區(qū)降水較少；春季降水主要集中在天山以北的中部地區(qū)，天山以南和阿爾泰地區(qū)，東疆地區(qū)較少；從春季到夏季，降水逐漸變多且降水區(qū)域逐漸擴(kuò)展，阿爾泰地區(qū)和東疆地區(qū)乃至整個(gè)北疆進(jìn)入雨季；從夏季到秋季其降水區(qū)域逐漸萎縮至新疆的西北區(qū)域，到冬季新疆的全域內(nèi)降水少，主要集中天山西部的伊犁河谷地區(qū)。新疆地區(qū)降水主要集中在天山以北，夏季是新疆地區(qū)降水最豐富，面積最廣的季節(jié)。

（ⅴ）新疆地區(qū)降水和氣溫變化趨勢(shì)在空間上不同步，存在明顯差異。氣溫在新疆全域內(nèi)呈增加趨勢(shì)，但增加的幅度存在差異，其中北疆和東疆增溫要比南疆要明顯，吐魯番盆地是增溫最劇烈的地區(qū)，南疆的西部是增溫最緩慢的區(qū)域；降水明顯變多的主要集中在天山山區(qū)，準(zhǔn)格爾盆地和塔里木盆地、吐魯番盆地降水呈減少趨勢(shì)；南疆越往東南，降水減少的趨勢(shì)越顯著。整體上天山和阿爾泰山山區(qū)呈暖-濕化趨勢(shì)，準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地，吐魯番盆地呈暖-干化趨勢(shì)。