新疆地區(qū)對流層中下層及地面溫濕變化特征

張 元, 鞏遠發(fā), 蔣賢玲

(成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,四川成都610225)

1 引言

當(dāng)前全球日益變暖已成為不爭的事實[1],而全球變暖驅(qū)動復(fù)雜的水文變化,可能導(dǎo)致西北大部分地區(qū)氣候環(huán)境發(fā)生變化,出現(xiàn)降水與徑流增加[2-5],水文與生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著的改變[6-7],大風(fēng)與沙塵暴日數(shù)減少,極端天氣氣候事件增多等現(xiàn)象[8];同時,氣溫的升高也可以使地表及水汽蒸散蒸發(fā)加強,從而加強了干旱趨勢的發(fā)展。施雅風(fēng)等[6,9]研究推斷20世紀(jì)70年代以來中國西北氣候有由暖干轉(zhuǎn)向暖濕的特征,其中新疆北部1987～2000年比1961～1986年氣溫偏高1.7℃,20世紀(jì)80年代和90年代,隨著全球中高緯度大部分降水量增加,以1987～2000年平均降水量與1961～1986年相比,新疆北部增加了22%,新疆南部增加了33%。胡汝驥等[10-11]研究表明20世紀(jì)80年代中期以來,新疆出現(xiàn)了氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變的記錄。由于新疆地處亞歐大陸腹地,四周距海遙遠,水汽輸送距離較長,空氣干燥,云量較少,是著名的干旱與半干旱地區(qū),在這樣的氣候背景下研究新疆地區(qū)溫濕特征對中國西北及當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟等方面都有著重大的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。

近年也有許多學(xué)者對新疆的氣候變化進行研究[12-15],取得了較多的成果,但這些研究和討論大多數(shù)基于對地面溫度和降水量的分析,而地面要素只是反應(yīng)了一部分氣候狀況,觀測受人類活動造成的城市化等影響大,人們希望得到的氣候變化趨勢能夠從高空資料得到進一步證實,因此研究新疆高空溫度和濕度變化也是非常必要的。張廣興等[16-18]利用探空資料對新疆地區(qū)高空大氣溫度變化進行研究,得到了新疆高空溫度變化的一些總體特征。史玉光分析了新疆大氣可降水量的氣候特征。這些研究大多針對于高空溫度,對高空濕度變化特征的研究很少,大氣中水汽的含量不僅與大氣環(huán)流有著密切的內(nèi)在聯(lián)系,而且是水分和能量循環(huán)過程的重要因素,因此分析新疆高空濕度與當(dāng)?shù)亟邓透珊笛芯恳裁芮邢嚓P(guān)。大氣高層水汽含量很少,90%的水汽都在500hPa以下,而中層受到觀測環(huán)境的影響較小,能夠較好的反映區(qū)域氣候特征,嘗試對新疆區(qū)域氣候的研究,同時考慮地面、中低層大氣狀況,揭示氣候變化的某些事實,進而加深對新疆區(qū)域氣候變化的深度和廣度的了解,使對該區(qū)域的氣候變化有個較為完整的認(rèn)識。

基于上述分析,以新疆地區(qū)19692009年41年探空資料和降水資料為基礎(chǔ),對地面、850hPa、500 hPa溫濕的變化趨勢進行分區(qū)討論,作為對新疆氣候變化研究的補充,力求為保護和恢復(fù)當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)系統(tǒng)、促進區(qū)域社會經(jīng)濟以及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供有利參考和客觀依據(jù)。

2 資料與方法

表1 各區(qū)域代表站

2.1 資料

高空資料選用國家氣象信息中心經(jīng)過質(zhì)量控制的新疆區(qū)域14個臺站的標(biāo)準(zhǔn)等壓面的探空觀測資料,數(shù)據(jù)集中,大部分臺站資料的時間跨度是從建站到2009年12月,時間分辨率為1日2次(0000UTC和1200UTC);垂直方向上是從地面到10hPa,共有17層。根據(jù)新疆的氣候特征,將其分為南疆和北疆2個區(qū)域,然后在每個區(qū)域挑選出時間連續(xù)性最好的幾個測站(表1)資料的平均值作為該地區(qū)的高空資料。濕度參量比較多,比濕能夠較直接的反映大氣水汽的含量,選用比濕資料研究大氣濕度的特征。探空資料包括1969～2009年地面、850hPa、500hPa的溫度和比濕資料。

降水資料選用的是常用的國家氣候中心提供全國160站中的新疆地區(qū)相同7個氣象站點同期逐月降水資料,先計算各站點的年降水量,再用每個區(qū)域各個站點的平均值作為該區(qū)域的年降水資料(表2)。

2.2 方法

主要采用一元線性回歸[20-21]對新疆地區(qū)的地面、850hPa和500hPa溫度、比濕和降水的變化趨勢進行分析,變化趨勢采用線性趨勢法,即把氣候要素表示為時間t的線性函數(shù)y=a+bt,其中b為斜率,也就是氣候要素的線性趨勢,b為正(負)表示增加(減小)趨勢。并用滑動 t進行氣候突變檢驗[22],顯著性水平取0.01。滑動t檢驗是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變,是把一氣候序列中兩段子序列均值有無顯著性差異做為兩個總體均值有無顯著性差異的問題來檢驗。如果兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著性水平,可以認(rèn)為均值發(fā)生質(zhì)變,有突變發(fā)生。為此,對所分不同區(qū)域各個高度層的數(shù)據(jù)進行了突變檢驗。

3 高空溫度和濕度變化

3.1 北疆地區(qū)高空溫濕變化

北疆地區(qū)850hPa上3個測站1969～2009年平均比濕距平和平均溫度距平的時間變化序列如圖1所示。從圖1(a)知,1986年以前,北疆地區(qū)850hPa比濕幾乎全為負距平;1987～2005年幾乎全為正距平,其中有3年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平,且2002年比濕距平超過了3倍標(biāo)準(zhǔn)差;2006年以后又全為負距平,且2008年和2009年為超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平。從長期變化趨勢可以看到比濕有微弱增加,但自1989～2009年21年變化趨勢線明顯下降,每10年比濕平均減少0.21g/kg。

圖1 北疆地區(qū)850hPa 3個測站1969～2009年平均比濕距平和平均溫度距平

從圖1(b)知,1989年以前,北疆地區(qū)850hPa氣溫大多都是負距平,其中有6年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平;在1990年以后,氣溫明顯上升,其中有5年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平。從氣溫長期變化趨勢可以看到,1969～2009年41年,北疆地區(qū)平均每10年氣溫升高0.367℃,并通過了信度0.01顯著性檢驗(表3)。

圖2 北疆地區(qū)500hPa 3個測站1969～2009年平均比濕距平和平均溫度距平

北疆地區(qū)500hPa上3個測站1969～2009年平均比濕和平均溫度距平的時間變化序列如圖2所示。從圖2(a)知,1988年以前,北疆地區(qū)500hPa比濕距平異常很小,且大多為負距平;1989～2005年全為正距平,其中有3年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平;2006年以后又全為負距平,并且有3年超過了2倍標(biāo)準(zhǔn)差。與850hPa比濕不同的是 500hPa比濕的長期變化趨勢呈微弱的減少趨勢;1989～2009年,平均每10年比濕減少達0.106g/kg,并通過了信度0.01顯著性檢驗(表4)。

從圖2(b)知,1989年以前,北疆地區(qū)500hPa氣溫幾乎都是負距平,且有5年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平,氣溫相對較低,其中1984年溫度距平超過了2倍標(biāo)準(zhǔn)差;在1989年以后,氣溫明顯上升,其中有5年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的正距平,且1998年是超過了2倍標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平。從氣溫長期變化趨勢可以看到,在1969～2009年41年,北疆地區(qū)500hPa氣溫平均每10年升高0.258℃,且通過信度0.01的顯著性檢驗(表3)。

3.2 南疆地區(qū)高空溫濕變化

南疆地區(qū)850hPa上4個測站1969至2009年平均比濕距平和平均溫度距平的時間變化序列如圖3所示。從圖3(a)知,1986年以前,南疆地區(qū)比濕大部分為負距平,1988年為超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平;1987～2004年幾乎為正距平,其中有6年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平,且2002年比濕距平超過了2倍標(biāo)準(zhǔn)差;2005年以后又全為負距平。從1969～2009年41年長期變化趨勢可以看到比濕呈增加趨勢,但自1989～2009年,比濕呈明顯減少趨勢,平均每10年比濕減少達0.296g/kg,通過信度0.05顯著性檢驗(表4)。

圖3 南疆地區(qū)850hPa 4個測站1969～2009年平均比濕距平和平均溫度距平

從圖3(b)知,1996年之前南疆地區(qū)850hPa氣溫大部分是負距平,有5年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平,其中1974年超過了3倍標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平;此后,氣溫明顯上升,有4年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平。在1969～2009年41年,南疆地區(qū)850hPa氣溫平均每10年升高 0.302℃,自1989～2009年,平均每10年氣溫升高0.605℃,均通過了信度0.01顯著性檢驗(表3、4)。

南疆地區(qū)500hPa上4個測站平均的1969～2009年平均比濕距平和平均溫度距平的時間變化序列如圖4所示。從圖4(a)知,500hPa比濕總體變化特征與850hPa一致,1986年以前,南疆地區(qū)比濕大部分為負距平,有2年超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平;1987～2004年比濕異常變化幾乎為正距平,有4年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平,其中2002年比濕距平超過了3倍標(biāo)準(zhǔn)差;2005年以后又全為負距平。在1969～2009年41年,南疆地區(qū)500hPa比濕呈微弱的增加趨勢;但自1989～2009年,平均每10年減小達0.07g/kg,與850hPa比濕減小速率相比較小(表4)。

圖4 南疆地區(qū)500hPa 4個測站1969～2009年平均比濕距平和平均溫度距平

從圖4(b)知,1989年以前,南疆地區(qū)500hPa氣溫大部分是負距平,其中有6年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平,氣溫相對較低,其中1974年溫度距平超過3倍標(biāo)準(zhǔn)差;在1990年以后,氣溫明顯上升,有4年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平,且1998年為超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平。從氣溫長期變化趨勢可以看到,在1969～2009年41年,南疆地區(qū)500hPa氣溫平均每10年升高0.152℃(表3),和850hPa大氣增溫速率相比,年平均氣溫增暖速率相對較弱。

綜合新疆高空的溫濕變化特征,1969～2009年41年變化趨勢如表3所示,除了北疆500hPa比濕有微弱的減少外,南疆和北疆高空溫濕均呈增加趨勢,其中比濕多是在1980年中后期由負距平變?yōu)檎嗥?說明新疆地區(qū)對流層中低層大氣比濕在1980年中后期增加,但高空比濕的變化趨勢都沒有通過顯著性檢驗;1989～2009年21年的變化趨勢(表4)看,高空溫度仍然是增加趨勢,但高空比濕則是減小的趨勢,其中北疆的500hPa比濕通過0.01的顯著性水平,南疆高空比濕均通過了0.05顯著性檢驗,最為突出的特征是2005年后新疆高空比濕有降低的趨勢。

4 地面溫濕及降水變化

4.1 北疆地面溫濕變化

與高空比濕相比,北疆地面比濕41年長期變化趨勢呈明顯的上升趨勢(圖5a),1986年以前,比濕幾乎為負距平,其中有5年時超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平;1987年后大多為正距平。地面溫度變化趨勢與高空相似,也有較明顯的上升線性變化趨勢(圖5b),可以看到1996年前,北疆地面溫度大多為負距平,有5年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負距平,1996年之后,溫度明顯上升,溫度異常變化幾乎為正距平,且其中有7年是超過一個標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平。41年間,北疆地面平均每10年溫度增加0.454℃,并通過信度0.01顯著性檢驗(表3),增溫較850hPa和500hPa最顯著。

圖5 北疆地區(qū)地面3個測站1969～2009年平均比濕距平和平均溫度距平

4.2 南疆地面溫濕變化

從圖6(a)知,南疆地面比濕與高空比濕的變化特征有區(qū)別,在1987年由負距平轉(zhuǎn)為正距平,1969～2009年41年長期變化趨勢來看,表現(xiàn)出明顯的增加趨勢,平均每10年增加0.188g/kg(表3)。南疆地面溫度仍然是呈顯著的增加趨勢(圖6b),41年平均每10年溫度增加0.292℃(表3),1989～2009年21年增溫趨勢更明顯,南疆地區(qū)地面溫度以0.612℃/10a的速率上升(表4),均通過0.01顯著性檢驗。南疆地面溫度最主要特征也是在1990年中后期由負距平轉(zhuǎn)為正距平,與高空溫度相比,地面增溫最顯著,且增溫速率隨高度增高而減小。

圖6 南疆地區(qū)地面4個測站1969～2009年平均比濕距平和平均溫度距平

圖7 北疆3個測站和南疆4個測站1969～2009年總降水量距平

4.3 降水變化

通過對新疆41年降水量變化趨勢的分析,希望能夠?qū)陙硇陆蓾褡兓癄顩r有較全面的認(rèn)識。圖7是北疆和南疆地區(qū)地面代表測站平均的1969至2009年總降水量距平的時間變化序列。從降水量的長期變化趨勢也可以看到兩個區(qū)域年總降水量呈不同程度的增加趨勢,1969～2009年41年,均表現(xiàn)在20世紀(jì)80年代中后期有一個由少轉(zhuǎn)多的過程,北疆地區(qū)平均每10年降水量增加21.1mm,并通過信度0.01顯著性檢驗(表3),年總降水增加量大于南疆;南疆地區(qū)在2005年后降水出現(xiàn)連續(xù)的負距平(圖7b),這與高空比濕的2005年后的變化特征相似。

表3 為1969～2009年41年溫濕和降水變化趨勢參數(shù)表

經(jīng)過分析可知,兩個區(qū)域的溫度從地面到500hPa都呈顯著上升趨勢,地面升溫最顯著,增溫速率隨高度增加而減小;但地面比濕與高空比濕的變化特征有差別,地面比濕在41年長期變化趨勢為明顯的上升趨勢,而高空比濕在1980年中后期顯著增加,在2005年后又明顯減小,南疆地區(qū)降水與高空比濕變化特征一致,最明顯的特征也是在2005年后降水由正距平轉(zhuǎn)為負距平。2005年后新疆地區(qū)高空為由暖濕轉(zhuǎn)為暖干的變化趨勢,而地面為持續(xù)的暖濕的特征,大氣嚴(yán)格受動力和熱力定律的約束,通過大氣環(huán)流調(diào)整,地面和高空氣候狀況相互影響,因此,新疆地區(qū)高空大氣由暖濕轉(zhuǎn)為暖干的特征可能會影響地面濕度及降水的變化。

表4 為1989～2009年21年溫濕和降水變化趨勢參數(shù)表

5 氣候突變檢驗

為進一步分析新疆地區(qū)高空溫濕和地面氣候的變化特征,用滑動 t檢驗法分別對兩個地區(qū)高空和地面溫濕以及降水距平的時間序列進行突變分析,突變通常用來描述相鄰2個氣候階段平均值之間存在顯著差異。滑動t檢驗是將原序列劃分為2個相鄰時段 n1和 n2(n1+n2=n(總樣本數(shù))),n1依次取5、7、10、12、15,對應(yīng) n2為n-n1,計算統(tǒng)計量t值,顯著性水平取0.01,在對應(yīng) t中取最大值,如果 t通過顯著檢驗,說明序列存在突變,則該年份為突變年。降水突變點不顯著,在此不予討論(圖略)。

圖8 北疆地面、850hPa和500hPa比濕滑動t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線

圖8(a)為北疆地區(qū)地面、850hPa和500hPa高度層比濕距平滑動t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線。取n1=n2=12(n1取其他長度時也有相同的突變點,n1=12時最顯著)北疆地面和850hPa比濕的最小值均出現(xiàn)在1986年,500hPa比濕最小值出現(xiàn)在1989年,并且統(tǒng)計量 t值均通過0.01信度檢驗;圖8(b)為取n1=n2=5時北疆500hPa上比濕距平滑動 t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線,可以看到比濕最大值出現(xiàn)在2004年。由此可見,北疆比濕存在突變,地面和850hPa比濕分別在1986年發(fā)生突變,之后顯著上升;500hPa比濕在1989年前后12年可能存在明顯突變,之后顯著升高,而在2005年前后4年可能存在明顯突變,且之后顯著下降。

圖9為北疆地區(qū)地面、850hPa和500hPa溫度距平的滑動 t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線。取 n1=n2=12,從圖中可以看到北疆850hPa和地面溫度均在1996年出現(xiàn)最小值,500hPa溫度在1985年出現(xiàn)最小值,且統(tǒng)計量t值均通過0.01信度檢驗。由此可見,北疆850hPa和地面溫度在1996年,500hPa在1985年發(fā)生突變,并且之后顯著變暖。

圖9 北疆地面、850hPa和500hPa溫度距平的滑動t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線

圖10 南疆850hPa和500hPa比濕滑動t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線

圖10(a)為南疆地面、850hPa和500hPa比濕滑動 t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線。取 n1=n2=12時,突變最為顯著,地面、850hPa和500hPa突變點均為1985年;圖10(b)為取 n1=n2=5,850hPa和500hPa兩層比濕均在2004年發(fā)生突變。由此可見,南疆地區(qū)850hPa和500hPa比濕均在1985年前后12年可能存在明顯突變,之后顯著升高,而在2004年前后5年可能存在明顯突變,且之后顯著下降;南疆地面比濕在n1取不同長度時均在1985年發(fā)生突變,之后顯著變濕,均通過0.01信度檢驗(圖略)。

圖11為南疆地區(qū)地面、850hPa和500hPa溫度距平的滑動 t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線。取 n1=n2=12,北疆850hPa和地面溫度均在1996年出現(xiàn)最小值,500hPa溫度在1989年出現(xiàn)最小值,且統(tǒng)計量t值均通過0.01信度檢驗。因此,分析得出南疆850hPa和地面溫度在1996年發(fā)生突變,500hPa在1986年發(fā)生突變,并且之后顯著變暖。

6 結(jié)論與討論

(1)從長期變化趨勢看,高空比濕除了北疆500hPa有微弱的減少外,其余呈微弱的增加趨勢,其中多是在1980年中后期由負距平變?yōu)檎嗥?說明新疆地區(qū)對流層中低層大氣1980年中后期由干轉(zhuǎn)為濕,最為突出的特征是2005年后又有變干的趨勢;兩個區(qū)域高空溫度均為明顯增加趨勢,北疆41年來增溫速率要高于南疆。

(2)地面比濕與高空比濕變化特征不同,41年長期變化呈明顯的增加趨勢;自1980年中后期北疆降水有持續(xù)增加的趨勢;南疆降水在2005年后為連續(xù)負距平,這與高空比濕變化特征一致;新疆地面溫度在1990年中后期明顯增加,與高空相比,地面增溫最為顯著,且增溫速率隨高度增加而減小,從長期變化趨勢看,北疆地面增溫速率仍然大于南疆。

(3)在全球變暖的氣候背景下,導(dǎo)致全球水循環(huán)過程加劇以及海洋水汽蒸發(fā)量增大,使大氣環(huán)流所攜帶的水汽含量以及降水增加是新疆地區(qū)1980年中期轉(zhuǎn)為暖濕的主要因素;2005年又轉(zhuǎn)干的趨勢可能是由于環(huán)流和風(fēng)場的改變使輸送到新疆的水汽減少,根本原因還有待在以后的工作中做進一步研究。

(4)經(jīng)滑動t檢驗的方法進行突變檢驗,置信度均取99%。其中北疆地區(qū)地面和850hPa比濕均在1986年發(fā)生由降轉(zhuǎn)升的顯著突變,500hPa在1989年前后12年存在同樣的突變,之后在2004年前后5年有由升轉(zhuǎn)降的顯著性突變;南疆地區(qū)850hPa、500hPa比濕均在1985年前后12年存在由降轉(zhuǎn)升的突變,之后均在2005年前后4年存在由升轉(zhuǎn)降的突變,地面比濕在1986年發(fā)生由干轉(zhuǎn)濕的顯著突變;北疆和南疆500hPa溫度分別在1985年、1986年發(fā)生由降轉(zhuǎn)升的顯著突變,之后顯著變暖,兩個區(qū)域850hPa和地面溫度均在1996年發(fā)生相同突變。新疆的水汽減弱,其具體原因還有待下一步工作研究。

圖11 南疆地面、850hPa和500hPa溫度滑動t檢驗統(tǒng)計量t值的變化曲線

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