烏魯木齊地區(qū)氣候要素若干特征及變化趨勢研究

馬麗媛 馬韞娟 馬淑紅

1.新疆氣象服務(wù)中心，烏魯木齊 830002；

2.清華大學(xué)，北京 100084

全球氣候變化是當(dāng)今國際社會共同關(guān)心的熱點。氣候變化問題以及應(yīng)對氣候變化所需采取的措施,,已成為當(dāng)今人類社會亟待解決的重大問題。我國西北干旱區(qū)地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地,是全球氣候變化下的敏感地區(qū)。在過去半個多世紀(jì)里,西北干旱區(qū)氣溫上升速率高達0.39℃/10 a,為中國升溫平均速率的1.39倍[1],全球氣溫上升速率(0.14℃/10 a)的2.78倍。在西部干旱區(qū)水資源是制約社會經(jīng)濟發(fā)展、影響生態(tài)安全的關(guān)鍵要素，對未來經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起著直觀主要作用[2]。氣候變化對新疆特別是烏魯木齊地區(qū)的水資源影響很大,給水資源安全保障帶來巨大挑戰(zhàn)。政府部門和水利部門已經(jīng)充分認(rèn)識到氣候變化的影響，并采取應(yīng)對措施適應(yīng)氣候變化。分析研究烏魯木齊地區(qū)氣候特征和變化趨勢，建立無資料地區(qū)氣候要素預(yù)測模式，以便了解和掌握烏魯木齊地區(qū)氣候要素若干特征及變化趨勢，趨其利而避其害。

1 資料與方法

利用烏魯木齊地區(qū)10個水文氣象站50多年（1961～2012年）平均氣溫、降水量、相對濕度資料,采用多項式模式、氣候傾向率、累積距平、低通濾波等對烏魯木齊地區(qū)主要氣候要素的若干特征及趨勢進行系統(tǒng)分析研究,為烏魯木齊地區(qū)中山帶水利工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2 自然地理概述

2.1 地理位置

烏魯木齊地區(qū)位于東經(jīng)86°47′至88°58′，北緯 43°01′至44°10′，地處天山北麓，東與吐魯番縣接壤，南隔天山與托克遜、和靜二縣相連，西、北與昌吉、米泉等地毗鄰。東西最長大約160公里，南北最寬大約100公里，總面積近12000平方公里。

2.2 地形地勢

烏魯木齊地區(qū)三面環(huán)山，東北臨東天山主峰博格達峰，南依天山支脈喀拉烏成山，西部是準(zhǔn)噶爾盆地，地勢南高北低。根據(jù)地形地貌大致可為三個區(qū)。

北部平原區(qū)：北起與昌吉、米泉兩縣交界處，南至西山農(nóng)場和青年峰。該區(qū)地勢比較低，海拔高度為500m～1000m。

南部山區(qū)中山帶：北起永豐渠，沿烏魯木齊河向南至小渠子。海拔高度1500m～2500m之間。

南部山區(qū)高山帶：小渠子以南，包括天山云霧站，海拔高度3000m～4000m，4000m以上為終年不化的冰川。

3 氣候要素分析結(jié)果

氣候要素是用來說明大氣狀態(tài)的基本物理量，也被稱作氣象要素。如氣溫、濕度、降水等。氣溫：表示大氣冷熱程度的量。氣象部門所說的氣溫，就是距地面約1.5m處百葉箱中的溫度，以攝氏溫標(biāo)（℃）表示。相對濕度指空氣的水汽壓 與同一溫度下的飽和水汽壓之比，以百分?jǐn)?shù)表示; 降水量:從空中降下的雨、雪、冰雹等，氣象部門統(tǒng)稱為“降水現(xiàn)象”。把一個地方多年的年降水量平均起來，就稱為這個地方的“平均年雨量”。

3.1 氣候概述

烏魯木齊地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，其特點是：寒暑變化劇烈，降水量山區(qū)多于平原。春季升溫快而不穩(wěn)，多大風(fēng)；夏季熱而不悶，降水量集中，多陣性風(fēng)雨天氣；秋季晴朗云淡，降溫迅速；冬季寒冷漫長，多陰霧天氣。

3.1.1 無資料地區(qū)氣候要素預(yù)測模式及氣溫分布特征

根據(jù)文獻[3]研究結(jié)果，認(rèn)為直接插值法的精度較回歸方法要低，要確定氣象要素的垂直分布于水平分布特征，應(yīng)該建立定量的模式。馬淑紅曾采用三維地帶的概念，以三維的坐標(biāo)表示氣候要素空間分布，預(yù)測模式[4]為：

模式中β為不同區(qū)域各氣候要素，φ為緯度變化因素影響，λ為經(jīng)度變化因素影響，H為高度變化因素影響，并且考慮不同區(qū)域地形影響δ和氣候傾向率b的影響。該方法是宏觀分布函數(shù)與地形訂正相結(jié)合原理，并將該原理應(yīng)用于我國高速鐵路沿線最大風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)空間分布研究中[5]，在京津城際、鄭西、京滬高速鐵路、東南沿海等高速鐵強風(fēng)對策研究中廣泛應(yīng)用，具有空間可比性和可操作性。

應(yīng)用模式（1）分析烏魯木齊地區(qū)無資料地區(qū)年平均氣溫分布，利用SSTT統(tǒng)計軟件，通過逐步回歸剔除緯度、經(jīng)度因素后，比較真實反映出海拔高度對氣候要素的影響，特點是：隨海拔高度增高遵循多項式分布，如圖1所示。無資料地區(qū)年平均氣溫預(yù)測模式如下：

模式（2）中TN為無資料地區(qū)年平均氣溫預(yù)測值（℃），H為海拔高度（千米）。對模式（2）進行精度檢驗，相對誤差在0～5%左右。證明模式（2）精度較高，通過顯著性檢驗,適合工程應(yīng)用。

圖1 烏魯木齊無資料地區(qū)年平均氣溫與海拔高度關(guān)系圖

進一步分析圖1顯示:烏魯木齊地區(qū)海拔高度500m～1000m，年平均氣溫在7.0℃～9.5℃；南部山區(qū)中山帶海拔高度2000m～2500m,年平均氣溫在0.8℃（2）3.2℃。南部山區(qū)中山帶小渠子50多年的年平均氣溫為2.0℃～2.5℃, 南部山區(qū)高山區(qū)年平均氣溫為-5.0℃～10.0℃以下。

近50多年來，烏魯木齊地區(qū)氣溫的年變化，全年氣溫以1月最冷，7月最熱，春秋兩季氣溫變化劇烈。

夏季（7月），烏魯木齊北部平原較炎熱，7月平均氣溫為24.0℃～27.0℃；南部山區(qū)中山帶小渠子為13.0℃。

冬季（1月），烏魯木齊地區(qū)從北向南至山區(qū)中山帶，存在著一個逆溫帶（氣溫隨海拔高度增加而增高的現(xiàn)象）。因而，冬季（1月）平均氣溫地區(qū)分布特點是：北部平原地區(qū)最冷，冬季（1月）平均氣溫為-13.0℃～15.0℃；南部山區(qū)中山帶小渠子一帶是冬季氣溫比較高的“暖帶”，這一“暖帶”于12月上旬形成，翌年2月下旬終止，以1月上、中旬“暖帶”最為顯著，小渠子1月平均氣溫為-10.0℃左右。在2700m以上，氣溫又隨高度增加而降低，至高山帶又是全區(qū)最冷地帶，天山站1月平均氣溫為-15.5℃。

春季（4月），烏魯木齊地區(qū)氣溫回升迅速，各月升溫，平原山區(qū)為8℃（2）10℃，南部山區(qū)5.0℃左右。4月平均氣溫北部平原地區(qū)在10.6～12℃，南部山區(qū)海拔高度2000m～2200m中山帶為3.0℃左右，南部山區(qū)海拔高度3500m高山區(qū)為-5.0℃左右。

3.1.2 降水量分布特征

近50多年來，烏魯木齊地區(qū)年降水量分布不均，地區(qū)差異很大，變化于140mm（2）560mm之間，烏魯木齊地區(qū)近50多年（1961（2）2012年）年平均降水量隨海拔高度增加遵循拋物線分布，如圖2所示。烏魯木齊地區(qū)年平均降水量預(yù)測模式如下：

模式（2）中RN為年平均降水量預(yù)測值（℃），H為海拔高度（千米）。對模式(2)進行精度檢驗，相對誤差在0～7%左右。證明模式（2）精度較高，通過顯著性檢驗，適合工程應(yīng)用。

其分布特點是：山區(qū)多于平原，迎風(fēng)坡多于背風(fēng)坡，西部多于東部。其中北部平原地區(qū)近50多年的平均降水量在,140.0mm～261.2mm之間。南部山區(qū)中山帶小渠子為549.4mm～560.0mm之間。南部山區(qū)高山帶年平均降水量為450.0mm～500.0mm。

圖2 烏魯木齊地區(qū)年平均降水量隨海拔高度遵循拋物線分布

平均降水量季節(jié)變化,北部平原地區(qū)，降水量集中在春夏二季，各占全年降水量30%；南部山區(qū)中山帶小渠子以夏季降水最多，占全年50%以上。全區(qū)各地均以冬季降水最少，不足全年10%示。

3.1.3 相對濕度分布特征

近50多年來，烏魯木齊地區(qū)年相對濕度分布比較均勻，差異不大，其中北部平原地區(qū)和南部山區(qū)中山帶，近50年的年平均相對濕度在57%～61%之間，山區(qū)略大于平原。

烏魯木齊地區(qū)相對濕度的年變化，平原地區(qū)以冬季比較濕潤，平均相對濕度在70%以上，夏季比較干燥，相對濕度在40%以下，各月相對濕度呈U分布;南部山區(qū)中山帶四季相對濕度比較均勻為60%；南部山區(qū)高山帶天山站一年中以夏季（7月）平均相對濕度最大，達到70%，冬季最小46%。

3.2 近50多年來烏魯木齊地區(qū)氣候要素變化趨勢

3.2.1 年、四季平均氣溫變化特征

烏魯木齊地區(qū)年平均氣溫從7.0℃～-7.0℃相差14.0℃，這種差異只有在高山，山區(qū)區(qū)域才可出現(xiàn)。氣溫隨海拔高度增加而遞減，多年氣溫變化比較小，氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差值也小，說明山區(qū)氣溫變化比平原地區(qū)平緩。

烏魯木齊地區(qū)的年、四季代表月平均氣溫在20世紀(jì)60、70年代前氣溫偏低，80年代后呈上升趨勢，特別是21世紀(jì)初增溫顯著。

烏魯木齊年平均氣溫隨年代變化總體上呈上升趨勢，特別是20世紀(jì)80年代后北部平原地區(qū)升溫特別顯著，最大增溫幅度1.0左右，而南部山區(qū)中山帶小渠子升溫比較緩慢。烏魯木齊地區(qū)四季除北部平原夏季溫度變化率為-0.4℃/10a外，均呈現(xiàn)增溫度趨勢，溫度變化率大多為0.2℃/10a～0.6℃/10a之間，特別是北部平原地區(qū)冬季增溫顯著，如圖3所示。

3.2.2 年、四季降水量變化趨勢

近50多年來，烏魯木齊地區(qū)年降水隨年代變化趨勢呈現(xiàn)增加趨勢, 北部平原地區(qū)變年變化率(氣候傾向率)為30.5mm/10a，南部山區(qū)中山帶為19.2mm/10a。四季降水量呈現(xiàn)增加趨勢，變化率(氣候傾向率)為0.2至7.3mm/10a之間，特別是90年代初以來降水量增幅十分迅速。烏魯木齊地區(qū)出現(xiàn)顯著轉(zhuǎn)型趨勢，夏季降水量增幅對全年降水量增加貢獻較大。20世紀(jì)80年代降水量開始較大,21世紀(jì)初降水量增幅最大。

3.2.3 年、四季相對濕度變化趨勢

近50多年來，烏魯木齊地區(qū)除平原地區(qū)年相對濕度隨年代變化趨勢呈現(xiàn)遞減趨勢外, 中山帶和高山帶均呈現(xiàn)增加趨勢，年變化率(氣候傾向率)為1%/10a～2%/10a，以冬季（1月）氣候傾向率最大對全年相對濕度增加貢獻最大。20世紀(jì)80年代烏魯木齊地區(qū)中山帶和高山帶相對濕度開始較大，21世紀(jì)初增幅達最大。這與氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特征和趨勢[6-9]相一致。

圖3 烏魯木齊地區(qū)年平均氣溫隨年代變化趨勢圖

4 結(jié)語

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

（1）近50多年來，烏魯木齊地區(qū)年平均氣溫分布的主要特點是：地區(qū)差異較大，并隨海拔高度增高遵循多項式分布。預(yù)測模式分析結(jié)果表明:年平均氣溫北部平原地區(qū)海拔高度500m～1000m地區(qū)，年平均氣溫在7.0℃～9.0℃之間;南部山區(qū)中山帶海拔高度2000m～2500m，年平均氣溫在0.8℃～3.2℃之間。南部山區(qū)高山帶海拔高度3500m在-5.0℃左右。

（2）近50多年來，烏魯木齊地區(qū)年平均降水量分布不均，地區(qū)差異很大，變化于140mm～560mm之間，年平均降水量隨海拔高度增加遵循拋物線分布。其分布特點是：山區(qū)多于平原，迎風(fēng)坡多于背風(fēng)坡，西部多于東部。其中北部平原地區(qū)近50多年的平均降水量在，140.0mm～261.2mm之間。南部山區(qū)中山帶小渠子為549.4～560.0mm之間。南部山區(qū)高山帶年平均降水量為450.0m～500.0mm。

（3）近50多年來，烏魯木齊地區(qū)年相對濕度分布比較均勻，差異不大，其中北部平原地區(qū)和南部山區(qū)中山帶，近50年的年平均相對濕度在57%～61%之間，山區(qū)略大于平原。

（4）近50多年來，烏魯木齊地區(qū)年平均氣溫增溫趨勢最強的是北部平原地區(qū)，貢獻最大是冬季增溫顯著；烏魯木齊年平降水量增加趨勢最強的是北部平原地區(qū)，貢獻最大是夏季降水量增加顯著；烏魯木齊地區(qū)增濕趨勢最強的南部中山帶和高山帶，年變化率(氣候傾向率)為1%/10a～2%/10a，以冬季（1月）氣候傾向率最大對全年相對濕度增加貢獻最大。20世紀(jì)80年代烏魯木齊地區(qū)中山帶和高山帶相對濕度開始較大，21世紀(jì)初增幅達最大。

（5）創(chuàng)新點在于，建立無資料地區(qū)氣候要素預(yù)測模式，發(fā)現(xiàn)烏魯木齊地區(qū)年平均氣溫、年降水量隨海拔高度增高遵循多項式分布。為水資源影響機理提供理論基礎(chǔ)，為當(dāng)?shù)卣贫夂蜃兓尘跋滤Y源合理利用提供決策支持，為烏魯木齊地區(qū)水資源工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

[1]張雪芹，孫楊，毛煒嶧，等.中國干旱區(qū)氣溫變化對全球變暖的區(qū)域響應(yīng)[J].干旱區(qū)地理，2010，27(4)：592-599

[2]陳亞寧，楊青，羅毅，等.西北干旱區(qū)水資源問題研究思考[J],干旱區(qū)地理，2012，35(1)：1-9

[3]彭代亮，鄧睿，黃敬峰.等.基于GIS新疆地區(qū)干濕狀況時空變化分析，2007，23(5)：635-646

[4]馬淑紅，李振山，劉濤，等.新疆公路沿線近50年來濕潤指數(shù)區(qū)域特征及變化趨勢[J].干旱區(qū)地理，32(5)：746-752

[5]馬淑紅，馬韞娟.我國高鐵強風(fēng)災(zāi)害對策研究[J].中國科技信息，2013，04期：7-9

[6]施雅風(fēng)，沈永平，胡汝驥.西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的信號影響和前景初步探討[J].冰川凍土，2002，24(3)：219-226

[7]李棟梁，魏麗，蔡英，等.中國西北現(xiàn)代氣候變化事實與未來趨勢展望[J].冰川凍土，2003，25(2)：128-135

[8]施雅風(fēng)，沈永平，李棟梁，等.中國西北部氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特征和趨勢探討[J].第四紀(jì)研究，2003，23(2)：152-164

[9]胡汝驥，姜逢清，王亞俊.新疆氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變的信號及其影響[J].干旱區(qū)地理，2002，25(3)：194-200