西北極端干旱區(qū)近54年降水量和溫度變化趨勢

畢超，單楠，畢華興?

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，100091，北京)

西北極端干旱區(qū)近54年降水量和溫度變化趨勢

畢超1，單楠2，畢華興1?

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，100091，北京)

利用西北極端干旱區(qū)32個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2013年的月均氣溫和降水資料，采用線性傾向率法、累積距平法和Mann-Kendall法，研究西北極端干旱區(qū)近54年降水量和溫度的變化趨勢。結(jié)果表明：1)54年來，西北極端干旱區(qū)平均氣溫9.3 ℃，30站表現(xiàn)為顯著上升趨勢，上升傾向率達(dá)到0.034 ℃/a(P<0.01)，且冬季和春季增溫幅度大于夏季和秋季，在空間上，西部塔里木盆地為高值區(qū)，東南部為低值區(qū)；2)西北極端干旱區(qū)平均年降水量55.35 mm，29站表現(xiàn)為增加趨勢，其中11站通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，傾向率為0.346 mm/a(P<0.01)，夏季增加幅度最大，春季最小，在空間上，西北部和東部為高值區(qū)、南部為低值區(qū)。研究結(jié)果表明，近54年西北極端干旱區(qū)總體氣候呈現(xiàn)明顯的暖濕化趨勢。

氣候變化； 氣溫； 降水量； 西北極端干旱區(qū)

圖1 極端干旱區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in the extremely arid area

目前，氣候變化是全球環(huán)境變化研究的核心問題，受到各國政府和科學(xué)家的普遍關(guān)注。全球氣候變化不僅影響自然系統(tǒng)和人類生存環(huán)境，也影響世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步[1]。近百年來，以全球變暖為主要特征的氣候變化已成為事實(shí)[2]，變暖趨勢區(qū)域分布上的不確定性對(duì)區(qū)域氣候產(chǎn)生的影響不同；因此，了解區(qū)域氣候特征結(jié)構(gòu)對(duì)理解全球變化趨勢有著重要的理論意義。作為中國最大的增溫區(qū)之一，中國西北干旱地區(qū)對(duì)氣候變化具有更加突出的脆弱性[3]，地氣耦合最強(qiáng)烈[4]，并且全球變暖驅(qū)動(dòng)了復(fù)雜的水循環(huán)變化，改變了區(qū)域水量平衡和水資源分布，進(jìn)而加重了該區(qū)域的干旱化程度和惡劣的自然環(huán)境。施雅風(fēng)等[5]研究表明，我國半干旱和干旱區(qū)氣候由暖干向暖濕化發(fā)展，水循環(huán)加快，降水量和蒸發(fā)量增加。張延偉等[6]利用新疆近50年的降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，新疆存在降水量增多和氣溫上升的趨勢，暖濕化現(xiàn)象明顯，北大西洋濤動(dòng)對(duì)該地區(qū)氣溫變化影響顯著。任朝霞等[7]對(duì)西北干旱區(qū)近50年氣候變化研究結(jié)果表明，溫度降水量增加，極端氣候事件減少對(duì)農(nóng)業(yè)有有利影響。中國西北部的極干旱區(qū)，植被稀疏，沙漠分布廣泛，是對(duì)全球氣候變化響應(yīng)的敏感地帶[8]，研究該區(qū)域氣候變化特征對(duì)改善生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)狀況具有重要意義。

為探究在全球氣候變化背景下的區(qū)域氣候響應(yīng)，筆者以中國西北極端干旱區(qū)內(nèi)主要?dú)庀笳军c(diǎn)54年來的月均氣溫和降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，采用線性傾向估計(jì)、累計(jì)距平曲線和Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法，通過探討極端干旱區(qū)氣候變化特征，提高對(duì)極端干旱區(qū)氣候變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為深入了解全球變暖對(duì)區(qū)域氣候影響，研究干旱區(qū)陸氣相互作用機(jī)制和預(yù)測干旱化趨勢提供參考。

1 研究區(qū)概況

中國極端干旱區(qū)位于亞歐大陸的中心地區(qū)，主要包括新疆南部、青海和甘肅北部。西部為塔里木盆地，東部為柴達(dá)木盆地和祁連山山脈。年降水量50 mm左右，年干燥度大于16，植物主要為戈壁藜(Iljiniaregelii(Bunge) Korov.)、合頭草(SympegmaregeliiBunge)等荒漠植被。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為保證數(shù)據(jù)的一致性和時(shí)間序列的連續(xù)性，選取中國西北極端干旱區(qū)內(nèi)的32個(gè)氣象站(圖1)1960—2013年觀測的月均氣溫和降水量數(shù)據(jù)(資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)http:∥cdc.cma.gov.cn)，個(gè)別缺失數(shù)據(jù)采用相鄰站點(diǎn)插值補(bǔ)齊，分別統(tǒng)計(jì)春季(3—5月)，夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)及年平均氣溫和降水量。

2.2 研究方法

1)一元線性趨勢分析。氣象要素的時(shí)間序列趨勢變化一般采用一元線性回歸模型描述，即

xi=a+bti(i=1,2,…，n)。

(1)

式中：x為氣象要素序列；t為時(shí)間序列(1960—2013年)；a為回歸常數(shù)；b為線性趨勢項(xiàng)，b>0時(shí)，說明x隨時(shí)間t呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢，10b即為氣候要素每10年的氣候傾向率[9]，可定量分析氣候要素變化的線性趨勢。

2)累積距平分析。累積距平是一種由曲線直觀判斷變化趨勢的常用方法[10]。對(duì)于氣象要素序列x，其某一時(shí)刻t的累積距平X可表示為

(2)

當(dāng)距平值下降時(shí)，累積距平曲線呈下降趨勢；當(dāng)距平值增加時(shí)，累積距平曲線呈上升趨勢。

3)Mann-Kendall趨勢分析。用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)監(jiān)測氣象要素的長期變化趨勢，其優(yōu)點(diǎn)是不必假定數(shù)據(jù)的分布特征，允許序列有極端值和缺失值等[11-12]，在氣象領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Z可定義為

圖2 1960—2013年氣溫和降水量年均值空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of average annual temperature and precipitation during 1960—2013

(3)

其中

(4)

式中：S為用于檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量；xi、xj為假設(shè)檢驗(yàn)的隨機(jī)變量；N為數(shù)據(jù)系列的長度。

在雙邊趨勢檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平α，當(dāng)|Z|

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫和降水量空間特征

3.1.1 年均氣溫和降水量的空間分布 1960—2013年西北極端干旱區(qū)多年平均氣溫和降水量的空間分布見圖2?？梢钥闯觯髡军c(diǎn)氣溫年均值在2.11～14.64 ℃之間，均值為9.30 ℃，區(qū)域差異比較明顯。研究區(qū)西部的塔里木盆地周邊為高值區(qū)，其中吐魯番和和田最高，分別為14.64和12.77 ℃，東南部為低值區(qū)，其中巴里坤、茫崖和冷湖最低，分別為2.11、2.65和2.96 ℃。降水量年均值在15.03～220.28 mm之間，均值為55.35 mm，研究區(qū)西北部和東部為降水量高值區(qū)，巴里坤和拜城2站最高，年均降水量分別為220.28和119.10 mm，降水量低的站點(diǎn)分布較分散，主要位于研究區(qū)南部，其中吐魯番和冷湖最低，分別為15.03和16.75 mm。

圖3 1960—2013年氣溫和降水量多年季節(jié)均值空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of average seasonal temperature and precipitation in extremely arid area during 1960—2013

3.1.2 季節(jié)氣溫和降水量的空間分布 西北極端干旱區(qū)氣溫多年均值空間分布季節(jié)變化如圖3所示?？梢钥闯?，春季和冬季氣溫的空間分布與年氣溫相似，高值區(qū)位于研究區(qū)西部的塔里木盆地，低值區(qū)位于研究區(qū)東部，年均值分別為12.00和-5.70 ℃，而夏季和秋季，多年季節(jié)均值分別為23.06和8.66 ℃，最高的站點(diǎn)均為吐魯番，而最低的站點(diǎn)夏季為茫崖，為14.38 ℃，秋季為冷湖，為2.29 ℃。對(duì)于降水量來說，夏季和秋季空間分布與年趨勢相似，除了南部為低值區(qū)外，其他地方均相對(duì)較高，夏季位于研究區(qū)東北部的巴里坤，年均降水量最多，為118.24 mm，位于北部的吐魯番最小，為6.90 mm，秋季仍是巴里坤降水量最多，為45.71 mm，位于西南部的且末最小，為1.21 mm。春季降水量高值區(qū)主要位于研究區(qū)西部和東南部，在2.03～44.14 mm之間波動(dòng)，最低的站為格爾木，最高的站為巴里坤。冬季只有西部的部分站點(diǎn)位于高值區(qū)內(nèi)，其他大部分站點(diǎn)則位于低值區(qū)內(nèi)，降水量最小的站點(diǎn)為位于研究區(qū)東部的額濟(jì)納，為0.66 mm，最大的站點(diǎn)仍為巴里坤，為12.15 mm。

3.2 氣溫和降水量時(shí)間特征

3.2.1 氣溫和降水量多年變化 1960—2013年中國西北極端干旱區(qū)年均氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(圖4)，上升傾向率10 a為0.34 ℃，明顯高于全國平均增暖速率10 a的0.22 ℃[14]，54年平均氣溫增加了約1.91 ℃，多年均值為9.30 ℃，最低氣溫與最高氣溫出現(xiàn)在1967和2007年，其值分別為7.85和10.66 ℃。2000年以后增溫緩慢，表現(xiàn)為一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)期。1960—2013年，中國西北極端干旱區(qū)年均降水量在波動(dòng)中上升，年傾向率10 a為3.46 mm，與全國平均年降水量減少趨勢相反[15]。 多年平均降水量為55.35 mm，降水量最小的年份為1985年，為32.44 mm，最多的年份為2010年，為94.3 mm。

圖4 1960—2013年均氣溫和降水量多年變化Fig.4 Variations of average annual temperature and precipitation during 1960—2013

3.2.2 氣溫和降水量季節(jié)變化 由1960—2013年季均氣溫和降水量線性傾向估計(jì)值(表1)可知：54年來，中國西北極端干旱區(qū)四季平均氣溫均呈現(xiàn)增高的趨勢，且都通過了0.01的顯著性水平，其中冬季增溫幅度最大，達(dá)到10年的0.41 ℃，春季次之，10年為0.35 ℃，夏季增溫幅度最小，10年為0.29 ℃，與全國四季均溫變化趨勢相同，但增暖速率卻明顯高于全國水平[14]。降水量四季均呈增長趨勢，但變化幅度差異明顯，夏季降水量增強(qiáng)幅度最大，10年為1.54 mm，其次是秋季和冬季，增幅10年分別為0.81和0.64 mm，春季增強(qiáng)幅度最小，10年為0.56 mm，變化趨勢不顯著。

表1 1960—2013年季均氣溫和降水量線性傾向估計(jì)值

注：*、**分別為通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。Note: * and ** are statistical significance at 0.05 and 0.01 levels respectively.

3.2.3 氣溫和降水量的階段性變化 從中國西北極端干旱區(qū)年與各季平均氣溫和降水量累積距平(圖5)可以看出，年均氣溫在1996年之前以負(fù)距平為主，年均值在7.85～9.72 ℃之間波動(dòng)，之后以正距平為主，年均值在9.40～10.66 ℃間波動(dòng)，變化趨勢與全國20世紀(jì)90年代之前是偏冷期、之后為偏暖期基本一致。春季、夏季和秋季變化趨勢與年變化趨勢相同，而冬季氣溫年際變化幅度較大，從1985年即開始表現(xiàn)為偏暖時(shí)期。與氣溫相比，年均降水量累積距平54年來波動(dòng)較大，降水量距平在1986年之前以負(fù)值為主，呈波動(dòng)下降的趨勢，為偏少階段，之后以正值為主，呈波動(dòng)上升的趨勢，為偏多階段。春季降水量大致可分為3個(gè)階段：1960—1974年，降水量呈波動(dòng)狀態(tài)，下降趨勢不明顯；1975—1986年呈增加趨勢；1987年之后波動(dòng)下降。夏季降水量變化大致分為6個(gè)階段，1960—1973、1981—1985和1996—2009年為偏少階段，1973—1981、1985—1996和2009—2013年為偏多階段，降水量累積距平秋冬季節(jié)波動(dòng)不顯著。

圖5 極端干旱區(qū)年和各季平均氣溫和降水量累積距平Fig.5 Accumulated annual and seasonal temperature and precipitation anomaly in extremely arid area

·為通過95%顯著性檢驗(yàn)?！s statistical significance at 0.05 levels. 圖6 1960—2013年極端干旱區(qū)氣溫和降水量多年變化的空間分布Fig.6 Spatial distribution of average annual variations in temperature and precipitation in extremely arid area during 1960—2013

3.3 氣溫和降水量趨勢變化

3.3.1 年趨勢空間變化 由1960—2013年極端干旱區(qū)氣溫和降水量多年變化的空間分布圖(圖6)可知，54年來年均氣溫呈上升趨勢，30個(gè)站點(diǎn)增溫趨勢顯著，占總站數(shù)的93.75%，且均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。塔里木盆地東部和青海北部增溫幅度較大，其中增幅最大的站為茫崖，幅度為0.084 ℃/a，增幅最小的站為阿拉爾，幅度為0.004 ℃/a。54年2個(gè)氣象站溫度分別增加了3.53和0.66 ℃，而只有塔里木北部的庫車年均溫呈下降趨勢，變化率為-0.009 ℃/a，下降不顯著。 與氣溫相比，降水量年變化率波動(dòng)較小，29個(gè)站呈增加趨勢，其中11個(gè)站增加趨勢顯著，占總站數(shù)的34.38%，主要分布在塔里木盆地北部，拜城和若羌2站增加幅度最大，分別為13.31和0.588 mm/a，只有馬鬃山、十三間房和吐魯番個(gè)別站表現(xiàn)為減少趨勢，且變化趨勢都不顯著。

3.3.2 季節(jié)趨勢變化 就各站點(diǎn)氣溫和降水量不同季節(jié)變化趨勢(圖7)來看，氣溫顯著上升趨勢的站數(shù)四季波動(dòng)不大，春季最多，為29個(gè)站，夏季最小，為26個(gè)站，顯著下降趨勢的站點(diǎn)只出現(xiàn)在夏季和秋季，春季只有庫車站表現(xiàn)為不顯著的下降趨勢，冬季所有站均表現(xiàn)為增加趨勢。降水量四季仍以增加趨勢為主，春季表現(xiàn)為顯著上升的站數(shù)最多，占總站數(shù)的56.25%，其次是冬季，占總站數(shù)的28.13%，只有夏季馬鬃山站表現(xiàn)為顯著的下降趨勢，其他季節(jié)下降趨勢均不顯著，其中春季下降趨勢站點(diǎn)數(shù)最多，為9個(gè)站，其次是秋季，冬季最少，為2個(gè)站。

4 結(jié)論與討論

1)54年來，西北極端干旱區(qū)氣溫的年均值約為9.30 ℃，西部塔里木盆地為高值區(qū)，東南部為低值區(qū)，季節(jié)分布春季和冬季與年氣溫相似，夏季和秋季高值站點(diǎn)擴(kuò)大。降水量均值約為55.35 mm，西北部和東部為高值區(qū)，南部為低值區(qū)。季節(jié)分布夏季和秋季空間分布與年降水量相似，高值站點(diǎn)分布廣泛，春季和冬季空間分布表現(xiàn)為西北部為高值區(qū)，東南部為低值區(qū)。

圖7 季節(jié)氣溫(a)和降水量(b)不同趨勢的站點(diǎn)數(shù)Fig.7 Number of stations of annual and seasonal trends in temperature (a) and precipitation (b)

2)西北極端干旱區(qū)年均溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，傾向率為0.034 ℃/a，冬季和春季增溫幅度大于夏季和秋季，四季均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)；極干旱區(qū)年均降水量在波動(dòng)中上升，傾向率為0.346 mm/a，夏季增強(qiáng)幅度最大，春季最小，只有冬季通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。同時(shí)，氣溫和降水量的累積距平以負(fù)距平為主，氣溫和降水量呈上升趨勢。

3)西北極端干旱區(qū)大部分氣象站氣溫和降水量呈上升趨勢。氣溫30個(gè)站增溫趨勢顯著，占總站數(shù)的93.75%，其中塔里木盆地東部和青海北部增溫幅度較大，只有庫車年均溫呈不顯著的下降趨勢，季節(jié)變化波動(dòng)不大，四季均有超過90%的站點(diǎn)呈現(xiàn)增加趨勢。降水量11個(gè)站呈顯著增加趨勢，占總站數(shù)的34.38%，其中塔里木盆地北部增加幅度較大，春季顯著上升的站數(shù)最多，占總站數(shù)的56.25%，只有夏季馬鬃山站表現(xiàn)為顯著的下降趨勢，其他季節(jié)下降趨勢均不顯著，春季下降趨勢站點(diǎn)數(shù)最多。

中國西北極端干旱區(qū)的暖濕化發(fā)展，將強(qiáng)烈地影響西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。氣溫升高和降水量增多可以為植被生長提供良好的條件，氣候變暖緩解了低溫對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的危害，降水量增加，可利用水資源增加，有利于農(nóng)作物的生長發(fā)育，冬季降水量的顯著增加對(duì)土壤保墑和作物安全越冬有利；然而，氣候變暖使蒸發(fā)量增大，增加了極端降水事件的頻率，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)會(huì)產(chǎn)生不利影響。

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(責(zé)任編輯：宋如華)

Variation trends of temperature and precipitation in extremely arid region of northwestern China in recent 54 years

Bi Chao1, Shan Nan2, Bi Huaxing1

(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China; 2.Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, 100091, Beijing, China)

Based on the data from 32 meteorological stations in extremely arid region in northwestern China from 1960 to 2013, we analyzed the characteristics of temperature and precipitation with the methods of the linear regression, cumulative anomaly and Mann-Kendall test. The results indicated that the climate of 30 out of 32 stations in the study region showed a significant trend of warming by 0.034 ℃/a (P<0.01) in recent 54 years with an average annual temperature of 9.3 ℃. The increases of temperature in winter and spring seasons were higher than those in summer and autumn. Spatially, the highest temperature was found in Tarim Basin, and the lowest in the southeast of the study region. The average annual precipitation (55.35 mm) also showed a significant trend of increasing by 0.46 mm per 10 years (P<0.01), and 29 stations presented such trend, of which 11 passed the significant test. The highest rate of increase was found in summer, and the lowest in spring. The northwest and east part had higher precipitation than the south part of the study region. In general, the climate in the recent 54 years tended to be warmer and wetter.

climate change; temperature; precipitation; extremely arid region of northwestern China

2014-08-09

2015-03-26

畢超(1981—)，男，博士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail: bichao@sina.com

?通信作者簡介： 畢華興(1969—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：林業(yè)生態(tài)工程。E-mail: bhx@bjfu.edu.cn

S165

A

1672-3007(2015)03-0090-07

項(xiàng)目名稱： 國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“西北黃土高原地區(qū)典型森林植被對(duì)水資源形成過程的調(diào)控研究”(201104005)