全球變化背景下新疆和田地區(qū)近半個(gè)世紀(jì)極端氣溫變化特征分析

武勝利, 劉強(qiáng)吉,3, 胡雪瑛, 潘 蕾, 夏詩書, 夏 黎, 虞游毅

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆師范大學(xué), 烏魯木齊 830054; 3.新疆師范大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院, 烏魯木齊 830054)

全球變化背景下新疆和田地區(qū)近半個(gè)世紀(jì)極端氣溫變化特征分析

武勝利1,2, 劉強(qiáng)吉1,2,3, 胡雪瑛1,2, 潘 蕾1,2, 夏詩書1,2, 夏 黎1,2, 虞游毅1,2

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆師范大學(xué), 烏魯木齊 830054; 3.新疆師范大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院, 烏魯木齊 830054)

對(duì)新疆和田地區(qū)1960—2013年的極端氣溫進(jìn)行研究，以期為該區(qū)短期氣候預(yù)測(cè)、生態(tài)環(huán)境安全以及災(zāi)害控制提供科學(xué)依據(jù)。通過累計(jì)距平法、滑動(dòng)平均、一元線性回歸趨勢(shì)法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法及Morlet小波分析法，對(duì)該地區(qū)極端氣溫變化特征進(jìn)行了分析，以探討該地區(qū)氣溫變化的事實(shí)。結(jié)果表明：近54年來和田地區(qū)極端低溫、極端高溫分別以0.48℃/10 a(p<0.01)和0.19℃/10 a(p<0.01)的速率呈明顯的上升趨勢(shì)。極端低溫自60年代以來呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)；極端高溫變化幅度較大，自60年代前期下降后波動(dòng)上升，70年代后期至80年代初下降，之后波動(dòng)上升，90年代末以來先下降后波動(dòng)上升。極端低溫、高溫四季呈明顯的上升趨勢(shì)，均為秋季變化幅度最大，對(duì)年變化的貢獻(xiàn)最大。年均極端高溫在1997年發(fā)生突變，年均極端低溫突變現(xiàn)象不明顯。該區(qū)極端氣溫上升明顯，向暖濕化方向發(fā)展。

新疆和田地區(qū); 極端氣溫; 趨勢(shì)變化; 突變檢驗(yàn); 小波分析

全球氣候變暖是不爭(zhēng)的事實(shí)。過去100 a全球地表氣溫升高0.74℃，IPCC報(bào)告預(yù)測(cè)未來100 a全球氣溫可能升高1.1～4.6℃[1-5]。地球表面的氣候正經(jīng)歷一次顯著的變暖，我國(guó)的氣候變化趨勢(shì)與全球變化基本一致。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)近百年氣溫上升0.4～0.5℃[1]，增溫速率接近0.22℃/10 a，比全球或半球同期平均增溫速率明顯偏高，且地表溫度增暖主要發(fā)生在最近的20余年[6-7]。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為近50 a的增暖主要是由人為引起的大氣溫室氣體濃度增加造成的[8]，選擇1960年以來的地面觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析新疆和田地區(qū)在這一時(shí)期主要?dú)夂蛞亍獦O端氣溫變化的基本特征，仍然具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)于氣溫方面研究頗多。韓翠華等[3]運(yùn)用正交旋轉(zhuǎn)因子分析了中國(guó)年、冬、夏半年氣溫特征，認(rèn)為1951—2010年各區(qū)域氣溫均呈上升趨勢(shì)。王勁松等[9]認(rèn)為1960—2005年西北地區(qū)氣溫變化幅度達(dá)0.56℃/10 a，無論是年或四季平均的增溫率，西北地區(qū)都比全國(guó)平均高。孟秀敬等[2]對(duì)河西走廊近57 a來氣溫變化進(jìn)行分析，認(rèn)為該區(qū)氣溫上升率呈顯著上升趨勢(shì)，高達(dá)0.27℃/10 a，并在1986年發(fā)生突變。何清等[10]對(duì)新疆氣溫研究表明，近40 a來新疆氣溫呈明顯升高趨勢(shì)。陳亞寧等[11]認(rèn)為20世紀(jì)80年代中期以來全疆各地氣候一致表現(xiàn)為氣溫升高、降水增多，北疆變化最為顯著。馬建勇等[12]認(rèn)為北疆地區(qū)近55 a氣溫變化傾向率為0.332℃/10 a。王維霞等[13]認(rèn)為1960—2009年開都河上下游增溫強(qiáng)度分別為0.27℃/10 a和0.22℃/10 a。這些研究增進(jìn)了對(duì)中國(guó)器測(cè)時(shí)期氣候變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為深入理解氣候變化的原因和影響奠定了基礎(chǔ)。

氣溫是研究氣候變化的基本要素，其變化對(duì)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的變遷起著決定作用。已有的研究對(duì)和田地區(qū)平均氣溫、降水關(guān)注的較多[14-18]，而對(duì)于極端氣溫關(guān)注較少。本文擬從極端低溫、高溫著手，探討新疆和田地區(qū)氣溫變化趨勢(shì)。和田地區(qū)地處歐亞大陸中心，遠(yuǎn)離海洋，氣候干旱，降水稀少，土地貧瘠，自然條件十分惡劣。農(nóng)業(yè)用地基本集中在僅有的一些綠洲區(qū)域，使得人們對(duì)于綠洲區(qū)域格外重視。該地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)南隅(77°31′—84°55′E，34°22′—39°38′N)，南越昆侖山抵藏北高原，東部與巴音郭楞蒙古自治州毗鄰，北部深入塔克拉瑪干沙漠腹地，西部連喀什地區(qū)，西南枕喀喇昆侖山與印度、巴基斯坦接壤，轄1市7縣，暖溫帶極端干旱的荒漠氣候，全年降水稀少，多風(fēng)沙天氣，是典型的少、邊、窮地區(qū)，沙漠廣布，自然條件惡劣，耕地面積少且第一產(chǎn)業(yè)占據(jù)相當(dāng)大的比重。因此，本文將對(duì)和田地區(qū)極端氣溫的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，既可以揭示中緯度西風(fēng)帶控制下干旱區(qū)極端氣溫的變化規(guī)律，也可以對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善、能源利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來源與研究方法

依據(jù)資料的連續(xù)性及最長(zhǎng)時(shí)段性等標(biāo)準(zhǔn)，共選取符合條件的氣象站4個(gè)(和田、皮山、于田、民豐)。地面氣象站的極端低溫、極端高溫日值資料均來自國(guó)家氣象地面基準(zhǔn)站。為了保證所選氣象站數(shù)據(jù)資料長(zhǎng)度的均一和穩(wěn)定，氣象資料時(shí)間跨度一致取為1960年1月1日—2014年2月28日。按照3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季，對(duì)極端低溫和極端高溫資料進(jìn)行處理。對(duì)研究區(qū)極端低溫和極端高溫資料進(jìn)行匯總，采用一元線性趨勢(shì)分析和累計(jì)距平分析對(duì)氣溫資料進(jìn)行變化特征分析；采用M-K檢驗(yàn)方法對(duì)氣候要素序列進(jìn)行氣候突變檢驗(yàn)，判定突變年份與氣候要素突變趨勢(shì)；采用Morlet小波分析法探討極端氣溫的周期變化。

1.1 一元線性回歸

利用直線回歸的方法對(duì)原時(shí)間序列擬合線性方程，消除其他成分變動(dòng)，揭示出數(shù)列長(zhǎng)期直線趨勢(shì)，公式為：

y=a+bt

式中：線性方程中斜率b的10倍定義為氣候傾向率，表征時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。氣候傾向率的大小表征變化的速度，正負(fù)值表示變化方向。

1.2 累計(jì)距平法

距平累積法能夠直觀反映氣溫年際變化的階段性特征，其計(jì)算公式為：

1.3 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

在正序列曲線超過臨界值置信度的前提下，若正序列(UF曲線)與逆序列(UB曲線)在置信區(qū)間內(nèi)有交叉點(diǎn)，則表明交叉點(diǎn)為突變點(diǎn)，且統(tǒng)計(jì)上顯著。

1.4 小波分析

小波分析方法可以通過伸縮和平移等運(yùn)算功能，對(duì)函數(shù)或信號(hào)序列進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，研究不同尺度(周期)隨時(shí)間的演變情況。公式為：

Ψ(x)=eicxe-t2/2式中：Ψ(x)為基本小波或母小波；t為時(shí)間；c為常數(shù)。小波系數(shù)實(shí)部反映了給定時(shí)間和尺度信號(hào)下，相對(duì)于干擾其他時(shí)間和尺度信號(hào)的強(qiáng)弱和位相兩方面的信息。

2 極端低溫、極端高溫的時(shí)間序列

2.1 年代際極端氣溫的時(shí)間序列

表1顯示，1960—2013年和田地區(qū)年、季極端低溫在60—80年代均較小，為負(fù)距平；90年代除冬季以外均較小，為負(fù)距平，冬季為正距平，高于多年均值0.67℃；2000年以來年、季極端低溫均較大，為正距平，并高于多年均值分別為1.26℃，1.15℃，1.45℃，1.49℃和0.97℃。年、季極端高溫在60—80年代均較小，為負(fù)距平；90年代除春季以外均較大，為正距平，春季為負(fù)距平，低于多年均值0.54℃；2000年以來年、季極端高溫均較大，為正距平，并高于多年均值分別為0.52℃，0.98℃，0.29℃，0.70℃和0.13℃。

表1 和田地區(qū)年、季氣溫年代際距平

2.2 年極端氣溫的時(shí)間序列

由圖1可知，近54 a來，和田地區(qū)極端低溫變化的趨勢(shì)系數(shù)為0.68，以0.48℃/10 a的速率呈明顯的上升趨勢(shì)，此值遠(yuǎn)低于全國(guó)(0.74℃/10 a)[19]和新疆地區(qū)(0.74℃/10 a)[20]。極端低溫多年均值為5.43℃，最大值出現(xiàn)在2010年，為7.48℃，最小值出現(xiàn)在1961年，為4.02℃，極差為3.46℃。1997年以前氣溫均較低(1966年、1980年、1991年和1994年除外)，之后均較高。對(duì)和田地區(qū)極端低溫進(jìn)行6階多項(xiàng)式擬合，從圖1A可以看出，近54 a來和田地區(qū)的極端低溫變化可分為3個(gè)階段：1960—1976年為平緩上升期；1977—2006年為急劇上升期，該時(shí)期適逢我國(guó)大力實(shí)施改革開放進(jìn)入全面發(fā)展的時(shí)期，溫室氣體的增加造成該地氣溫持續(xù)升高；2007年至今為平緩下降期。

近54 a來，和田地區(qū)極端高溫以0.19℃/10 a的速率呈明顯的上升趨勢(shì)，此值大于全國(guó)極端高溫變化速率(0.12℃/10 a)[19]。多年均值為19.61℃，最大值出現(xiàn)在2007年，為21.13℃，最小值出現(xiàn)在1974年，為17.98℃，極差為3.15℃。1997年之前氣溫總體以偏低為主，之后均偏高。對(duì)和田地區(qū)極端高溫進(jìn)行6階多項(xiàng)式擬合，從圖1B可以看出，近54 a來和田地區(qū)的極端高溫變化可分為3個(gè)階段：60年代氣溫以下降為主；70年代至2004年左右呈“上升—下降—上升”型；2005年至今為平緩下降期。

圖1極端低溫和極端高溫年際變化趨勢(shì)

2.3 季極端氣溫的時(shí)間序列

春季極端氣溫均呈上升趨勢(shì)，極端低溫的趨勢(shì)要比極端高溫的大。極端低溫趨勢(shì)系數(shù)為0.43，增溫幅度為0.39℃/10 a，60年代至70年代前期上升較快，70年代中期至80年代末呈快速下降趨勢(shì)，90年代開始急劇升溫，到2008年達(dá)到最高值，之后略有下降。極端高溫趨勢(shì)系數(shù)為0.12，增溫幅度為0.23℃/10 a，60年代平緩上升，70年代至80年代末緩慢下降，90年代氣溫開始大幅度上升，到2007年達(dá)到最高值，之后略有下降。

夏季極端低溫的趨勢(shì)系數(shù)是0.53，增溫幅度為0.47℃/10 a，60年代至80年代末呈波動(dòng)緩慢下降，90年代開始急劇上升，21世紀(jì)初達(dá)到最高點(diǎn)。極端高溫趨勢(shì)系數(shù)為0.04，增溫幅度為0.10℃/10 a，60年代前期下降迅速，之后波動(dòng)平緩上升。

秋季極端低溫的趨勢(shì)系數(shù)是0.58，增溫幅度為0.54℃/10 a，60年代至70年代中期平緩上升，之后緩慢下降后急劇上升，2006年達(dá)到最高值，之后呈下降趨勢(shì)。極端高溫趨勢(shì)系數(shù)為0.30，增溫幅度為0.32℃/10 a，自60年代以來呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，2006年達(dá)到最高值。

冬季極端低溫的趨勢(shì)系數(shù)為0.32，增溫幅度為0.51℃/10 a，60年代至70年代中期微微下降，之后急劇上升，2005年左右緩緩下降。極端高溫趨勢(shì)系數(shù)為0.006，增溫幅度為0.01℃/10 a，60年代呈下降趨勢(shì)，70年代至90年代末平緩上升，21世紀(jì)以來微微下降。

圖2和田地區(qū)極端低溫、極端高溫四季趨勢(shì)變化

2.4 月極端氣溫的時(shí)間序列

由表2可知，1960—2013年，新疆和田地區(qū)極端低溫最高值出現(xiàn)在7月，為18.55℃，8月和6月次之，分別為17.27℃和17.10℃，最低值出現(xiàn)在1月，為-10.87℃。由月變化傾向率來看，8月、9月、11月和12月變化傾向率均較大，介于0.56～0.67℃/10 a之間，1月、4月和5月變化傾向率較小，介于0.34～0.40℃/10 a，其余各月介于0.41～0.48℃/10 a。1960—2013年，和田地區(qū)極端高溫最高值同樣出現(xiàn)在7月，為32.88℃，8月和6月次之，分別為31.88℃和31.44℃，最低值出現(xiàn)在12月，為-8.83℃。月變化傾向率顯示，2月、10月和11月變化傾向率均較大，介于0.30～0.45℃/10 a，1月、6月、7月和12月變化傾向率較小，介于-0.02～0.07℃/10 a，其余各月介于0.18～0.27℃/10 a。

表2 和田地區(qū)氣溫月均值和月變化傾向率

3 極端低溫、高溫M-K突變檢驗(yàn)及小波分析

采用M-K突變檢驗(yàn)方法對(duì)新疆和田地區(qū)極端氣溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)。圖3中UF代表極端高溫的順序統(tǒng)計(jì)曲線，UB為極端高溫的逆序列統(tǒng)計(jì)曲線，并給定顯著性水平，當(dāng)α=0.05，即臨界值為±1.96。從圖中60年代極端高溫總體表現(xiàn)為負(fù)值，表明該段時(shí)期極端高溫均偏低，70年代至80年代中期極端高溫總體為正值，表明該段時(shí)間極端高溫均偏高，80年代中期至90年代末總體為負(fù)值，表明該段時(shí)期極端高溫偏低。UF曲線和UB曲線在臨界值±1.96之間有個(gè)明顯的交點(diǎn)，之后UF曲線持續(xù)上升，并于2007年突破臨界值1.96，表明近54 a來和田地區(qū)極端高溫發(fā)生了明顯的突變升高，突變點(diǎn)為1997年。極端高溫春季和秋季突變年限分別為2002年和1995年，夏季和冬季突變現(xiàn)象不明顯。極端低溫春夏秋冬突變年限分別為2000年、2001年、1997/1998年、1985年，年均值突變現(xiàn)象不明顯。

圖3和田地區(qū)年均極端高溫突變檢驗(yàn)

圖4A給出了和田地區(qū)極端低溫的Morlet小波變化系數(shù)的實(shí)部時(shí)頻變化，正值區(qū)表示氣溫偏高，負(fù)值區(qū)表示氣溫偏低。由圖4A可以看出年極端低溫小波系數(shù)等值線在4～6 a，21～23 a和27～29 a時(shí)間尺度上較為密集，且發(fā)生了小波系數(shù)高、低值中心的變化。年極端低溫小波方差圖(圖4C)顯示小波方差在28 a，22 a和5 a存在極值，因此，可以得出和田地區(qū)年極端低溫在32 a尺度內(nèi)存在28 a的強(qiáng)顯著周期，此外還有22 a和5 a的尺度變化周期。

圖4B給出了和田地區(qū)極端高溫的Morlet小波變化系數(shù)的實(shí)部時(shí)頻變化，正值區(qū)表示氣溫偏高，負(fù)值區(qū)表示氣溫偏低。由圖4B可以看出年極端高溫小波系數(shù)等值線在27～29 a時(shí)間尺度上較為密集，且發(fā)生了小波系數(shù)高、低值中心的變化。年極端高溫小波方差圖(圖4D)顯示小波方差在28 a存在極值，因此，可以得出和田地區(qū)年極端高溫在32 a尺度內(nèi)存在28 a的強(qiáng)顯著周期。

4 結(jié) 論

(1) 和田地區(qū)年、季極端低溫在60—90年代總體較小，為負(fù)距平，2000年以來為正距平，氣溫較高，高于近54 a來年、季均值分別為1.26℃，1.15℃，1.45℃，1.49℃和0.97℃。極端高溫在60—80年代均較小，為負(fù)距平，90年代以來總體較大，為正距平，2000年以來年、季極端高溫高于多年均值分別為0.52℃，0.98℃，0.29℃，0.70℃和0.13℃。

(2) 1960—2013年，和田地區(qū)極端低溫、極端高溫分別以0.48℃/10 a和0.19℃/10 a的速率呈明顯的上升趨勢(shì)。極端低溫自60年代以來呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，極端高溫自60年代前期下降后波動(dòng)上升，70年代后期至80年代初下降，之后波動(dòng)上升，90年代末以來先下降后波動(dòng)上升。

(3) 和田地區(qū)極端低溫四季變化均呈明顯的上升趨勢(shì)，上升速率分別為0.39，0.47，0.54，0.51℃/10 a。秋季變化幅度最大，對(duì)年變化的貢獻(xiàn)率最大，冬季次之，春季變化幅度最小。極端高溫四季變化呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，上升速率為0.23，0.10，0.32，0.10℃/10 a。秋季變化幅度最大，對(duì)年變化貢獻(xiàn)最大，春季次之，夏季和冬季均為最小。

圖4 小波變化實(shí)部等值線、小波方差

(4) 和田地區(qū)極端低溫最高值和最低值分別為出現(xiàn)在7月和1月，12月變化傾向率最大，5月最小。極端高溫最高值和最低值分別出現(xiàn)在7月和12月，11月變化傾向率最大，12月最小。

(5) 近54 a來，極端低溫四季突變年限分別為2000年、2001年、1997/1998年、1985年，年均值突變現(xiàn)象不明顯。極端高溫年、春季、秋季突變年限分別為1997年、2002年和1995年，夏季和冬季突變現(xiàn)象不明顯。

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CharacteristicsofExtremeTemperatureChangesinHotanRegionUnderGlobalChanges

WU Shengli1,2, LIU Qiangji1,2,3, HU Xueying1,2, PAN Lei1,2, XIA Shishu1,2, XIA Li1,2, YU Youyi1,2

(1.CollegeofGeographicalScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 2.XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResources,Urumqi830054,China; 3.ContinuingEducationInstitute,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)

The minimum and maximum temperatures in four national primary standards of the ground meteorological stations in Hotan region of south Xinjiang from 1960—2013 were examined to provide a scientific basis for short-term climate prediction, ecological environment security and disaster control. In order to analyze trends of the extreme temperature, the cumulative method, the method of monadic linear regression, and the Mann-Kendall mutation and Moler wavelet analysis method were used to analyze the temperature changes in the region. The results showed that: the minimum and the maximum temperature elevated obviously at the approximately 0.48℃/decade (p<0.01) and 0.19℃/decade (p<0.01), respectively, in Hotan Region in recent 54 years. The minimum temperature had fluctuated upward trend since the 1960s. Since the early 1960s, the maximum temperature fluctuations increased after the fall; in the late 1970s and the early 1980s, the maximum temperature trend wave rose, about the late 90s, it increased after the first drop in fluctuations. The minimum and maximum temperature presented the rising trend, variation was significant in the autumn and the contribution to the annual change was the largest. The annual mutation of maximum temperature occurred in 1997, but mutation phenomenon did no exist for minimum temperature. According to the study, it is found that the future development of the basin will be warm and wet.

Hotan Region of Xinjiang; extreme temperature; trend analysis; mutation test; wavelet analysis

2016-09-10

：2016-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“艾比湖流域拋物線沙丘形成與演變研究”(41161004);國(guó)家自然科學(xué)基金NSFC-新疆聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目“新疆博斯騰湖環(huán)境演變及對(duì)氣候變化的響應(yīng)”(U1138302);新疆干旱區(qū)環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目“500年來博斯騰湖流域檉柳沙堆年層沉積及其環(huán)境記錄”(XJDX0909-2012-03);新疆干旱區(qū)環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目“額爾齊斯河流域風(fēng)沙環(huán)境特征研究”(XJDX0909-2014-04)

武勝利(1977—),男,河南西平人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)環(huán)境演變與氣候變化。E-mail:wushengli77@126.com

劉強(qiáng)吉(1988—),男,陜西漢中人,碩士,研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)環(huán)境演變與氣候變化。E-mail:damodeying62@126.com

P412.11

：A

：1005-3409(2017)05-0209-06