克拉瑪依區(qū)域氣溫日較差的氣候變化特征

馬曉慧，李文博

克拉瑪依市氣象局，新疆克拉瑪依 834700

近年來，全球氣候變暖一直是人們探討的熱點(diǎn)話題。種種跡象表明氣候變暖已對人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了非常嚴(yán)重的威脅，對區(qū)域極端氣溫出現(xiàn)的概率產(chǎn)生了影響[1-4]。其中，以最低氣溫變化為最顯著，已有研究表明，氣候變暖主要發(fā)生在夜間，各地最高最低氣溫均有非對稱性的變化，同時最低氣溫均呈現(xiàn)上升的趨勢，但最高氣溫存在地區(qū)差異，這種不對稱性導(dǎo)致氣溫日較差減少[5-8]。城市化的發(fā)展改變了城市下墊面，進(jìn)一步影響當(dāng)?shù)貧夂蚝蜕鷳B(tài)環(huán)境，深入分析近60年氣溫日較差的變化，有利于了解當(dāng)?shù)貧鉁氐淖兓厔?，從而更好地提高預(yù)報員業(yè)務(wù)能力。

克拉瑪依市地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，西北傍加依爾山。中部、東部地勢開闊平坦。地貌大部分為戈壁灘，春秋季風(fēng)多，冬夏溫差大。戈壁灘地貌使得該區(qū)域吸收更多的太陽輻射，加之城市建筑物的增多、氣候變暖，對石油工人井下作業(yè)有著不可忽視的影響。此前已有大量針對克拉瑪依區(qū)域氣溫的相關(guān)性研究，但主要是基于克拉瑪依國家基本氣象站的氣溫變化趨勢進(jìn)行分析，白堿灘區(qū)、烏爾禾區(qū)、獨(dú)山子區(qū)由于建站時間的不同，同時時間序列較少，因此很少有針對這3個地區(qū)的研究，且關(guān)于氣溫日較差的相關(guān)分析也較少。本文通過分析克拉瑪依區(qū)市四區(qū)年平均最高、最低氣溫以及平均氣溫日較差的時間變化特征，探討了影響日較差的各氣象因子，進(jìn)一步為野外作業(yè)和市民生活提供氣象服務(wù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取克拉瑪依區(qū)的4個區(qū)域自建站以來地面觀測站年均最高氣溫、年均最低氣溫等資料，沒有考慮城市熱島效應(yīng)。根據(jù)地區(qū)氣候特點(diǎn)，將四季劃分為冬季（12月至翌年1月）、春季（3—5月）、夏季（6—8月）和秋季（9—11月）。

年平均最高氣溫指的是一年內(nèi)逐日最高氣溫的平均值，年平均最低氣溫指一年內(nèi)逐日最低氣溫的平均值，日較差是日最高氣溫與日最低氣溫之差，表示為：

式中，DTR為日較差，Tmax為日最高氣溫，Tmin為日最低氣溫。

1.2 分析方法

1.2.1 線性趨勢線性趨勢法：將氣候要素寫成時間t的線性函數(shù)：Y=at+b。

用最小二乘法通過實際資料計算得出，其中a表示線性函數(shù)的斜率，即氣候要素的線性趨勢(年際變率)。a為正(負(fù))表示有增加(減小)趨勢，零表示無線性變化趨勢。

1.2.2 氣象要素的訂正因烏爾禾區(qū)、白堿灘區(qū)、獨(dú)山子區(qū)氣溫年限數(shù)據(jù)比克拉瑪依少，不能綜合評價區(qū)域的氣溫特征值變化，因此對觀測的短期氣象要素資料與克拉瑪依國家基本氣象站的資料進(jìn)行相關(guān)性分析，當(dāng)證明相關(guān)性較好時，對短期資料進(jìn)行延長訂正。訂正方法主要有線性回歸、比值訂正法、差值訂正法、分量回歸法、條件概率超短系列訂正法、多元分量回歸法等，本研究主要運(yùn)用線性回歸法。

線性回歸法：給出2個數(shù)列之間平均關(guān)系的數(shù)學(xué)形式，克拉瑪依基本國家氣象站為基本站，其他3個區(qū)為訂正站，其中獨(dú)山子區(qū)距離遠(yuǎn)，氣候有所差異，因此選用烏蘇國家基準(zhǔn)氣候站為其基本站，選用共同時間序列為考察年，將基本站與訂正站寫成一元回歸方程：y=ax+b，訂正延長到1960—2019年的長序列。

1.2.3 變化趨勢的顯著性檢驗使用相關(guān)統(tǒng)計量進(jìn)行回歸方程顯著性和訂正公式適應(yīng)性的檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫日較差的年際變化趨勢

根據(jù)克拉瑪依區(qū)1960—2019克拉瑪依區(qū)平均氣溫日較差、平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫年際變化趨勢，克拉瑪依區(qū)年平均氣溫日較差總體呈下降趨勢，氣溫變化傾向率為-0.29℃/10年，通過0.05水平的顯著性檢驗，線性擬合度較好，1960—1985年出現(xiàn)快速下降特征，此后以略平緩趨勢下降。日較差最大值出現(xiàn)在1968年7月8日，高達(dá)22.3℃，最低值出現(xiàn)在2009年12月1日，僅有0.7℃。1960—2019年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫變化趨勢呈現(xiàn)與氣溫日較差相反的趨勢，在1970年皆為最低值，此后呈明顯回升趨勢。其中年平均最低氣溫上升趨勢最顯著，氣溫變化傾向率為0.385℃/10年，其次是年平均氣溫，氣溫變化傾向率0.221℃/10年，年均最高氣溫的變化傾向率0.086℃/10年，其中平均氣溫、最低氣溫均通過0.05水平的顯著性檢驗。最低氣溫的增長趨勢明顯快于最高氣溫，這種不對稱性的變化造成克拉瑪依區(qū)域氣溫日較差顯著下降。

2.2 氣溫訂正結(jié)果分析

以51243（克拉瑪依國家基本氣象站）和51346（烏蘇國家基站氣候站）為基本站，以烏爾禾區(qū)、白堿灘區(qū)以及獨(dú)山子區(qū)為訂正站，根據(jù)一元線性回歸法建立各站與51243站的一元回歸方程（表1）。結(jié)果表明：使用一元回歸法對其他三區(qū)的月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日較差進(jìn)行訂正時，相關(guān)系數(shù)都很高，并且通過0.01的F檢驗，相關(guān)極顯著，因此本研究采用訂正數(shù)據(jù)進(jìn)行。

表1 訂正站與基本站月平均氣溫的一元回歸關(guān)系

2.3 氣溫日較差的空間分布

克拉瑪依區(qū)域4個地區(qū)氣溫日較差均呈現(xiàn)顯著下降趨勢，通過0.05水平的顯著性檢驗，由圖2可知，平均氣溫日較差在克拉瑪依北部，烏爾禾區(qū)和白堿灘區(qū)減小幅度較大，而中、南部，克拉瑪依區(qū)和獨(dú)山子區(qū)減小幅度小。

2.4 氣溫日較差的季節(jié)變化趨勢

通過考察克拉瑪依區(qū)、烏爾禾區(qū)、獨(dú)山子區(qū)、白堿灘區(qū)等區(qū)域的四季氣溫日較差、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的線性趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，春季克拉瑪依區(qū)域氣溫日較差呈現(xiàn)顯著減少趨勢，其中烏爾禾區(qū)最顯著；平均最低氣溫同樣呈現(xiàn)顯著上升趨勢，平均氣溫、最高氣溫均呈上升趨勢，但沒有達(dá)到0.05的顯著水平。氣溫變化傾向率分別為：氣溫日較差-0.28℃/10年，平均氣溫0.23℃/10年，平均最高氣溫0.19℃/10年，平均最低氣溫0.40℃/10年；4個地區(qū)的平均最低氣溫和氣溫日較差均通過了0.05的水平顯著性檢驗。

夏季氣溫日較差呈顯著減少趨勢，減少趨勢最顯著的區(qū)域為烏爾禾區(qū)，平均最低氣溫呈上升趨勢，均通過0.05的水平顯著性檢驗，平均氣溫、最高氣溫呈緩慢上升趨勢；氣溫變化傾向率分別為：氣溫日較差-0.27℃/10年，平均氣溫0.10℃/10年，平均最高氣溫0.01℃/10年，平均最低氣溫0.21℃/10年；氣溫日較差和平均最低氣溫趨勢均通過顯著水平。

秋季氣溫日較差呈顯著減少趨勢，減少趨勢最顯著的區(qū)域為烏爾禾區(qū)，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈顯著上升趨勢，其中平均最低氣溫上升趨勢最顯著；平均氣溫、最低氣溫均通過0.05的水平顯著性檢驗；氣溫變化傾向率分別為：氣溫日較差-0.27℃/10年，平均氣溫0.36℃/10年，平均最高氣溫0.21℃/10年，平均最低氣溫0.42℃/10年。

冬季氣溫日較差呈顯著下降趨勢，是一年中最顯著的季節(jié)，仍是烏爾禾減少趨勢最顯著；與夏季相同，氣溫日較差和平均最低氣溫趨勢均顯著上升；氣溫日較差-0.59℃/10 奶奶，平均氣溫0.37℃/10年，平均最高氣溫0.06℃/10年，平均最低氣溫0.54℃/10年。

2.5 影響因子

為進(jìn)一步探明克拉瑪依區(qū)氣溫日較差變化與其他氣象因子之間的關(guān)系，針對各月日較差與同期最高氣溫、最低氣溫、總云量、水氣壓、降水量、日照時數(shù)、風(fēng)速、相對濕度、極大風(fēng)速等氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析。

結(jié)果表明（圖1）：各月日較差與日照時數(shù)、平均風(fēng)速呈正相關(guān)，與水氣壓、總云量、降水量以及相對濕度呈負(fù)相關(guān)；平均氣溫日較差與平均氣溫、最高氣溫等因子隨季節(jié)轉(zhuǎn)換而變化，春季、夏季以及秋季呈正相關(guān)，冬季呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

圖1 克拉瑪依區(qū)氣溫日較差與各氣象因子相關(guān)系數(shù)的月平均直方圖

氣溫日較差與各因子月相關(guān)系數(shù)的月平均值方圖（圖2）表明：與氣溫日較差正相關(guān)最高的是日照時數(shù)，其次是春季、夏季和秋季的平均風(fēng)速；而總云量、相對濕度以及水氣壓呈負(fù)相關(guān)。日照時數(shù)對氣溫日較差影響最大的原因在于大氣的熱量來源是輻射，包括地表向大氣釋放的長波輻射和少量太陽短波輻射。另外，由于克拉瑪依地處中緯度內(nèi)陸地區(qū)，位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，地貌大部分為戈壁灘，因此，日照時數(shù)和下墊面條件更加有利于大氣吸收短波輻射，促進(jìn)了升溫。但是，夜間降溫也比較明顯，從而造成較大的氣溫日較差。

圖2 克拉瑪依區(qū)氣溫日較差與各氣象因子相關(guān)系數(shù)的年平均直方圖

3 結(jié)束語

利用線性趨勢法和線性回歸來分析氣溫日較差相關(guān)的要素，得到克拉瑪依市1960—2019年氣溫訂正數(shù)據(jù)，采取相關(guān)統(tǒng)計法分析了影響日較差的因子，結(jié)論如下。

（1）實測數(shù)據(jù)表明克拉瑪依區(qū)平均氣溫日較差呈現(xiàn)顯著下降趨勢，達(dá)到顯著性水平。

（2）利用線性回歸對其他3個地區(qū)氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，得到1960—2019年氣溫數(shù)據(jù)，回歸結(jié)果高度相關(guān)，其F統(tǒng)計量均通過0.01的水平顯著性檢驗。

（3）影響日較差的因子隨季節(jié)而異，春季氣溫日較差的變化趨勢與相對濕度、平均風(fēng)速相關(guān)性最好；夏季與平均風(fēng)速的相關(guān)性最好；秋季與各要素相關(guān)性都比較顯著；冬季主要與日照時數(shù)、總云量以及水汽壓的相關(guān)性強(qiáng)。年氣溫日較差與日照時數(shù)相關(guān)性最強(qiáng)，與其他因子比較一致。