新疆温度精细化时空变化特征分析

阿帕尔·肉孜，叶尔克江·霍依哈孜，李 奇，黄 健，张山清

（1.新疆昌吉州气象局，新疆 昌吉 831100；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002；3.新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002）

近百年来，全球气候呈现出以变暖为主要特征的显著变化［1］，全球气候变化特点及其影响效应已经成为当前的研究热点［2］。全球增温在世界各地并不是均匀的，全球增温化的程度因地区而异。受全球气候变暖的影响，中国极端气候事件频发，区域生态环境退化［3，4］。气温平均值的升高不仅直接影响到其极值的变化，而且会导致高温热浪、干旱和暴雨洪涝等极端气候事件的发生频次与强度出现显著变化［1］。因此，极端气候事件引发的气象灾害引起全社会的广泛关注。进入21世纪以来，中国西北地区气候出现由暖干向暖湿转变的现象，而新疆在整个西北地区最为突出，导致水文不平衡，并对农田、林地、草原等生态系统产生不同程度的影响。新疆独特的地理位置，脆弱的生态环境，使其对气候变化反应十分敏感，所以国内外一些学者广泛关注新疆气候变化，并对新疆气候变化的趋势和特征进行过许多研究，但前人的研究具有一定局限性：一是资料序列较短，研究时段大多截至2000年，而对最近20年温度变化的研究则很少涉及；二是使用的气象站点较少，一般都是选用部分代表站来研究全疆或部分区域温度的变化，研究结果的代表性有待商榷；三是大多没有考虑地理因素对温度时空变化的影响，精细化程度较低，这对地域辽阔、地形地貌复杂、气候类型多样的新疆来说，难以适应现代社会经济发展和生态环境保护对温度精细化时空变化信息的需求。因此，为制定科学合理的气候变化应对策略，为准确把握区域气候变化的时空特征与规律，有必要研究新疆区域温度精细化时空变化特征及变化规律。因此，本研究拟在前人研究工作的基础上，结合ArcGIS的空间插值技术，研究分析1961—2018年新疆气候资料序列比较完整的105个气象台站历史平均温度的精细化时空变化规律，以期为新疆以及全国地区的温度和气候变化研究提供有价值的数据，同时对合理开发利用气候资源、指定区域可持续发展战略、调整农作物种植结构合理安排农业生产布局具有借鉴价值。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区面积约占全国面积的1/6，地处北半球中纬度地区欧亚大陆腹地，丝绸之路的交汇点，地理位置位于34°25′00″—49°10′55″N，73°40′—96°23′E［5-7］。新疆地域辽阔，地势高峻，地貌格局为“三山夹两盆”即山体环绕着盆地，从北向南依次为阿尔泰山、准噶尔盆地、天山、塔里木盆地及昆仑山［8］；地形起伏大，高差悬殊［9］，总面积为166.49万km2，东西长2 200 km，南北宽1 500 km［5，6］。新疆气候干旱，降水稀少，蒸发强烈，水资源相对短缺且时空分布不均。山区、沙漠盐碱地、戈壁占地面积大，分布广泛，植被稀疏，绿洲分布有限，生态地质环境脆弱［9］，属于典型的温带大陆性干旱半干旱气候，夏季短暂，冬季漫长而寒冷，冷热差异较大。新疆区域地貌形态多样，北疆大部分为准噶尔盆地，盆地东高西低；南疆是中国最大的塔里木盆地，地势西高东低，两盆地间由横跨全区中部的天山相隔。新疆地处影响中国西风带天气的上游地区，而天山山脉又是影响新疆乃至中国中部、西部地区天气气候和生态环境的重要天然屏障。新疆的气候变化不仅对自身生态环境和社会、经济发展具有重要的影响，还对中国中部、西部地区的生态环境产生了广泛而深刻的影响。因此，研究分析新疆的气候变化，对保护和改善新疆和中国中部、西部地区的生态环境，促进社会经济的持续稳定发展具有重要意义。

1.2 资料与研究方法

1.2.1 资料来源 选用近58年（1961—2018年）新疆维吾尔自治区105个国家级气象观测站、国家天气一级观测站、国家天气二级观测站以及国家气候观象台等气象观测台站温度资料进行研究分析；同时，参照新疆地貌和气候特点将新疆划分为南疆、北疆和天山山区等3个区域分别研究，其中，南疆有46个气象站、北疆有44个气象站、天山山区有15个气象站，其中，代表天山山区的气象站选取本来属于南疆和北疆各地州的地处在南北疆中部的天山山脉上的各气象站，包括伊犁哈萨克自治州（简称伊犁州）的尼勒克、新源、昭苏和特克斯，昌吉回族自治州（简称昌吉州）的天山天池，乌鲁木齐的小渠子、天山大西沟和乌鲁木齐牧试站，巴音郭楞蒙古自治州（简称巴州）的巴仑台和巴音布鲁克，克孜勒苏柯尔克孜自治州（简称克州）的乌恰和阿合奇，喀什的吐尔尕特，哈密的巴里坤和伊吾共15个气象站（图1）。

图1 新疆高程和气象台站分布

1.2.2 分析方法 运用ArcGIS10.7环境下的反距离加权（IDW）插值法分析新疆气温空间分布特征；运用Matlab R2018b环境进行周期分析和突变检验，利用Origin2018和Excel软件进行气温气候倾向率和趋势变化分析。

1）气候倾向率。运用一元线性回归方程［10-14］及气候倾向率分析法［12-15］探究近58年新疆温度变化趋势，采用一元线性回归进行气候趋势倾向估计。

2）突变检验。本研究借助Matlab R2018b和Origin2018等软件，主要从最常见的均值突变检测方法之一的Mann-Kendal（l简称M-K）检验［14-17］着手，再考虑温度演变趋势和累积距平值的变化情况，进一步检验新疆温度变化趋势和突变特征。

3）变化周期分析。选用Morlet连续小波变换函数［16-26］对新疆温度的多时间尺度特征进行分析。

4）反距离权重插值方法。运用ArcGIS10.7中的反距离权重插值IDW（Inverse distance weighted）方法［27，28］将新疆温度数据进行空间插值，得到相应的空间分布。

2 结果与分析

2.1 温度空间分布特征

新疆各地近58年平均温度为-4.9～14.9℃，温度多年平均空间分布呈分布不均的现象，新疆温度多年均值为8.2℃，其中南疆为11.2℃，北疆为6.8℃，天山山区为3.1℃。南疆和东疆大部年平均温度一般在7.0℃以上，其中塔里木盆地和吐鲁番、哈密盆地在10.0℃以上，是新疆年平均温度最高的区域；北疆大部分地区年平均温度为4.0～10.0℃；“三山”山区年平均温度较低，一般在4.0℃以下，其中阿尔泰山南坡、天山北坡海拔2 500 m以上的中、高山带以及天山南坡、昆仑山北坡海拔3 300 m以上的高山带年平均温度在0℃以下，是新疆年平均温度最低的区域。从各地州温度分布情况来看，吐鲁番盆地（吐鲁番地区）年平均温度最高，其次为和田地区，两地区年平均温度分别为13.2℃和12.1℃，其中，吐鲁番盆地的吐鲁番（吐鲁番地区最高值）、吐鲁番东坎（吐鲁番地区最高值）和托克逊3个站点年平均温度大于14℃，分别为14.9、14.9、14.4℃，和田地区的和田（和田地区最高值）、策勒和皮山3个站点年平均温度大于12℃，分别为12.9、12.5、12.3℃；乌鲁木齐的平均温度最低，其次为阿勒泰地区，分别为3.6℃和3.9℃，其中，乌鲁木齐的天山大西沟（最低值）、乌鲁木齐牧试站和小渠子3个站点年平均温度分别为-4.9、1.7、2.5℃，阿勒泰地区的青河（最低值）、富蕴和阿克达拉3个站点年平均温度分别为0.9、3.2、4.0℃；天山山区的大西沟（最低值）、巴音布鲁克和吐尔尕特3个站点多年平均温度小于0℃，分别为-4.9、-4.3、-3.2℃。近58年各站年平均温度最高极值也是在吐鲁番、东坎和托克逊3个站出现，其中，吐鲁番为18.0℃，东坎为16.6℃，托克逊为16.5℃，最高极值均出现在2017年；出现温度最低极值的也是在大西沟、巴音布鲁克和吐尔尕特这3个站，其中，大西沟为-6.7℃，出现在1984年，巴音布鲁克为-6.4℃，出现在1995年，吐尔尕特为-4.7℃，出现在1972年。新疆年平均温度空间分布总体表现为南疆高、北疆低，平原和盆（谷）地高、山区低的格局，见图2。

图2 新疆年平均温度空间分布

2.2 温度变化趋势

采用一元线性回归、线性倾向率、最小二乘法估计温度气候变化倾向率和趋势系数（即斜率），从图3、图4、图5可以看出，新疆温度在近58年发生了很大变化，各年平均温度呈波动上升趋势，年平均温度总体以0.030 5℃/年的线性变化趋势（下称倾向率或速率）显著（P＜0.001）上升，58年共升高1.77℃。从南疆、北疆和天山山区3个区域来看，3个区域表现出一致的增温倾向，但是这种增暖现象有区域性差异，线性增温速度各有不同，其中南疆最小，以0.025 7℃/年的速率显著（P＜0.001）上升，58年升高1.49℃，其次为天山山区，以0.031 4℃/年的速率显著（P＜0.001）上升，58年升高1.82℃，北疆最大，以0.035 4℃/年的速率显著（P=0.001）上升，58年升高2.05℃；3个区域增温幅度均通过P=0.001水平的显著检验。从各地州来看，近58年哈密增温速率最快，其次为塔城，增温速率分别为0.043 7、0.040 4℃/年，58年分别升高2.53、2.34℃；克州增温速率最慢，其次为阿克苏地区，增温速率分别为0.016 8、0.019 6℃/年，58年分别升高0.97、1.14℃。各站来看，新疆大部分台站增温幅度通过P=0.001显著水平检验，线性增温速度最快的是哈密的十三间房，以0.081 8℃/年的速率显著（P＜0.001）上升，58年升高4.74℃，其次为阿勒泰地区的富蕴和哈密的巴里坤，分别以0.067 3、0.061 3℃/年的速率显著（P＜0.001）上升，58年分别升高3.90、3.56℃。增温速度最慢的是阿克苏地区的柯坪，以0.003 2℃/年的速率上升，58年只升高0.19℃，其次为阿克苏地区的阿拉尔和乌什，分别以0.006 9、0.007 9℃/年的速率上升，58年分别升高0.40、0.46℃，增温趋势均未通过显著性检验。另外，全疆105个气象台站当中只有阿克苏地区的库车和克州的阿克陶2个台站年平均温度呈波动下降趋势，且降温幅度很小，减少速率分别为0.009 3、0.003 2℃/年，58年分别降温0.54、0.19℃，均未通过显著性检验。总体来说，新疆温度呈逐年上升趋势，且北疆大于南疆，重点增长区位于哈密、塔城、伊犁及阿勒泰地区，见图4。新疆温度变化中还有一个特点是，年均温度增温速度由北向南递减，北部增温速度大于东北部，东北部大于中部，中部大于南部，南部大于东部，表明寒冷地区增温快于温暖地区。

图3 新疆年平均温度变化趋势

图4 新疆年平均温度变化趋势空间分布

图5 新疆年平均温度趋势系数空间分布

2.3 气候变暖转折点分析

为进一步研究新疆近58年温度变化规律，应用M-K检验方法检验新疆温度突变特征，结果（图6）显示，新疆各年温度整体呈波动增温趋势，南疆温度M-K检验曲线图（图6a）显示，UFk或UBk曲线在1962年、1967—1979年小于零，是温度减少的趋势，也是温度相对低的时段，1980年开始大于零，是温度增加的趋势，也是温度相对高的时段，UFk和UBk曲线在1997年出现交点，是突变开始的年份，2006年超过1.96信度线，说明增加趋势通过P=0.05水平显著性检验，2014—2018年小于零，2016年超过2.58信度线，减少趋势通过P=0.01水平显著性检验。北疆温度M-K检验曲线图（图6b）中，UFk或UBk曲线在1965—1979年小于零，温度是减少的趋势，1980年开始大于零，温度呈增加的趋势，在1994年发生交叉，是突变的开始，2004年超过1.96信度线，2006年、2007年小于零，2008年超过2.58信度线，增加趋势通过P=0.01水平显著性检验，2008—2012年大于零，2013年后小于零。天山山区温度M-K检验曲线图（图6c）中，UFk或UBk曲线在1966年以前大于零，是增加趋势，1967—1979年小于零，1980—2003年大于零，是增加趋势，在1996年发生交叉，突变开始，2004—2008年小于零，是减少趋势，且2006年超过1.96信度线，减少趋势显著，2009—2012年大于零，呈增加趋势，2013年后小于零且超过2.58信度线，说明减少趋势通过P=0.01水平显著性检验。全疆温度M-K检验曲线图（图6d）中，UFk或UBk曲线在1966年前大于零，为增加趋势，1967—1980年小于零，为减少趋势，1981—2004年大于零，为增加趋势，在1996年发生交叉，突变开始，2005年开始小于零并同时超过1.96信度线，减少趋势比较明显，2008年开始大于零，开始增加，到2013年开始小于零，同时超过2.58信度线，减少趋势明显。

图6 新疆年平均温度突变分析

2.4 周期性分析

为研究温度序列不同时间尺度变化特征，使用小波功率谱分析其时频变化特征（图7），图中黑色粗实线所包围的范围通过了95%置信水平的红噪声标准谱检验，黑色细实线包络显示了COI（Cone of influence，倒锥形线为小波影响锥，表示连续小波变换的数据边缘效应影响较大的区域）区域，影响锥外的功率谱由于受到边界效应影响，表现出的周期特征存在较大不确定性。小波方差图中，实线表示小波方差，红色虚线表示95%置信水平的红噪声检验曲线，若实线的峰值超过虚线表示周期显著［18-25］。从图7a可以看出，南疆温度振荡较强周期有2.6年的主要周期振荡并通过95%置信水平的红噪声检验，而另有8.5～11.0年和29.0年的2个周期振荡，但没通过95%的红噪声检验，均可能为虚假周期，不予采用。从图7b可以看出，北疆温度振荡较强周期同样有2.6年的周期振荡并通过95%的红噪声检验，而另外有4.1、8.2年和21.0～29.0年的3个周期振荡，但未通过95%的红噪声检验，均可能为虚假周期，不予采用。由图7c可知，天山山区温度较强周期有2.6年的周期振荡并通过95%的红噪声检验，而另外有8.2～10.0年和29.0年的2个周期振荡，但未通过95%的红噪声检验，均可能为虚假周期，不予采用。由图7d可知，全疆温度振荡通过95%的红噪声检验周期为2.6年的周期振荡，而另外有4.1、8.2、29.0年的3个周期振荡，但都未通过95%的红噪声检验，均可能为虚假周期，不予采用。

图7 新疆温度小波功率谱

总的来说，各区域温度偏高波动周期信号最强的是北疆，其次为天山山区，南疆最小，与图3、图4、图5的增温速率北疆最大、其次为天山山区、南疆最小的结论一致，这说明北疆温度的升高是新疆平均温度升高的主要贡献者。

为了进一步检验新疆年平均温度趋势变化和小波功率谱尺度特征，通过温度距平、功率谱和2～8年平均变化时间序列均方误差（2～8年尺度平均谱［25］）来研究新疆温度趋势和周期变化以及分析气候变暖的阶段性和起始时间，结果见图8。其中，温度距平是一种常见的由曲线直观判断变化趋势的方法，当距平值增加，温度距平曲线呈上升趋势，反之则呈下降趋势，温度距平曲线由上升转为下降或者由下降转为上升的年份为气温突变点。均方误差（Mean squared error，MSE）是各数据偏离真实值的距离平方和的平均数，它是衡量平均误差的一种较方便的方法，是原始信号与去噪信号（真实值与模拟数据序列）之间的关系表现，可以评价数据的变化程度。MSE越小，则去噪信号就越接近于原始信号，去噪效果越好，说明模型的拟合试验数据能力越强。南疆温度距平（图8a）在1997年之前除了个别年份都是负距平，在1997年之后都是正距平，南疆温度2～8年尺度平均谱（图8b）显示，温度的年际变化在20世纪80年代前较弱、80年代、90年代后期到2011年较强，2011年后逐渐减弱，其中，90年代后期到2011年增强的比较明显，对应的功率谱（图7a）中温度偏高波动周期信号也较强，表明南疆温度1997年开始明显上升，结果与南疆温度在1997年发生突变（图6a）的结果一致。北疆温度距平（图8c）在1994年之前除了个别年份都是负距平，在1994年之后都是正距平，北疆温度2～8年尺度平均谱（图8d）显示，20世纪90年代前温度的年际变化较弱，90年代开始逐渐增强，对应的功率谱（图7b）中温度偏高波动周期信号也较强，表明北疆温度1994年开始明显上升，结果与北疆温度在1994年发生突变（图6b）的结果一致。天山山区温度距平（图8e）在1996年之前除了个别年份都是负距平，在1996年之后都是正距平，温度2～8年尺度平均谱（图8f）显示，20世纪90年代中期之前温度的年际变化较弱，90年代后期开始逐渐增强，对应的功率谱（图7c）中温度偏高波动周期信号也较强，表明天山山区温度1996年开始明显上升，结果与天山山区温度在1996年发生突变（图6c）的结果一致。整体来讲，全疆温度距平（图8g）在1996年之前除了个别年份都是负距平，在1996年之后都是正距平，全疆温度2～8年尺度平均谱显示（图8h），温度的年际变化在20世纪90年代前较弱、90年代逐渐增强，对应的功率谱（图7d）中温度偏高波动周期信号也较强，表明全疆温度在1996年开始明显上升，结果与全疆温度在1996年发生突变（图6d）的结果一致。以上分析表明，新疆各区域都有不同程度的升温现象并且20世纪90年代中期以来升温速率有加快的趋势。

图8 新疆平均温度距平和均方误差逐年变化

3 小结

1）新疆温度多年均值为8.2℃，南疆为11.2℃，北疆为6.8℃，天山山区为3.1℃。从各地州情况来看，吐鲁番盆地和和田地区年平均温度较高，分别为13.2℃和12.1℃，乌鲁木齐和阿勒泰地区温度较低，分别为3.6℃和3.9℃。新疆各地多年平均温度空间分布呈分布不均的现象，空间分布总体表现为南疆高、北疆低，平原和盆（谷）地高、山区低的格局。

2）新疆温度在近58年呈波动上升趋势，各年平均温度上升变化速率为0.030 5℃/年，58年升高1.77℃，增温幅度通过P=0.001水平显著性检验。南疆、北疆和天山山区3个区域均表现出一致的增温倾向，但有区域性差异，线性增温速率各有不同，其中南疆最小，增温速率为0.025 7℃/年，58年升高1.49℃，其次为天山山区，增温速率为0.031 4℃/年，58年升高1.82℃，北疆最大，增温速率为0.035 4℃/年，58年升高2.05℃；3个区域增温幅度均通过P=0.001水平显著性检验，且北疆强于南疆，重点增长区位于哈密、塔城、伊犁及阿勒泰地区。新疆各年平均温度增温速率由北向南递减，北部增温速度大于东北部，东北部大于中部，中部大于南部，南部大于东部，这表明寒冷地区增温快于温暖地区。

3）M-K突变检验结果显示，新疆气候在1996年左右出现了普遍而显著的增温转折，南疆温度在1997年发生突变，北疆温度在1994年发生突变，天山山区温度在1996年发生突变，全疆平均温度在1996年发生突变，但由于新疆面积广阔，下垫面复杂，使得这种变化又具有强烈的地域性，不同地区转型程度不同，局部地区甚至呈相反变化。

4）小波功率谱分析结果显示，南疆、北疆和天山山区以及全疆温度均有较强的2.6年左右的主要周期振荡并均通过95%的红噪声检验，各区域温度偏高波动周期信号最强的是北疆，其次为天山山区，南疆最小，这与增温速率北疆最大，其次为天山山区，南疆最小的结论一致，这说明北疆温度的升高是全疆平均温度升高的主要贡献者。南疆、北疆和天山山区以及全疆温度距平在20世纪90年代中期之前除了个别年份都是负距平，90年代中期之后都是正距平；温度2～8年尺度平均谱也显示，温度的年际变化在20世纪90年代前较弱、90年代后开始逐渐增强，对应的功率谱温度偏高波动周期信号也较强，这表明全疆各地温度在1996年前后开始明显上升，结果与全疆温度在1996年左右发生突变的结果一致。

总体来看，新疆各地（除了库车和阿克陶）均有不同程度的升温现象并且在20世纪90年代中期以来的升温速率比较显著，但由于新疆面积广阔，下垫面复杂，使得这种变化又具有强烈的地域性，不同地区升温幅度有所不同，局部地区甚至呈相反变化，其原因不太清楚，大概与测站周围的地形环境与迁站有关。