玛纳斯河流域52年气象要素变化分析

李战国

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

在过去60年间，全球气候变暖了约0.72℃。自19世纪后期以来，二十一世纪每十年平均气温是最温暖的[1]。同时，降水的空间分布和强度也发生了变化，全球变暖可能导致大气中水蒸气含量的增加[2]。过去的研究表明，潮湿地区会变得更潮湿[3]，干燥地区会变得更干燥，北半球高纬度地区的降水量呈增加趋势，而中国、澳大利亚和太平洋小岛屿国家的降水量表现出减少的趋势[4]。

研究区拥有中国最重要的草原资源，其在过去几十年中发生了严重退化。未来的气候变化可能会大规模加速北美和亚洲半干旱地区草原的退化[5]。尽管目前对气候变化及其在不同地区和大范围的时空尺度上的影响进行了许多研究，但对研究区近52年来的气候变化，尤其针对日最低和最高气温的变化特征研究还不够。因此，需要对研究区的主要气候变量，如降水量、日平均气温、最高气温和最低气温进行系统研究，以提高对研究区气候变化的时空特征和气候变化原因的认识，帮助有关部门更好的制定适应和减缓气候变化的措施。本文的研究目的为：(1)分析近52年来研究区月、年降水量及日平均气温、最高气温和最低气温的变化；(2)分析研究区气候变化发生的可能原因。

1 研究区概况

玛纳斯河流域源于天山北麓。其气候冬季寒冷干燥，夏季温暖湿润。其年平均太阳辐射为5 200 mJ，年总日照时数约2 619 h。根据降水量的空间分布，研究区通常从东到西分为5个气候带，由湿润气候带过度到半干旱气候带。由于水和热能是控制中纬度温带草原的2个关键因素，研究区草原植被的类型从东到西依次为草甸草原、典型草原和荒漠草原。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文选择研究区内的46个气象站的气象数据作为研究对象，数据长度为1961-2012年。数据集通过检测控制其质量，包括无误差数据，降水和气温数据集的缺失数据不超过0.1%。所有缺失的数据采用以下方法补充：当缺失数据的时间间隔小于或等于5 d时，采用线性插值方法计算其缺失数据，当缺失数据的时间间隔大于5 d时，则缺失数据由所有其他年份中具有数据的站点根据距离采用IDW插值获得。

2.2 研究方法

2.2.1 趋势变化

对于样本量为n的气候要素x，X与时间的线性回归方程为：

X=at+b，t=1，2，3，…，n

(1)

式中：a为趋势斜率；b为y轴截距，可用最小二乘法确定。

每十年的变化趋势β为十年内气温或降水的变化率乘以10。b为正值表示上升趋势，负值表示下降趋势。

2.2.2 湿度指数

湿润指数是干旱指数的倒数，能够合理的反映地表的干湿状态，是描述研究区气候特点的一种有效且常用的方法。湿润指数是降水量与潜在蒸散发的比值，表示自然条件下大气湿润的输入和输出，其计算公式如下：

K=P/(0.1∑θ)

(2)

式中： k为湿润指数；p为年总降水量；q为0℃以上的气温。

k值越高，气候越湿润。研究区的湿润指数可分为6个等级，即非常干(K< 0.3)、干旱(0.32.0)[6]。

本文对研究区46个气象站52年(1961-2012年)的日平均气温(平均值、最高气温和最低气温)进行统计计算获得了各年的月平均值和年平均值。对于降水量，将日数据计算为每年的月和年总量。并利用回归分析和趋势分析对月、年时间序列进行了统计分析，即计算各站气温、降水量的b值。采用F检验方法检验了在0.05水平上回归方程的显著性。由于单纯根据各站的趋势很难确定区域气温或降水模式，因此也进行了空间分析来研究区域趋势。所有主要气候变量的空间分布图均采用ArcGIS软件包中嵌入的反距离加权插值方法构建。每个地图的网格大小为0.02°。

3 结果分析

3.1 降水和湿润指数的趋势变化分析

表1给出了月降水量的变化趋势和具有显著性变化(增加或减少)趋势的站点数量。降水量的平均变化趋势为-1.6 mm/10a；二月、七月、八月和十月呈负的变化趋势，其他月份呈现上升趋势。八月表现出最大的负趋势值，为5.54 mm/10a，有10个站具有显著的变化趋势，7月份的负趋势值1.73 mm/10a，6月份显示最大正趋势值为2.54 mm/10a；在过去的52年中，冬季(12-5月)和春季(3-5月)显示出略微的正趋势值。大多数站点的湿度指数具有负的变化趋势，只有三个站显示出正趋势值，这些站均分布于研究区西部。平均趋势值大约为0.03/10a，变化范围为：-0.08～0.02。湿度指数值高的地区(位于研究区东部)呈现较大的下降趋势，为-0.04/10a，研究区西部湿度指数的变化趋势大约为-0.01/10a。

表1 降水量的变化趋势及具有显著性变化趋势的站点数量

表2 平均、最高、最低温度的平均变化趋势及具有显著变化趋势的站点数量

表3 日平均、最高和最低温度与其他气象要素之间的相关系数

3.2 日平均、最低和最高气温变化趋势分析

研究区所有气象站的平均气温均呈现正的变化趋势，平均趋势值为0.37℃/10a，最小趋势值出现在研究区东部，其趋势值小于0.25℃/10a。最高和最低气温的变化趋势表现出与日平均气温相似的空间分布。所有气象站的最高和最低气温趋势值均为正值。与最高气温和平均气温相比，最低气温有较大的正趋势，平均趋势值为0.51℃/10a。研究区日平均气温、最高气温和最低气温的月变化趋势见表2。可以看出：在所有月份中，二月的平均气温上升趋势最大，为0.80℃/10a，93%的站点(n= 43)显示出统计上的显著上升趋势(p<0.05)。二月份的最高和最低气温比其他月份具有更大的上升趋势，平均趋势值为0.67℃/10a和0.95℃/10a，其在统计上表现出显著性变化趋势的站点百分比分别为85%和93%。对9个月(即2月至10月)的分析表明，超过50%的站点的平均气温呈显著的正趋势。对于最低气温， 除一月份外，其他月份均有超过一半的站点呈现出明显的上升趋势。其中只有四个月(即2月、7月、8月和9月)超过50%的站点最高气温表现出显著性增加的趋势。

3.3 相关性分析

表3 给出了日平均、最高和最低温度与其他气象要素之间的相关系数。可以看出：年尺度上日平均温度与水汽压的相关系数为0.82，表明日平均温度与水汽压之间存在很强的相关性。平均温度和大气压力之间的相关系数为0.67。在季节尺度上，冬季月份(12-5月)的平均温度和水汽压之间的相关系数最高为0.73～0.80，其次是春季(3月)和秋季(9-11月)，相关系数值分别为0.29～0.61和0.58～0.74，夏季(6-8月)的日平均气温和水汽压之间的相关系数最弱，相关系数值为0.08～0.34。与日平均温度相似，最高温度和最低温度都与蒸气压力有很强的相关性，相关系数值分别为0.85和0.78；与大气压力的相关系数分别为0.67和0.66。计算的相关系数结果还表明，日平均温度、最低温度和最高温度与包括降水、风速和日照时数在内的其他大气变量间没有显著的相关性。

4 结语

气候变化，尤其是降水量和气温的变化，对研究区草原生态系统产生了显著影响。为了提高对研究区气候变化的认识，本文分析了过去52年的气象要素的空间分布和变化趋势。在过去的几十年里，研究区变得越来越温暖，日平均气温、最高气温和最低气温分别以0.37℃/10a、0.25℃/10a和0.51℃/10a的趋势值上升。与其他月份相比，二月份的平均气温、最高气温和最低气温呈现出最高的上升趋势，趋势值为0.8 ℃/10a、0.67℃/10a和0.95 ℃/10a。尤其在二月的最后10天，气温的变化趋势达到了最大值。在降水量方面，年降水量减少，降水量显著减少主要发生在7月和8月。研究区变得越来越干燥，湿润指数有较大的下降趋势。在过去的52年里，研究区变得越来越温暖和干燥。