2018, Vol. 35 
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国科学院中亚生态与环境研究中心, 乌鲁木齐 830011
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. CAS Research Center for Ecology and Environment of Central Asia, Urumqi 830011, China
IPCC第5次评估报告指出，1880年以来全球平均温度已升高0.85 ℃ (0.65~1.06 ℃)，全球气候系统已呈现出变暖趋势，而20世纪50年代以来的变暖趋势更加明显[1-2]。气候系统的变暖导致极端气温和降水事件发生的频率和强度不断增强，对区域社会经济发展、人民生产生活和生态环境产生巨大影响[3-4]。极端气温的变化主要表现为极端高温事件和极端低温事件的频发和持续时间的延长，如寒潮等造成农作物的减产或者绝收；极端降水的变化主要表现为极端干旱、暴雨和特大洪涝灾害的发生频率和强度的增加，造成泥石流、崩塌等摧毁村庄、道路[5-7]。因此，深入理解和研究极端气候变化趋势以及强度，对区域生态环境以及人民生命财产安全具有重要的现实意义；同时，能为未来极端气候的时空变化趋势的预测提供科学参考。
近几十年来，随着全球变暖的影响及其危害不断被人们所认识，不同尺度下的极端气候变化问题也越来越受到国内外学者关注。在全球以及区域尺度下的极端气候变化研究中，Alexander等[5]研究证实，全球变暖导致近50年来全球超过70%的地区暖夜明显增加，而冷夜呈明显减少的趋势，同时各极端气温和降水事件也有更为广泛和明显的增加；如北美洲的加拿大[8]、非洲西部[9]、亚太地区[10]等区域的极端气温与降水事件与该研究具有类似的变化趋势。与此同时，对中国极端气温与降水的研究表明，从全国范围来看，极端气温暖指数如暖昼、作物生长期等日数明显增多，而冷指数如霜冻日数、结冰日数等则显著减少[3]。全国平均暴雨和极端强降水事件频率和强度均有所增长，如长江流域、东南沿海地区和西北地区均有较为明显的增长，而西南地区、华北和东北的部分地区则呈减少趋势[3, 11-14]。针对中国西北干旱区的极端气候变化也开展了较多研究，如Chen等[15]研究中国西北干旱区气温与降水的变化趋势以及其突变特征，发现该区极端气温和降水指数大多在20世纪80年代中期以后发生突变，且青藏高原气压变化对该区极端气候指数的变化趋势具有重要影响。Wang等[16]对新疆近50年的12个极端气温指数和10个降水指数进行变化趋势分析的同时，研究各极端指数之间的相关性关系。但多数极端气候指数的研究主要是在大区域或大流域尺度下开展，对小流域尺度下的研究较少，仅有杨志刚等[17]对西藏色林错流域极端气温的变化趋势进行相关研究，而针对西北地区小流域尺度下的极端气候变化研究还比较匮乏。
艾比湖流域位于中国新疆西北部地区，属典型的温带大陆性干旱气候，大部分地区降水稀少蒸发强烈，生态环境极其脆弱，对气候变化以及人类活动的影响敏感[18-20]。同时，该区域是中国新疆地区重要的工农业生产基地，也是中国与中亚国家经济、文化、科研交流重要的通道；目前，针对艾比湖流域的研究主要集中在古环境重建，气温、降水变化，盐尘暴灾害和水资源利用等方面[19, 21-22]，而极端气温与降水的变化研究相对较少。为此，本文选取16个极端气温指数以及6个极端降水指数，以长时间序列气温和降水逐日资料为基础，采用线性趋势估计法、相关性分析法和突变分析等方法分析艾比湖流域近56年的极端气温与降水变化趋势，以期更好地了解小流域极端气温与降水的长期变化趋势，为艾比湖流域未来极端气候变化预测，以及工农业发展和生态环境保护等提供参考。
1 研究区概况与数据来源 1.1 研究区概况艾比湖流域位于新疆天山北麓，地理位置为43°38′~45°52′N, 79°53′~85°02′E (图 1)，流域主要包括托里县、乌苏县、精河县、博乐市、温泉县和克拉玛依市部分地区，总面积50 621 km2。艾比湖流域远离海洋，地处欧亚大陆腹地，三面环山(南临博罗科努山、西依阿拉套山、北靠玛依勒山)，东部是中国第二大沙漠古尔班通古特沙漠，形成典型的大陆性干旱气候，降水稀少，蒸发强烈，年均降水量仅为100~200 mm，而潜在蒸发量达1 500~2 000 mm[23]。艾比湖是流域最大的湖泊，面积约为500 km2，也是新疆最大的盐水湖[23]；流域较大的河流主要有博尔塔拉河、精河和奎屯河，近几十年来在人类活动加强和区域气候变暖的大背景下，奎屯河已经转变为季节性河流，常年注入艾比湖的仅有博尔塔拉河和精河[24]。
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| 图 1 艾比湖流域气象站点分布图 Fig. 1 Distribution of meteorological stations in Ebinur Lake basin | |
本文选取艾比湖流域的7个气象站点(图 1) 1957—2012年逐日最高、最低气温和24 h降水资料，气象数据来源于“中国气象科学数据共享服务网”(http://data.cma.cn)；北极涛动指数(AO)、北大西洋涛动指数(NAO)和厄尔尼诺-南方涛动指数(ENSO)的逐日、逐月数据均来源于美国国家气候预测中心网站(http://www.cpc.noaa.gov/products/precip/CWlink/MJO/climwx.shtml)，其中ENSO指数采用Nino3.4区(5°S~5°N, 170°W~120°W)的海温距平(SSTA)表示。极端指标的定义和计算采用世界气象组织“气候变化检测和指标”推荐使用的极端气候指标[25-26]，通过RClimDex软件[26]计算包括16个极端气温指数和6个极端降水指数(表 1)。数据集在指数计算前经过严格的质量控制，综合考虑站点序列长度、数据完整性与均一性，选用资料从1957年1月1日至2012年12月31日。
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表 1 极端气温和降水指数说明 Table 1 Definitions of extreme temperature and precipitation indices in the study |
选用一元线性回归方程对极端气候指数的变化趋势进行拟合分析，采用时间t与序列变量y之间的相关系数进行极端指数变化趋势的显著性检验[27]。即
| $ y\left( t \right) = at + b. $ |
式中：y为分析指标；t为时间因子；a、b为待定系数。当a＞0时，表示该指标呈上升趋势；a＜0时，表示呈下降趋势；a的绝对值越大，表明极端指标的变化程度越大。采用t-test进行变化趋势的显著性检验。
本文采用Mann-Kendall (M-K)方法进行突变检验，详细计算公式参考文献[28]。
2 结果与分析 2.1 极端气温变化特征 2.1.1 极端气温暖指数艾比湖流域1957—2012年极端气温暖指数的线性变化趋势和5 a滑动平均线结果如图 2所示。可看出，8个暖指数中，SU、WSDI和TXx呈微弱上升趋势，其他5个暖指数均呈显著上升趋势(p＜0.05)。其中，TN90p、TX90p和TR的变化趋势一致，20世纪60年代以前变化较小，60至70年代之间呈迅速上升和急剧下降趋势，70年代之后呈波动上升趋势；近56年这3个暖指数均呈显著上升趋势(p＜0.05)，年际倾向率分别为3.26、1.24和2.69 d/10 a。TXx、GSL和WSDI的变化趋势总体相似，均表现为年际波动变化较大；20世纪50至60年代呈迅速下降的趋势，60至70年代中期波动上升，70年代中期至90年代呈缓慢下降的趋势，90年代之后变化较小；但近56年来TXx和WSDI的总体变化较小，其变化趋势没有统计学意义上的显著性(p＞0.05)，而GSL呈显著上升趋势(p＜0.05)，年际倾向率分别为0.07 ℃/10 a、0.19 d/10 a和1.79 d/10 a。
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| 图 2 极端气温暖指数变化趋势 Fig. 2 Trends in extreme warm indices | |
近56年来，TNx在0.001水平上呈显著上升趋势；其中，20世纪50至60年代趋于下降，60年代初期迅速上升，而60年代后期又迅速下降；70年代至80年代初缓慢上升，80年代初至1992年呈缓慢下降趋势，1992—2012年变化较小；近56年TNx的年际倾向率远高于TXx，总体上以0.35 ℃/10 a的年际倾向率显著上升。SU的变化趋势较小，但p值高达0.76，表明其变化趋势不存在统计学意义上的显著性；20世纪80年代之前SU与GSL等暖指数的变化趋势一致，但80年代之后变化较小，可能导致该指数近56年来总体呈趋势较小，其上升速率仅为0.87 d/10 a。
2.1.2 极端气温冷指数艾比湖流域1957—2012年极端气温冷指数的变化趋势如图 3所示。可看出，近56年来各冷指数的变化特征差异较大。TN10p、FD和CSDI总体变化趋势相同，均呈显著减少趋势(p＜0.05)，ID和TX10p呈现缓慢减少的趋势；其中，TN10p在70年代以前呈迅速上升趋势，70年代之后呈迅速减小的趋势，总体上以2.92 d/10 a的年际倾向率呈显著减小趋势(p＜0.001)；1957—2012年，FD总体上以3.17 d/10 a的年际倾向率呈显著减小趋势(p＜0.05)，但波动较小；CSDI呈不断减小，且其减小趋势最为显著(p＜0.001)，年际倾向率达2.13 d/10 a。TX10p和ID的变化特征相似，均呈波动减小趋势，但二者的变化趋势不存在统计学上的显著性(p＞0.05)，年际倾向率分别为0.58和1.25 d/10 a。
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| 图 3 极端气温冷指数变化趋势 Fig. 3 Trends in extreme cold indices | |
1957—2012年，TNn和TXn的变化趋势较为特殊，与其他冷指数相比，TNn和TXn呈明显增加的趋势，且TNn通过了0.001水平上的显著性检验。从时间变化来看，二者的变化趋势相同，表现为1957—1990年之间呈波动上升的趋势，且变化幅度较大，1990—2012年则缓慢减少；近56年，二者总体上平均每10 a分别上升0.78 ℃和0.33 ℃。
2.1.3 气温日较差DTR的变化趋势如图 4所示，分析表明：近56年DTR呈显著的下降趋势(p＜0.001)，平均每10 a下降0.29 ℃；从时间变化来看，20世纪60年代以前呈迅速下降趋势；60年代初又迅速上升到1962年的12.33 ℃，1962年之后呈缓慢下降的趋势。
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| 图 4 气温日较差变化趋势 Fig. 4 Trends in DTR in Ebinur Lake basin from 1957 to 2012 | |
相关研究[29]指出，DTR主要反映最高气温与最低气温的变化，进一步分析发现，近56年来艾比湖流域年平均最高气温变化较小，年际倾向率仅为0.15 ℃/10 a，且其变化未能通过0.05水平的显著性检验；但年平均最低气温呈显著上升趋势(p＜0.001)，平均每10 a上升0.47 ℃，说明艾比湖流域DTR的变化主要由于最低气温的显著升高所引起，这与青藏高原色林错流域DTR的变化特征相一致[17]。
2.2 极端降水变化特征艾比湖流域1957—2012年极端降水指数变化趋势如图 5所示，可以看出，6个极端降水指数中，除CDD呈显著减少趋势外(p＜0.001)，其他5个指数均呈上升趋势，RX1day、RX5day和PRCPTOT均通过了0.05水平的显著性检验。
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| 图 5 极端降水指数变化趋势 Fig. 5 Trends in extreme precipitation indices | |
从时间变化来看，20世纪90年代以前CDD波动变化较大，90年代之后呈缓慢减小趋势，近56年以3.63 d/10 a的年际倾向率呈显著减小趋势(p＜0.001)；CWD的变化特征与CDD相反，60年代以前呈迅速上升趋势，60年代至80年代呈缓慢下降趋势，80年代之后变化较小，近56年来其总体变化也相对较小，且其上升趋势未通过统计学意义的显著性检验(p＞0.05)，年际倾向率仅为0.01 d/10 a。RX1day、RX5day、PRCPTOT和SDII的变化特征相似，表现为70年代之前呈迅速上升和迅速下降趋势，70年代初至90年代变化较小，而90年代之后年变化较大；近56年，总体上呈波动上升趋势，年际倾向率分别为0.79、1.09、7.09 mm/10 a和0.07 mm/(d·10 a)。
2.3 极端气温与降水指数的突变分析通过M-K检验分析表明，1957—2012年，艾比湖流域的22个极端气候指数中除CWD、ID、TR、SU、TN90p、TN10p和PRCPTOT等7个极端指数外，其他15个极端气候指数均发生突变(图 6)。
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| 图 6 艾比湖流域极端气温与降水指数的M-K检验 Fig. 6 Mann-Kendall test of extreme temperature and precipitation indices in Ebinue Lake basin from 1957 to 2012 | |
从突变检验结果来看，暖指数TX90p、GSL、WSDI、TNx和TXx分别在1972、2004、2001、1991和1964年有明显的突变；冷指数CSDI、FD、TX10p、TNn和TXn分别在1977、1993、2004、1975和1973年发生突变。从冷暖指数的突变时间来看，从20世纪70年开始各极端气温指数均呈现出不同的突变特征，如TX90p从一个相对偏短期变化为相对偏长期，CSDI从一个相对偏长期变化为相对偏短期，TNn和TXn从一个相对偏冷期变化为相对偏暖期；2000年之后GSL、WSDI均从一个相对偏短期变化为相对偏长期。而DTR突变时间点为1998年，在1998年之后由一个相对偏高期转变为相对偏小期。总体来看，自20世纪70年代开始，艾比湖流域温度变化由相对偏冷期转变为相对偏暖期。
从极端降水指数的突变时间来看，RX1day和RX5day的突变点均发生在1982年左右，由偏少期变为相对偏多期；SDII的突变点也在1982年，由偏低期变为相对偏高期；CDD突变时间较晚，为2000年，由偏多期变为相对偏少期。综合来看，近56年艾比湖流域极端气温与降水指数的变化趋势表现为由“冷干”向“暖湿”的变化，即气温不断升高，降水不段增多的趋势；这一变化特征总体上与新疆地区[30]和中国整个西北地区[15]的变化趋势相一致。
2.4 极端气候指数与其他区域的对比研究总体来看，20世纪50年代之后新疆艾比湖流域的极端气候变化与全球其他地区的变化趋势基本相同(表 2)，但也表现出明显的差异性：如其他地区SU的上升趋势均大于1.0 d/10 a，而艾比湖流域上升趋势较低。暖指数TXx、GSL、WSDI的变化趋势相比其他地区明显偏小，其他暖指数无明显差异；DTR的变化幅度明显大于其他地区；冷指数的变化表现为TNn、TXn、CSDI变化趋势明显高于其他地区，而FD、ID变化幅度小于其他地区。值得注意的是TN90p、TX90p、TN10p和TX10p这4个气温指数的变化幅度远小于全球、全国以及新疆等大区域的平均尺度，但大于其他小流域尺度。总体来看艾比湖流域的暖指数变化小于其他地区，但冷指数的变化趋势明显大于其他地区，且冷指数表现为增温的趋势，与其他学者的研究结果相似[16]；同时也表明在全球气候系统变暖的大背景下，以艾比湖流域为代表的中国西北地区对气候系统的变化更为敏感。从降水指数来看，RX1day和RX5day的上升幅度要小于大部分地区，其他降水指数差异较小。
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表 2 艾比湖流域1957—2012年极端气温和降水指数线性变化趋势与其他区域对比 Table 2 Comparison of the linear trends of extreme temperature and precipitation indices between Ebinur Lake basin and other regions |
综合前文分析来看，一些冷指数(CSDI、TXn、TNn)的增温幅度明显大于部分暖指数(WSDI、TNx、TXx)，这种变化的原因主要是由于冬季比夏季较大的变暖幅度造成[1]，前人的研究[9]表明，其物理机制是冬季空气中的水汽含量较夏季小，因此冬季温室气体的辐射强迫效应增强进而引起更大幅度的升温；极端气温夜指数(TN90p、TN10p)的变暖幅度也明显大于昼指数(TX90p、TX10p)。
2.5 极端气候指数的影响因素分析 2.5.1 极端气温与大气环流指数相关性分析由极端气温与大气环流指数的相关性分析(表 3)可以看出，除SU、TR、DTR外，其他各极端气温指数之间均具有较好的相关性，大部分通过了0.05的显著性检验。各暖指数之间、各冷指数之间均呈显著正相关关系(p＜0.01)，而冷指数与暖指数之间则呈显著负相关关系(p＜0.01)；前文的分析表明暖指数大部分呈上升趋势，而冷指数大部分呈减少趋势，表明在艾比湖流域冷、暖指数的变化具有对称性，该变化特征与中国西北地区[15]整体的变化趋势一致。
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表 3 极端气温指数其与大气环流指数相关关系矩阵 Table 3 Correlation matrix of extreme temperature indices and atmospheric circulation patterns |
从各极端气温指数与大气环流指数AO、NAO和ENSO的相关性分析来看，AO和NAO与大部分冷指数呈负相关关系，但均与TXn和TNn呈显著正相关关系，且分别通过0.01和0.05水平的显著性检验；同时，AO与FD、TN10p和TX10p等均呈显著负相关(p＜0.05)；ENSO仅与TNn呈显著正相关(p＜0.01)，与CSDI、DTR呈显著负相关(p＜0.05)。表明3种环流指数均与艾比湖流域极端气候冷指数的相关性较高，而AO指数的变化与该流域的极端气温指数的变化相关性最强；Ma等[19]基于艾比湖湖泊沉积物粒度等指标示踪的区域气候变化分析也表明，艾比湖流域气候系统明显受AO指数的影响。
2.5.2 极端降水与大气环流指数相关性分析艾比湖流域极端降水指数之间及其与大气环流指数的相关性分析如表 4所示，分析表明，CDD于PRCPTOT呈显著负相关(p＜0.01)，但与其他降水指数的相关性不显著；RX1day、RX5day、CWD、SDII和PRCPTOT等5个降水指数之间的相关性较高，均通过了0.01水平的显著性检验。各极端降水指数与AO、NAO和ENSO的相关性均较小，且没有统计学意义的显著性，表明研究区极端降水指数受AO、NAO和ENSO指数的影响较小。
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表 4 极端降水指数与大气环流指数相关关系矩阵 Table 4 Correlation matrix of extreme temperature indices and atmospheric circulation patterns |
为进一步了解极端气温指数变化与内陆小流域年平均气温变化的关系，计算了年平均气温与各极端气候指数的相关系数(表 5)。可看出除TXx和SU与年平均气温相关性较差外，其他极端气温指数与年平均气温的相关性很高，均通过了0.001的显著性水平；尤其是与夜指数(TN10p、TX10p)和昼指数(TN90p、TX90p)的相关系数均达到0.70以上，且与昼指数均呈显著正相关关系，而与夜指数呈显著负相关关系。前文对年降水量与各极端降水指数的分析也表明各种极端降水指数与年降水量之间均具有显著的相关关系(p＜0.01)，表明气候系统的整体变化对艾比湖流域极端气候变化具有明显的影响，而对夜指数(TN10p、TX10p)和昼指数(TN90p、TX90p)的影响最为明显。
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表 5 年平均气温与极端气温指数的相关系数 Table 5 Correlation coefficients between annual mean temperature and extreme temperature indices |
对艾比湖流域1957—2012年间极端气温与降水变化趋势的研究主要得出以下几个结论：
1) 近56年来，在全球变暖的大背景下，艾比湖流域极端气候指数的变化特征总体上与全球其他地区一致，即大多数极端气温暖指数呈明显上升趋势，极端气温冷指数呈明显减小趋势。研究区暖指数的变化总体上要小于全球大部分地区，说明研究区“增温”的过程较其他地区缓慢；夏日日数在其他地区上升趋势显著而艾比湖流域趋势不明显；同时，冷指数的变化明显大于其他地区，即极端低温事件和严寒天气事件相比其他区域明显减少。从极端降水指数的变化来看，艾比湖流域的大多数极端降水指数呈明显的上升趋势，而最大1日和5日降水总量的上升幅度要大于部分地区，表明其“增湿”的速率比其他地区更为明显。
2) 北极涛动指数对艾比湖流域极端气温变化的影响最为显著，其次是北大西洋涛动指数和厄尔尼诺-南方涛动指数，而3种指数对极端冷指数的影响更为明显；3种环流对该区域极端降水也有一定的影响，但对极端降水的影响要明显小于对气温的影响。
3) 艾比湖流域区域性气温的变暖和降水的增加与极端气候指数的变化有紧密关系，气候系统的整体变化导致该区域大部分极端暖指数和冷指数极端最低气温、月最低气温极大值呈明显的上升趋势，而大部分降水指数呈明显上升趋势；说明该区域近56年呈现出“暖冬”事件增多，区域干旱有所缓解的特征，也表明了极端气候的变化对气候变暖的响应是不同的。
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