新疆地区极端气温时空变化特征分析外文翻译资料

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新疆地区极端气温时空变化特征分析

凌洪波 ^a，b，c，徐海祥^a，b，*，付金义^a，b，c，张青青^a，b，c，徐文鑫^a，b，b

a.中国科学院新疆生态地理研究所，乌鲁木齐830011

b.中国科学院研究生院，北京100049，中国

C.中国科学院新疆生态地理研究所荒漠绿洲生态学国家重点实验室，乌鲁木齐830011

摘要

本文以1961~2007年间的数据为基础，运用Mann-Kendall单调趋势检验和小波分析，讨论了新疆极端气温的变化趋势和周期性时空变化。

研究结果如下：(1)新疆北部、南部和东部地区的年平均水平。年平均最高气温、年平均最低气温及每年最低气温均有显著上升，而年最高气温的上升并不显著。(2)年平均最高气温的上升趋势东部大于北部，南部最低。年平均最低气温上升趋势在东部最强，其次是南部和北部。年最高气温在南方比北部上升更大，东部的上升幅度最弱。年最低气温的变化在南部高于东部，北部最低。(3)年平均最高气温、年平均最低气温和年最低气温的平均值在南方最高，其次是东部和北部。年最高气温的均值以东部最高，北部次之，南部最低。(4)极端气温条件下存在3-11年周期的显著周期变化(5)基础显著周期，小波分析能很好地预测未来极端温度的变化趋势。研究结果可应用于气象灾害预警，实现研究区农业可持续发展。

1. 简介

全球气候变化委员会第二次评估报告(1995)指出了研究极端气候变化的重要性，并试图回答气候是否变得更加不规律或更加极端的问题。全球气候变化委员会第三次评估报告(2001)指出，极端天气和气候的持续时间、频率和强度很可能或极有可能发生变化，生态系统将受到消极影响。全球气候变化委员会第三次评估报告(2007)中，我们分析了全球陆地地区主要极端天气事件的频度和强度，以及频度的年代际变化和长期趋势。利用气候模型模拟了未来可能发生的极端气候事件的变化，并对不同温室气体排放进行了数值模拟。在全球气候变化的背景下，极端天气和气候的意义和危害已成为人们关注的焦点并吸引了越来越多的关注(McBean, 2004; Miller and Smolarkiewicz, 2008;Katz and Naveau, 2010; Kumar, 2010; Repetto and Easton, 2010; Sura,2011; Yumul et al., 2011)。

根据相关研究(Karl等人，1993；Easterling等人，1997)，全球最高气温和最低气温都在上升，最低气温上升幅度最为显著。最低气温的上升趋势是1951-1990年最高气温的三倍(Karl等人，1993)。从20世纪40年代到80年代，美国大多数地区的最高气温保持不变或略有上升，而最低气温则明显上升(卡尔等人，1984)。

在中国也出现了类似的变异特征(任和翟志刚，1998)。新疆位于欧亚大陆腹地，属于西北内陆干旱半酸化地，以广泛的沙漠和脆弱的生态系统为特征。1949年至2011年，新疆耕地面积和人口分别增长63.5%和80.1%。由于全球变化和人为活动的扰动，新疆发生了由暖干气候向暖湿气候的强烈转变(石等人，2007；郝等人，2008；徐等人，2010)，导致新疆地区水循环加快，洪涝灾害愈加严重(陈和徐.,2005; 蒋等, 2005;陈等, 2009)。新疆的区域河流径流主要依赖冰川融水，冰川融水一直是新疆河流的重要组成部分，而这已被微小的气温波动距离影响。

此外，由于新疆远离海洋，水汽输送不仅受到水汽资源的限制，而且还受到地形的影响。来自印度欧斯的西南季风被喜马拉雅山和青藏高原拦截，因此水汽到达新疆是非常困难的。太平洋海的东南季风和热带风暴经向环流以影响中国东部为主，很少到达新疆。新疆位于北半球盛行的西风带（西风流为北半球的西风），以西风带为主要水汽来源。北冰洋的干冷流是第二源，其水汽含量相当于西风流的25-33%。此外，高山阻碍了水汽的输送，也导致了新疆不同的极端气温空间格局。因此，新疆不同地区极端气温的变化趋势被大尺度的大气环流影响，地理条件尚需考察。因此，本研究利用了新疆53个气象站的资料，资料包括年平均最高气温、年平均最低气温、年最高气温及1961至2007年间的年最低气温。采用非参数检验和小波分析方法，分析了新疆极端气温的变化趋势和周期特征。研究通过地统计学方法分析了气候因素的时空变化特征，为社会经济增长规划提供了科学基础并致力于新疆经济与环境保护。

1. 研究区域

新疆由北部、东部和南部组成，新疆北部包括阿尔泰、塔城、伊犁、布尔塔拉蒙古自治州、乌鲁木齐和昌吉。新疆东部覆盖哈密、图尔潘、巴银林蒙古族自治州，阿克苏、喀什、和田、基齐尔苏柯尔克孜自治州，属新疆南部。总面积166.04 104平方公里，人口2.181*10⁷(高等，2011)、新疆(73400 E w96-180 E、34250 N w48100 N)是中国最大的省级行政区域，占国土总面积的六分之一。见图1)。不像其他干旱区，新疆的地貌特征包括准噶尔盆地和塔里木盆地，这些盆地分布在阿拉泰山、天山和昆仑山三大山脉之间。内陆深处输送的水蒸气被高山拦截，从而在山区产生降雨，并向平原地区的河流和运河供水。塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地中部，是我国最大的沙漠，世界第二大沙漠，总面积32.4104平方公里。它被迁徙的沙丘所控制，海拔100-150米。古尔班通古特沙漠是我国第二大沙漠，位于准噶尔盆地中部，砂带和半砂丘为主，占总沙漠面积的97%。我另外，沙丘的植被覆盖度为40-50%，半沙丘的植被覆盖度为15-25%。

图1.新疆地图及显示选定气象站的位置。

新疆年平均降水量为147 mm，占全国平均降水量的23%。区域降水差异较大。北方的降水量比南方多，西部比东部多，山区比平原多，迎风坡比背风坡多(唐许，2010；徐氏等，2010)。新疆北部比南部小。北部地区平均降水量为255mm，水资源总量为1150*10⁸m³(占新疆水资源总量的47%)。江南地区降水106mm，总水资源1280times;10⁸m³(占新疆水资源的53%)。新疆冬季北部气温高于南疆，而在夏天夏季降水低于南方。新疆最低温度在一月份，特别是准噶尔盆地平均气温低于20℃。位于准噶尔盆地北缘的凤云县是中国最寒冷的地区，最低温度为50.15℃。新疆最高温度在7月份。吐鲁番地区的平均气温超过33摄氏度，达到绝对最高气温49.6摄氏度，使吐鲁番成为中国最热的地区。

1. 数据和研究方法

3.1.数据来源

本研究收集了1961-2007年间53个气息站点的年平均最高气温、年平均最低气温、年最高气温及年最低气温数据(由新疆气象局提供)。年平均最高(最低)温度是最高(最低)温度的平均值，数据均为逐日数据。年最高(最低)温度是每年记录的最高(最低)温度。新疆地形复杂(高山与平原交错，沙漠与绿洲共存)。不同区域间的温度差异较大。因此，新疆分为东部、北部和南部三个气候区(刘，2008)，以天山作为新疆的气候区边境。这种划分是为了分析极端气温的变化(表1)。

3.2. Mann-Kendall单调趋势检验

在气候和径流时间序列的假设检验中，一般考虑单调趋势。在Mann-kendall单调趋势检验中，空假设暗示t的变化趋势。时间序列不是指fi能，而替代假说则表明fi不能变化的趋势(徐等人，2006)。Mann-kendall单调趋势检验的测试能力优于测试的结果。此外，没有必要在测试前假设样本的特定统计分布(徐等人，2011)。

依次对时间序列(X1、X2、X3、.、Xn)进行比较，结果如下：

Mann-Kendall统计数据的计算结果如下：

当ngt;=8时，S近似服从正态分布。将0均值和方差(假设没有绑定组)作为：

其中X_K和X_I是随机变量，n是所选数据序列的长度。测试统计量Z_c是：

当Zc值在1.96le;Zcle;1.96范围内时，可以接受零假设，且样本中的变化趋势不明显。当|Z|gt;1.96时，在95%置信水平上变化趋势明显。当|Z|gt;2.58时，在99%的置信值水平上变化趋势明显。此外，正Zc表示序列有上升趋势，而负Zc 则表示有下降趋势(Kendall，1975)。

3.3. Morlet连续小波变换

小波分析被广泛用于揭示气候变化的周期性特征，并在不同的时间尺度上检测周期性变化(XU等人，2010，2011)。

Morlet小波(JT)表示由高斯函数调制的波，如下所示：

其中I是虚数的单位，t是无量纲时间参数，c是常数(Farge，1992；Torrence和Compo，1998).离散信号f(t)的连续小波变换H Morlet wavelet（JT）是：

其中，W_F(a，b)是变换系数，a和b分别是尺度参数和平移参数，t是时间尺度，j*是复共轭，小波方差用于确定时间域在不同尺度上的主要周期性，并表示如下：

其中，Var(A)是小波方差，a是时间尺度。小波方差的峰值对应于不同时间尺度上的主周期。小波方差的周期信号性质是通过卡方检验(Farge，1992；Torrence和Compo，1998)。

在小波分析过程中，误差一般出现在有限长时间序列的起始或结束处。因此，为了避免消除1年自然周期和年时间序列异常，在小波变换之前在时间序列的开始和结束时加入对称扩展。

表1.新疆气象站地理坐标。

1. 结果与讨论

4.1. 新疆年平均极端气温变化趋势的时空变化特征

根据Mann-Kendall单调趋势检验，如图2，新疆北部地区WQ站和WRMQ站年平均最高气温的统计值Z0分别为-0.41和-0.51。两站均低于1.96(Z_0.05 =1.96)，未能达到1961~2007年间的0.05的置信水平，因此在1961~2007年间呈现轻微下降趋势。站点SCJH、KRMY、ALSK、DBC在0.01-1.95范围内，在0.05的试验水平下，各测站的增加趋势不显著。其余16个站点均有显著上升趋势，最大统计值超过1.96。在tc、hbksr、tl、bts、yn和qh站的上升趋势尤为明显，其年平均最高气温的增幅达到了0.01置信水平(Z_0.01=2.58)。

图 2. 新疆年平均最高气温Mann Kendall单调趋势检验结果的空间分布

此外，YN站的增长趋势最强烈，Z值最大为3.79。在新疆南部，TRGT、TSKRG、HT和KS站的年平均最高气温在0.05置信水平上有显著地上升趋势。在bc、aks、bch、lt、krl、tglk、rq和qm站点通过了置信度0.01的检验，其余的站点均为轻微上升趋势。南疆台站TGLK站的统计最大值为3.15，BYBLK站的最小值为0.44。在新疆东部，TRP站点的上升趋势在0.05置信水平上并不明显 (Z_0.01=1.81 lt; Z_0.05），而其他六站有了明显的提高，特别是HLH，有4.04的最大统计值和最突出增长趋势。

图3显示了1961~2007年新疆年平均最低气温变化趋势。在北疆，QT站点的年平均最低温无明显增加(Z₀=1.81)。站BTS和WRMQ在置信度为0.05的水平上有显著的上升趋势，其他站点通过了置信度为0.01的水平的检验。统计最大值(Z₀=5.87)出现在HBKSR站，且增加趋势最显著。在新疆南部，南疆地区的年平均最低气温在KC站在试验水平为0.0 1时，能呈极显著的下降趋势，统计值为-3.6 5。此外，虽然YT站的增长并不显著，但其他22个气象站都通过了置信度为0.05的检验，最大值在MF站(Z₀=6.82)。此外，新疆东部各站的年平均气温在1961-2007年间显著上升，通过了测试水平为0.0 5的测试。

4.2. 新疆年极端气温时空变化特征

根据新疆1961~2007年间极端气温年资料，采用Mann-kendall单调趋势检验，分析了不同站的长期变化趋势（见图4、图5）。

如图4所示，新疆北部地区Qt、CJH、WRMQ、WQ和ZS站的年最高气温呈下降趋势，WRMQ站的年最高气温最低为-2.69。FY站、QH站和JH站在0.01的置信水平上均有显著地上升趋势，QH站的统计量最高(2.71)。站HBKSR在置信度为0.05的水平上有显著的上升趋势。其他站点的增长趋势并不明显。南疆地区KP、ALR、KC、BLT、YT、HT、SC和KS站均有下降趋势，其中最明显的出现在ALR站(Z₀=-3.01)。GLK站和QM站的年最高气温增幅显著(统计值分别为2.18和3.38)，其余14个站则略有增加。折痕。在新疆东部，Yw、HM和TRP呈下降趋势，而

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