姚俊強(qiáng)， 李漠巖， 迪麗努爾·托列吾別克， 陳 靜， 毛煒嶧

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室，新疆樹木年輪生態(tài)實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

目前，全球正在經(jīng)歷著一次以持續(xù)變暖為主要特征的氣候變化，但變暖在全球各地的局地響應(yīng)存在差異［1］。全球變暖背景下，近幾十年來我國西北地區(qū)尤其是新疆正在經(jīng)歷著一次暖干向暖濕的氣候轉(zhuǎn)型，被稱為新疆氣候“暖濕化”現(xiàn)象［2-3］，已成為學(xué)術(shù)界、政府部門和社會大眾普遍關(guān)注的重要科學(xué)問題［4-6］。近年來，學(xué)界對新疆區(qū)域氣候變化，尤其是降水增加和氣候變濕趨勢取得了一些新認(rèn)識，但對其不同時間尺度下新疆氣候是否經(jīng)歷了“暖濕化”存在較大分歧，對過去千年、百年和年代際新疆“暖濕化”的演變特征認(rèn)識還不清晰。

新疆地處中緯度內(nèi)陸區(qū)，遠(yuǎn)離海洋，是全球最大的非地帶性干旱區(qū)（亞洲中部干旱區(qū)）的核心組成部分，毗鄰青藏高原，“三山夾兩盆”地形復(fù)雜，地貌獨特，地表過程復(fù)雜，受西風(fēng)、季風(fēng)和高原大地形的共同影響，在北半球氣候環(huán)境系統(tǒng)中占據(jù)著極為重要的地位，在全球干旱區(qū)中具有代表性［7-9］。同時，新疆區(qū)域位于“絲綢之路”樞紐地帶，是“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”的核心區(qū)和關(guān)鍵區(qū)，是我國西部大開發(fā)的主戰(zhàn)場和我國重要生態(tài)環(huán)境屏障區(qū)，其氣候變化的影響不僅事關(guān)“一帶一路”建設(shè)的水資源、生態(tài)和環(huán)境安全問題，而且直接關(guān)乎國防安全、社會穩(wěn)定和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展大計［6,10-11］。因此，全面深入理解新疆區(qū)域氣候變化及其影響問題是開展氣候水文及生態(tài)環(huán)境研究的基礎(chǔ)，對加強(qiáng)中國生態(tài)、水資源和社會安全和災(zāi)害風(fēng)險防范等方面具有重要理論與現(xiàn)實意義。

新疆氣候干燥，水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，對全球氣候變化響應(yīng)異常敏感［12］。降水變化和干濕趨勢是決定新疆區(qū)域社會興衰穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和文明進(jìn)程最為關(guān)鍵的自然因素。新疆氣候主要受西風(fēng)帶環(huán)流的影響，氣候變化呈現(xiàn)出與東部季風(fēng)區(qū)不同的特征［4］。研究發(fā)現(xiàn)新疆區(qū)域全新世氣候呈現(xiàn)早全新世干旱、中晚全新世相對濕潤的變化特征，存在顯著不同于東亞季風(fēng)區(qū)的氣候變化“西風(fēng)模態(tài)”［4］。在溫濕配置（或水熱配置）關(guān)系來看，過去千年尺度新疆區(qū)域氣候總體呈“暖干、冷濕”配置特征［13］。根據(jù)樹木年輪代用資料重建的新疆過去300 a氣候序列發(fā)現(xiàn)，新疆北部氣候溫濕配置主要以“冷干、暖濕”為主［6］?？梢钥闯?，不同時間尺度下氣候溫濕配置關(guān)系存在差異。在全球變暖背景下，全球陸地尤其是干旱區(qū)干濕變化也存在爭議，已成為當(dāng)今科學(xué)界討論的熱點問題，即全球變暖背景下干旱區(qū)變得更加干旱還是濕潤？一種觀點認(rèn)為“干者更干，濕者更濕”［14-15］；而另一種觀點認(rèn)為“干濕互濟(jì)”，即干旱地區(qū)變濕［16］；也有觀點認(rèn)為大部分地表區(qū)域無明顯的干濕趨勢［17］。過去百年以來，新疆區(qū)域大多時段呈“冷干、暖濕”配置，氣溫和降水變化的一致性較好［10］。事實上，氣候溫濕配置關(guān)系異常復(fù)雜，并不是簡單的對應(yīng)關(guān)系，不同時間尺度上溫度與降水變化具有不同的響應(yīng)關(guān)系，也存在明顯的區(qū)域差異［18-19］。

21 世紀(jì)初，綜合河流徑流量、湖泊水位、植被覆蓋、降水變化等諸多自然要素變化，施雅風(fēng)院士等［2-3］提出了西北干旱區(qū)氣候“暖濕化”轉(zhuǎn)型推斷，其中新疆區(qū)域“暖濕化”更加明顯。此外，大量數(shù)據(jù)和研究［6,10,12,20-21］表明，新疆降水自20 世紀(jì)80 年代以來存在一定程度的增加。但也存在區(qū)域差異，張強(qiáng)等［22］基于西北地區(qū)實測降水資料提出西北西部（新疆為主）與西北東部在降水趨勢、年代際和年際表現(xiàn)出顯著的蹺蹺板變化，新疆氣候轉(zhuǎn)為“暖濕化”，而東部仍然為“暖干化”，但在21世紀(jì)以來西北同時進(jìn)入增濕期［10］。21世紀(jì)以來，新疆氣候持續(xù)增溫而降水微弱減少［9］。從增溫引起的蒸發(fā)需求增加與降水增加的水分平衡角度，姚俊強(qiáng)等［6］提出了新疆氣候“濕干轉(zhuǎn)折”的觀點，認(rèn)為21世紀(jì)以來新疆大部分區(qū)域氣候有轉(zhuǎn)向暖干化的信號，但在新疆西北部、帕米爾高原等區(qū)域依然持續(xù)“暖濕化”?？梢钥闯觯軄喼藜撅L(fēng)、西風(fēng)帶和高原系統(tǒng)影響，新疆干濕氣候變化十分復(fù)雜，不僅存在不同時間尺度的演變過程，還存在明顯的次區(qū)域差異特征，尤其是增濕過程和影響機(jī)制更加復(fù)雜，很多問題還需要更深入的科學(xué)探討。

鑒于此，本文試圖針對前期研究提出的新疆氣候“暖濕化”問題，從多時間尺度角度，系統(tǒng)分析評估歷史時期至年代際尺度下新疆氣候“暖濕化”的演變特征，并考慮了2個主要問題：（1）和北半球其他地區(qū)相比，氣候“暖濕化”是否為新疆區(qū)域所獨有的？（2）新疆氣候“暖濕化”是否存在不同時間尺度和空間格局上的差異？“暖濕化”是否持續(xù)增強(qiáng)？本文利用過去近60 a 的觀測資料和最新文獻(xiàn)梳理評估，試圖回答上述問題。

1 數(shù)據(jù)來源

（1）干濕指數(shù)：使用到的干濕指數(shù)包括自適應(yīng)帕默爾干旱指數(shù)（sc_PDSI）和干燥度指數(shù)（AI）。sc_PDSI 指數(shù)是最常用干濕代用指標(biāo)，綜合考慮了降水量、土壤含水量、徑流和潛在蒸散量，其中全球sc_PDSI 指數(shù)來自CRU 網(wǎng)站（https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/drought/#global）［23］；AI 指數(shù)的計算公式為AI=(PET-PRE)/PET，其中PET 為潛在蒸散量，PRE 為降水量。潛在蒸散量可表征蒸發(fā)能力，其中已經(jīng)包含了升溫的因素。因此，sc_PDSI 指數(shù)是在考慮溫度對蒸散影響的基礎(chǔ)上來表征氣候干濕程度，可以用來表征區(qū)域“暖濕化”程度。以上數(shù)據(jù)來自英國東安哥拉大學(xué)氣候研究中心(Climatic Research Unit,CRU)最新數(shù)據(jù)集（CRU TS v4.04），空間分辨率均為0.5°×0.5°。這套數(shù)據(jù)集除了在極低、海洋或高原等地區(qū)外，偏差比較小［24］。張強(qiáng)等［10］利用西北區(qū)域觀測時間較長的代表站資料與CRU 同期資料對比，發(fā)現(xiàn)二者具有很好的相關(guān)性，對區(qū)域氣候變化趨勢分析有較好可信度。

（2）觀測資料：選取新疆區(qū)域89站1961—2019年逐月氣溫和降水量資料。溫度與降水資料已經(jīng)過質(zhì)量控制和均一化訂正處理，并已在大量研究中被廣泛使用［6］。

2 北半球其他典型區(qū)域與新疆地區(qū)干濕氣候變化趨勢對比

2.1 氣溫和降水量變化趨勢對比

為了探討氣候“暖濕化”在北半球多大空間范圍內(nèi)存在，首先需要了解北半球氣溫和降水量變化趨勢的空間分布。在全球變暖的背景下，1961—2019 年北半球氣候存在一致性的變暖趨勢，其中35°N以北的中高緯度地區(qū)變暖更加明顯，變暖趨勢在0.3 ℃·（10a）-1以上，且均通過了95%的顯著性水平檢驗（圖1a），說明包括新疆在內(nèi)的北半球中高緯度地區(qū)變暖明顯。

圖1 基于CRU TS v4.04數(shù)據(jù)的1961—2019年北半球氣溫(a)和降水量(b)變化趨勢Fig.1 Distributions of trends in annual mean temperature(a)and annual precipitation(b)over the Northern Hemisphere during 1961-2019 based on CRU TS v4.04

與氣溫的一致性變化相比，北半球降水量的變化存在明顯的空間異質(zhì)性。從1961—2019 年北半球降水量變化趨勢的空間分布來看，降水顯著性增加的區(qū)域主要位于45°N以北的區(qū)域，包括歐洲北部和西伯利亞地區(qū)；而在45°N 以南的中國新疆干旱區(qū)、青藏高原和里咸海地區(qū)，降水量也存在明顯的增加趨勢。與此相反，在地中海周邊地區(qū)、歐洲中部、中西亞南部、蒙古高原和中國華北地區(qū)，表現(xiàn)為明顯的降水減少趨勢（圖1b）。

為了更進(jìn)一步分析氣候“暖濕化”的異質(zhì)性，選取與新疆區(qū)域（35°～50°N，75°～95°E）相同緯度或者相同經(jīng)度的區(qū)域進(jìn)行對比分析，其中對比區(qū)域包括在新疆以北的西伯利亞西部地區(qū)（55°～65°N，75°～95°E）、以西的地中海地區(qū)（35°～50°N，10°W ～15°E）和以東的中國華北地區(qū)（35°～50°N，105°～125°E）。發(fā)現(xiàn)新疆區(qū)域降水量在1961—2019 年期間明顯增加，趨勢率為4.6 mm·（10a）-1（P＜0.01），與其同經(jīng)度以北的西伯利亞西部地區(qū)降水量也明顯增加，趨勢率為10.4 mm·（10a）（P＜0.01）（圖2a、圖2b），同經(jīng)度以南相鄰的青藏高原也明顯增濕，反映了在新疆經(jīng)向區(qū)域存在較大范圍且一致的增濕過程，這個范圍從青藏高原南緣向北延伸到北極地區(qū)。但是，在新疆同緯度的東西方向，盡管共同受西風(fēng)環(huán)流的影響，但降水變化存在明顯的區(qū)域差異特征。地中海地區(qū)和中國華北降水量均有不明顯的減少趨勢，變化率也基本相當(dāng)，變化率為-4.6 mm·（10a）-1，未通過95%的顯著性水平檢驗（圖2c、圖2d）。說明在北半球中緯度地區(qū)，受西風(fēng)環(huán)流影響的新疆區(qū)域降水變化明顯區(qū)別于東亞季風(fēng)氣候區(qū)和地中海氣候區(qū)，反映了新疆氣候增濕過程的獨特性。

圖2 北半球典型區(qū)域1961—2019年降水量變化趨勢Fig.2 The time series of annual precipitation in typical regions in 1961-2019

綜合北半球氣溫和降水量變化趨勢的空間范圍，以及典型區(qū)域的對比分析，發(fā)現(xiàn)1961—2019 年北半球氣候“暖濕化”和“暖干化”水熱配置模式并存，其中高緯度地區(qū)以“暖濕”為主，而中低緯度地區(qū)“暖干”特征居多；“暖濕”氣候水熱配置區(qū)域主要位于歐洲北部、西伯利亞地區(qū)、中國新疆干旱區(qū)和青藏高原，以及中亞里咸海地區(qū)；而“暖干”氣候水熱配置區(qū)域主要位于地中海周邊地區(qū)、西亞和中亞南部、蒙古高原主體和中國華北、華南地區(qū)。因此，從北半球視角看“暖濕化”問題，發(fā)現(xiàn)高緯度地區(qū)“暖濕化”呈帶狀分布，經(jīng)向從西伯利亞西部、中國新疆和青藏高原形成“暖濕化”區(qū)域。因此，北半球氣候“暖濕化”空間范圍大致呈“T”字型，新疆連接著均發(fā)生“暖濕化”的高緯度地區(qū)和青藏高原地區(qū)，同時新疆“暖濕化”在中緯度地區(qū)具有獨特性。

2.2 干濕氣候變化趨勢對比

以上從氣溫和降水要素變化的水熱配置角度研究了北半球視角下的“暖濕化”空間范圍特征。但是，區(qū)域的干濕變化受控于該區(qū)域的水分平衡狀態(tài)，除了受氣溫和降水的影響外，還受土壤含水量、地表徑流和潛在蒸散發(fā)等的影響。sc_PDSI 指數(shù)綜合考慮了水分蒸散、徑流、土壤水分交換等水循環(huán)因素以及前期降水量和水分供求對后期的影響，物理意義明確，是一個良好的干濕代用指標(biāo)［1］。

從基于sc_PDSI 指數(shù)揭示干濕變化的角度來看，北半球干濕氣候變化的空間異質(zhì)性更加明顯。50°N 以北的高緯度地區(qū)以變濕為主，其中格陵蘭島、波羅的海沿岸地區(qū)、西伯利亞東部地區(qū)增濕顯著；而在50°N 以南以變干為主，顯著變干的區(qū)域包括歐洲大部分、地中海周邊地區(qū)、中亞和西亞大部分、印度半島北部、蒙古高原主體、中國華北和西南地區(qū)（圖3a）。但是，在中國新疆地區(qū)、青藏高原主體和帕米爾高原地區(qū)，以更加明顯的增濕過程為主，與同緯度地帶的變干形成顯著差異，反映了該區(qū)域干濕變化的獨特性。

典型區(qū)域比較發(fā)現(xiàn)，新疆區(qū)域是北半球增濕趨勢最顯著的區(qū)域之一，1961—2019 年sc_PDSI 指數(shù)變化趨勢為0.29·（10a）-1（P＜0.01），西伯利亞西部為0.21·（10a）-1（P＜0.01）。與增濕相比，變干的速率更大更顯著，如地中海周邊地區(qū)變干速率為-0.41·（10a）-1（P＜0.01），中國華北區(qū)域也達(dá)到0.36·（10a）-1（P＜0.01）（圖4）。值得注意的是，顯著變干區(qū)域的速率是顯著變濕區(qū)域的近2 倍，反映了全球變暖背景下北半球暖干的趨勢和風(fēng)險在逐漸加劇，而增濕僅反映在個別獨特區(qū)域和更高緯度的地區(qū)。同時，sc_PDSI 指數(shù)反映的增濕區(qū)域空間范圍與水熱配置反映的“暖濕化”空間范圍相似，也呈“T”字型分布，新疆連接著一致增濕的高緯度地區(qū)和青藏高原，但sc_PDSI指數(shù)揭示的增濕區(qū)域緯度更高。

圖4 北半球典型區(qū)域1961—2019年sc_PDSI指數(shù)變化趨勢Fig.4 The time series of annual sc_PDSI in typical regions in 1961-2019

此外，基于AI 指數(shù)也給出了1961—2019 年北半球干濕變化趨勢空間范圍（圖3b）。不同的是，AI指數(shù)反映了北半球總體以變干為主，只在歐洲北部、里咸海地區(qū)、中國新疆和青藏高原、以及西伯利亞東部地區(qū)有增濕特征，其中中國新疆是北半球增濕最為顯著的區(qū)域之一。同時，AI指數(shù)也反映了高緯度地區(qū)的顯著性變干特征，推測可能與北極增溫引起的蒸發(fā)需求明顯增加、而增加的降水量不足以抵消需求量有關(guān)。

圖3 基于sc_PDSI指數(shù)(a)和AI指數(shù)(b)的1961—2019年北半球干濕氣候變化趨勢Fig.3 Distributions of trends in annual sc_PDSI(a)and annual AI(b)over the Northern Hemisphere during 1961-2019 based on CRU TS v4.04

3 新疆區(qū)域氣候“暖濕化”特征

3.1 過去千年新疆氣候“暖濕化”特征

基于典型湖泊沉積記錄反映出過去千年新疆氣候主要呈“暖干-冷濕”的水熱配置特征［25］。新疆北部的吉力湖沉積記錄顯示，過去2000 年氣候呈“冷濕-暖干-冷干-暖干”的配置［26］；而鐵外克湖沉積記錄顯示，過去900 a 氣候呈“暖干-冷濕-暖干”的配置［27］。新疆博斯騰湖記錄顯示，近千年來在幾百年尺度上氣候也以“暖干-冷濕”的水熱配置為主，其中小冰期（公元1500—1900 年）有明顯的“冷濕”氣候，與近百年來氣候變暖背景下出現(xiàn)的“暖干”氣候相比更加濕潤［28］。因此，過去千年沉積記錄均反映了新疆“暖干-冷濕”的氣候配置特征，并沒有出現(xiàn)明顯的“暖濕”氣候階段。此外，湖泊記錄紀(jì)年的不確定性和較低的時間分辨率，導(dǎo)致了各個氣候階段的起訖時間存在差異［13］。

3.2 過去百年新疆氣候“暖濕化”特征

樹輪記錄可以很好的反映過去百年區(qū)域氣候變化。新疆區(qū)域已獲取的樹輪記錄主要分布在中部的天山和北部的阿爾泰山，包括年氣溫、降水量和PDSI等重建序列，但大多時間序列不足300 a，最長的可到500 a［29］。

天山山區(qū)重建降水量和干濕變化序列較多，雖然重建序列的變化趨勢差異較大，但也存在干濕變化一致的階段。對比發(fā)現(xiàn)：20 世紀(jì)20 年代是過去300 a 最為干旱的時期，而20 世紀(jì)70 年代至今經(jīng)歷了快速的增濕過程［30］?；诖罅康慕邓亟ㄐ蛄校l(fā)現(xiàn)天山山區(qū)235 a以來降水經(jīng)歷了“7干7濕”的變化階段，干濕年份基本相當(dāng)，而近百年以來降水有2個明顯干濕變化階段，其中20 世紀(jì)初至80 年代降水量逐漸減少，而80年代之后降水增加明顯［31］。天山中西部降水和PDSI 集合重建序列表明，過去300 a 降水經(jīng)歷了6 個干旱的階段和5 個濕潤的階段［30］。重建的天山中部過去550 a 4—5 月PDSI 序列揭示出明顯的區(qū)域干濕變化階段，其中1460—1540年和1720—1900年以偏濕為主，期間為一次長期的持續(xù)性偏干時期；近百年來以年代際尺度波動過程為主，其中20 世紀(jì)20—30 年代和60—70 年代偏干，而70年代以來明顯偏濕［32］。鄭景云等［13］基于2條降水序列重建的1580—2008年新疆中北部干濕序列顯示，近百年來干濕變化以年代際尺度為主，其中20 世紀(jì)初、20—30 年代、60 年代、80—90 年代偏濕，而10 年代、40—50 年代、70 年代和21 世紀(jì)初期偏干。

阿爾泰山地過去氣候變化與天山存在差異。阿爾泰山3 條降水重建序列分析發(fā)現(xiàn)，這些序列反映的干濕變化有非常好的一致性，其中1830—1860年降水變化平穩(wěn)，1870—1990 年持續(xù)干旱，而20 世紀(jì)90 年代末期開始降水有減少趨勢［33-35］。結(jié)合多條氣溫、降水和干濕重建序列［36-40］綜合分析發(fā)現(xiàn)，過去阿勒泰山年代際氣候以“暖干”和“冷濕”水熱配置為主，分別占到了40%和24%，而“冷干”和“暖濕”水熱配置比例相當(dāng)，均占到了18%。20世紀(jì)90年代以來，阿爾泰山氣候以暖濕特征為主。綜上，過去300 a，尤其是近百年來，新疆干濕以年代際尺度波動過程為主，氣候依然以“暖干”和“冷濕”水熱配置為主，20 世紀(jì)70 年代以來大多有一致性的增濕過程，但是變幅均未超出歷史各時段的增濕變率范圍。

3.3 新疆區(qū)域現(xiàn)代氣候“暖濕化”特征

3.3.1 新疆區(qū)域現(xiàn)代氣候溫濕配置變化 為了明確新疆區(qū)域現(xiàn)代氣候溫濕配置關(guān)系，從圖5 給出的1961—2019 年溫度距平、降水量距平百分率及sc_PDSI 指數(shù)的逐9 a 滑動平均變化特征看出，過去59 a新疆區(qū)域氣溫和降水量在不同時間尺度上的變化大致一致，均經(jīng)歷了冷暖和干濕交替，20 世紀(jì)60—90年代初氣溫偏低而降水偏少，90年代初期以來呈明顯的增暖和增濕特征。比較來看，降水偏多的時期始于80 年代中后期，較增暖時期有所提前；21世紀(jì)以來增暖特征趨于減緩或停滯，但增濕特征逐漸增強(qiáng)。從sc_PDSI 指數(shù)反映的干濕演變來看，干濕變化呈明顯的階段性轉(zhuǎn)折特征，表現(xiàn)為80年代中期之前為偏干旱期，之后為偏濕潤時期；在偏濕期，增濕特征也表現(xiàn)為階段性的變化，反映了氣溫、降水及其他水文要素波動變化的綜合影響。綜合來看，在20 世紀(jì)90 年代前后新疆氣候經(jīng)歷了“冷干”和“暖濕”配置的轉(zhuǎn)折，90 年代之后氣候有明顯的“暖濕化”特征。

圖5 1961—2019年新疆溫度距平（a）、降水量距平百分率（b）和sc_PDSI指數(shù)（c）的逐9 a滑動平均變化Fig.5 9-year moving average of the annual mean temperature(a),annual precipitation(b)and annual sc_PDSI(c)and its anomaly percentage over Xinjiang during 1961-2019

一般來說，在較長時間尺度上，氣溫和降水自然變化表現(xiàn)為較為一定的溫濕配置關(guān)系，如暖期一般對應(yīng)濕期，而冷期對應(yīng)干期［10］。在較短尺度上，受人類活動驅(qū)動溫度變化背景下，溫濕配置關(guān)系更加復(fù)雜。從圖6 給出的1961—2019 年新疆逐年溫度距平與降水距平的溫濕配置關(guān)系可以看出，年際之間多以暖濕和暖干配置為主，分別占到49%和24%，而冷濕和冷干配置相對較少，溫度與降水變化的一致性較好。季節(jié)的溫濕配置關(guān)系差異較大，其中夏秋季配置關(guān)系和年尺度較為一致，表現(xiàn)為暖濕和暖干配置為主，春季分別占到41%和32%，而秋季分別為36%和25%；春季配置關(guān)系較為均勻，暖濕、暖干和冷濕配置均在30%左右，冷干配置最少；冬季以暖濕配置為主，占到55%，其他溫濕配置分布較為均勻。以20 世紀(jì)90 年代為界，發(fā)現(xiàn)90 年代之后年及四季溫濕關(guān)系均以暖濕配置為主，分別占到了86%、59%、69%、59%和76%。反映了20 世紀(jì)90年代之后新疆年及各季節(jié)氣候大多呈暖濕配置，尤其在夏季和冬季更加明顯。

圖6 新疆氣溫距平和降水量距平的溫濕配置關(guān)系分布Fig.6 The relationship between changes of mean surface air temperature relative to total precipitation for Xinjiang based on station data

3.3.2 新疆區(qū)域現(xiàn)代氣候暖濕化趨勢的動態(tài)特征 圖7a給出了新疆區(qū)域溫度和降水量的逐年變化曲線，可以看出：1961—2019年新疆區(qū)域溫度呈明顯上升趨勢，線性增溫傾向率為0.30 ℃·（10a）-1（P＜0.01），其中20世紀(jì)90年代中后期至今溫度呈高位震蕩變化，增溫趨勢似乎有所趨緩，與全球變暖特征基本相似［41］。降水量也表現(xiàn)為明顯的增加態(tài)勢，線性增加傾向率為9.6 mm·（10a）-1（P＜0.05），其中20 世紀(jì)80年代中期之前增濕較緩慢，80年代中期之后增加顯著，但在21 世紀(jì)以來表現(xiàn)出較大的年際變化，如2016 年和2017 年相鄰兩年降水量相差64.3 mm，占多年平均降水量的40%，反映了降水量的年際差異大和非線性特征。

為了進(jìn)一步認(rèn)識新疆區(qū)域增暖增濕趨勢的動態(tài)特征，按30 a氣候態(tài)變化來衡量其特征。為此，圖7b與圖7d給出了新疆區(qū)域5 a滑動的7個氣候態(tài)時段溫度、降水量和sc_PDSI 指數(shù)平均值和線性傾向率變化?？傮w來看，7 個氣候態(tài)時段平均氣溫均呈持續(xù)的增溫特征，從1961—1990 年平均氣溫的7.6 ℃上升至1991—2009 年的8.5 ℃，溫度增加了0.9 ℃；從增溫線性傾向率變化來看，從1961—1990年 的0.16 ℃·（10a）-1增 加 至1981—2010 年 的0.48 ℃·（10a）-1，增溫速率增加了3 倍；而1986—2015 年和1991—2019 年增溫線性傾向率下降至0.36 ℃·（10a）-1和0.34 ℃·（10a）-1，與1971—2000年氣候態(tài)相當(dāng)。氣候態(tài)平均氣溫和增溫速率對比發(fā)現(xiàn)，雖然1986—2015 年和1991—2019 年平均氣溫微弱增加（8.4～8.5 ℃），但增溫線性傾向率下降，反映了區(qū)域氣溫的停滯或減緩特征。

圖7 基于觀測的新疆氣溫和降水變化趨勢（a）及增暖增濕的年代際變化（b～d）Fig.7 The time series of annual mean temperature and annual precipitation(a),and changing trends in annual mean temperature(a),annual precipitation(b)and sc_PDSI(c)in different 30-year time periods based on station data

從降水量變化來看，7 個氣候態(tài)時段平均降水量呈明顯的持續(xù)增加趨勢，從1961—1990年平均降水量的149 mm 增加至1991—2009 年的178.6 mm，增加了29.6 mm，增加了20%。從增濕線性傾向率變化來看，從1961—1990 年的8.7 mm·（10a）-1增加至1976—2005年的15.6 mm·（10a）-1，而1981—2010年氣候態(tài)時段開始增濕速率有所下降，而1986—2015 年氣候態(tài)時段降至有記錄以來最低，為3.6 mm·（10a）-1，1991—2009 年增濕速率有所回升，為7.6 mm·（10a）-1。

從sc_PDSI指數(shù)反映的干濕變化來看，7個氣候態(tài)時段平均sc_PDSI 指數(shù)持續(xù)增加，而增濕線性傾向率變化看出變濕具有階段性特征，其中1961—1990 年至1976—2005 年的4 個氣候態(tài)時段增濕特征明顯，線性傾向率在0.31～0.58·（10a）-1之間；但在1981—2010年之后的3個氣候態(tài)時段增濕趨勢明顯下降，1981—2010年和1991—2019年氣候態(tài)時段增濕速率為0.05·（10a）-1和0.07·（10a）-1；而1986—2015 年氣候態(tài)時段sc_PDSI 指數(shù)逐漸減小，出現(xiàn)趨于變干的趨勢，線性傾向率為-0.18·（10a）-1。反映了當(dāng)前增濕趨勢逐漸趨緩的新特征。

氣溫、降水和sc_PDSI 指數(shù)氣候態(tài)時段對比發(fā)現(xiàn)，盡管7 個氣候態(tài)時段溫度和降水量平均值均呈持續(xù)增濕增暖方向發(fā)展，但增溫趨勢在1986—2015年和1991—2019年較之前氣候態(tài)時段有所下降，增濕趨勢在1981—2005 年以來的3 個氣候態(tài)時段有所下降，其中sc_PDSI 指數(shù)在1986—2015 年氣候態(tài)時段出現(xiàn)減少趨勢，反映了增溫增濕趨勢在當(dāng)前時段的減緩趨勢，也說明增溫增濕趨勢有一定的階段性特征，并不是一直呈線性增加的態(tài)勢。此外，氣溫增加絕對量和趨勢依然較強(qiáng)，但降水量的絕對增加量并不大，且增濕趨勢下降明顯，說明蒸發(fā)旺盛，但降水量增加有限，新疆氣候的基本特征仍將是干旱氣候環(huán)境，在可預(yù)期的時間內(nèi)也不可能變?yōu)闈駶櫄夂颉?/p>

值得注意的是，20 世紀(jì)80 年代中期以來，雖然新疆年平均氣溫和年降水量持續(xù)增加，但增溫增濕的趨勢明顯減緩。從氣溫變化來看，1998年之后增暖趨勢逐漸減緩，這與全球變暖停滯（warming hiatus）相一致［42-43］，反映了新疆氣溫對全球變暖的響應(yīng)明顯。相對于氣溫，降水量的變化更加復(fù)雜，1986—2015年增濕速率最低，但1991—2019年又有所回升，反映了增濕趨勢的非線性增加特征。新疆位于中緯度西風(fēng)環(huán)流控制區(qū)，20世紀(jì)60年代以來西風(fēng)環(huán)流顯著增強(qiáng)，但在80 年代末至21 世紀(jì)初期有減弱態(tài)勢，21 世紀(jì)以來持續(xù)增強(qiáng)，這與新疆降水變化趨勢大體吻合，說明新疆的降水更多受西風(fēng)環(huán)流輸送的水汽控制，西風(fēng)環(huán)流為新疆地區(qū)提供了基本的水汽來源［44］。

3.3.3 新疆區(qū)域氣候增暖增濕趨勢的分布格局 為了進(jìn)一步揭示新疆區(qū)域增暖增濕的空間范圍和分布格局變化，分析了不同氣候態(tài)時段溫度和降水線性傾向率空間分布的階段性特征。圖8a 顯示了新疆區(qū)域4個氣候態(tài)時段（1961—1990年、1971—2000年、1981—2010 年和1991—2019 年）溫度線性傾向率的分布范圍?？傮w來看，新疆區(qū)域呈全區(qū)基本一致的增溫特征。1961—1990 年時段溫度速率主要分布在0～0.30 ℃·（10a）-1，占到71.9%的站點范圍；其他3 個氣候態(tài)時段溫度速率均主要分布在0.30～0.60 ℃·（10a）-1，范 圍 分 別 為49.4%、69.7%和59.6%。此外，溫度速率大于0.6 ℃的范圍分別達(dá)到1.1%、11.3%、20.2%和13.5%，說明新疆區(qū)域增暖趨勢和范圍在逐漸增強(qiáng)。

圖8 新疆區(qū)域主要氣候態(tài)時段溫度和降水線性傾向率分布比例Fig.8 Distribution proportion of changing trends in annual mean temperature and annual precipitation in different 30-year time periods based on station data

從新疆區(qū)域主要氣候態(tài)時段溫度速率概率的正態(tài)分布（圖9a）也可以看出，除個別站點外，速率均為增溫趨勢，4個氣候態(tài)時段依次集中在0.16 ℃·（10a）-1、0.34 ℃·（10a）-1、0.51 ℃·（10a）-1、0.42 ℃·（10a）-1。從1961—1990 年至1981—2010 年時段，概率曲線集中分布的峰值逐漸增加，反映增暖強(qiáng)度逐時段增強(qiáng)；1991—2019 年時段增暖強(qiáng)度弱于1981—2010年時段而強(qiáng)于其他時段，與全球變暖減緩的響應(yīng)有關(guān)。概率曲線分布范圍上，1971—2000年時段的增暖范圍大于其他時段。因此，新疆地區(qū)變暖趨勢明顯增強(qiáng)。

圖9 新疆區(qū)域主要氣候態(tài)時段溫度和降水線性傾向率概率的正態(tài)分布Fig.9 The probability density distribution of changing trends in annual mean temperature(a)and annual precipitation(b)in different 30-year time periods based on station data

增濕趨勢的分布格局相對復(fù)雜。4個氣候態(tài)時段降水減少的范圍分別為16.9%、11.2%、19.1%和18%，增濕速率在0～10 mm·（10a）-1的范圍分別為41.6%、34.8%、32.6%和39.3%，增濕在10～20 mm·（10a）-1的范圍分別為29.2%、32.6%、33.7%和24.7%(圖8b)。可以看出，增濕范圍主要分布在0～10 mm·（10a）-1。雖然區(qū)域增濕特征明顯，但增濕速率和累積增加量非常有限。

從增濕速率的概率分布來看，概率曲線集中分布的峰值變化不大，在8～10 mm·（10a）-1之間，而概率曲線分布范圍反映的增濕范圍有逐漸減少態(tài)勢，1971—2000年和1981—2010年時段范圍最小，而在1991—2019 年時段增濕范圍趨于增強(qiáng)擴(kuò)大（圖9b）?？梢姡陆畢^(qū)域增濕強(qiáng)度較為穩(wěn)定，但增濕范圍有波動變化，當(dāng)前時段增濕的強(qiáng)度和范圍均較為突出。降水變化趨勢的空間分布表現(xiàn)為新疆西北部、天山山區(qū)和南疆西部持續(xù)的增濕特征，而在新疆東南部、天山南坡表現(xiàn)為階段性的增濕趨勢減緩或變干特征。

4 討論與結(jié)論

基于新疆區(qū)域觀測的氣候水文資料，結(jié)合近年來發(fā)表的新成果，對中國新疆區(qū)域歷史時期至年代際尺度“暖濕化”的變化特征進(jìn)行了全面梳理和對比分析，綜合評估了近30 a來新疆“暖濕化”在不同時間尺度下的地位。發(fā)現(xiàn)過去千年和百年新疆氣候主要呈“暖干-冷濕”的水熱配置特征，近百年存在顯著的年代際變化特征，其中20 世紀(jì)80 年代以來經(jīng)歷了明顯的“暖濕化”過程，但變幅均未超出歷史各時段的變率范圍。

在北半球區(qū)域視角下，1961年以來北半球中高緯度地區(qū)總體均呈暖濕化特征，其中新疆區(qū)域及以北高緯地區(qū)、歐洲北部等區(qū)域均有明顯的“暖濕化”特征，并不是新疆所獨有的；北半球氣候“暖濕化”空間范圍大致呈“T”字型，新疆連接著“暖濕化”的高緯度地區(qū)和青藏高原地區(qū)；受西風(fēng)影響的新疆區(qū)域干濕變化明顯區(qū)別于東亞季風(fēng)氣候區(qū)和地中海氣候區(qū)，反映了新疆氣候增濕過程在中緯度地區(qū)的獨特性。

在新疆整體視角下，1961年以來新疆區(qū)域表現(xiàn)為較為一致的增暖增濕趨勢，增暖趨勢為0.30 ℃·（10a）-1（P＜0.01），增濕趨勢為9.6 mm·（10a）-1（P＜0.05）。7 個氣候態(tài)時段溫度、降水量和sc_PDSI 指數(shù)平均值呈持續(xù)暖濕發(fā)展，溫度速率主要分布在0.30～0.60 ℃·（10a）-1，增濕范圍集中在0～10 mm·（10a）-1；增暖增濕速率在逐氣候態(tài)時段增強(qiáng)，但在當(dāng)前時段有減緩趨勢，說明增溫增濕趨勢有階段性特征，并呈非線性增加態(tài)勢。1961—2019年新疆區(qū)域溫度、降水和sc_PDSI指數(shù)變化的一致性較好，年際溫濕配置以暖濕和暖干為主，20世紀(jì)90年代之后新疆年及季節(jié)氣候大多呈暖濕配置，尤其在夏季和冬季更加明顯。雖然近30 a以來新疆“暖濕化”趨勢明顯，變暖程度逐漸增強(qiáng)，但降水增加絕對量并不大，當(dāng)前的增濕特征并不能改變新疆的干旱氣候環(huán)境。

當(dāng)然，由于新疆地區(qū)干濕變化具有明顯的多時間尺度特征和空間差異性，且增濕特征因選取指標(biāo)不同而存在差異，反映了干旱區(qū)氣候增濕的復(fù)雜性，加上干旱區(qū)下墊面復(fù)雜，用降水量或者干濕指數(shù)很難完整的客觀描述和清晰刻畫。但可以斷定的是，目前這種“暖濕化”是一種干旱區(qū)濕潤程度的改善，并不會改變其干旱少雨的基本氣候特征［45］。新疆氣候“暖濕化”的影響比較廣泛，涉及到極端天氣氣候事件、植被生態(tài)、水資源、農(nóng)牧業(yè)和氣候資料等方面［9,46-50］，而且隨著持續(xù)變暖，這些影響在逐漸增強(qiáng)，尤其是21 世紀(jì)以來增溫持續(xù)、增濕減緩的影響更需要關(guān)注。未來預(yù)估發(fā)現(xiàn)新疆大部分地區(qū)降水量持續(xù)增加［51］，但增溫依然強(qiáng)烈，蒸發(fā)旺盛，考慮到“雙碳目標(biāo)”下未來溫室氣體的排放情景和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展方式等方面的情況，新疆未來氣候變化趨勢仍具有很大不確定性，所以氣候“暖濕化”未來是否會持續(xù)擴(kuò)大或趨向“暖干化”目前還無法判定。

在北半球中緯度地區(qū)，新疆降水增加最為顯著，具有其獨特性。關(guān)于新疆降水增加的原因可以從不同視角去探討，但是目前也沒有非常明確又令人信服的科學(xué)結(jié)論［10］。新疆降水不僅受西風(fēng)環(huán)流水汽控制，高原季風(fēng)環(huán)流和亞洲季風(fēng)的進(jìn)退對該區(qū)域的水汽輸送也起重要調(diào)制作用。針對西風(fēng)環(huán)流、亞洲季風(fēng)以及高原季風(fēng)環(huán)流三者之間的相互作用對新疆氣候“暖濕化”的影響還沒有明確的認(rèn)識，需要未來通過加強(qiáng)監(jiān)測和模擬來深入研究。