潘銀妹，戴雪榮，2，毛東雷

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院/新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室，烏魯木齊 830054；2.華東師范大學地理科學學院，上海 200241）

全球氣候變化是科學界持續(xù)關注的焦點。IPCC第五次氣候變化評估報告指出，自1950年以來，氣候變化史無前例，其中，2003—2012年平均氣溫相比1950—1900年增溫0.78℃，1983—2012年可能是“史上最熱”［1］。氣候變化不僅包括平均值的變化，還包括極端氣候的變化［2］。在全球氣候變暖背景下，未來極端氣候事件將增加。極端氣候事件是指具有異常性、劇烈性、突發(fā)性等特點且偏離正常狀態(tài)下氣候要素觀測值的事件［3］，其發(fā)生的強度和頻率增加會對人類生態(tài)環(huán)境、生產生活、社會經濟、糧食安全等造成巨大影響［4，5］。

從國內外學者研究成果來看，極端高溫發(fā)生頻次不斷增加，極端低溫發(fā)生頻次減少。如Abatan等［6］研究發(fā)現(xiàn)尼日利亞熱極端事件的頻率顯著增加，冷極端事件減少。Ortiz-Gómez等［7］研究發(fā)現(xiàn)墨西哥扎卡特卡斯州降水事件呈減少趨勢，但強度略有增加。Zhang等［8］研究發(fā)現(xiàn)東亞極端暖事件和強降水事件發(fā)生的概率增加，極端冷事件發(fā)生的概率減小。李娟等［9］研究發(fā)現(xiàn)中國的極端高溫和降水日數(shù)增加，極端低溫指數(shù)降低。陳亞寧等［10］研究發(fā)現(xiàn)西北干旱區(qū)的極端氣候/水文事件呈逐年增加趨勢。唐小英等［11］研究表明南疆地區(qū)極端氣候事件整體上呈顯著增加趨勢。丁之勇等［12］研究發(fā)現(xiàn)新疆艾比湖流域極端氣溫暖指數(shù)總體呈上升趨勢，大部分冷指數(shù)呈降低趨勢，降水指數(shù)均呈增加趨勢。趙明玉等［13］研究發(fā)現(xiàn)新疆巴州冷暖指數(shù)變化呈非對稱性，暖指數(shù)呈不同程度的顯著上升，冷指數(shù)總體呈顯著下降趨勢。但基于新疆開都河-孔雀河流域（簡稱開孔河流域）極端氣候時空演變分析及探索各極端氣候指標關系的研究還相對較少。

新疆開孔河流域作為塔里木河流域四源一干之一，屬于大陸性干旱氣候，蒸發(fā)旺盛，氣溫日較差大，氣候條件惡劣，生態(tài)環(huán)境較為脆弱［14］，對氣候極端變化敏感性較高。極端氣候影響植物的光合作用和呼吸作用［15］，縮短了生育周期［16，17］，造成農作物減產，制約流域內城市化發(fā)展進程和生態(tài)建設。因此，本研究基于1961—2019年開孔河流域8個氣象站逐日氣溫和降水量數(shù)據(jù)，分析了該區(qū)域極端氣候事件的時空演變規(guī)律，以期能夠為該地區(qū)城市規(guī)劃、城市氣候災害預警、農業(yè)災害防護提供一定的科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

開孔河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內天山南麓、塔里木盆地東北緣，地理坐標為40°12′—43°50′N，83°32′—90°42′E。流域包括1市5縣，即庫爾勒市、和靜縣、和碩縣、焉耆縣、博湖縣及尉犁縣，總面積為12.02萬km2［18］，河流主要由開都河、博斯騰湖和孔雀河構成，三者彼此水體相連。流域內多年平均氣溫為7.3～10.9℃，多年平均降水量為47.3～75.0 mm，集中于6—8月，多年平均蒸發(fā)量為1 887～2 777 mm，開孔河流域氣溫呈明顯的持續(xù)增加趨勢，降水呈緩慢的上下波動增加趨勢。

圖1 開孔河流域氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

開孔河流域8個氣象站（巴音布魯克、巴侖臺、和靜、和碩、焉耆、庫爾勒、尉犁、鐵干里克）的逐日最高氣溫、最低氣溫和降水量數(shù)據(jù)均來自國家氣象地面基準站，時間范圍為1961—2019年，剔除異常值和錯誤值后，所選的數(shù)據(jù)均通過標準正態(tài)一致性檢驗，數(shù)據(jù)質量可靠。選取指標原則參照世界氣象組織（WMO）推薦的27個指標，根據(jù)研究區(qū)實際情況，選擇12個極端氣溫指數(shù)和6個極端降水指數(shù)進行分析（表1），利用RClimDex（1.0）軟件對各站點的極端氣候指數(shù)進行計算。其中，SU25、GSL、TN90p、TX90p、WSDI、TR20表征極端高溫事件，DTR表示氣溫日較差，F(xiàn)D0、ID0、TN10p、TX10p、CSDI表征極端低 溫 事 件 ，R95p表 征 極 端 降 水 量 級 ，SDII、R10、RX1day表征極端降水強度，CDD和CWD表征極端降水持續(xù)時間，各指數(shù)所代表的意義見表1。

表1 極端氣候指數(shù)定義

1.3 分析方法

采用一元線性回歸方程對極端氣候指數(shù)進行趨勢分析，并用Mann-Kendall突變檢驗對極端氣候各項指數(shù)變化趨勢進行顯著性檢驗，給定顯著性水平α為0.05，其UF0.05=±1.96，即當 ||UF＞1.96時，說明檢驗是顯著的，若-1.96＜UF＜1.96時，為無顯著趨勢。計算各極端氣候指數(shù)的傾向率，并對其進行反距離權重（IWD）空間插值，分析各極端氣候指數(shù)的空間變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 極端氣候指數(shù)時間變化特征

2.1.1 極端氣溫指數(shù)時間變化特征 從開孔河流域的極端氣溫指數(shù)年際變化趨勢（圖2）可以看出，近59年整個流域表征極端高溫事件的SU25、GSL、WSDI、TN90p、TX90p的變化趨勢一致，均呈上升趨勢，TR20（除了和碩呈弱下降外）以上升趨勢為主。表征極端低溫事件的TX10p、TN10p、CSDI的變化趨勢一致，呈下降趨勢，氣溫日較差（DTR）和表征低溫的FD0整體變化趨勢不一致，以下降趨勢為主，ID0的變化差別較大，只有50%的站點呈下降趨勢。

圖2 開孔河流域極端氣溫指數(shù)的年際變化趨勢

對8個站點的極端氣溫指數(shù)進行Mann-Kendall突變檢驗（表2），在極端高溫指數(shù)方面，和靜、焉耆、庫爾勒、鐵里干克的SU25，焉耆、鐵里干克、尉犁的GSL，巴侖臺、巴音布魯克、和靜、庫爾勒、鐵里干克、尉犁、焉耆的TN90p，巴音布魯克、巴侖臺、和靜、和碩、庫爾勒、鐵里干克、尉犁的TX90p，和靜、庫爾勒、鐵里干克、焉耆、尉犁的TR20均通過了0.05水平的顯著性檢驗，WSDI未通過顯著性檢驗。在極端低溫指數(shù)方面，巴侖臺的ID0，巴侖臺、和靜、庫爾勒、焉耆、鐵里干克的TX10p，巴侖臺、巴音布魯克、和靜、庫爾勒、鐵里干克、尉犁、焉耆的TN10p，和靜的CSDI均通過了0.05水平的顯著性檢驗。極端氣溫指數(shù)的突變年份主要集中在20世紀80年代末至21世紀初。

表2 各鄉(xiāng)、縣、市的極端氣溫指數(shù)突變時間

總的來說，開孔河流域的極端高溫指數(shù)變化明顯，以上升趨勢為主，說明極端高溫事件增多，這與新疆變暖的趨勢相同［19］。極端高溫指數(shù)與極端低溫指數(shù)的變化趨勢相反，變化較為明顯，以下降趨勢為主，說明極端低溫事件減少。

2.1.2 極端降水指數(shù)時間變化特征 較極端氣溫指數(shù)而言，極端降水指數(shù)變化不太明顯，但CDD指數(shù)變化最明顯。從開孔河流域極端降水指數(shù)的年際變化趨勢（圖3）和Mann-Kendall突變檢驗（表3）可以看出，1961—2019年反映降水強度、降水量級、降水持續(xù)時間的極端降水指數(shù)RX1day、SDII、R95p、R10、CWD的變化趨勢不一致，以上升趨勢為主，與表示持續(xù)干旱指數(shù)（CDD）呈下降趨勢的結果一致。其中，巴音布魯克的R95p、RX1day和巴侖臺的R10顯著上升，巴侖臺、巴音布魯克、和碩、庫爾勒、尉犁、焉耆的CDD顯著下降。極端降水指數(shù)R95p、RX1day、CDD突變年份主要集中在20世紀80年代至90年代初。

表3 各鄉(xiāng)、縣、市的極端降水指數(shù)突變時間

整個流域的降水強度、降水持續(xù)時間、降水量有一定的增加，尤其是持續(xù)干旱指數(shù)有明顯的減小趨勢，說明開孔河流域可能有緩慢變濕的趨勢，這與南疆地區(qū)氣候變濕趨勢相同［20］。極端降水事件大部分地區(qū)無突變年份，其原因之一是開孔河流域位于內陸干旱區(qū)，水汽主要來自北部北冰洋氣流和西風環(huán)流［21］，又受天山山脈阻擋，且周圍大部分是沙漠區(qū)，降水稀少，因此由降水量增加引發(fā)的極端降水事件幾乎不發(fā)生。

2.2 極端氣候指數(shù)氣候傾向率的空間變化趨勢特征

由開孔河流域極端氣溫指數(shù)氣候傾向率的空間變化趨勢（圖4）可以看出，極端高溫指數(shù)氣候傾向率整體呈上升趨勢，氣溫日較差和極端低溫指數(shù)氣候傾向率整體呈下降趨勢。其中，SU25、TR20、TX90p、WSDI、ID0的氣候傾向率呈西北低、東南高的分布特征，SU25上升幅度最大的區(qū)域是焉耆（2.46 d/10年），其次是鐵里干克、和靜、庫爾勒，分別以2.43、2.35、2.26 d/10年的速率顯著上升，其他站點變化不明顯；TR20、TX90p上升最顯著的區(qū)域是鐵里干克，增幅分別為4.09、3.46 d/10年，顯著上升區(qū)域所占比例分別為62.5%和87.5%；WSDI變化幅度最??；ID0的氣候傾向率各站點變化趨勢有明顯的東南、西北分異特征，東南部呈上升趨勢，西北呈下降趨勢，總體變化幅度小。GSL、TN90p的氣候傾向率以東北為中心向四周越來越大，GSL顯著上升的區(qū)域是鐵里干克、尉犁、焉耆；TN90p的上升速率最顯著，排序為巴侖臺（5.17 d/10年）＞焉耆（4.94 d/10年）＞鐵干里克（4.45 d/10年）＞和靜（4.43 d/10年）＞尉犁（3.57 d/10年）＞庫爾勒（2.70 d/10年）＞巴音布魯克（2.50 d/10年）＞和碩（0.49 d/10年）；FD0與GSL、TN90p則呈相反特征，以東北為中心向四周越來越小，F(xiàn)D0顯著下降，變化幅度范圍為-4.11～0.26 d/10年。

圖4 開孔河流域極端氣候指數(shù)的氣候傾向率的空間變化趨勢

CSDI、TN10p、TX10p、DTR的氣候傾向率呈西北高、東南低的分布特征，CSDI變化不明顯，只有和靜顯著下降；TN10p變化幅度最明顯，下降幅度范圍為-0.62～-5.83 d/10年，顯著減小區(qū)域所占比例達87.5%，絕對值排序為尉犁＞焉耆＞和靜＞鐵里干克＞庫爾勒＞巴侖臺＞巴音布魯克；TX10p，DTR顯著減小，TX10p顯著下降區(qū)域是鐵干里克（-1.86 d/10年）、庫爾勒（-1.66 d/10年）、和靜（-1.54 d/10年）、焉耆（-1.42 d/10年）、巴侖臺（-1.11 d/10年）；DTR顯著下降的區(qū)域是巴侖臺、和靜、庫爾勒、鐵里干克、尉犁、焉耆 ，速 率 分 別 為-0.19、-0.33、-0.09、-0.16、-0.48、-0.37℃/10年。造成這種空間變化差異的原因可能是開孔河流域地形自西北向東南逐漸傾斜，降水量和氣溫則隨之減少和增加［22］，另一方面可能是焉耆盆地的四周向盆地傾斜的地貌形態(tài)［23］，導致溫差大。

各鄉(xiāng)、縣、市極端降水指數(shù)RX1day、R10、R95p、CWD的氣候傾向率的空間分布規(guī)律相同，均呈西北高、東南低的分布特點，CDD、SDII與之相反。其中，巴音布魯克的R95p、巴侖臺的R10分別以6.61、0.83 mm/10年的速率顯著增加；CDD變化最顯著，變化的范圍為-6.56～-26.11 d/10年，顯著減小的區(qū)域是巴侖臺、巴音布魯克、和碩、焉耆、庫爾勒、尉犁；其他地區(qū)的極端降水指數(shù)的氣候傾向率變化不明顯。西北部地區(qū)較濕潤，降水量大，東南部地區(qū)較干旱，降水量少，鐵里干克的降水強度大，其原因一方面是開孔河流域北部、西部為寒冷山區(qū)，蒸發(fā)弱，鐵里干克雖是干旱沙漠區(qū)，但海拔低，海拔低的上空氣柱長［24］，因此降水強度大；另一方面可能是受植被覆蓋度的影響，北部和中部的歸一化植被指數(shù)（NDVI）高，南部和東部NDVI指數(shù)低［25］。

2.3 極端氣候指數(shù)的對比及相關分析

地面增溫導致地表蒸發(fā)強烈，影響大氣水熱平衡，進而改變極端降水事件的頻率和強度，為進一步了解極端氣候指數(shù)變化與開孔河流域年平均氣溫、年總降水量變化的關系，對三者進行相關性分析（表3）。極端氣溫指數(shù)變化與年平均氣溫關系密切，高溫指數(shù)與年平均氣溫呈正相關，低溫指數(shù)（除了TX10p）與年平均氣溫呈負相關，所有指數(shù)均通過0.01水平的顯著檢驗，DTR與年平均氣溫的相關性通過了0.05水平的顯著檢驗；極端降水指數(shù)SDII、R10、R95p、RX1day、CWD與年降水量呈極強的正相關，CDD則與其呈極強的負相關，各項指數(shù)均通過了0.01水平的顯著檢驗，說明年降水量越大，極端降水指數(shù)越大。

表3 1961—2019年極端氣候指數(shù)與年平均氣溫和年降水量變化的相關性

對各項極端氣溫指數(shù)與極端降水指數(shù)進行相關性分析，其中CDD與SU25、TR20、TN90p呈顯著或極顯著負相關關系；SDII與其他指標的相關性較差；R10、CWD與TN10p、CSDI、DTR呈顯著或極顯著負相關；R95p與TN10p、DTR呈顯著負相關；RX1day與DTR呈顯著負相關。這說明開孔河流域極端降水事件受對SU25、TR20、TN90p、TN10p、CSDI、DTR的影響較大。

3 小結與討論

3.1 小結

1）1961—2019年，開孔河流域的極端高溫指數(shù)變化較極端低溫指數(shù)明顯，極端高溫指數(shù)與極端低溫指數(shù)的變化趨勢相反，極端高溫事件增多，而極端低溫事件減少；極端降水各項指數(shù)的變化不明顯，CDD指數(shù)總體呈顯著下降趨勢，說明開孔河流域可能有緩慢變濕趨勢。極端氣溫指數(shù)突變年份多發(fā)生在20世紀80年代末至21世紀初，極端降水指數(shù)R95p、RX1day、CDD突變年份主要集中在20世紀80年代至90年代初。

2）極端氣溫指數(shù)SU25、TR20、TX90p、WSDI、ID0的氣候傾向率呈西北低、東南高的分布特征，CDSI、TN10p、TX10p、DTR的氣候傾向率呈西北高、東南低的分布特征，GSL、TN90p的氣候傾向率以東北為中心向四周越來越大，F(xiàn)D0的氣候傾向率以東北為中心向四周越來越小。極端降水指數(shù)RX1day、R10、R95p、CWD的氣候傾向率呈西北高、東南低的分布特點，CDD和SDII的氣候傾向率呈西北低、東南高的分異特征且變化最顯著。

3）極端高溫指數(shù)和極端降水指數(shù)與年平均氣溫、年降水量呈顯著或極顯著正相關，極端低溫指數(shù)與年平均氣溫呈顯著負相關，極端氣溫指數(shù)變化對極端降水指數(shù)有一定的影響。

3.2 討論

本研究通過線性擬合和M-K突變分析法分析了開孔河流域極端氣候的時間變化特征。一方面，從表征極端氣溫事件的指標來看，高溫指數(shù)呈顯著或不顯著上升趨勢，低溫指數(shù)呈顯著或不顯著下降趨勢，表明極端高溫事件增加，極端低溫事件減少，這與王政琪等［26］、丁之勇等［27］的研究結論一致，主要是因為全球氣候變暖導致極端氣候事件的增多。另一方面，極端氣溫事件突變年份多發(fā)生在20世紀90年代以后，與新疆氣溫突變趨勢一致［28］。開孔河流域屬于內陸干旱區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)量大，極端降水指數(shù)變化不明顯，查閱開孔河流域的歷年氣象災害事件［29］，1980—2000年，旱災發(fā)生次數(shù)為8次，洪災25次，霜凍8次，凍害3次，低溫冷害4次，風災33次，冰雹13次。洪災的成因主要是高溫引起高海拔地區(qū)冰川融化，增加河流徑流量，洪水泛濫；高溫引起的旱災、風災發(fā)生次數(shù)較突出，尤其是風災隱患，所以各地各級政府要加強防范高溫引起氣象災害事件。極端低溫事件雖有減少，但霜凍、凍害、冷害不可避免，應當注意冬季農作物保暖。

極端氣候指數(shù)的氣候傾向率在空間上存在西北、東南差異，這可能是地形起伏、植被覆蓋變化的地帶性分布所導致的［30，31］。極端高溫的變化趨勢比極端低溫更明顯，說明開孔河流域持續(xù)升溫中，高溫日數(shù)增加會對喜陰作物的光合系統(tǒng)造成負面影響，使農作物生長期縮短，降低作物產量，同時加快土壤蒸發(fā)和植物的蒸騰作用，也可能加劇土壤鹽漬化和沙漠化，極端低溫事件的減少可以使植被避免凍害的影響。極端降水空間差異性大，降水增加區(qū)域主要集中在巴音布魯克、庫爾勒、鐵里干克，南部地區(qū)降水量增加可能是人類活動的影響，為加快城市的綠色發(fā)展而栽種大量的植被，鐵里干克的降水量增大卻屬于缺水地區(qū)，主要歸因于蒸發(fā)量大，植被稀少不能儲存水分；持續(xù)濕潤指數(shù)有所增加，持續(xù)干旱指數(shù)緩慢減少，說明開孔河流域降水也發(fā)生了一定程度的變化，但變化幅度不明顯，還應當加強人工灌溉。

對極端氣候指數(shù)與年平均氣溫、年降水量進行相關性分析，說明氣溫升高和降水量增加與極端氣候指數(shù)的變化有密切聯(lián)系，氣候變化會引起極端氣候的變化，氣候變暖導致極端高溫指數(shù)呈上升趨勢，極端低溫指數(shù)呈下降趨勢，極端降水指數(shù)R95p、R10、CWD呈非顯著上升趨勢，說明該區(qū)域高溫事件增多，低溫事件減少，干旱有所緩解的特征。