1. 引言
在全球变暖的大背景下，中国地表的平均气温普遍呈上升趋势地区升温趋势越明显[1]。由于全球气候变化和人为干扰的强烈影响，区域气候不稳定和生态–经济–社会系统敏感性日益增强。近年来，中国西北干旱区尤其是新疆干旱区气候变化的热点话题引起了公众和科学界的广泛关注。新疆位于中国“一带一路”建设的核心地带，大部分是典型的干旱气候区，生态环境相当脆弱[2] [3]。因此，分析新疆区域温度时空分布及变化规律，有助于理解干旱区环境特征，从而为土地利用、农业生产提供依据，对新疆社会经济发展以及生态环境等方面产生的影响具有重要意义[4]。因此，本研究选取新疆地区为研究区域，分析1990~2022年新疆地区(北疆、南疆及天山山脉)年际及四季气温时空分布及变化特征，从而揭示了气候变暖背景下新疆地区气温变化规律，对新疆地区如何响应气候变暖以及区域研究有着重要的意义。
2. 研究区概况
本研究区域选取新疆地区，位于我国西北部，总面积可达166.49 × 104 km，研究区地形复杂，山脉与盆地相间排列，盆地与高山环抱，从而形成山区–绿洲–荒漠三大生态环境系统[5]。依据地貌将新疆分为南疆、北疆以天山地区。将天山山脉以北的区域划为北疆，天山山脉以南的区域划分为南疆，天山山脉所在的区域划分为天山[6]。
3. 数据来源及研究方法
3.1. 气象数据
气温数据采用1901~2022年CRU数据集，来源于英国由英国国家大气科学中心，空间分辨率为0.5˚ × 0.5˚，本文选择1990~2022年为时间尺度，选取年际(7~次年6月)、春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(1~次年2月)气温数据。
3.2. 研究方法
3.2.1. Mann-Kendall突变检验
采用Mann-Kendall突变检验结合累积距平来分析新疆地区近30年气温突变年份及变化幅度。Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法[7] [8]，在气象领域的趋势分析和突变检验中应用广泛。
3.2.2. 趋势分析法
时间序列存在某种长期趋势[9]，用以概括地反映新疆地区气温近30年的长期变化趋势。通过建立各要素与对应时间的一元线性回归方程，计算公式如下：
(1)
式中，a为线性回归系数，表示数据要素变化速率，a值为正表示数据变化为上升趋势，a值为负表示数据变化为下降趋势。
4. 结果分析
4.1. 近三十年新疆地区气温时间变化特征
4.1.1. 年际气温时间变化特征
1990~2022年新疆地区气温年际变化统计值见表1，新疆地区年平均气温为6.43℃，以0.32℃/10a的变化速率升温，但呈不显著增温趋势(P > 0.05)。结合变异系数来看，新疆地区变化幅度相对较小，变异系数未超过10%，仅为0.08，可见近30年新疆地区气温变化幅度不太明显。通过MK突变检验并结合距平结果(见图1)，1990~2022年新疆地区年均气温在显著区间内有多个突变点，较为明显的是气温在1997年气温由相对偏低期转为偏高期，之后在2010年气温从相对偏高期转为相对偏低期。由此表明，近30年新疆地区气温呈现一个明显的升温趋势，但年际变化幅度相对较小，其中20世纪初期以及21世纪初期气温有显著的变化趋势。
Table 1. Statistical values of interannual temperature changes in Xinjiang from 1990 to 2022
表1. 1990~2022年新疆地区气温年际变化统计值
|
平均值/℃ |
变化速率℃/10a |
变异系数 |
年际 |
6.43 |
0.32 |
0.08 |
春季 |
8.56 |
0.66** |
0.11 |
夏季 |
19.91 |
0.32** |
0.03 |
秋季 |
6.42 |
0.12 |
0.10 |
冬季 |
−9.28 |
0.09 |
-0.11 |
注：**表示通过0.05显著性检验。
Figure 1. Characteristics of interannual temperature variation in Xinjiang from 1990 to 2022
图1. 1990~2022年新疆地区气温年际变化特征
4.1.2. 四季气温时间变化特征
1990~2022年新疆地区气温四季变化统计值见表1，新疆地区春、夏、秋、冬四季平均气温分别为8.56℃、19.91℃、6.42℃、−9.28℃，总体而言新疆地区四季气温均呈升温趋势(见图2)，其中春季、夏季气温分别以0.66℃/10a、0.32℃/10a的变化速率显著上升(P < 0.05)，秋季、冬季两个季节气温变化趋势不显著(P > 0.05)，变化速率分别为0.12℃/10a、0.09℃/10a。不同季节变化幅度存在差异，通过变异系数来看，新疆地区四季气温变化幅度均相对较小，四个季节变异系数均未超过15%。通过MK突变及距平结果进一步分析可得(见图3)，1990~2022年春、夏、秋三个季节显著区间内发生突变，三个季节分别在2003年、1997年、1994年发生突变，而冬季在显著区间内存在多个突变点。以上结果表明，近30年新疆地区四季气温变化幅度较为明显，整体均呈升温趋势，在20世纪初期气温由相对偏低期变相对偏高期。
Figure 2. Temporal variation of temperature in spring, summer, autumn and winter in Xinjiang from 1990 to 2022
图2. 1990~2022年新疆地区春、夏、秋、冬四季气温时间变化特征
Figure 3. Temperature MK mutation and anomaly in spring, summer, autumn and winter in Xinjiang from 1990 to 2022
图3. 1990~2022年新疆地区春、夏、秋、冬四季气温MK突变检验及距平
4.2. 近三十年新疆地区气温空间分布及变化特征
4.2.1. 年际气温空间分布及变化特征
1990~2022年新疆地区平均气温空间分布特征见图4，新疆地区整体上气温由南向北呈现低–高–低–高的气温空间分布格局，以天山山脉为界线，气温高值区分布在南疆地区气温介于4℃~12℃之间；低值区位于天山山脉地区，气温介于−4℃~0℃之间；北疆地区较南疆地区气温有所降低，气温介于0℃~8℃之间。从空间变化来看，几乎全区域都呈现显著升温的趋势，具有升温趋势面积占陆地面积的比例可达100%，显著变化区域相对较多，显著变化区域占比为94.98%。
(a) 气温空间分布；(b) 气温空间变化。
Figure 4. Interannual spatial distribution and change characteristics of temperature in Xinjiang from 1990 to 2022
图4. 1990~2022年新疆地区气温年际空间分布及变化特征
4.2.2. 四季气温空间分布及变化特征
1990~2022年东北地区春、夏、秋、冬四季气温空间分布见图5，与年际空间分布特征较为一致，由南向北呈现低–高–低–高的气温空间分布格局。新疆地区春、夏、秋冬四个季节气温高值区、低值区与年际变化空间分布基本一致，气温高值区均分布在南疆中部地区；气温低值区均分布在天山山脉地区，四季气温南疆地区气温均要高于北疆地区。形成这样分布特征的主要原因在于地势不同，南部是昆仑山山脉，地势高，最高点乔戈里峰海拔为8611 m，所以温度偏低。天山山脉和昆仑山脉合围形成的盆地是世界第一大内陆盆塔里木盆地，这是一个大型封闭性山间盆地，温度不易扩散，温度偏高，这也是有气温高值所在的原因。天山山脉气温低，也是因为海拔较高，温度较低，又因为纬度较高，所以有低值出现。北部是准格尔盆地，与塔里木盆地一样地势低，但是没有塔里木盆地大，又因为纬度偏高所以温度相对低一些，但是也比昆仑山脉和天山山脉的气温高一些。
从空间变化见图6，1990~2022年新疆地区春、夏两个季节全域均呈现升温的趋势，全区域具有升温趋势面积占陆地面积的比例可达100%，且显著变化区域相对较多，显著变化区域的占比分别为100%、94.12%。秋、冬两个季节出现降温趋势，但均为不显著变化区域，降温区域分别集中在天山山脉区域、北疆北部地区；大部分区域以增温趋势为主，显著变化区域相对较少，均集中在南疆南部地区。
(a) 春季；(b) 夏季；(c) 秋季；(d) 冬季。
Figure 5. Spatial distribution of temperature in spring, summer, autumn and winter in Xinjiang from 1990 to 2022
图5. 1990~2022年新疆地区春、夏、秋、冬四季气温空间分布特征
(a) 春季；(b) 夏季；(c) 秋季；(d) 冬季。
Figure 6. Spatial variations of temperature in spring, summer, autumn and winter in Xinjiang from 1990 to 2022
图6. 1990~2022年新疆地区春、夏、秋、冬四季气温空间变化特征
5. 结论
(1) 新疆地区年平均气温为6.43℃，年平均气温变化速率为0.32℃/10a，呈不显著增温趋(P > 0.05)，气温年际幅度变化相对较小。新疆地区气温自南向北呈现低–高–低–高的气温空间分布格局，高值区集中在南疆中部地区，低值区分布在天山山脉地区。从空间变化上，呈现升温趋势的区域可达100%。
(2) 1990~2022年新疆地区四季气温变化速率上，新疆地区气温春季(0.66℃/10a) > 夏季(0.32℃/10a) > 秋季(0.12℃/10a) > 冬季(0.09℃/10a)，春季、夏季均呈现显著变化趋势(P < 0.05)，秋季、冬季均呈现不显著变化趋势(P > 0.05)。四季气温空间分布格局与年际变化趋势基本一致，高值区集中在南疆中部地区，低值区分布在天山山脉地区。四季气温空间变化春季、夏季显著变化区域相对较多，秋季、冬季显著变化区域相对较少。
NOTES
*共同第一作者。