1. 引言
自1980年代以来，气候变化成为全球关注的热点问题。IPCC第五次评估报告第一工作组报告决策者摘要结果表明：未来全球气候变暖仍将持续，21世纪末全球平均地表温度在1986年~2005年的基础上将升高0.3℃~4.8℃ [1]。丁一汇 [2] 和陈隆勋 [3] [4] 等分别研究了1860~1986年和1921~2002年中国的气候变化，结果表明，我国平均温度变暖，具有明显的区域性，其中北方大部地区变暖，增温最明显的季节是冬季，而年降水量则以12.7 mm/10a的倾向率递减。新疆的科技工作者对于新疆气候变化情况也做了许多研究 [5] [6] [7] [8]，指出新疆气候变化趋势以暖湿为主。但以上研究多集中在新疆局部地区，对于海拔高差大、地貌类型复杂的哈密市研究较少。本文对哈密市3个气象站1961~2018年的主要气候因子进行分析，以揭示东疆绿洲生态类型下的哈密市气候变化规律，为当地生态环境治理、水资源的合理开发利用以及畜牧业的可持续发展提供一些参考。
2. 研究区概况
哈密市位于新疆东部，东经90˚06'~96˚23'，北纬40˚45'~45˚09'，地域辽阔，天山山脉从东至西横贯中部，地势南北低，中部高，北为丘陵戈壁，南为戈壁平原，全境地貌特点可分为山地、丘陵、戈壁、平原。特殊的自然地理条件形成了哈密两大不同气候区域，既有南疆气候特点，又有北疆气候特点：南部光照充足，热量丰富，干旱少雨；北部降水充沛，气候温凉；春秋季节冷空气活动频繁，冷热变化剧烈。
3. 资料和方法
本文采用的气候资料来自中国气象局国家气象信息中心整编的哈密市伊州区、巴里坤、伊吾3个气象站点1961年1月~2019年2月的逐月地面观测资料，气候基准值采用1981~2010年的平均值。根据地形及气候特征将气象站点进行区域划分为山北和山南地区，以伊州区代表山南地区，巴里坤、伊吾两站的平均值代表山北地区。按照春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~翌年2月)对气候资料进行季节处理。
采用最小二乘法对气候要素进行趋势分析，并采用Person相关系数进行气候趋势的显著性检验；为消除气候序列随机波动的影响，采用5a滑动平均法处理气候噪音，描述气象要素的长期变化趋势；利用变差系数来表示气候指标的相对变化 [9]。
4. 气候变化特征分析
4.1. 各要素时间变化特征
4.1.1. 气温
近58年来哈密市年平均气温呈南部高、北部低的空间分布结构，年平均气温山南为10.2℃、山北为3.4℃。图1为1961~2018年哈密市年平均气温的年际变化曲线图。由图可见，近58a来哈密市气温总体呈增暖的变化趋势，山南区域年平均气温气候变化倾向率为0.211℃/10a，山北区域年平均气温气候变化倾向率为0.440℃/10a，变化趋势均通过了0.01水平的显著性检验(P < 0.01)，这与西北地区平均气温变化趋势(0.42℃/10a) [10] 一致，并且山北的升温趋势大于西北地区的趋势。从年际变化来看，2017年为山南区域近58a中最暖的年份，年平均气温正距平均达1.5℃，其次为2016年，年平均气温正距平为1.4℃；1976年是最冷的年份，年平均气温距平达1.1℃，最暖年份与最冷年份两者相差2.6℃。山北最暖年份出现在2013年，距平1.5℃，最冷年份出现在1984年，距平达−2.7℃，最暖年份与最冷年份两者相差达4.2℃。
近58a来哈密市四季平均气温同样呈上升的趋势，但增温空间分布并不完全一致(图略)。山南区域春季、夏季、秋季和冬季平均气温的气候变化倾向率分别为0.334℃/10a、0.195℃/10a、0.064℃/10a、0.187℃/10a，春季、夏季平均气温的变化趋势通过了0.01水平的显著性检验(P < 0.01)，秋季、冬季平均气温的变化未通过显著性检验。可见，各季节对气候增暖的贡献主要是春、夏季，秋、冬季对气候增暖的贡献很小。山北区域春季、夏季、秋季和冬季平均气温的气候变化倾向率分别为0.431℃/10a、0.509℃/10a、0.404℃/10a、0.359℃/10a，四季平均气温的变化趋势通过了0.01水平的显著性检验(P < 0.01)。各季节对气候增暖的贡献大小依次为：夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季。
左洪超等 [11] [12] 研究指出，近50a中国平均气温与全球平均气温变化趋势一致，特别是从1970年开始中国平均气温增温幅度高于全球平均水平，中国年平均气温增温速率为0.25℃/10a。以上分析表明，哈密市年平均气温与中国和全球平均气温变化趋势相同，均呈上升趋势，山南区域上升速率接近全国平均变化，而山北区域年平均气温上升速率约为全国平均的1.8倍，近58a来哈密市山北区域和山南区域年平均气温上升了分别约1.2℃和2.6℃。
Figure 1. Interannual variation of average temperature in Hami
图1. 哈密市年平均气温年际变化
4.1.2. 降水量
图2为哈密市年降水量的变化趋势。由图可见，近58a来哈密市年降水量的波动较大，但总体呈增加的趋势，山南、山北区域的多年平均降水量分别为43.7 mm和167.4 mm，呈北多南少的空间分布特征。山南区域的年降水量从出现在2015年的最多值78.8 mm到出现在1997年的最少值9.2 mm，相差达到7倍多。山北区域年降水量的波动幅度较山南略小，降水量最多值出现在2017年(254.9 mm)，最少值出现在1985年(87.3 mm)，相差为2倍多。山南、山北区域年降水量的气候变化倾向率分别为3.743 mm/10a、10.06 mm/10a，变化趋势均通过了0.01水平的显著性检验(P < 0.01)。由5a滑动平均曲线进一步发现，山南区域60年代末降至最低点，70年代中期出现波峰后短暂下降，80年代至90年代处于小幅波动上升状态，2000年后明显上升至一个波峰后又开始缓慢下降。相邻年份之间也存在较大差异，1998年和1997年差值最大，相差56.7 mm。山北区域年降水量波动幅度较山南有所不同，60年代年降水量呈上升状态，60年代末出现第一个波峰，70年代中期出现第一个波谷，80年代至90年代与山南区域一致，处于小幅波动上升状态，在90年代末出现第二个明显的波峰，21世纪后降水量变化较大，在波动中趋于增加。1984与1985年之间降水量差值最大，相差120.5 mm。58a来，山南、山北区域年降水量年际标准差分别为17.5 mm、37.2 mm，以降水量距平百分率 ≥ 40%为多雨年、距平百分率 ≤ −40%为少雨年，介于两者之间为正常年份。通过分析，山南区域多雨年份是在1973、1988、1992、1995、1998、2002、2005、2010、2012、2015年，共10年，1963、1965、1966、1967、1969、1974、1977、1978、1985、1986、1991、1997、2011、2013年为少雨年，共14年，其余为正常年份，共34年；山北区域多雨年份是在1998、2007、2015年，共3年，1962、1963、1974、1985年为少雨年，共4年，正常年份共51年。可见哈密市多雨年份主要集中在21世纪，这一时期为多雨期，少雨年份主要集中在60年代，这一时期为少雨期。
Figure 2. Interannual variation of precipitation and sunshine hours in Hami
图2. 哈密市年降水量、年日照时数年际变化
与年降水量相比，四季降水量变化趋势均较年降水量增加幅度偏小。山北春季、夏季、秋季、冬季降水量的气候变化倾向率分别为2.509 mm/10a、4.32 mm/10a、2.802 mm/10a、0.41 mm/10a，山南春季、夏季、秋季、冬季降水量的气候变化倾向率分别为0.458 mm/10a、1.952 mm/10a、0.877 mm/10a、0.462 mm/10a，变化趋势均未通过显著性检验(图略)。
4.1.3. 日照时数
日照时数是气候要素的重要组成部分，主要体现太阳辐射的强弱 [13]。通过分析哈密市年日照时数的变化趋势和5a滑动平均(图2)可见，哈密市日照时数的空间分布呈现南多北少的特征。近58a来山南区域年日照时数为3349.7 h，呈弱的增加趋势，气候变化倾向率为15.808 h/10a，未通过显著性检验；年日照时数最多为3672.9 h，出现在2009年，最少为3021.8 h，出现在1967年，两者相差651.1 h。5a滑动平均曲线进一步表明，60年代到70年代初年日照时数降至低点后回升，在80年代初期达到第一个波峰，此后开始回落，90年代末降至第二个波谷，80年代至90年代日照时数偏少，20世纪日照时数明显回升，至2010年前后升至最高点，然后开始迅速减少。山北区域年日照时数呈波动下降趋势，线性倾向率为−13.205 h/10a，其变化趋势也未通过显著性检验。58a平均日照时数为3142.8 h，1978年达到最大值3396.5 h，1998年最小，仅为2995.1 h，两者相差401.4 h。5a滑动平均显示，60年代到90年代末，年日照时数变化明显，60年代至70年代呈明显升高，70年代末达到第一个峰值，此后开始波动下降，90年代末降至最低点，2010年前后出现第二个峰值，此后开始回落。
从日照时数的季节变化来看，山南区域春季、夏季、秋季、冬季日照时数的气候变化倾向率分别为15.497 h/10a、3.011 h/10a、6.916 h/10a和2.898 h/10a，其中春季、秋季日照时数的变化通过了0.01水平的显著性检验(P < 0.01)，夏季、冬季日照时数的变化未通过显著性检验(图略)。山北区域各季日照时数的气候变化倾向率分别为春季0.471 h/10a、夏季−6.998 h/10a、秋季−2.161 h/10a和冬季−4.427 h/10a，各季日照时数的变化均未通过显著性检验(图略)。
4.2. 各要素年代际变化特征
4.2.1. 气温
表1给出了哈密市各年代的年、季气温距平值。由表1可见，山南区域年及各季平均气温的年代际差异较明显：年平均气温自21世纪80年代起逐年代上升，90年代略有下降，21世纪气温明显上升，2011~2018年气温较多年平均气温上升了0.5℃，较20世纪70年代的低温期上升约1.1℃。这一变化与我国增暖始于20世纪80年代后期、90年代增暖迅速的情况略有不同 [14] [15] [16]。春、夏、秋季平均气温的年代际变化趋势与年平均气温一致，冬季年平均气温在20世纪80~90年代为偏暖期，20世纪60~70年代及进入21世纪的18年来均为偏冷期，这与全国趋势不同。
山北区域年平均气温的年代际变化与全国增暖趋势基本一致。年平均气温呈逐年代上升趋势，以20世纪60~70年代最冷，较平均值低1.1℃，90年代开始山北区域年平均进入偏暖期。春季平均气温年代际变化与年平均气温变化一致，夏、秋季平均气温20世纪60~90年代均为偏冷期，21世纪进入偏暖期；冬季平均气温则20世纪90年代至2010年为偏暖期，2011~2018年冬季平均气温仍为偏冷期。可见，在特殊的地理条件下，山南山北的平均气温变化趋势存在较大差异。
4.2.2. 降水量
对哈密市降水量分年代进行统计，并利用文献 [9] 中的变差系数法计算变差系数(表2)，可见，各年代平均年降水量存在较大差异。山南区域年降水量从20世纪60年代至2001~2010年呈逐年代增加的趋势，在2011~2018年略有下降，但进入21世纪后，各年代降水量均大于平均值。年降水量在各年代年际差异也十分明显，60年代变差系数为0.479，达到最大值，本世纪初变差系数最小，为0.273，说明60年代降水量年际间波动较为剧烈，而本世纪初波动幅度较平缓，年际间差异较小。山北区域年降水量在21世纪之前同山南区域一样，呈逐年代增加的趋势，在20世纪90年代年降水量多于多年平均值，2001~2010年下降至略少于平均值，2011~2018年为各年代中降水量最多时期，达197.7 mm，较多年平均值偏多30 mm。各年代变差系数以2001~2010年最大，为0.231，20世纪80年代变差系数最小，为0.144，说明2001~2010年山北区域年降水量存在较大的年际差异。
Table 1. Annual and seasonal average temperature in different years in Hami from 1961 to 2018
表1. 1961~2018年哈密市各年代年、季气温距平
Table 2. Annual and seasonal precipitation in different years in Hami from 1961 to 2018
表2. 1961~2018年哈密市各年代年、季降水量距平百分率
就哈密市各季节降水量的年代际变化来看，山南区域春、夏、秋、冬四季平均降水量最大值分别出现在2001~2010年、2011~2018年、2001~2010年、2001~2010年，最小值分别出现在80年代、60年代、60年代、60年代，可见山南区域各季节降水量年代际变化与年降水量变化较为一致，在21世纪为降水量偏多时期，60年代为降水量偏少时期。春、夏、秋、冬各季节降水量变差系数最大值分别出现在60年代(1.442)、90年代(0.655)、2001~2010年(0.913)、80年代(1.166)，变差系数最小值分别出现在2011~2018年(0.635)、2001~2010年(0.399)、80年代(0.436)、70年代(0.625)。山北区域春、夏、秋、冬四季平均降水量最大值分别出现在2011~2018年、2011~2018年、2011~2018年、2001~2010年，最小值分别出现在60年代、70年代、60年代、90年代。春、夏、秋、冬各季节降水量变差系数最大值分别出现在90年代(0.584)、2001~2010年(0.404)、90年代(0.426)、70年代(0.518)，变差系数最小值分别出现在2011~2018年(0.227)、2011~2018年(0.715)、70年代(0.244)、90年代~2010年(0.403)。可见，山南区域各季节降水量变差系数明显大于山北区域，说明山南区域降水量的年际变化大于山北区域。
4.2.3. 日照时数
从日照时数的年代际变化来看(表3)，山南区域20世纪60~70年代年日照时数均为正距平，距平值分别为38.9 h和44.6 h，80~90年代开始转为负距平，90年代日照时数最少，距平值达−117.3 h，进入21世纪的18年日照时数持续偏多。各个季节日照时数的年代际变化不尽相同，春季日照时数在20世纪60~90年代均为负距平，21世纪以来持续偏多；夏季日照时数与年日照时数的年代际变化一致；秋季与冬季的日照时数年代际变化一致，仅90年代为负距平，其它年代均为正距平。四季日照时数的最多年与最少年份别相差了101.8 h、79.8 h、67.7 h、71.6 h。
Table 3. Annual and seasonal sunshine hours in different years in Hami from 1961 to 2018
表3. 1961~2018年哈密市各年代年、季日照时数距平
山北区域年日照时数仅在20世纪90年代为负距平，其它年代均为正距平，且以70年代日照时数最多，距平值达155.9 h。春季日照时数在20世纪60年代为负距平，距平值为−10.8 h，70~80年代开始转为正距平，90年代~2010年又转为负距平，2011~2018年日照时数增多，转为正距平；夏季日照时数在20世纪90年代和2011~2018年为负距平，其它年代均为正距平，以70年代日照时数最多，距平值达44.6 h；秋季日照时数仅70年代和2001~2010年为正距平，其余年代均为负距平；冬季在20世纪60~80年代为正距平，90年代开始转为负距平并持续。四季日照时数的最多年与最少年份别相差了57.4 h、71.1 h、34.2 h、49.4 h。
5. 小结
1) 哈密市年平均气温呈上升趋势，近58a来，山南、山北区域年平均气温的气候倾向率分别为0.211℃/10a、0.440℃/10a，哈密市年平均气温与中国和全球平均气温变化趋势相同，均呈上升趋势，山南区域上升速率接近全国平均变化，而山北区域年平均气温上升速率约为全国平均的1.8倍。山南区域各季节对气候增暖的贡献主要是春、夏季，秋、冬季对气候增暖的贡献很小；山北区域各季节对气候增暖的贡献大小依次为：夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季。
2) 在特殊的地理条件下，山南山北的平均气温变化趋势存在较大差异。山南区域年及各季平均气温的年代际差异较明显，山北区域年平均气温的年代际变化与全国增暖趋势基本一致。
3) 近58a来哈密市年降水量呈北多南少的空间分布特征，山南、山北区域年降水量的气候变化倾向率分别为3.743 mm/10a、10.06 mm/10a，均呈显著增加趋势。21世纪为多雨期，60年代为少雨期。四季降水量变化趋势均较年平均降水量增加幅度偏小，且不显著。
4) 山南区域年降水量在各年代年际差异十分明显，60年代降水量年际间波动较为剧烈，而本世纪初年际间差异较小。山北区域年降水量在2001~2010年年际间波动较为剧烈，20世纪80年代年际间差异较小。山南区域降水量的年际变化明显大于山北区域。
5) 哈密市日照时数的空间分布呈现南多北少的特征。近58a来山南区域年日照时数为3349.7 h，气候变化倾向率为15.808 h/10a，呈弱的增加趋势；山北区域年平均日照时数为3142.8 h，呈波动下降趋势，线性倾向率为−13.205 h/10a。山南区域各季节日照时数对年日照时数增加的贡献大小依次为：春季 > 秋季 > 夏季 > 冬季；山北区域各季节日照时数对年日照时数减小的贡献大小依次为：夏季 > 冬季 > 秋季 > 春季。山南区域21世纪的18年日照时数最多，山北区域70年代日照时数最多。
基金项目
新疆气象局科研项目(201708)。
参考文献