基于SPI的1961—2020年昌吉地区作物生长季气象干旱时空特征研究

基于昌吉地区1961—2020年的气象资料分析作物生长季标准化降水指数(SPI-7)的年际和年代际变化特征,揭示作物生长季干旱发生频率和强度。结果表明:1961—2020年昌吉地区作物生长季水分呈增加趋势,标准化降水指数以0.08/10 a的速率增加。气象干旱呈干—湿—干的年代际变化趋势,其中在1981年发生突变。干旱强度呈增加趋势,干旱发生面积呈弱减少趋势。东部地区是干旱高发区,但以轻旱为主;西部地区则是中旱、重旱和特旱高发区。昌吉地区的气象干旱存在6、9、16 a的周期震荡,与历史灾情具有很好的吻合性。

基于标准化降水指数的1961-2020年昌吉地区气象干旱趋势分析

采用昌吉地区10个气象站1961-2020年降水量资料,计算昌吉地区年、季尺度标准化降水指数(SPI-12、SPI-3),并对SPI指数评价实际干旱的能力进行验证。运用趋势分析法、M-K突变检验法、小波分析法等方法,探究昌吉地区气象干旱变化特征;在此基础上分析年、季尺度上的干旱频率、干旱强度和干旱覆盖面积的变化趋势。结果表明:SPI指数可以表征昌吉地区的干旱特征;1961-2020年昌吉地区年SPI值呈明显的阶段性特征,年代变化趋势呈变干-变湿-变干的变化波动,进入21世纪以来,变干趋势较为明显;昌吉地区春、夏、秋季SPI呈不显著的湿润化态势,但进入21世纪以后,春、夏季逐年变干旱化,冬季呈显著的湿润化态势;干旱强度在全区范围内主要为轻旱和中旱等级,2010年以来春、夏、秋季干旱强度明显增大;1961-2000年干旱发生面积有轻微减少,进入21世纪以来干旱范围向扩大趋势发展,全域性和区域性干旱发生较为频繁;在周期性变化方面,存在着3~5 a、8~18 a、20~30 a的多重周期振荡,且随时间尺度降低,表现的“干-湿”交替渐趋频繁,但不同时间尺度表现出不同的干湿震荡规律。

乌鲁木齐一次重污染过程及其边界层特征分析

针对2020年1月5—17日乌鲁木齐出现的重污染天气,利用乌鲁木齐的探空站资料和地面常规气象数据计算了最大混合层高度、平均风速、逆温特性、边界层通风量、能见度、相对湿度等,对最大混合层高度、能见度、相对湿度与PM2.5质量浓度进行了相关性分析,并利用Hysplit后向气团轨迹模式分析污染形成源。结果表明:此次重污染天气过程大气层结较为稳定,主要表现为逆温层厚(平均577 m)、逆温强度大(平均1.7℃/100 m)、最大混合层高度低(平均400 m);边界层通风量对局地空气质量影响显著;PM2.5质量浓度与相对湿度呈弱的正相关,与能见度呈指数相关;Hysplit后向气团轨迹模式分析得出此次污染过程以局地排放为主要形成源。

昌吉市大气污染物浓度变化特征及气象影响因素分析

采用2015—2021年昌吉市3个国家环境监测点的大气污染物浓度监测资料和昌吉市国家基本气象站的常规气象观测资料,对SO_(2)、NO_(2)、CO、O_(3)、PM_(10)、PM_(2.5)共6种大气污染物浓度和AQI变化特征以及与气象要素之间的相关性进行分析。结果表明,SO_(2)、NO_(2)、CO、PM_(2.5)、PM_(10)浓度和AQI每年冬季出现峰值,夏季出现谷值,呈夏季最优,冬季最差,变化趋势从高到低依次为冬季、秋季、春季、夏季,O_(3)-8 h浓度变化与其相反,变化趋势从高到低依次为夏季、春季、秋季、冬季;O_(3)-8h、AQI、PM_(2.5)浓度整体呈增加趋势,NO_(2)、CO、SO_(2)、PM_(10)浓度整体呈减少趋势;昌吉市主要出现以PM_(10)、PM_(2.5)、O_(3)-8 h、NO_(2)、CO、NO_(2)和PM_(10)、PM_(2.5)和PM_(10)、PM_(10)和O_(3)-8 h、NO_(2)和O_(3)-8 h为首要污染物的天气,其中以PM_(10)、PM_(2.5)、O_(3)-8 h为首要污染物的天数最多;PM_(10)、NO_(2)为首要污染物的天数以及空气质量指数类别为优的天数整体呈减少趋势,PM_(2.5)、O_(3)-8 h、NO_(2)和PM_(10)为首要污染物的天数整体呈增多趋势;SO_(2)、NO_(2)、CO、PM_(2.5)、PM_(10)浓度和AQI与同期逐日平均气温、风速、最大风速、极大风速、降水量及日照时数均呈显著负相关,与同期的逐日相对湿度、气压呈显著正相关。O_(3)-8h浓度与降水量、相对湿度、气压呈负相关,与平均气温、风速、日照时数呈正相关。

昌吉州气象干旱特征及其对农业生产的影响分析

利用昌吉回族自治州(简称昌吉州)10个气象站1961—2020年降水量及旱灾资料,分析昌吉州降水时空变化特征,计算各气象站月、季、年降水距平百分率,按降水距平百分率干旱指标选取干旱事件,详细分析不同时间尺度气象干旱的时空分布;对历史旱灾实际情况与降水距平百分率指标结果进行实用性评价;分析农作物成灾面积的逐年变化趋势,研究气象干旱对农业生产的影响。结果表明,近60年昌吉州降水量呈增加趋势,年内分布不均衡,夏季降水量最大,冬季降水量最小;从年代上看出20世纪80年代之前降水量整体偏少且变化不稳定,20世纪80年代初开始逐年增加,且1983年发生了突变性增加,1998年增加明显,进入21世纪以来增加平缓。60年来气象干旱发生的频次有中部多于西部和东部的特点。气象干旱发生的月频次呈波动状,其中1月最多,7月次之,11月最少;气象干旱主要是秋旱,冬旱次之,主要以轻旱为主。气象干旱事件发生的年频次逐渐减少。60年来受气象干旱影响,阜康市、吉木萨尔、奇台、木垒县农作物成灾面积较大,受灾程度严重,蔡家湖、昌吉市次之,玛纳斯县、呼图壁县较小,受灾程度轻,气象干旱灾害造成的农作物成灾面积呈减少趋势。降水距平百分率评定的旱灾年与历史旱灾年吻合年数为21年,吻合率达80%。

新疆气温季节变化时空分布特征研究

基于1961—2018年新疆105个气象站点的气温资料,运用气候倾向率、Mann-Kendall检验以及ArcGIS 10.7环境下的反距离加权(IDW)插值技术,探究新疆各季度平均气温的变化趋势、突变特征以及精细化时空分布规律。结果表明,新疆各季度多年平均气温空间分布总体表现为南疆高、北疆低,平原和盆(谷)地高、山区低的格局。新疆各季度近58 a平均气温均呈逐年上升趋势,其中春季气温在2011年突变性地增温,夏季气温在2003年突变,秋季气温在1994年突变,冬季气温在1985—1986年突变;各季度均呈先下降后持续上升的趋势,但不同季节、不同地区升温幅度不同,春季、秋季和冬季北疆气温增温速率最快,夏季天山山区增温速率最快,春季、夏季和秋季南疆气温增温速率最慢,冬季天山山区气温增温速率最慢,都通过显著性检验。新疆地区各季度平均气温增温速率由北向南递减,北部增温速率大于东北部,东北部大于中部,中部大于南部,南部大于东部,这表明寒冷地区增温快于温暖地区。

昌吉地区作物生长季潜在蒸散量变化特征及影响因子

本文探究昌吉地区1963—2020年作物生长季蒸散量变化特征,为该地区水资源优化管理、作物合理布局、农业灌溉规划以及水资源开发利用提供依据。根据昌吉地区8个气象站点1963—2020年的气象数据,采用Thornthwaite法、气候倾向法、M-K检验法、小波分析法分析潜在蒸散量的时空变化特征,结合相关分析探讨气候因子对其影响。结果表明:(1)在时间尺度上,昌吉地区作物生长季潜在蒸散量增加趋势显著,变化率为2.3 mm/10 a,多年平均值为876 mm;8个气象站点潜在蒸散量都呈现增加趋势;(2)在空间尺度上,昌吉地区作物生长季内潜在蒸散量由西向东呈递减趋势。整体呈先减少后增加的变化趋势;(3)西部在2009年、中部在1994年、东部在2013年发生突变,昌吉地区突变发生在1997年,中部和昌吉地区突变早于西部和东部;周期变化显示,昌吉地区作物生长季潜在蒸散量有3.7~4.2年变化周期;(4)影响昌吉地区作物生长季潜在蒸散量主要因素是气温,其中最低气温逐年升高导致潜在蒸散量逐年增加的贡献最大,其他气候因子的变化对潜在蒸散量起着削弱作用。

1970—2020年昌吉地区日照时数时空变化特征分析

基于昌吉地区10个气象站点1970—2020年的气象观测数据,运用气候倾向率、5 a滑动平均趋势分析、M-K检验、Pearson相关分析以及ArcGIS10.7环境下的反距离加权(IDW)插值法探究昌吉地区日照时数时空变化规律及影响因素。结果表明:昌吉地区日照时数多年平均值为2840.3 h,空间分布特征为“东部多、中西部少,山区多、平原少”;1970—2020年昌吉地区年平均日照时数呈显著减少趋势,其速率为-62.8 h/10 a;日照时数夏季最高,其次是春季和秋季,冬季最低;下降速率冬季最快,其次是秋季和夏季,春季变化幅度最小;日照时数年内变化呈现双峰型,最大值出现在5、7、8月,最小值出现在12月,1—12月日照时数均呈减少趋势,1月减少最为明显,12月次之。昌吉地区年日照时数在1987年发生了突变;日照时数与水汽压、雾日数呈显著负相关,与大风日数、扬沙日数呈显著正相关。水汽压、雾日数的增加和大风日数减少是日照时数减少的主要原因。

对最热月和最冷月温度统计方法的思考

最热月和最冷月温度是农业气候区划的常用指标,最热(冷)月的时间和温度具有时空变化性,传统方法以7月和1月直接计算最热月和最冷月温度,与实际有误差,探寻相对准确的最热(冷)月温度统计方法是气象服务农业防灾减灾的课题。本研究利用湖南常德地面气象站1951-2018年逐日温度数据,以31d为月时间长度,统计各年度连续31d的滑动平均温度,确定最热(冷)月起止日期及其月平均气温,对比分析最热(冷)月多年平均时段、最热(冷)月份温度与最热(冷)月温度的差异。结果表明:(1)最热月跨越6月下旬-9月上旬,多年平均时段为7月中旬-8月中旬,该时段、7月和8月的平均气温比最热月平均气温分别偏低0.5℃、0.9℃和1.7℃。(2)最冷月跨越12月上旬-翌年3月中旬,多年平均时段在1月上旬-2月上旬,该时段、1月和2月的平均气温比最冷月平均气温分别偏高1.0℃、1.1℃和2.9℃。(3)以温度误差≤1.0℃为标准,则以多年平均时段统计最热月气温的准确率接近90%,而以7月为标准统计其准确率仅61.2%,说明以多年平均时段统计最热月气温比7月更加准确有效。(4)以温度误差≤2.0℃为标准,则以多年平均时段和1月统计最冷月气温的准确率都超过80%;相对而言,平均时段效果略好于1月。综上所述,最热(冷)月多年平均时段比7月(1月)统计最热(冷)月气温的误差相对小且准确率高。因此,建议估算最热(冷)月温度时,不再直接采用7月(1月),而是以最热(冷)月的多年平均时段,并根据实际统计结果对温度指标作相应调整。

新疆木垒县近51年春、夏季气象干旱特征分析

基于新疆木垒县1970—2020年逐月气温和降水量的观测资料,运用趋势分析、M-K突变检验、小波功率谱分析、相关分析,研究木垒县相对湿润指数春、夏季变化特征及影响因素。结果表明,过去51年木垒县春、夏季平均温度和蒸散量呈显著增加趋势,降水量、湿润指数均呈弱增加趋势,增加趋势不明显,表明木垒县春、夏季气候趋向暖干变化。春季轻旱发生频率大于夏季,中旱和重旱发生频率夏季大于春季。春、夏季平均气温、降水量、相对湿润指数均发生突变。经小波功率谱检验春夏季温度、降水量和相对湿润指数大部分存在2~4年的尺度变化周期;4年以上和2年以下时间尺度的周期信号能量较弱,显著性变化周期主要集中在3年左右的周期振荡上。相对湿润指数的气象影响因子分析表明,木垒县春、夏季相对湿润指数的变化是多个气象因子综合作用所致,但是降水量、相对湿度、气压是导致研究区春、夏季相对湿润指数变化的主要气象因子。

1961—2009年昌吉市主要作物生长季干湿变化特征

基于昌吉市1961—2009年主要作物生长季降水量和气温观测资料,采用Penman公式、Thornthwaite、Holdridge和deMartonne等方法计算了1961—2009年昌吉市生长季可能蒸散量和水分盈亏量、干燥度,并利用线性倾向估计法对生长季降水、温度、蒸散量、水分盈亏量和干燥度气候变化的主要特征进行了对比,分析了其变化趋势。结果表明:1961—2009年昌吉市生长季温度显著上升、潜在蒸散及水分亏缺量显著增加,导致昌吉市生长季的地表干旱呈现缓慢加重的趋势。但由于降水增加、地表干燥度略减少,使得地表干旱状况有所减缓,气候变化并未明显加剧该区的干旱化,即昌吉市主要作物生长季地表干湿状况总体呈缓慢暖干趋势。

昌吉市制种玉米生长季气候条件与产量和生育期的关系

利用2008—2018年4—9月昌吉市平均气温、日照时数、降水等气象资料及同期的制种玉米单产和生育期数据为分析资料,采用线性气候倾向率法对昌吉市制种玉米生长季气候条件与产量生育期的关系进行研究。结果表明,2009—2018年昌吉市制种玉米生长季内的年平均气温、≥35℃高温日数、≥10℃有效积温呈现出逐年增加的趋势,年日照时数、年降水量、≥10℃温度持续日数均呈现出逐年减少的趋势;随着昌吉市气候变化,近10年制种玉米播种、出苗、三叶、七叶、拔节、抽雄、开花等各发育期均表现出不同程度的变化趋势,其中出苗期、三叶期、七叶期、抽雄期、乳熟期均表现出了不同程度的推迟趋势,其余生长期均表现出不同程度的提前趋势;年平均气温、≥10℃有效积温、≥35℃高温日数与制种玉米产量间总体呈现出负相关,也就是随着温度的增加,制种玉米产量不断下降,反之亦然;年降水量、日照与制种玉米产量间呈现出正相关关系,也就是随着降水量的增加,制种玉米产量也随之上升,反之亦然。

新疆温度精细化时空变化特征分析

基于新疆105个气象站点1961—2018年温度资料,运用气候倾向率、Mann-Kendall检验、小波功率谱分析法以及ArcGIS10.7环境下的反距离加权(IDW)插值技术探究新疆年平均温度的变化趋势、突变特征、变化周期以及精细化时空分布规律。结果表明,新疆各地多年平均温度空间分布呈分布不均的现象,空间分布总体表现为南疆高、北疆低,平原和盆(谷)地高、山区低的格局。近58年新疆各地气温除了库车和阿克陶呈略减少趋势,其他各地均呈波动上升趋势,但有区域性差异,线性增温速率各有不同,其中南疆最小,增温速率为0.0257℃/年,天山山区略大,增温速率为0.0314℃/年,北疆最大,增温速率为0.0354℃/年,增温速率均通过P=0.001显著性检验,重点增长区位于哈密、塔城、伊犁及阿勒泰地区。新疆各地年平均温度增温速率由北向南递减,北部增温速度大于东北部,东北部大于中部,中部大于南部,南部大于东部,寒冷地区增温快于温暖地区。新疆温度均有较强的2.6年左右的主要周期振荡并均通过95%的红噪声检验,各地温度偏高波动周期信号最强的是北疆,其次为天山山区,南疆最小。温度距平在20世纪90年代中期之前除了个别年份都是负距平,90年代中期之后都是正距平;2~8年尺度平均谱显示温度的年际变化在20世纪90年代前较弱、90年代后开始逐渐增强,对应的功率谱温度偏高波动周期信号也较强,这说明新疆气候大约在20世纪90年代中后期出现了普遍而显著地增温转折并发生突变。

基于GIS的呼图壁县制种玉米精细化气候区划

利用呼图壁县及周边15个气象站1961—2018年气候资料和台站地理信息数据,应用地理信息系统(ArcGIS10.0)空间分析技术将新疆1:50000 DEM数据转成分辨率为(100 m×100 m)的数字高程,并提取对应站点上的经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向等,通过地统计回归和反距离权重等方法构建≥10℃积温、无霜期、7月平均气温、≥35℃高温日数等指标因子与地理因子的空间分析推算模型,获取制种玉米各区划指标因子的空间分布模拟值,并将实际值与模拟值之残差部分进行空间内插订正,结合制种玉米区划指标等级,最终得到制种玉米适宜种植精细化区划。区划结果表明,呼图壁全县划分为最适宜区、适宜区、次适宜区、风险区和不适宜区。最适宜种植区分布在呼图壁县北部平原地带,包括呼图壁县、十里店镇、五工台镇、园户村镇和大丰镇等广大区域;适宜区分布在中部平原地带,包括独山子乡、龙王庙村、宁州户村、二十里店村等区域;次适宜种植区靠近丘陵、低山地带,包括石梯子乡。

北疆主要植棉区热量资源变化及对棉花产量的影响

基于新疆北疆主要植棉区10个气象站1961—2017年棉花生育期月平均气温、≥10℃积温、≥15℃积温、≥20℃积温、无霜期气象资料和棉花产量数据,采用线性趋势分析、突变检验等方法,对北疆主要植棉区的热量资源及产量变化进行分析。研究表明:(1)生育期月平均气温呈现自东向西升高趋势,相差较小;≥10℃、≥15℃、≥20℃积温和无霜期也呈现自东向西增多趋势,其中无霜期相差19.4 d。(2)生育期月平均气温呈波动性上升趋势,气候倾向率为0.30℃·(10 a)^(-1);≥10℃、≥15℃和≥20℃积温均呈现明显的波动上升趋势,累积距平最小值分别出现在1994年、1995年和2004年,气候倾向率分别为94.1℃·(10 a)^(-1)、66.7℃·(10 a)^(-1)和99.3℃·(10 a)^(-1);≥10℃、≥15℃、≥20℃积温的持续时间呈现增加趋势;初霜期延后,终霜期提前。(3)生育期月平均气温在1994年发生了突变;无霜期在1992年前后发生了突变,突变后延长了11.1 d;≥10℃积温在1995年发生突变,突变后增加了319.2℃;≥15℃积温突变不明显;≥20℃积温在2004年前后发生突变,突变后增加了418.7℃。(4)棉花单产与趋势产量呈明显上升趋势,气象产量波动性较大,单产与热量资源的相关性较高;热量资源的增加对棉花产量的增加具有正效应。(5)热量资源对棉花产量提升起重要作用:丰收年景普遍表现为积温较常年多,光热条件好;歉收年景表现为热量减少,无霜期缩短,光热条件差,降水量略偏少;平常年景表现为降水量接近常年,日照时间略多于常年,整体光热条件一般。