1951—2020年阿富汗氣候變化特征分析

迪麗努爾·托列吾別克， 姚俊強， 毛煒嶧， 李淑娟， 陳 靜， 馬麗云

（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/新疆樹木年輪生態實驗室，新疆 烏魯木齊 830002）

氣候變化是當今國際普遍關注的全球性問題，氣候變化不僅引起水資源在時空上的重新分配，而且加劇了洪澇、干旱等極端氣候事件的發生頻率，進而破壞自然環境和生態系統平衡，并且對經濟發展和人類生活也有深遠的影響。因此，氣候變化在區域、國家乃至全球的可持續發展中發揮重要的作用［1］。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告指出，全球氣候系統正經歷著快速而廣泛的變化［2］。20 世紀中葉以來，人類活動造成的氣候變化顯著地改變了全球水循環［3］，這將對氣候的干濕變化和水資源供需平衡產生重要影響。

阿富汗是位于亞洲中西部的內陸國家，由于特殊的地緣政治和惡劣的氣候環境，制約著其社會經濟和農牧業發展。阿富汗境內地形地貌復雜，東北斜貫西南為高原和山地，其中最大的山脈為興都庫什山，研究表明這一地區是阿富汗增溫明顯的區域［4］。阿富汗的北部和西南部分別為干旱-半干旱和沙漠氣候區，位于阿富汗西南部的的錫斯坦盆地是世界上最干旱的地區之一。錫斯坦盆地由赫爾曼德河流域、哈蒙濕地及尾閭湖構成，赫爾曼德河水源來自于興都庫什山并且補給下游的哈蒙濕地和高鹽度的尾閭湖［5-6］。哈蒙濕地為阿富汗西南部荒漠區的綠洲地帶，該地人口眾多日常生活用水和農業灌溉壓力大，還面臨上游水源補給不穩定以及與鄰國水資源之爭的問題［7］。

近年來，阿富汗氣候變化問題受到關注，并開展了一系列研究。Rehana等［8］采用日本高分辨率逐日亞洲陸地降水（APHRODITE）格點資料分析了1951—2007年阿富汗及其7個農業氣候分區的降水和氣溫時空變化，表明阿富汗北部、東北部和西部經歷了以氣溫增加而降水減少為主的“暖干”期；而阿富汗南部、西南部和東部隨著氣溫和降水的增加，經歷了“暖濕”化。Aliyar 等［9］基于APHRODITE資料研究得出，1951—2010年阿富汗東北部和西南部年降水呈顯著減少的趨勢，持續干期增加，且春季更加明顯。春季降水的減少會影響到春耕作物的生產，尤其是在可耕地面積占22%的阿富汗東北地區。與此相反的是在阿富汗中部、東部和南部區域夏季降水呈增加趨勢，并且強降水和極強降水頻次均呈增加趨勢。近年來以增暖為主要特征的氣候變化，以及干旱、沙塵暴、暴雪、極寒等的極端天氣氣候事件將給阿富汗的生態、農業、經濟、生物多樣性、人民健康和糧食安全帶來巨大挑戰［4］。

干濕氣候變化對區域水循環與生態系統具有重要影響，同時也影響區域農業生產、經濟發展和社會穩定［10］。干旱是阿富汗主要的氣象災害之一，Qutbudin 等［11］研究表明，在1901—2010年阿富汗干旱強度增強、頻次增加。在水稻和玉米生長季（5—11 月），阿富汗西北部和西南部由于氣溫升高引起標準化降水蒸散指數（SPEI）的下降；在大麥種植季（10 月至次年6 月），升溫和降水減少導致SPEI 減小。隨著全球增暖，阿富汗干濕氣候變化格局發生了改變。為此，本研究基于最新的高分辨率逐月格點資料（CRU TS V4.05），系統分析1951—2020年阿富汗平均氣候變化特征，并進一步分析干濕變化的基本情況，以期為阿富汗社會、經濟、農業和生態環境建設提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

阿富汗為亞洲中部干旱區南部的內陸國家，地理位置位于29°35′～38°40′N，60°31′～75°E，毗鄰6個國家，其北部與土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦接壤，西部與伊朗相接，東北部凸出的狹長地帶（瓦罕走廊）與中國接壤，東南部與巴基斯坦相接［11］。地勢西南低、東高（圖1），北部和西南部多為平原，中部至東北部為山地，高原和山地占其全國面積的4/5。東北斜貫至西南為興都庫什山，其平均海拔為5000 m。興都庫什山是中亞氣候的分水嶺，東興都庫什山脈是亞洲季風區的最西邊界，西興都庫什山脈是地中海氣候的東邊界［4,11］。阿富汗西南部的錫斯坦盆地為世界上最干旱的地區之一，常年受極端干旱氣候和沙塵暴的侵襲［4］。

圖1 阿富汗地形分布Fig.1 Distribution of topography over the Afghanistan

1.2 數據來源與處理

觀測數據來自美國國家氣候數據中心（NCDC）研發的全球歷史氣候數據集（Global Historical Climatology Network-Monthly,GHCN-M V4.0）［12-13］，該數據集是目前收錄站點數量最多、時空覆蓋范圍最廣的全球氣候要素數據產品，被廣泛應用于全球及區域氣候變化研究中。阿富汗境內有5個氣溫和4個降水觀測站點，對站點資料進行時間一致性檢驗以保證數據長度的穩定性和均一性，最終選取了4 個站點（表1）。為方便進行統一對比分析，數據的時間范圍為1964 年1 月—1982 年12 月。季節劃分：3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12月至翌年2月為冬季。由阿富汗4個氣象站點年和四季平均氣溫、降水量的分布，分析得到4個站點年平均氣溫為12.1～18.8 ℃，年降水量在170～310 mm，以春、冬季降水為主。

表1 阿富汗站點信息Tab.1 The distribution of observation stations in Afghanistan

采用英國東英吉利亞大學氣候研究中心重建的最新全球逐月氣候要素格點資料（CRU TS V4.05）［14］，時間范圍覆蓋為1901—2020 年，空間分辨率為0.5°×0.5°。潛在蒸散量的計算采用世界糧農組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）推薦的Penman-Monteith 公式［15］。已有研究表明，CRU格點資料分辨率高、覆蓋完整，并且與實測資料有很好的吻合性。閆昕旸等［16］基于CRU資料分析泛中亞干旱區氣候變化特征，表明該格點資料在觀測資料匱乏的泛中亞干旱區具有可靠性。陳發虎等［17］利用CRU 資料分析中亞降水變化，表明1930 年以后CRU 資料在中亞具有適用性。于志翔等［18］采用CRU 資料分析中巴經濟走廊氣候變化時空分布特征，利用瓜達爾港、紅旗拉甫地面觀測數據與CRU氣溫資料進行對比，結果表明站點與CRU插值數據擬合較好，相關系數高。確定CRU 資料在位于阿富汗東南部的中巴經濟走廊地區可靠性較高。分辨率高、長時間序列的CRU資料在氣候變化和氣候趨勢等方面的研究中被廣泛應用［16-22］。

為驗證CRU資料在阿富汗地區的可靠性，采用雙線性插值法將CRU 逐月格點資料插值到阿富汗對應的站點（表1），選擇線性回歸［21］和皮爾遜相關系數（CC）［23］作為評價指標，當CC值越大，表明線性擬合程度越高。對比1964—1982 年阿富汗4 個站點月平均氣溫與CRU插值氣溫數據，結果表明兩者相關系數為0.89，表現為強相關，且線性回歸系數（0.85）近似于1。由此可見，CRU資料在阿富汗可靠性高，適用于分析其氣候變化特征。

干濕指數（Aridity Index，AI）是表征氣候干濕程度的指數，AI在全球和區域干濕氣候變化研究中有廣泛的應用［22,24-26］。其定義如下：

AI=PRE/PET

式中：PRE 為降水量（mm）；PET 為潛在蒸散量（mm）。依據聯合國環境規劃署（UNEP）的定義［27］，依據AI 指數將干濕氣候劃分為5 類：極端干旱區（AI＜0.05）、干旱區（0.05≤AI＜0.2）、半干旱區（0.2≤AI＜0.5）、干旱-半濕潤區（0.5≤AI＜0.65）和濕潤區（AI＞0.65）。氣候要素變化特征與趨勢的分析計算主要采用線性傾向估計法和顯著性檢驗等氣候統計方法［23］。

2 結果與分析

2.1 平均氣溫變化特征

由1951—2020 年阿富汗區域平均氣溫的年內分布（圖2a）可以看出，氣溫表現出明顯的季節差異。月平均氣溫呈“單峰型”分布，阿富汗區域平均氣溫的最大值出現在7月，為25.7 ℃，最小值出現在1月，為0.7 ℃。1951—2020年阿富汗年平均氣溫自西北、西南部和東南部向東北部呈減小的分布，其中西南部年均氣溫高于24 ℃，中部年均氣溫在12 ℃以上，而興都庫什山地區年平均氣溫低于8 ℃，其中瓦罕走廊年平均氣溫低于0 ℃（圖2b）。近70 a，阿富汗年平均氣溫呈顯著上升趨勢，其增溫率為0.22 ℃·(10a)-1，且通過95%水平的顯著性檢驗。21世紀以來阿富汗平均氣溫增率為0.057 ℃·(10a)-1（圖2c）。從空間分布來看（圖2d），1951—2020年阿富汗全區年平均氣溫呈顯著的增溫趨勢（通過95%水平的顯著性檢驗）。升溫幅度自西向東遞減，西部增溫較明顯，超過0.3 ℃·(10a)-1。

圖2 1951—2020年阿富汗平均氣溫月（a）、年際（c）變化以及其氣候態（b）和氣候傾向率（d）的空間分布Fig.2 Annual cycle(a)and interannual(c)variations and the spatial distribution of the annual average(b),trend(d)of temperature in Afghanistan from 1951 to 2020

1951—2020 年阿富汗四季平均氣溫的時空變化如圖3所示。阿富汗四季平均氣溫均自西南部向東北部隨著海拔高度的增加呈下降的空間分布（圖3a～圖3d）。近70 a以來，阿富汗四季平均氣溫分別為13.6 ℃、24.5 ℃、13.5 ℃、2.1 ℃，四季平均氣溫的氣候傾向率分別為0.29 ℃·(10a)-1、0.23 ℃·(10a)-1、0.22 ℃·(10a)-1、0.12 ℃·(10a)-1，且均通過95%水平的顯著性檢驗（圖3e～圖3h）。春季增溫幅度最大，冬季增溫幅度最小。21 世紀以來，夏、冬季平均氣溫呈明顯的上升趨勢，上升速率分別為0.48 ℃·(10a)-1、0.16 ℃·(10a)-1，且均通過95%水平的顯著性檢驗。春、秋季平均氣溫下降趨勢明顯，氣候傾向率分別為-0.21 ℃·(10a)-1、-0.16 ℃·(10a)-1。從四季平均氣溫變化趨勢的空間分布（圖3i～圖3l）可以看出，1951—2020年阿富汗在春、夏季和秋季全區增溫顯著（通過95%水平的顯著性檢驗），且平均氣溫變化率自西向東遞減，阿富汗西部平原地區增溫幅度較大。冬季東北部和西南部顯著增溫而中部增溫不顯著。

圖3 1951—2020年阿富汗四季平均氣溫（a～d）及其氣候傾向率（i～l）的空間分布和時間變化（e～h）Fig.3 Spatial distribution of seasonal average(a-d),trends(i-l),and temporal variations(e-h)of temperature in Afghanistan from 1951 to 2020

2.2 降水量變化特征

大氣降水是阿富汗水資源的重要補給來源。阿富汗降水量季節分布不均，呈“雙峰型”分布，四季降水量分別占年降水量的43.2%、6.8%、9.5%和40.5%，月平均降水量最大值出現在3月（63.4 mm），最小值出現在9月（3.6 mm）（圖4a）。1951—2020年阿富汗年平均降水量的自西南部向東北部遞增（圖4b）。近70 a區域平均年降水量呈略下降趨勢，氣候傾向率為-0.43 mm·(10a)-1，未通過顯著性檢驗（圖4c）。2000 年以來阿富汗降水波動增加，2000—2020年間，平均每10 a增加36.5 mm，并且通過95%水平的顯著性檢驗。從阿富汗年降水量變化趨勢的空間分布（圖4d）來看，近70 a 以來，阿富汗年降水量變化趨勢的區域間差異明顯，表現為自西南部向東北部為“減少-增加-減少”的趨勢。西南部和東北部降水量呈減少趨勢，平均減少2 mm·(10a)-1，而阿富汗中部年降水呈增加趨勢。

圖4 1951—2020年阿富汗平均降水量月（a）、年際（c）變化以及其氣候態（b）和氣候傾向率（d）的空間分布Fig.4 Annual cycle(a)and interannual(c)variations and the spatial distribution of the annual average(b),trend(d)i precipitation in Afghanistan from 1951 to 2020

圖5a～圖5d 為1951—2020 年阿富汗四季降水量的空間分布，可以看出，降水主要集中在春、冬季，且自西南部向東北部遞增。近70 a以來，四季降水變化趨勢不一致，降水量最集中的春、冬季呈減少趨勢，平均每10 a 分別減少0.74 mm、0.11 mm（圖5e，圖5h）；夏、秋季阿富汗降水呈增加趨勢，平均每10 a分別增加0.29 mm、0.37 mm（圖5f，圖5g）。從空間分布來看，近70 a阿富汗春季降水量減少的區域主要分布在北部（圖5i），且東北部減少幅度大于2 mm·(10a)-1，這一區域可耕地面積占阿富汗總面積的22%［9］，春季降水的減少將影響到該地區農作物的春耕春播。斯德哥爾摩環境研究所利用耦合模式比較計劃（CMIP3）試驗研究發現，1960—2003 年阿富汗春季降水每10 a 減少6.6%［28］，Aliyar 等［9］研究結論也表明阿富汗春季降水呈減少趨勢。冬季降水減少的區域在西南部和東北部，中部降水增加（圖5l）。21世紀以來，阿富汗四季降水量氣候傾向率分別為11.4 mm·(10a)-1、-0.68 mm·(10a)-1、1.12 mm·(10a)-1、1.24 mm·(10a)-1，春季降水量增加趨勢最大，夏季降水量呈減少趨勢。

圖5 1951—2020年阿富汗四季平均降水量（a～d）及其氣候傾向率（i～l）的空間分布和時間變化（e～h）Fig.5 Spatial distribution of seasonal average(a-d),trends(i-l),and temporal variations(e-h)of precipitation in Afghanistan from 1951 to 2020

2.3 潛在蒸散量變化特征

潛在蒸散量在水循環過程中對區域氣候、生態環境和水資源配置狀況都具有一定的影響［29］。阿富汗區域平均潛在蒸散量的年內分布呈“單峰型”，最大值出現在7月（224.5 mm）（圖6a）。從空間分布來看（圖6b），阿富汗年潛在蒸散量大，且自西南部向東北部隨著海拔的增加呈減小的分布。1951—2020年年潛在蒸散量呈顯著的增加趨勢（圖6c），其氣候傾向率為5.59 mm·(10a)-1（通過95%水平的顯著性檢驗）。21 世紀以來，年潛在蒸散量以-3.5 mm·(10a)-1的速率呈顯著減少。由年平均潛在蒸散量氣候傾向率的空間分布（圖6d）可以看出，阿富汗西南部潛在蒸散量呈顯著增加趨勢，其增加幅度超過12 mm·(10a)-1；東部山區潛在蒸散量呈減少趨勢。

圖6 1951—2020年阿富汗平均潛在蒸散量月（a）、年際（c）變化以及其氣候態（b）和氣候傾向率（d）的空間分布Fig.6 Annual cycle(a)and interannual(c)variations and the spatial distribution of the annual average(b),trend(d)of potential evapotranspiration in Afghanistan from 1951 to 2020

1951—2020 年阿富汗四季平均潛在蒸散量的空間分布均呈自西南部向東北部遞減（圖7a～圖7d），夏季潛在蒸散量最大，且西南部局部大于210 mm（圖7a）；冬季潛在蒸散量最?。▓D7d）。近70 a，春、夏季和秋季潛在蒸散量呈顯著增加趨勢，分別增加0.87 mm·(10a)-1、0.84 mm·(10a)-1和0.26 mm·(10a)-1，且均通過95%水平的顯著性檢驗，其中春季潛在蒸散量的變化幅度最大。冬季潛在蒸散量呈下降趨勢，其氣候傾向率為-0.1 mm·(10a)-1。21 世紀以來，春、秋季和冬季潛在蒸散量呈減少趨勢，夏季呈增加趨勢。圖7i～圖7l為阿富汗潛在蒸散量四季變化趨勢的空間分布，春、夏季阿富汗全區潛在蒸散量呈增加趨勢，且西部地區增加趨勢顯著（通過95%水平的顯著性檢驗）；秋季阿富汗西南部地區潛在蒸散量呈略增加趨勢，東北部呈減少趨勢；冬季阿富汗大部分地區潛在蒸散量呈減小趨勢。

圖7 1951—2020年阿富汗四季平均潛在蒸散量（a～d）及其氣候傾向率（i～l）的空間分布和時間變化（e～h）Fig.7 Spatial distribution of seasonal average(a-d),trends(i-l),and temporal variations(e-h)of potential evapotranspiration in Afghanistan from 1951 to 2020

2.4 干濕指數（AI）變化特征

1951—2020 年阿富汗平均AI 指數的年內分布存在明顯的季節差異，春、冬（夏、秋）季AI 指數大（?。?，氣候較為濕潤（干旱）（圖8a）。阿富汗AI指數的空間分布表現為東北部大于西南部（圖8b）。依據AI劃分干濕氣候的標準，阿富汗西南部為干旱氣候區，中部為半干旱氣候區，東北部的中部為干旱半濕潤氣候區，東北部的東部為濕潤氣候區。近70 a，阿富汗年平均干濕指數呈略增加的趨勢（圖8c）。2000 年以來，干濕指數表現為顯著的增加趨勢，其氣候傾向率為0.04·(10a)-1（通過95%水平的顯著性檢驗）。阿富汗年平均AI變化趨勢的空間分布表現為自西南部向東北部，呈“減小-增加-減小”的空間分布（圖8d），表明西南部的干旱區干旱化加劇，中部的干旱-半濕潤地區呈濕潤化，而東北部的濕潤區呈干旱化。

圖8 1951—2020年阿富汗平均干濕指數（AI）月（a）、年際（c）變化以及其氣候態（b）和氣候傾向率（d）的空間分布Fig.8 Annual cycle(a)and interannual(c)variations and the spatial distribution of the annual average(b),trend(d)of Aridity index(AI)in Afghanistan from 1951 to 2020

阿富汗四季平均AI 指數的空間差異較大（圖9a～圖9d），春季在阿富汗大部分區域呈現出濕季特征，且自西南向東北呈逐漸偏濕的分布（圖9a）；夏季阿富汗為極端干旱和干旱的狀態，僅東南部小部分區域為干旱半濕潤狀態（圖9b）；秋季阿富汗干旱程度自西南部至東北部減緩；冬季阿富汗東北部大部分地區為干旱-半濕潤和濕潤狀態（圖9d），冬季降水量多且潛在蒸散量小，使得阿富汗冬季氣候較為濕潤。由1951—2020 年阿富汗四季干濕指數的時間變化（圖9e～圖9h）可以看出，春季AI呈減小趨勢［-0.01·(10a)-1］，表明阿富汗在春季呈干旱化。夏季AI 呈顯著的增加趨勢，秋、冬季AI 變化幅度不大。21 世紀以來，AI 在春季表現為顯著增大趨勢，其增幅為0.13·(10a)-1；其次為冬季，近21 a以來增濕幅度為0.041·(10a)-1；秋季也呈增濕趨勢，氣候傾向率為0.027·(10a)-1；夏季AI呈減小趨勢，氣候傾向率為-0.004·(10a)-1。四季平均AI 指數變化的空間差異較大（圖9i～圖9l）。春季（圖9i）阿富汗整體表現為偏干的趨勢，東北部偏干幅度最大。夏季阿富汗AI 指數西部呈略下降趨勢，氣候偏干；東部呈上升趨勢，氣候傾向率介于0～0.01·(10a)-1，氣候偏濕。秋季為阿富汗的旱季，AI指數在全區呈現上升趨勢（圖13k），表明秋季阿富汗有變濕傾向。冬季阿富汗AI指數變化存在明顯的空間異質性，其與年平均AI 指數變化的空間分布型類似，自西南向東北呈“減小-增加-減小”的變化趨勢。西南部AI 指數的氣候傾向率小于-0.02·(10a)-1，呈顯著的偏干趨勢，東北部的西部AI 指數的氣候傾向率大于0.03·(10a)-1，呈偏濕趨勢，東北部的東部AI指數的氣候傾向率小于-0.01·(10a)-1，呈偏干趨勢。

圖9 1951—2020年阿富汗四季平均干濕指數（a～d）及其氣候傾向率（i～l）的空間分布和時間變化（e～h）Fig.9 Spatial distribution of seasonal average(a-d),trends(i-l),and temporal variations(e-h)of Aridity index(AI)in Afghanistan from 1951 to 2020

3 結論

本文基于最新CRU 逐月氣候要素資料，對1951—2020年阿富汗平均氣候變化開展全面分析，得出以下主要結論：

（1）1951—2020年阿富汗年平均氣溫和潛在蒸散量（降水量）表現為自西南部錫斯坦盆地向東北部呈遞減（遞增）的分布，東北部瓦罕走廊為阿富汗年平均氣溫最低、年降水最集中的高寒地區。近70 a以來，阿富汗呈全區一致性的顯著增溫，年降水量總體略呈減少趨勢，而潛在蒸散量呈顯著增加的趨勢。區域間降水變化差異大，表現為阿富汗西南部和東北部減少，中部山區增加的趨勢。21世紀以來，阿富汗表現為增溫平緩，降水量顯著增加，而潛在蒸散量略減小的變化。

（2）近70 a以來，阿富汗四季增溫顯著，均呈現西部地區增溫幅度大于東部的特征，且春季增溫幅度最大。春、冬（夏、秋）季降水為減少（增加）趨勢，春季阿富汗北部大部分區域降水量減少，南部略增加，冬季自西南至東北部呈“減少-增加-減少”的變化趨勢。春、夏、秋季潛在蒸散量增加，而冬季表現出略減小趨勢。21 世紀以來，氣候特征變化明顯，表現為春季和秋季氣溫和潛在蒸散量均減小、降水增加；夏季氣溫和潛在蒸散量增大，降水減少；冬季氣溫和降水量增加，潛在蒸散量減小的變化。

（3）近70 a以來，年平均AI指數變化不明顯，以年際變化為主?？臻g上表現為自西南至東北部為“干-濕-干”的變化，興都庫什山區呈現增濕趨勢。春季AI指數在阿富汗全區呈減小趨勢，表明春季氣候偏“暖干”；夏、秋、冬季AI 指數呈增加趨勢，且冬季自阿富汗西南向東北呈“減小-增加-減小”的變化趨勢。21世紀以來，阿富汗年平均AI指數呈顯著增加趨勢，并且在春、秋季和冬季也表現一致，而夏季呈變干趨勢。

近70 a，阿富汗四季氣溫呈一致的增暖，季節降水的區域差異特征明顯，降水集中季節（冬、春季）降水量時間變化呈減少趨勢，但在空間上變化不均，春季（冬季）中部山區氣候表現為“暖干化”（“暖濕化”），瓦罕走廊在濕季均為“暖干化”。興都庫什山山區增暖，會帶來冰雪融化加速、冰崩、冰川消融等生態和冰凍圈災害事件，對山區及下游補給河流帶來風險。西南部錫斯坦盆地氣候“暖干化”趨勢持續，將對農業生產和鄰國水資源協調發展帶來威脅。

本文僅采用長時間序列的格點資料分析了阿富汗氣候要素變化的基本特征，然而對于極端氣候事件的發生、21世紀以來阿富汗春季降水急劇增加的成因機制及未來氣候變化對阿富汗區域以及與之毗鄰的我國新疆水資源和生態環境可能產生的影響需進一步加強研究。