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      氣候變化引起我國(guó)溫度破紀(jì)錄事件的不一致演變

      2015-03-20 02:53:06楊霏云惠建忠唐千紅蘭海波李海勝
      安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年33期
      關(guān)鍵詞:低值高值紀(jì)錄

      李 超,楊霏云,惠建忠,唐千紅,蘭海波,李海勝

      (1.中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心,北京100081;2.中國(guó)氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院,北京100081)

      近10余年,針對(duì)我國(guó)極端氣溫事件開(kāi)展了許多研究[1-8],但其研究對(duì)象是大于第90或第95百分位的或小于第10或第5百分位的數(shù)值區(qū)間,而對(duì)最為極端事件,即破紀(jì)錄事件的關(guān)注非常有限。將在一個(gè)時(shí)間序列中超過(guò)(或低于)先前所有數(shù)值的值定義為一個(gè)高值(或低值)紀(jì)錄。溫度破紀(jì)錄事件反映極端氣候趨勢(shì),是近年來(lái)氣候變化研究的熱點(diǎn)[9],其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用于氣候趨勢(shì)的分析[10-11]、全球氣溫的變異性[12]等。

      對(duì)我國(guó)的溫度破紀(jì)錄事件,有學(xué)者在假定溫度的概率密度分布函數(shù)的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)得到破紀(jì)錄溫度的期望值[13-15],利用蒙特卡羅模擬對(duì)推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[16-17],從而分析未來(lái)溫度破紀(jì)錄事件的發(fā)生強(qiáng)度、發(fā)生時(shí)間及極值概率等。熊開(kāi)國(guó)等[18]分析1976~2005年逐日溫度的破紀(jì)錄事件發(fā)現(xiàn),實(shí)際檢測(cè)的年均發(fā)生高溫破紀(jì)錄事件頻次增多,而低溫破紀(jì)錄事件減少。尚缺少對(duì)氣候變暖所引起的高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄演變的不一致性的深入分析。另外,溫度的高值紀(jì)錄或低值紀(jì)錄引起的災(zāi)害類(lèi)型不同,因而防災(zāi)減災(zāi)措施迥異。分析不同類(lèi)型(高值紀(jì)錄或低值紀(jì)錄)的破紀(jì)錄事件在頻次或變化強(qiáng)度上的差異,可以加深對(duì)極端氣候變化趨勢(shì)的理解和農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)策略的制定。筆者在此分析我國(guó)近53年月平均溫度的高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄的分布和演變,揭示不同的溫度破紀(jì)錄事件類(lèi)型的頻次和變化強(qiáng)度受氣候變化影響的季節(jié)不均勻性和局地差異,以期進(jìn)一步加深對(duì)氣候變暖與破紀(jì)錄事件的關(guān)聯(lián)性的理解。

      1 資料和方法

      1.1 資料來(lái)源 資料來(lái)源于中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心月平均溫度數(shù)據(jù)集。選取滿足1961~2013年連續(xù)觀測(cè)的站點(diǎn),經(jīng)檢驗(yàn)有576個(gè)站點(diǎn)符合要求。逐月構(gòu)造時(shí)間序列,將各站點(diǎn)的同月份的53個(gè)氣溫值按年份排列,共得到576×12=6 912個(gè)時(shí)間序列,每個(gè)序列的長(zhǎng)度均為53。

      1.2 破紀(jì)錄統(tǒng)計(jì)量 如果時(shí)間序列X的第i項(xiàng),勝過(guò)序列中之前的所有數(shù)值,則是一個(gè)破紀(jì)錄事件(紀(jì)錄),即如果xi>max(x1,x2,…,xi-1),則是一個(gè)高值紀(jì)錄。如果 xi< min(x1,x2,…,xi-1),則是一個(gè)低值紀(jì)錄。序列的第一項(xiàng)既是高值紀(jì)錄又是低值紀(jì)錄。

      如果時(shí)間序列來(lái)自于連續(xù)分布,且各項(xiàng)是相互獨(dú)立的同分布,則xi是一條紀(jì)錄的概率是1/i。因此,有n項(xiàng)數(shù)的時(shí)間序列,其紀(jì)錄數(shù)的期望值E(r)為

      根據(jù)調(diào)和級(jí)數(shù)的歐拉公式,公式(1)可簡(jiǎn)化為

      其中γ=0.577…,稱(chēng)為歐拉常數(shù)。這一結(jié)論的重要性在于它適用于任何的連續(xù)概率分布。以下數(shù)據(jù)分析都是在此推論的基礎(chǔ)上展開(kāi)的。

      1.3 分析方法 由公式(2)可見(jiàn),在理論上,高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄出現(xiàn)頻次的期望值是相同的。2種紀(jì)錄類(lèi)型實(shí)際出現(xiàn)的頻次的差異可以從某種角度反映極端氣候的趨勢(shì)。參考Anderson等[12]的方法定義統(tǒng)計(jì)量R,變量R(t)是第 t年,6 912個(gè)時(shí)間序列中的高值紀(jì)錄頻次和低值紀(jì)錄頻次的比值為

      其中,如果在序列i(在第t年)出現(xiàn)一條高值(低值)紀(jì)錄,則 hi,t(li,t)是 1,反之是 0;N=6 912,是數(shù)據(jù)集合中的時(shí)間序列的個(gè)數(shù)。比率R可以表征極端高值和極端低值的演變[19],是描述平均趨勢(shì)的一個(gè)粗略的指標(biāo)[12]。R從定義上存在奇異點(diǎn),有可能是無(wú)窮或0。文中涉及的觀測(cè)數(shù)據(jù)集中,沒(méi)有出現(xiàn)R為無(wú)窮或0的情況。使用平滑擬合來(lái)估計(jì)R的演變,平滑后的數(shù)據(jù)表示為Rs。采用的平滑方法是LOWESS(locally weighted scatter plot smoothing)[12],其優(yōu)點(diǎn)是不需要假定解析函數(shù)的形式。

      為了考察破紀(jì)錄事件的頻次和變化強(qiáng)度在各季節(jié)和各個(gè)地區(qū)的分布,針對(duì)單個(gè)時(shí)間序列,分別定義變量ρ和變量γ:其中,如果序列i在第t年出現(xiàn)一條高值(低值)紀(jì)錄,則hi,t(li,t)是1,反之是0;n=53,是時(shí)間序列的長(zhǎng)度。min表示高值紀(jì)錄的累積個(gè)數(shù)和低值紀(jì)錄的累積個(gè)數(shù)相比較的小值。因此,ρ是單一時(shí)間序列i中出現(xiàn)高值紀(jì)錄的累積個(gè)數(shù)和低值紀(jì)錄的累積個(gè)數(shù)的差值的相對(duì)值,反映了序列i中哪一種類(lèi)型的紀(jì)錄的頻次占優(yōu)及其程度。其中,如果序列i在第t年出現(xiàn)一條高值(低值)紀(jì)錄,則Hi,t(Li,t)是當(dāng)前紀(jì)錄和前一條高值(低值)紀(jì)錄的差值的絕對(duì)值,反之是0;M1=∑nt=1hi,t,是序列 i高值紀(jì)錄的累計(jì)個(gè)數(shù);M2=∑Nt=1li,t,是序列i低值紀(jì)錄的累計(jì)個(gè)數(shù)。因此,γ是高值紀(jì)錄平均變化強(qiáng)度與低值紀(jì)錄平均變化強(qiáng)度的差值,反映了序列i中哪一種類(lèi)型的紀(jì)錄的變化強(qiáng)度更大及其程度。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 高值記錄和低值記錄的時(shí)間演替 隨著時(shí)間的增加,紀(jì)錄的出現(xiàn)會(huì)越來(lái)越困難。對(duì)于平穩(wěn)過(guò)程,其漸進(jìn)的概率為1/n。由高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄出現(xiàn)的次數(shù)隨時(shí)間的衰減及衰減的理論值(圖1)可見(jiàn),1980年前,理論值能夠較好地解釋每年高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄出現(xiàn)的次數(shù);而1980年后,高值記錄年頻次大多位于理論值曲線以上,低值記錄年頻次則主要落在理論值曲線以下,即平穩(wěn)過(guò)程的理論值對(duì)前半段紀(jì)錄的擬合效果優(yōu)于后半段??梢?jiàn),1980年后高值紀(jì)錄出現(xiàn)的次數(shù)衰減的速率比理論值慢,而低值紀(jì)錄出現(xiàn)的次數(shù)衰減的速率比理論值快。

      分析1961年來(lái)我國(guó)溫度高值紀(jì)錄與低值紀(jì)錄年出現(xiàn)次數(shù)的比率隨時(shí)間演變(圖2)可見(jiàn),比率R的最大值約為163,出現(xiàn)在2006年,比率R的最小值為0.14,出現(xiàn)在1970年;使用平滑擬合Rs來(lái)近似表征比率R的平均行為發(fā)現(xiàn),1960~1970年Rs<1且變化甚微,之后Rs增加,在1978年超過(guò)1(Rs=1.02),1990年后 Rs值增大的速率明顯加大,1990年Rs=1.80,到2001 年已增加一個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)10.8,2013 年 Rs=28.1。美國(guó)[19-20]和澳大利亞學(xué)者[21]也分別報(bào)道了美國(guó)和澳大利亞的相似結(jié)果,即自1970年以來(lái)高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄的頻次比值約為2∶1。但與這兩國(guó)相比,我國(guó)的高值紀(jì)錄在1980年后的增加趨勢(shì)更明顯。

      2.2 高值記錄和低值記錄的空間分布 使用ρ(公式3)和γ(公式4)來(lái)分析高值記錄和低值記錄2種紀(jì)錄類(lèi)型的頻次和變化強(qiáng)度的差異,以及各時(shí)間序列的空間分布。參考全國(guó)一級(jí)氣象地理區(qū)劃,從大類(lèi)上以東、西、南、北、中5個(gè)方位定義5個(gè)不重疊的區(qū)域(表1)。

      表1 全國(guó)東、西、南、北、中5個(gè)區(qū)域的劃分

      2.2.1 頻次。比較不同類(lèi)型紀(jì)錄的頻次占優(yōu)的站點(diǎn)的個(gè)數(shù)(圖3~4)發(fā)現(xiàn),1~3月全國(guó)超過(guò)60%的站點(diǎn)高值紀(jì)錄頻次超過(guò)低值紀(jì)錄的頻次(ρ>0),尤其是2月,這一比例高達(dá)90%;6、7和12月有超過(guò)50%的站點(diǎn)低值紀(jì)錄頻次占優(yōu)(ρ<0),7月比例為63%,主要集中在中部地區(qū)和東部地區(qū),12月則主要集中在南方地區(qū)。除了2月,其他各月份均約有15%~20%的站點(diǎn)其高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄頻次相當(dāng)。也就是說(shuō),冬季的1和2月全國(guó)大部分站點(diǎn)高值紀(jì)錄頻次多,夏季有過(guò)半的站點(diǎn)的低值紀(jì)錄頻次多,春季和秋季不同類(lèi)型紀(jì)錄發(fā)生的站點(diǎn)數(shù)目差異不大;2種類(lèi)型紀(jì)錄的頻次相當(dāng)?shù)恼军c(diǎn)約為20%。

      分析2種類(lèi)型的紀(jì)錄頻次相比較的空間分布及頻次差異的程度(圖3和表2)可見(jiàn),2月高值紀(jì)錄的頻次超出(ρ>0)最明顯,即高值紀(jì)錄的次數(shù)比低值紀(jì)錄的次數(shù)多1倍,特別是東部和中部地區(qū);3月開(kāi)始,盡管高值紀(jì)錄的頻次逐步減弱,但其占優(yōu)的趨勢(shì)一直持續(xù)到5月,南方地區(qū)、西部地區(qū)和中部地區(qū)高值紀(jì)錄仍然比低值紀(jì)錄的頻次多約50%;之后,低值紀(jì)錄頻次超出(ρ<0);7月,全國(guó)低值紀(jì)錄的頻次比高值紀(jì)錄的頻次多70%,尤其是東部和中部,低值紀(jì)錄的頻次多出約1.5倍,其低值紀(jì)錄頻次超出的趨勢(shì)一直持續(xù)到9月,并在12月將范圍擴(kuò)大至南部沿海。

      不同區(qū)域ρ變化趨勢(shì)差異顯著。如南方沿海,4~5月低值紀(jì)錄增強(qiáng),6~8月高值紀(jì)錄增強(qiáng),12月低值紀(jì)錄的陡增;云南地區(qū),高值紀(jì)錄超出的趨勢(shì)一直較明顯;10~12月江南、華南地區(qū)與西藏、西南地區(qū)變化趨勢(shì)相反,前者低值紀(jì)錄增強(qiáng),而后者高值紀(jì)錄增強(qiáng)。

      圖3顯示,華南東部、江南地區(qū)有83個(gè)站點(diǎn)6月僅出現(xiàn)低值紀(jì)錄,西藏地區(qū)東北部、西南地區(qū)北部、西北地區(qū)中部有11個(gè)站點(diǎn)12月僅出現(xiàn)高值紀(jì)錄,2、3、7、11和12月西藏和云南省交界帶僅出現(xiàn)高值紀(jì)錄;青藏高原、華北、東北、西北地區(qū)高值紀(jì)錄多發(fā)生于冬季;江淮地區(qū)、黃淮、江南、華南的低值紀(jì)錄多發(fā)生于夏季和初冬。由表2可見(jiàn),東部、中部和北方地區(qū)在上半年其高值紀(jì)錄占優(yōu),在下半年其低值紀(jì)錄占優(yōu),但東部和中部地區(qū)在下半年低值紀(jì)錄頻次超出的程度比北方地區(qū)明顯得多;西部地區(qū)除4、6和7月,其余月份高值紀(jì)錄占優(yōu),且程度明顯;南方地區(qū)第一季度高值紀(jì)錄明顯,12月低值紀(jì)錄明顯,其余月份差異不顯著;從各個(gè)月份來(lái)看,1~3月各區(qū)域<ρ>>0,6和7月各區(qū)域<ρ><0;各區(qū)域的平均值顯示,西部和北方地區(qū)高值紀(jì)錄顯著,而中部地區(qū)和東部地區(qū)低值紀(jì)錄略有超出,南方地區(qū)高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄的頻次相當(dāng);全國(guó)來(lái)看,高值紀(jì)錄的頻次高于低值紀(jì)錄。

      2.2.2 強(qiáng)度。比較2種類(lèi)型的紀(jì)錄變化強(qiáng)度占優(yōu)的站點(diǎn)的個(gè)數(shù)(圖5~6)發(fā)現(xiàn),全年,2種類(lèi)型紀(jì)錄的變化強(qiáng)度相當(dāng)?shù)恼军c(diǎn)約占10%;除5、9和10月,其他各月份均有超過(guò)45%的站點(diǎn)低值紀(jì)錄變化強(qiáng)度更大,尤其是2、11月,這一比例高達(dá)80%以上;全國(guó)低值紀(jì)錄變化強(qiáng)度更大的站點(diǎn)數(shù)占優(yōu),尤其是2、11月,γ<0的站點(diǎn)比γ>0的站點(diǎn)個(gè)數(shù)多70%;僅在5、9和10月,γ>0的站點(diǎn)個(gè)數(shù)超過(guò)γ<0的站點(diǎn)個(gè)數(shù)。換言之,除了春季的5月、秋季的9和10月,全國(guó)大部分站點(diǎn)的低值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度更大,即低溫破紀(jì)錄事件的溫度降幅超過(guò)高溫破紀(jì)錄事件的溫度增幅。

      表2 5個(gè)區(qū)域的逐月<ρ>值

      由表3可見(jiàn),2月全國(guó)平均低值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度最大(<γ>=-1.3),即低值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度比高值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度高1.3℃,5個(gè)區(qū)域<γ>均為負(fù)值,中部地區(qū)最顯著,達(dá)2.5℃;除5月以外,低值紀(jì)錄變化強(qiáng)度大的情況(各地區(qū)<γ><0)在上半年維持全國(guó)性的特征;下半年,11月低值紀(jì)錄強(qiáng)度大,其他月份高值記錄(<γ>>0)地區(qū)較多;12和5月南方地區(qū)高值紀(jì)錄的強(qiáng)度比低值紀(jì)錄的強(qiáng)度高0.9℃,是高值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度超出低值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度的最大值。比較四季高、低值紀(jì)錄變化強(qiáng)度的差異,冬季是出現(xiàn)大數(shù)值<γ>最頻繁的季節(jié),秋季<γ>數(shù)值普遍較小??梢?jiàn),全國(guó)的低值紀(jì)錄變化強(qiáng)度大,尤其是冬季最普遍,即冬季低溫事件的強(qiáng)度增強(qiáng),單次低溫冷害的危害程度大。

      表3 5個(gè)區(qū)域的逐月<γ>值

      綜合2種類(lèi)型的紀(jì)錄年發(fā)生頻次的時(shí)間演變、空間分布以及變化強(qiáng)度的差異的空間分布,在全球變暖背景下,1961~2013年全國(guó)高溫?zé)崂说念l次增加,但單次低溫冷害的程度加劇,且有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特征。春季,全國(guó)大部分地區(qū)頻次和變化強(qiáng)度的趨勢(shì)相反,即高值紀(jì)錄次數(shù)多的地區(qū),其變化強(qiáng)度弱,而低值紀(jì)錄次數(shù)少的地區(qū),其變化強(qiáng)度強(qiáng);夏季,江南地區(qū)、華南東部低值紀(jì)錄頻次和強(qiáng)度均占優(yōu),低溫冷害的影響大,而華南南部、內(nèi)蒙古地區(qū)高值紀(jì)錄頻次和強(qiáng)度均占優(yōu),其高溫?zé)崂说挠绊懖蝗莺鲆?秋季,全國(guó)大部分地區(qū)頻次和變化強(qiáng)度的趨勢(shì)一致;冬季,全國(guó)范圍內(nèi)高值紀(jì)錄頻次增加,但其平均強(qiáng)度弱于低值紀(jì)錄,也就是說(shuō),高溫事件增多,但單次低溫事件的危害會(huì)更大。

      3 結(jié)論

      基于我國(guó)1961~2013年月平均溫度資料,分析高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄的時(shí)空分布特征,得到幾點(diǎn)結(jié)論:

      (1)1961~2013年我國(guó)實(shí)際檢測(cè)到的高值紀(jì)錄的年頻次增多,低值紀(jì)錄的頻次減少,其比值在1990年后超過(guò)2∶1,并持續(xù)增長(zhǎng),近10年來(lái)甚至增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這與國(guó)外學(xué)者對(duì)北美、澳大利亞的趨勢(shì)分析的結(jié)論相似。

      (2)紀(jì)錄發(fā)生頻次有較大局地差異,且季節(jié)不均勻性明顯。西部和北方地區(qū)高值紀(jì)錄顯著,中部地區(qū)低值紀(jì)錄略有超出,南方和東部地區(qū)高值紀(jì)錄和低值紀(jì)錄的頻次相當(dāng)。全國(guó)高值紀(jì)錄的頻次高于低值紀(jì)錄。2月份,全國(guó)90%的站點(diǎn)高值紀(jì)錄的頻次大于低值紀(jì)錄的頻次。青藏高原、華北、東北、西北地區(qū)高值紀(jì)錄多發(fā)生于冬季;江淮地區(qū)、黃淮、江南、華南的低值紀(jì)錄多發(fā)生于夏季和初冬。

      (3)低值紀(jì)錄變化強(qiáng)度大于高值紀(jì)錄。尤其是2月,低值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度比高值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度高約1.3℃。超過(guò)45%的站點(diǎn)低值紀(jì)錄變化強(qiáng)度大于高值紀(jì)錄的變化強(qiáng)度,特別是2、11月,這一比例超過(guò)80%。

      (4)紀(jì)錄數(shù)據(jù)的頻次和變化強(qiáng)度的變化趨勢(shì)因地區(qū)和時(shí)間而異。在全球變暖背景下,近53年來(lái)全國(guó)高溫紀(jì)錄的頻次明顯增加,但低值紀(jì)錄的降溫幅度卻高于高值紀(jì)錄的增溫幅度。春季和冬季,頻次多的紀(jì)錄溫度變幅小,而頻次少的紀(jì)錄溫度變幅大;夏季,高低值紀(jì)錄頻次和變幅并重的區(qū)域并存。如華南東部、江南地區(qū)的低值紀(jì)錄頻次和強(qiáng)度均占優(yōu),低溫冷害的影響大,而華南南部、內(nèi)蒙古地區(qū)高值紀(jì)錄頻次和強(qiáng)度均占優(yōu),其高溫?zé)崂说挠绊懖蝗莺鲆暋?/p>

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