1951—2018年東北地區(qū)極端降水的時空變化特征

收稿日期：2023-12-10

作者簡介：劉俊男（1997—），男，吉林通化人，研究方向為自然地理。

摘 要：研究東北地區(qū)近幾十年極端降水的時空變化對氣候變化監(jiān)測、歸因和預(yù)估，以及維護糧食安全至關(guān)重要。利用HadEX3數(shù)據(jù)集，分析了1951—2018年東北地區(qū)4個關(guān)鍵極端降水指數(shù)的變化趨勢。結(jié)果顯示：中部地區(qū)極端降水指數(shù)多呈增加趨勢，四周尤其是南部地區(qū)呈減小趨勢；東南部極端降水事件的發(fā)生概率增大；近30年極端降水指數(shù)波動大且不穩(wěn)定。東北地區(qū)降水總量減少，但空間分布差異增大，日降水強度增加，降水事件日趨極端化。

關(guān)鍵詞：東北地區(qū)；極端降水；時空變化；趨勢分析；降水特征

中圖分類號：P426.6 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

近百年來，工業(yè)化導致溫室氣體上升，引發(fā)全球氣候變暖、海平面上升等極端氣候事件，其中極端降水事件在時空上發(fā)生顯著變化，對各地經(jīng)濟、社會和生態(tài)均造成了嚴重影響[1-2]。我國東北地區(qū)作為氣候變化敏感區(qū)及重要糧食產(chǎn)地，其極端降水變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要[3-4]。我國學者對極端降水的研究顯示，不同區(qū)域的極端降水發(fā)生情況存在明顯差異，例如，東北和華北極端降水逐年減少，而西北和長江以南地區(qū)則逐漸增加[5-7]。基于HadEX3數(shù)據(jù)集，分析1951—2018年東北地區(qū)極端降水指數(shù)的時空變化特征，為區(qū)域氣候變化監(jiān)測和糧食安全提供支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

東北地區(qū)包括黑龍江、吉林、遼寧三省以及內(nèi)蒙古東部五盟市區(qū)域，總面積為124.3萬km2。東北地區(qū)屬溫帶季風氣候，四季分明，夏季溫和多雨，冬季寒冷且干燥，該氣候下，該區(qū)域冬季本區(qū)受到蒙古高壓的控制[8-9]，

盛行干冷西北風，很多地區(qū)的冬季漫長甚至達到半年以上；而夏季時主要受到副熱帶高壓的控制[10-11]，盛行東南信風。自東南向西北方向，該區(qū)域年降水量從

1 000 mm降低至300 mm以下，并從濕潤區(qū)依次向半濕潤區(qū)、干旱區(qū)過渡。在自然景觀上，東北地區(qū)分布了大面積的森林、草甸草原、黑土以及廣泛的凍土、沼澤等景觀，是全國重要的商品糧基地。

1.2 極端指數(shù)及其定義

極端天氣事件和極端氣候事件被統(tǒng)稱為極端事件，是指某異常天氣或產(chǎn)生氣候變量值，且該值高于（低于）變量觀測值區(qū)的上下限端附近的某閾值[12-13]。

為了分析極端的長期變化趨勢，同時與國內(nèi)外研究結(jié)果進行對比，采用了4個氣候變化監(jiān)測與指數(shù)專家組推薦的極端降水指數(shù)[14-15]（表1）。

1.3 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自英國氣象局哈德利中心開發(fā)的全球陸地極端氣候指數(shù)數(shù)據(jù)集HadEX3，該數(shù)據(jù)集包含了氣候變化監(jiān)測與指數(shù)專家組推薦的27個極端氣候指數(shù)，其中有11個與降水相關(guān)的極端指數(shù)。根據(jù)研究需要，選取了最大1 d降水總量（RX1day）、最大5 d降水總量（RX5day）、連續(xù)降水天數(shù)（CWD）和日降水強度（SDII）進行研究，這些指數(shù)代表了極端降水在頻率、持續(xù)時間和強度方面的維度，具有一定代表性[16-18]。通過最小二乘法計算來估計該區(qū)域網(wǎng)格時間序列和平均時間序列的線性趨勢，趨勢估計公式如下：

b=（1）

通過R語言和RStudio進行計算和繪圖[19-20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降水指數(shù)變化空間分布

在1951—2018年期間，我國東北地區(qū)的各極端降水指數(shù)呈現(xiàn)出一定的空間分異（圖1）。其中，RX1day的變化趨勢在東北地區(qū)的分布是自中部地區(qū)逐漸向周邊地區(qū)減少，在中部地區(qū)呈0～2 mm/10年的增加趨勢，周邊大多數(shù)地區(qū)則過渡到0～2 mm/10年減小的趨勢，東北的南部達到了2～4 mm/10年的減少趨勢。此外，RX5day的變化幅度和RX1day相比最為明顯，東北的中部以及東部局部地區(qū)呈0～2 mm/10年的增加趨勢，南部地區(qū)呈4～6 mm/10年的減少趨勢。CWD在東北地區(qū)的變化幅度較小，除了中部、西南部、東南部分地區(qū)有0～0.05 mm/10年的增加趨勢，其余均以減少趨勢為主。SDII的變化趨勢在東北地區(qū)的西北部呈0.1～

0.3 mm/10年的減少趨勢，南部及東北部有0～0.1 mm/

10年的減少趨勢，其余地區(qū)均有0～0.2 mm/10年的增加趨勢，SDII的變化趨勢相對來說并不明顯?？傮w來說，中部地區(qū)大多呈現(xiàn)出增加的趨勢，四周地區(qū)特別是南部地區(qū)呈現(xiàn)出減少的趨勢（圖1）。

2.2 極端降水指數(shù)平均值的空間分布

我國東北地區(qū)CWD和SDII指數(shù)的年均值分布均勻，均無明顯變化（圖2）。而RX1day和RX5day指數(shù)的年均值呈現(xiàn)出由西北向東南增加的趨勢，高值區(qū)主要位于遼寧省中南部地區(qū)。其中，RX1day多年平均值在東北大部地區(qū)都集中在50～65 mm之間，RX1day年均值高值區(qū)則在80～110 mm之間；RX5day多年平均值在東北大部地區(qū)集中于65～95 mm之間，而RX5day年均值高值區(qū)則集中于110～140 mm之間，個別站點RX5day年均值155 mm以上。從這4個指數(shù)的年均值比較中可以看出，我國東北的東南部地區(qū)極端降水事件發(fā)生的概率較大，且易在較短時間內(nèi)暴發(fā)。

2.3 極端降水指數(shù)時間變化趨勢

通過圖中面積加權(quán)法分析可知（圖3），RX1day和RX5day在研究的時段內(nèi)，其時間變化的波動幅度相似，1950—1970、1985—2000、2010—2018年均出現(xiàn)偏高的情況，呈現(xiàn)出先增加、后減少的趨勢，在這3個時間段依次過渡的時期均出現(xiàn)了較低的狀態(tài)。RX5day指數(shù)的時間變化總體上呈現(xiàn)出減少的趨勢，RX1day總體時間變化趨勢相對不明顯。CWD在研究時間段內(nèi)雖然波動幅度較大，但總體上呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。SDII的波動幅度相對來說較小，且變化趨勢較平緩，在研究時段內(nèi)呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。

3 結(jié)論

（1）從極端降水指數(shù)變化的空間分布上來看，我國東北地區(qū)極端降水事件發(fā)生的頻率總體呈增加的趨勢，就整個東北地區(qū)而言，4個極端降水指數(shù)除了SDII外，在空間上的變化具有相對一致性。在東北地區(qū)的變化趨勢是在東北中部大多呈現(xiàn)增加的趨勢，而東北四周大部分地區(qū)都呈現(xiàn)出減少的趨勢，特別是東南部地區(qū)其減少的趨勢最為明顯。

（2）從極端降水指數(shù)平均值的空間分布上可以看出，雖然SDII和CWD在整個東北地區(qū)無明顯差異，但RX1day和RX5day在本區(qū)的空間上呈現(xiàn)出明顯的自西北向東南逐漸增加的趨勢，在南部達到最大值。東北地區(qū)的極端降水事件發(fā)生頻率最高的地區(qū)集中在遼寧東部、中部地區(qū)，且吉林省的東南部地區(qū)發(fā)生頻率也較高。

（3）從極端降水指數(shù)時間變化趨勢上來看，這4個極端降水指數(shù)在不同年份上波動幅度較大，并且還具有不穩(wěn)定性，除了CWD整體在1951—2018年期間有著明顯的減少趨勢，其他3個指數(shù)在長期變化中均較為平緩，變化幅度較小。其中，RX1day的變化最為平緩，無明顯變化；RX5day有相對不明顯的減少趨勢；SDII在時間上的變化呈現(xiàn)出相對增加的趨勢。

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