华北农牧交错带极端气候事件的变化.docx

1、华北农牧交错带极端气候事件的变化华北农牧交错带夏季极端气候的趋势分析*龚道溢 韩晖北京师范大学 资源科学研究所 环境演变与自然灾害教育部重点实验室 100875摘要：利用19562001年日降水量及日平均气温资料，分析了华北农牧交错带极端气候事件的长期变化趋势，对降水极端事件的分析季节为59月，温度为68月。结果发现暴雨(日降水50mm)频数没有显著变化趋势，但1980年前后发生了明显的年代际尺度的变化，1980年代到1990年代初，频次显著减少，此期间暴雨发生的时间更加分散。定义连续无雨的天数为干燥事件。发现虽然降水量没有显著的变化，但是严重干燥事件(连续0降水日10天)的频数却呈显著增加趋

2、势(+8.3%/10a), 超过99%信度水平。最高和最低的10%温度分别定义异常高温和异常低温，则异常高温的频数有显著增加趋势(+20.9%/10a)，特别是1990年代后期以来增加非常突出。异常低温频次有减少的趋势是(-15.1%/10a)，都超过99%信度水平。严重干燥事件及异常高温事件的强烈增加，可能是造成近来北方干旱频繁发生的一个重要原因。关键词： 农牧交错带，极端气候, 趋势1 前言华北农牧交错带是全球气候变化最敏感的地区之一，也是生态环境非常脆弱的地区1。以往很多有关农牧交错带及附近地区气候变化的研究偏重于气候变量平均值的变化，如月季平均气温和降水总量的变化。气象观测资料分析表明

3、华北地区降水有减少的趋势及显著的年代际尺度的波动2-4。但是作为干旱半干旱地区，极端气候变化是其中一个重要的研究内容。例如我国北方降水往往以强对流降水的方式，几场强降水就在很大程度上决定了雨季总降水量。而强对流降水在时间和空间上都有很强的偶然性。因此，即使是相同的雨季降水总量，如果在时间、空间上分配不均，其环境影响和意义则可能会有很大的不同。因此极端气候事件的长期变化对环境及生态系统有重要意义。一些研究分析整个中国降水、温度等气候极值的长期变化5-7，其中部分涉及华北农牧交错带。如翟盘茂等5发现近45年来华北地区在年降水量明显趋于减少的同时, 年降水量极端偏多的范围减少, 1日和 3日最大降水

4、量、日降水50 mm和100 mm的暴雨日数极端偏多的情况也趋于减少, 而平均降水强度极值显著增加。当然这些气候极值的研究大都是以整个中国为研究范围，而很少单独分析华北农牧交错带。本研究的目的是利用近50年地面气象站观测的日平均气温和日降水量资料，重点研究华北农牧交错带及附近地区雨季降水极值以及夏季温度极值的长期变化趋势。图1. 研究区与站点位置. “”降水站； “+”气温站.Figure.1 Study region and stations.2 资料农牧交错带的范围和位置因研究目的和划分指标不同而常有不同，但种种划分方案中最核心的地区则没有本质差别8。本文所说的农牧交错带大体包括105E到

5、121E的华北北部地区，实际上包含了农牧交错带及附近的地区，见图1。该区域日降水量和日平均气温资料由中国气象局提供，从1951年到2001年。选择其中至少有45年以上观测长度，而且缺失记录少于10天的站，总共是31个站。其中降水站30个，气温站25个，温度资料和降水资料同时满足上述条件的有24个。具体分布见图1。早期资料缺失时间参差不齐，为方便分析都统一取19562001年共46年。缺失资料的天数因为很少，而且日的天气资料空间差异很大，空间尺度小，因此不宜做空间插值进行订补，分析中都忽略不计。日降水资料记录包括6种形式，包括(1)无降水，(2)痕量降水(日降水量少于0.1mm)，(3)霜、雾或

6、露造成的降水量，(4)完全降雪造成的降水量，(5)雪和雨造成的降水量，(6)降雨形成的降水量。因为第3类降水量通常很小，本文分析中忽略不计，与第一类型等同对待。对降水极值的分析重点集中在与降水强度和干旱有关的指标，即暴雨频数和连续干燥事件的频次变化。本文的季节只取59月共5个月。温度只分析最热的68月，包括异常高温频数及异常低温频数的长期变化。3 降水极端事件3.1 暴雨频次变化这里将日降水量超过50mm的降水事件都归为暴雨一类，这实际上包含了通常所说的暴雨和特大暴雨(100mm d-1)。因为北方发生的频次较少，如果分得太细意义不大。暴雨频次分布从南到北逐渐减少，从华北平原的大约每年平均2次

7、，到内蒙古高原每年低于0.5次。根据研究区30站46年统计，暴雨发生频次平均是每年0.544次。文献9根据较窄南北界线、较宽东西范围的农牧交错带内台站，统计的年的暴雨日数为0.5次。与本文结果基本一致。再统计这些暴雨的平均降水强度为72.5mm d-1, 这说明大部分的暴雨更接近定义的50mm这个下限。这些暴雨降水的天数虽然只占雨季降水总天数的1.1%，其降水量却占到了5-9月总降水量的12.8%。图2. (a)暴雨事件(日降水量50mm)频次， (b)夏季降水量变化, (c)相对暴雨频次（即平均每1000mm降水量中暴雨的发生次数）Figure 2. (a) Time series for

8、heavy rainfall events (daily rainfall exceeding 50 mm), (b) precipitation amount in May-September, mm, (c) relative frequency of heavy rainfall occurs in association with 1000mm of precipitation.近46年来暴雨频次总体看有较弱的减少趋势，线性趋势值为-2.3%/10a，这个趋势值在统计上并不显著。不过从其变化过程看，暴雨频次在1980年前后有明显的不同，整个80年代到90年代初，明显比以前的时段要低。1

9、980-1992年13年平均值与19731979年7年平均值比较，明显偏低，Monte Carlo法检验表明其显著水平达99%。与整个19561979年平均值比，平均值的差值也超过95%信度水平。分析表明这并不是完全由于同期降水量的变化造成的。降水量的趋势也是弱的减少趋势，其值为-2.6%/10a，也不显著。而类似于暴雨频次在1980年前后发生的阶段性变化在降水量中并不明显。1980-1992年平均降水量与19731979年平均比是减少的，但变化达不到95%显著水平，与19561979年比也是减少的，但同样不显著。这说明降水量相近的情况下，暴雨的发生概率在1980年前后却发生了显著变化。如果以

10、每年暴雨频次与降水量的比值来表示发生暴雨的相对概率(即平均每1000mm降水量中暴雨的平均次数)，则1980年左右发生的暴雨概率的显著下降非常明显(见图2)。1980-1992年暴雨的相对概率与19731979年7年比较，明显偏低，t检验值为-3.4。与整个19561979年平均值比，t检验值也达-2.4，同样利用Monte Carlo法进行检验，这些t检验值在统计上也都达到显著水平。文献3曾以夏季250mm等雨量线的南北位置表示交错带的位置波动，发现在1978/1979年前后也发生了显著变化，1980年代到1990年代初的位置比之前的几十年平均位置要显著偏南。这与暴雨频次的变化是相吻合的。值

11、得注意的是暴雨频次的这种变化特征与整个东亚地区1979/1980年前后的夏季降水大尺度的年代际尺度的变化也是同步的10, 11。在华北农牧交错带及附近地区降水强度和极值方面的变化很可能与1980年左右发生的大尺度的降水模态的年代际转换有关。3.2 暴雨事件的季节内分布 图3是历年5月1日到9月30日期间暴雨发生的频次情况。这里以候为单位统计，以每候中当年所有站发生的暴雨次数的总数计。从5月1日开始，每连续5天计为一候，期间共153天，最后8天计为一候，共有30候。从多年统计看农牧交错带及附近地区暴雨主要发生在1520候即7月中到8月初。其中最高频次集中在1820候即大约7月底到8月初约半个月左

12、右的时间内。从历年情况看，大部分的年份里暴雨的发生时间都比较集中。不过比较明显的变化发生在从1980年代到1990年代初的一段时间内。这期间暴雨的发生在季节内的分配比较分散，从早到10候晚到25候左右(即6月中到9月初)都有较大的发生频率。这与其他年代相比，高发期提前和推迟了各大约1个月的时间。暴雨发生在1015候及2025候的频次明显增加，而1520候发生的频次反而明显减少。这些都说明尽管1980年代到1990年代初这段时期暴雨的频次明显减少，却反而可以在更多的月份里出现。图3 历年暴雨事件的季节内分布. 以候统计，1候为5月1日到5月5日，最后8天(9月23日至9月30日)计为30候. (

13、b)为多年平均的每候暴雨频次.Figure 3 Heavy precipitation events counted on basis of pentads. The first pentad is 1-5 May; the 30th pentad is for 23-30 September. (b) The climatological frequency for each pentad estimated from the whole period. 3.3 最大日降水量为检查每年最大日降水量的变化情况，我们从每站每个雨季的所有153天中，找出最大的日降水量，然后将各站的最大值简单平均，

14、得到每年区域平均的最大日降水量。图4是其时间序列。与降雨量和暴雨次数相似，最大日降雨量也没有显著的长期趋势，但在1980年前后也存在明显差别，从1980年代到1990年代初期，最大日降雨量显著减少。此外，1990年代中期则有所增加。 图4. 平均各站最大降水强度(mm d-1)Figure 4. Mean maximum precipitation (mm/day) averaged over all stations each year.3.4 严重干燥事件 干旱通常由连续的多天干燥无雨或少雨造成。连续的干燥日造成干旱压力呈非线性增加，从而对农牧业造成严重影响。为了解干旱的降水背景，这里我们

15、分析了干燥事件的长期变化。连续无雨日称干燥事件(dry spell)，其长短定义了干燥事件的长度。本文中定义长度等于及超过10天的干燥事件为严重干燥事件。在分析中我们将由霜、雾、露等造成的降水记录都都当成无雨日。每一站从5月1日到9月30日期间，统计所有长度的干燥事件，然后区域内所有站平均得到时间序列。图5中给出了严重干燥事件频次的变化序列，为比较也同时给出了轻微干燥事件(10d)的频次变化。近46年来干燥事件的总频次呈显著的下降趋势，达-1.63/10a，超过了95%信度水平。比较后发现总干燥事件频次的下降主要是由轻微干燥事件(10d)的显著减少造成的，后者的趋势为-2.49/10a，也达到

16、了95%显著水平。特别值得注意的是严重干燥事件的频次呈很强的增加趋势，为+8.34%/10a，超过99%显著水平。这个线性趋势值表明，近40多年来，严重干燥事件增加了38%。这说明华北农牧交错带及附近地区由于降水特征的变化而造成的干旱压力一直在强烈增加。这很可能是造成近年来我国华北地区干旱频繁发生及灾情严重的一个重要原因。与降水总量的比较分析说明，严重干燥事件的增加与降水总量的变化没有很好的对应关系，说明降水总量的增加不一定对应严重干燥事件频次的减少。严重干燥事件频次最高的5年分别是 2001、1999、1972、1966和1982；而降水量最少的5年依次为1965、1972、1980、200

17、0和1999，有很大差别。严重干燥事件频次最少的5年分别是：1964、1967、1985、1973和1984；而降水量最多的5年依次为1959，1969、1956、1964和1973，也明显不同。当然从统计上看降水少的情况下，严重干燥事件频次一般偏多。如果进行降水量偏多与偏少情况下严重干燥事件频次差别的检验，以及干燥严重与否情况下平均降水量平均值差别的统计检验，都可以得到二者之间相反变化的关系。但是，值得注意的是二者之间并不是一一对应的关系。有些年份如1966年降水距平百分率是-6.5%，接近正常状况，而该年的严重干燥事件频次则为历年第4高值。造成这种状况的主要原因可能是降水强度的增加，因为降

18、水在更短的时间内发生，相应的无雨天数会增加。从图2中看1966年暴雨频次偏高，也进一步说明了这点。与此类似，1984年是严重干燥事件频次第5高的年份，而该年夏季降水距平百分率却为-0.15%。 综上所述，可以看到降水量的轻微增加并不一定对应干旱发生概率的减少或程度的减轻，而降水量的减少也不一定对应干旱概率的增加或程度的加重。同样，相同的降水量的年份，也可能会有不同的干旱情况发生。这其中降水强度的变化及在季节内的分配，对干旱的发生与否及严重程度有重要影响。研究区严重干燥事件频次的增加，主要与小雨(10mm d-1)日数的下降有关，从1950年代以来华北农牧交错带及邻近地区日降水量小于10mm的天

19、数有很强的减少趋势，达-1.42 d/10a, 超过95%信度水平12。而小雨降水日数可能与云量及湿度的减少有关，Kaiser13,14发现1950年代以来中国大陆大部分地区云量都在下降，而下降最强的地区在华北和东北。从1950年代到1990年代中期，华北农牧交错带及附近地区年云量下降趋势是-3%/10a，达95%信度水平。与此同时地面相对湿度也以-1.0 -1.5%/10a的趋势在下降。由此造成小雨日数的下降，导致连续干燥日的频次增加，长度变长，使得严重干燥事件的频次相应的增加，导致更多干旱的发生和旱情的加重。图5.干燥事件频次时间序列. (a) 短于10天的干燥事件频次，(b)等于及超过1

20、0天的事件频次，（c）总频次. 虚线为线性趋势.Figure 5. (a) Frequency of short dry spells (length is less than 10 days). (b) Frequency of long dry spells (length is equal to or longer than 10days). (c) The total number of the dry spells. Dashed lines are linear trends.4 气温极端事件4.1 气温极端事件定义采用常用的做法 15，所有年份夏季的观测气温中最高的10%的日平均

21、气温定义为异常高温事件，最低的10%则定义为异常低温事件。与降水不同的是，对异常气温的统计限于68月，即最热的3个月份。因为从5月到9月，异常低温受季节变化的影响大。如果对59月统计则大部分的异常低温会出现在5月与9月中，这实际上反映的是季节变化的差别，不能真正反映夏季异常低温。首先将每站所有年份的夏季日气温数据放在一起进行排序，找出排在前面的异常高温和排在最后的异常低温。再找到各自对应的年份。这样就可以统计出每个夏季极端温度出现的频次。这里是每个站分别统计，然后将结果进行区域平均。每个站得到的异常高温和异常低温事件分别有423天，即平均每个夏季平均分别有异常高温和异常低温各9.2天, 因为6

22、-8月共92天， 按10%的比例即为9.2天。这种定义是基于多年统计的一个指标，更多的侧重异常。很多研究用日最高和日最低温度来表征极端气温，通常日最高和日最低温度表示日温度在某些瞬间的绝对极端状况, 这与日平均气温是有区别的。4.2 异常高温图6中给出了区域平均异常高温事件频次的时间序列。统计整个序列得到很强的增加趋势，为+20.9%/10a，超过99%信度水平。不过从图中可以很清楚看出，强的趋势主要是由1990年代后期以来的异常增加造成的。最近的10年平均，异常高温的频次为每年14.1天，比1950年代中期到1960年代中期10年平均值的7天高出了一倍。去掉最近的这一段，如果只统计19561

23、996年时期的趋势，则仅仅为+4.1%/10a，统计上也并不显著。因此，我们的结论是1950年代中期到1996年期间，异常高温事件频次有较弱的增加趋势，但不显著；而从1997年以来异常高温事件的频次则突然增加。4.3 异常低温 图6中还给出了区域平均异常低温事件频次的变化。总体上异常低温的频次有比较稳定和一致的下降趋势，这与异常高温事件的变化形成明显的对比。异常低温事件在1950年代中期到1960年代初，平均每年出现的次数是10天左右，而最近10年平均则下降为6天左右。整个序列统计，线性趋势是-15.09%/10a，超过99%信度水平。气候平均值及变率的改变都可以造成异常温度频次的改变15-1

24、7。夏季平均温度的变化，从1970年代后期以来，变暖趋势比较明显，从1976年到2001年期间的趋势是0.65C/10a。从1956年开始计算整个序列线性趋势是0.24C/10a，都超过99%信度水平。一些年际波动对比，变化也有很好的一致性，即平均气温高时异常高温事件频次增加而极端低温事件的频次则减少。可见气温极端事件的显著变化与平均气温的变暖有密切的联系。一些研究6曾指出从1950年代到1990年代，华北地区极端最低温度有增加的趋势。而根据日平均气温统计的异常低温天数的减少也与极端低温的上升是一致的。需要指出的是平均气温的上升也以1990年代后期以来最突出，之前的时期增暖趋势并不很强。这与异

25、常高温事件频次的变化比较相似，说明异常高温事件频次最近的突然增加可能是由近期夏季平均温度的显著变暖造成的。图6. 异常高温(a)和异常低温(b)事件的频次变化. 虚线是线性趋势Figure 6. Frequency of extremely hight (a) and low (b) daily temperature events. Linear trends are shown as dashed lines.图7 夏季区域平均气温(对19611990的距平).Figure 7. Regional mean temperature for June-August. Shown are an

26、omalies with respect to 1961-1990. Dashed lines are linear trends.5 讨论造成日降水和日温度变化和异常的最直接的原因是每天天气形势的变化。如果分析每次异常天气情况下的日环流特征及其特点，是一件非常困难的工作。很多天气分析都是基于个例研究。考虑到气候极值的变化与气候平均状况的变化有密切关系，而且有些指标如严重干燥事件等及其长期变化本身也与大气环流的低频过程有关。所以，本文这里也主要是对与气候异常事件对应的月季平均环流状况进行初步的分析。以期对造成极端气候异常的环流背景有所了解。图8. 500hPa高度场的合成分析. (a)和(b)

27、为59月，(c)和(d)为6-8月. (a) 10d干燥事件最多的5年与最低的5年的差. (b) 降水量最多与最少 5年的差. (c) 异常高温次数最多与最少5年的差. (d) 平均气温最高与最低的5年之间的差. 单位：gpm. Figure 8. Composites of 500hPa heights. (a) Five high dry-spell frequency years minus the lowest five years. (b), (c) and (d) are same as in (a) but for precipitation amount, extremely

28、hot days, and mean temperature, respectively. Contour interval is 10gpm. Negative contours are shown as dashed lines. (a) and (b) are for May-September, (c) and (d) for June-August.图8给出了4种情况下500hPa高度场的变化情况。分别是严重干燥事件频次最多的5年与频次最低的5年的差，平均降水量最高与最低5年的差，异常高温频次最多与最低的5年的差，以及平均气温最高与最低5年的差。这里500hPa资料分别取与温度和降水

29、资料相同的月份，即对温度为68月，对降水为59月。从图8(a)和(b)对比看，二者有很高的相似性，都是4050N，90100E为一强的高度场异常中心，在朝鲜半岛到日本南部一带为弱的异常中心。这说明当农牧交错带的西边内陆出现反气旋型环流异常，在以东的日本海附近出现气旋型环流异常时，严重干燥频次偏多，降水量偏少。反之亦然。因为这种东西方向相反的环流型搭配形式，可以对农牧交错带的降水异常产生直接的影响。当然，从图中可以发现，大陆上的这个异常环流中心是最主要的，其强度远比海洋上的中心强。说明来自内陆的影响是很大的。 与降水异常的情况不同，出现异常高温及平均温度偏高的时候，90E以东的整个30-50N区

30、域，500hPa都是偏高的。异常的中心位置在农牧交错带以北23个纬度。这说明在反气旋型环流形式控制下，地面平均气温将偏高，同时异常高温的天数也将增加，反之亦然。从图8(c)和(d)看，环流异常的东西带状分布也说明整个西太平洋副热带高压位置比较偏北。因此，造成北方温度异常的原因除了区域因子外，还可能与西太平洋副热带高压的活动有一定关系。除了大气环流这个最直接的因素之外，另外还有两个重要因子对区域极端气候的影响也引起人们的关注。一个是全球变暖。一些研究曾根据观测资料分析全球干旱半干旱地区降水或温度与全球变暖的联系18-19，但是没有发现一致的关系，全球变暖影响区域气候的机制各区都不一样可能是一个重

31、要原因，而对气候极值的分析就更困难了。最近区域模式模拟结果表明20，全球变暖的情景下，华北暴雨将增加，极端最低温度和极端最高温度都增加，这将导致异常高温天数的增加及异常低温频次的减少。对相同纬度的北美大陆的模拟也发现全球变暖时北美暴雨频次及其对总降水量的贡献也将增加21。另外一个因子是地表覆盖的变化。很早人们就注意到地表植被的破坏对温度的影响22。Kalnay和Cai23 最近的研究指出地表覆盖变化及城市化对温度的影响大大高于人们以往的估计值。Zhao和Pittman24的试验结果说明地表覆盖变化对极端温度和降水的影响，与CO2增加导致的全球变暖的影响在强度上是一样重要。当然这些研究也都是初步

32、的，气候变暖及地表覆盖变化对农牧交错带这样的区域的极端温度和降水事件的影响强度和方式究竟如何，还需要更深入的研究。6 结论以上分析表明华北农牧交错带及附近地区近46年来暴雨频次没有显著的线性趋势。但是在1980年前后发生了明显的年代际尺度的变化。1980年代到1990年代初，暴雨频次显著减少。而从1990年代中期开始频次又有所增加。暴雨的发生时间在1980年代到1990年代初的一段时间内比较分散，提前和推迟了各大约1个月的时间。其他年份主要集中发生在7月中到8月初。从1950年代中期到1996年，异常高温事件的频次有较弱的增加趋势，但不显著；而从1997年以来异常高温事件的频次则突然增加。异常低温事件的频次则从1950年代以来一致显著下降，线性趋势是-15.09%/10a。严重干燥指数与降水总量并没有严格的一一对应关系。虽然降水量没有显著变化趋势，但是严重干燥事件的频次却呈很强的增加趋势(+8.34%/10a)。这说明华北农牧交错带及附近地区由于降水特征的变化而造成的干旱压力一致在强烈增加。这很可能是造成近年来我国华北地区干旱频繁发生及灾情严重的