1981-2015年中國區(qū)域極端氣候事件的時空分布特征

蔣 帥, 張 黎, 景元書, 李 攀, 任小麗, 何洪林

(1.南京信息工程大學(xué) 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室, 南京 210044; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101; 3.國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心, 北京 100101; 4.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100190; 5.天津大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院, 天津 300072)

極端氣候事件表現(xiàn)為某地氣候狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均狀態(tài),具有突發(fā)性、難預(yù)測性和強(qiáng)破壞性等特點。在全球變化背景下,近幾十年來極端氣候事件具有不斷增多增強(qiáng)的趨勢。例如,1998年中國強(qiáng)降水引發(fā)的洪澇災(zāi)害[1]、2003年歐洲高溫?zé)崂耸录?005年和2010年亞馬遜地區(qū)的嚴(yán)重干旱、2008年中國中南部低溫事件等[2]。并且,根據(jù)國際耦合模式比較計劃(Coupled Model Intercomparison Project phase,CMIP)第5階段(CMIP5)對極端降水和極端氣溫的預(yù)估結(jié)果[3],預(yù)計今后極端氣候事件的發(fā)生會更加頻繁[4]。極端氣候事件的發(fā)生不僅影響全球糧食安全和水資源供需,還在很大程度上影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和全球碳循環(huán)。定量分析極端氣候事件的時空分布特征是評估極端氣候事件對生態(tài)系統(tǒng)和人類社會影響的重要基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學(xué)者通常采用發(fā)生概率低于10%或更低[5]、距平值大于1倍以上標(biāo)準(zhǔn)偏差、超過或低于極端閾值等方法[6]來判別極端氣候事件。此外,大量研究選取極端氣溫指數(shù)和極端降水指數(shù)等代用氣候指數(shù),通過計算極端氣候指數(shù)來分析極端氣候事件的時空分布特征。其中,世界氣象組織提出的16個極端氣溫指數(shù)和11個極端降水指數(shù)得到廣泛應(yīng)用[7]。1951—2000年中國長江中下游地區(qū)極端強(qiáng)降水事件發(fā)生頻率顯著增多,而華北地區(qū)顯著減少[8]。華東地區(qū)極端高溫事件發(fā)生頻率的空間特征以北低南高和東低西高為主[9]。西南地區(qū)極端降水具有明顯的梯度變化特征,該地區(qū)總降水量在減少,而降水強(qiáng)度在增加[10]。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第4次評估報告提供的7個模式集合預(yù)測結(jié)果,我國21世紀(jì)極端降水強(qiáng)度可能增大,而且干旱也將會加重[11]。

隨著全球變化背景下極端氣候事件的不斷增多,國內(nèi)外關(guān)于極端氣候事件對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究也不斷增多[12]。2000—2004年北美西部極端干旱事件導(dǎo)致該地區(qū)“碳匯”的強(qiáng)度大幅下降,下降幅度30～298 Tg C/a[13]。2008年中國南方極端低溫事件導(dǎo)致植被發(fā)育緩慢、死亡率增加[14]。2013年我國南方的極端高溫和干旱事件造成生態(tài)系統(tǒng)碳匯急劇下降,農(nóng)作物大量減產(chǎn),極端的高溫和干旱成為該地區(qū)碳匯年際變化的主要控制因子[15]。然而,目前中國區(qū)域極端氣候事件研究大多偏重于極端氣候事件的個例分析,以及極端氣候指數(shù)的時空變化特征等方面,缺乏對于連續(xù)時空范圍內(nèi)中國極端氣候事件高發(fā)區(qū)域和時段的定量研究,不能很好地支撐極端氣候事件對中國生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化影響方面的研究。

本文對CRUNCEP(Climatic Research Unit-National Centers for Environmental Prediction)全球氣候數(shù)據(jù)集提取中國及四大氣候區(qū)的溫度和降水量數(shù)據(jù),在1.5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的極端值判別法的基礎(chǔ)上結(jié)合連續(xù)時空極端事件分析方法,分析1981—2015年中國區(qū)域極端溫度、極端降水和復(fù)合極端事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度,闡明單因子極端氣候和復(fù)合極端氣候事件的時空分布特征,比較不同類型極端氣候事件在不同氣候區(qū)的差異性,為深入研究極端氣候事件對生態(tài)系統(tǒng)過程、功能和服務(wù)變化的影響以及極端氣候風(fēng)險評估、災(zāi)害預(yù)警等研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國幅員遼闊,氣候多樣,可分為4個氣候區(qū),即溫帶大陸性氣候區(qū)(Ⅰ)、溫帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅱ)、高原山地氣候區(qū)(Ⅲ)和亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ)[16]。溫帶大陸性氣候區(qū)(Ⅰ)遠(yuǎn)離海洋,大陸性強(qiáng),全年降水較少,冬季溫差大。溫帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅱ)位于秦嶺淮河線以北,賀蘭山、陰山、大興安嶺以東以南,受夏季風(fēng)影響較大,夏季高溫多雨,冬季低溫少雨。高原山地氣候區(qū)(Ⅲ)大部分區(qū)域位于海拔較高的山地、高原地區(qū),全年溫度較低,降水量少。亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ)位于秦嶺淮河線以南,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨。中國及四大氣候區(qū)的多年平均氣候指標(biāo)見表1,表中數(shù)據(jù)為基于CRUNCEP數(shù)據(jù)集計算得到的1981—2015年年平均氣溫、年降水量和短波輻射的多年平均值。

表1 中國及四大氣候區(qū)多年平均氣候指標(biāo)Table 1 Annual average climate indicators of China and the four major climate regions

1.2 氣象數(shù)據(jù)

CRUNCEP數(shù)據(jù)集是由美國國家大氣研究中心對空間分辨率為0.5°、月尺度的全球氣候數(shù)據(jù)集CRU(Climatic Research Unit)[17]與空間分辨率為2.5°,時間分辨率為6 h的NCEP(National Centers for Environmental Prediction)[18-19]全球大氣再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到。該數(shù)據(jù)集的氣象數(shù)據(jù)具有時間序列長(1948—2016年)、時間和空間分辨率高(6 h,0.5°)且經(jīng)過嚴(yán)格的時間均一性檢驗等優(yōu)點,被廣泛用于驅(qū)動通用陸面模式CLM(Community Land Model)等陸面模式,以及包括全球碳計劃組織的模型比較計劃TRENDY(Trends in Net Land-Atmosphere Carbon Exchange)在內(nèi)的全球和區(qū)域植被生長、蒸散、生產(chǎn)力、碳收支等動態(tài)變化模擬研究,也已被廣泛應(yīng)用于中國區(qū)域的氣候變化研究[20]。其中,CRU數(shù)據(jù)來源于世界氣象組織各個國家的交換資料,大約覆蓋了2 400個監(jiān)測站,數(shù)據(jù)時段為1901—2002年,氣候要素包括氣溫、降水量、濕度、云量和潛在蒸騰等。NCEP再分析數(shù)據(jù)集是采用當(dāng)今最先進(jìn)的全球資料同化系統(tǒng)對各種來源的觀測資料進(jìn)行質(zhì)量控制和同化處理得到,數(shù)據(jù)時段為1948—2016年,氣候要素包括氣溫、降水量、輻射、大氣壓強(qiáng)和風(fēng)速等。

本文使用的1981—2015年氣溫和降水量數(shù)據(jù)來源于CRUNCEP第7版數(shù)據(jù)集。利用Matlab軟件從CRUNCEP數(shù)據(jù)集中讀取中國區(qū)域6 h分辨率的氣溫和降水量數(shù)據(jù),計算得到中國陸地區(qū)域、1981—2015年逐年平均氣溫和年降水量,用于極端氣候事件的統(tǒng)計分析。與He等[21]研發(fā)的中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集相比,二者的年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)具有顯著(p<0.05)的一致性,相關(guān)系數(shù)分別為0.96,0.78。

1.3 極端氣候事件的統(tǒng)計方法

首先對1981—2015年期間的年平均氣溫和年降水量全國平均值進(jìn)行線性趨勢擬合,計算出全國逐年的去趨勢距平值。去趨勢距平值為該年的年平均氣溫或降水量實際值減去線性擬合值的差值[22]。然后,采用1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差方法識別全國尺度的極端溫度事件、極端降水事件出現(xiàn)年份,即將氣溫和降水量去趨勢距平值大于1.5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的年份分別定義為極端高溫年和極端強(qiáng)降水年,將氣溫和降水量去趨勢距平值小于-1.5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的年份定義為極端低溫年和極端干旱年。

進(jìn)一步對全國每個空間網(wǎng)格的1981—2015年期間年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性趨勢擬合,計算出每個網(wǎng)格的逐年去趨勢距平值,采用連續(xù)時空極端事件分析方法對35 a全國3 840個空間網(wǎng)格共計134 400個去趨勢距平值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,從而識別出連續(xù)時空范圍內(nèi)的極端氣候事件。

連續(xù)時空極端事件分析方法[23]基于變量的去趨勢距平值的全局概率密度函數(shù),定義了一個閾值q,分別用q以上(正極端)和-q以下(負(fù)極端)的時空連續(xù)值作為極端事件。與傳統(tǒng)方法相比,該方法的優(yōu)勢是能夠較好地對連續(xù)時空范圍內(nèi)極端氣候事件高發(fā)區(qū)域和時段進(jìn)行定量分析,在極端氣候事件對植被生長、生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響研究方面得到了廣泛應(yīng)用[24-25]。

為了保證不同區(qū)域之間極端事件的可比性,本研究對氣溫、降水量的去趨勢值除以其標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行歸一化。將歸一化后的氣溫和降水量去趨勢距平值的百分位數(shù)大于95%的時空像元分別定義為極端高溫事件和極端強(qiáng)降水事件,將百分位數(shù)小于5%的時空像元定義為極端低溫事件和極端干旱事件。既屬于極端氣溫事件又屬于極端降水事件的事件定義為復(fù)合極端氣候事件,包括極端高溫強(qiáng)降水事件、極端高溫干旱事件、極端低溫強(qiáng)降水事件和極端低溫干旱事件。

為分析不同類型極端氣候事件的年代際演變特征,根據(jù)連續(xù)時空極端事件分析方法識別出的極端氣候事件,進(jìn)一步統(tǒng)計3個不同時段單因子和復(fù)合極端氣候事件出現(xiàn)的比例。

(1)

式中:Pij為某一時段某一氣候區(qū)單因子極端氣候事件出現(xiàn)次數(shù)占總時間段該單因子極端氣候事件出現(xiàn)總次數(shù)的比例;i為3個時間段;j為四大氣候區(qū);nij為某一時間段某一氣候區(qū)單因子極端氣候事件出現(xiàn)次數(shù);m為總時間段單因子極端氣候事件出現(xiàn)總次數(shù)。

(2)

式中:Pik為某一時間段某種復(fù)合極端事件出現(xiàn)次數(shù)占4種類型復(fù)合極端事件出現(xiàn)總次數(shù)的比例;k為4種類型復(fù)合極端事件;Aik為某一時間段某種復(fù)合極端事件出現(xiàn)次數(shù);B為總時間段4種類型復(fù)合極端事件出現(xiàn)總次數(shù)。

基于MATLAB編程語言,計算得到單因子和復(fù)合極端氣候事件出現(xiàn)的次數(shù)。分別利用ArcGIS 10.2軟件和Origin軟件繪制極端氣候事件的空間分布圖和氣溫/降水量時間去趨勢距平折線圖。基于SPSS 24.0軟件采用t檢驗的方法對氣溫/降水量數(shù)據(jù)的線性趨勢進(jìn)行顯著性檢驗,當(dāng)p<0.05表示具有顯著性,否則不具備顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降水事件時空分布特征

1981—2015年中國年降水量范圍為488～609 mm,多年平均值為544 mm,總體上沒有顯著變化趨勢(p=0.841)。圖1為1981—2015年中國和四大氣候區(qū)降水量去趨勢距平值的動態(tài)變化,除了高原山地氣候區(qū)外,另3個氣候區(qū)均與全國具有顯著的相關(guān)性,其中亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)降水量年際波動最大,相關(guān)性最強(qiáng)(R=0.73,p<0.001)。基于1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的極端值判別方法,全國極端強(qiáng)降水年分別發(fā)生在1983年、1998年和2012年,降水量去趨勢距平值分別為45,65,45 mm,其中1998年降水量去趨勢距平值達(dá)到2.3倍的標(biāo)準(zhǔn)差;極端干旱年份分別發(fā)生在1986年和2011年,降水量去趨勢距平值分別為-52,-59 mm,其中2011年降水量去趨勢距平值達(dá)到-2.1倍的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖1 1981-2015年中國區(qū)域降水量去趨勢距平值Fig. 1 Detrending anomaly values of regional precipitation in China from 1981 to 2015

1983年、1998年、2012年3個極端強(qiáng)降水年份降水量距平的空間分布具有明顯的區(qū)域差異。與多年平均相比,1983年降水較多的區(qū)域主要發(fā)生在亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ),該氣候區(qū)降水量較常年值偏高178 mm(14%),降水量距平值超過200 mm的區(qū)域占該氣候區(qū)的46%(圖2A),年降水量異常偏高區(qū)域主要出現(xiàn)在長江流域中下游,該年極端強(qiáng)降水事件占極端強(qiáng)降水事件總數(shù)的5.1%(圖2D)。1998年降水較多的區(qū)域主要發(fā)生在東南地區(qū)、金沙江流域、淮河流域、海河流域和遼河流域,高原山地氣候區(qū)(Ⅲ)和溫帶大陸性氣候區(qū)(Ⅰ)降水量的距平值分別為58,47 mm,較常年值分別偏多19%,28%(圖2B)。極端強(qiáng)降水事件主要發(fā)生在金沙江流域和內(nèi)蒙古東部,該年極端強(qiáng)降水事件占極端強(qiáng)降水事件總數(shù)的6.2%(圖2E),其中去趨勢距平值超過標(biāo)準(zhǔn)差2倍以上的面積占高原山地氣候區(qū)(Ⅲ)的38%。2012年降水較多的區(qū)域主要發(fā)生長江流域、內(nèi)蒙古的東部和東北地區(qū)。亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ)降水量距平值超過200 mm的區(qū)域占該氣候區(qū)的26%,溫帶大陸性氣候區(qū)(Ⅰ)降水量較常年值偏高40 mm(24%),該年極端強(qiáng)降水事件占極端強(qiáng)降水事件總數(shù)的6.4%(圖2C,圖2F)。

注:基于標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)下載的審圖號GS(2016)1570號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖未做修改,下圖同。圖2 中國區(qū)域極端強(qiáng)降水年份降水量距平(A,B,C)及對應(yīng)極端強(qiáng)降水事件的空間分布(D,E,F)Fig. 2 Spatial distribution of precipitation anomalies (A, B, C) and corresponding extreme heavy rainfall events in China during extreme heavy rainfall years (D, E, F)

對于1986年、2011年兩個全國年降水量異常偏少年份,降水量較多年平均偏低的區(qū)域分別占全國的82%,71%。1986年溫帶大陸性氣候區(qū)(Ⅰ)、溫帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅱ)、高原山地氣候區(qū)(Ⅲ)和亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ)降水量較常年值分別偏低22 mm(-13%),62 mm(-11%),37 mm(-12%),107 mm(-8%)(圖3A),極端干旱事件主要分布在黃河流域和黑龍江流域和西藏地區(qū),該年極端干旱事件占1981—2015年極端干旱事件總數(shù)的7.6%(圖3C)。與多年平均相比,2011年降水偏少的區(qū)域主要發(fā)生在亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ),該氣候區(qū)降水量的距平值為-238 mm,較常年值偏低19%,降水量距平值小于-200 mm的區(qū)域占該氣候區(qū)的66%(圖3B)。極端干旱事件主要發(fā)生在亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ),該年極端干旱事件占1981—2015年極端干旱事件總數(shù)的8%(圖3D)。

圖3 中國區(qū)域極端干旱年份降水量距平(A,B)及對應(yīng)極端干旱事件的空間分布(C,D)Fig. 3 Spatial distribution of precipitation anomalies (A, B) and corresponding extreme drought events in extreme drought years in China (C, D)

基于極端降水事件的時空分布數(shù)據(jù),按氣候區(qū)分別統(tǒng)計1981—1990年、1991—2000年和2001—2015年3個時段極端強(qiáng)降水和極端干旱事件出現(xiàn)的比例(圖4)。極端強(qiáng)降水事件出現(xiàn)比例最高的時段為2001—2015年(46%),1991—2000年極端強(qiáng)降水事件出現(xiàn)比例最低(22%)。各個時段的極端強(qiáng)降水事件均主要發(fā)生在溫帶大陸性氣候區(qū),該氣候區(qū)極端強(qiáng)降水事件降水量較常年值偏高160 mm(圖4A)。極端干旱事件出現(xiàn)比例最高的時段為2001—2015年(41%),主要發(fā)生在2011年,該時段極端干旱事件主要發(fā)生在亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū),該氣候區(qū)極端干旱事件降水量較常年值偏低200 mm以上的面積占比達(dá)87%。1981—1990年和1991—2000年極端干旱事件較為接近,分別為30%,28%。1991—2000年發(fā)生在高原山地氣候區(qū)的極端干旱事件最多(10%),主要發(fā)生在1992年和1994年(圖4B)。

圖4 四大氣候區(qū)極端強(qiáng)降水事件出現(xiàn)比例及極端干旱事件出現(xiàn)比例Fig. 4 The proportion of extreme heavy precipitation events in the four major climate regions and the proportion of extreme drought events

2.2 極端氣溫事件時空分布特征

1981—2015年中國年氣溫范圍為6.13～7.83℃,多年平均值為7.06℃,總體上具有顯著的上升趨勢(slope=0.0272,p<0.05)。圖5為1981—2015年中國和四大氣候區(qū)氣溫去趨勢距平值的動態(tài)變化,四大氣候區(qū)均與全國具有顯著的相關(guān)性。基于1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的極端值判別方法,全國極端高溫年份發(fā)生在1998年,溫度去趨勢距平值為0.73℃;全國極端低溫年份發(fā)生在2012年,溫度去趨勢距平值為-0.66℃。

圖5 1981-2015年中國區(qū)域溫度去趨勢值及四大氣候區(qū)溫度距平值Fig. 5 Trend values of regional temperature in China from 1981 to 2015 and temperature anomalies in the four major climate regions

1998年中國絕大部分地區(qū)氣溫較高,氣溫較多年平均偏高的區(qū)域占全國的97%。溫帶大陸性氣候區(qū)(Ⅰ)、溫帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅱ)、高原山地氣候區(qū)(Ⅲ)和亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ)的溫度較常年值分別偏高0.66℃(9%),0.71℃(11%),0.64℃(49%),0.74℃(4%)(圖6A)。基于百分位閾值法,該年極端高溫事件占1981—2015年極端高溫事件總數(shù)的26%,極端高溫事件主要分布在華南地區(qū)和西北地區(qū)的甘肅、青海及寧夏區(qū)域。特別是西南地區(qū)普遍達(dá)到了2倍標(biāo)準(zhǔn)差,去趨勢距平值是標(biāo)準(zhǔn)差2倍以上的面積占亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ)的27%(圖6B)。

圖6 1998年中國區(qū)域溫度距平及極端高溫事件的空間分布特征Fig. 6 Spatial distribution characteristics of regional temperature anomalies and extreme high temperature events in China in 1998

2012年為極端低溫年,氣溫較多年平均偏低的區(qū)域占全國的81%。其中溫帶大陸性氣候區(qū)(Ⅰ)、溫帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅱ)、高原山地氣候區(qū)(Ⅲ)和亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅳ)的溫度分別較常年值分別偏低0.57℃(8%),0.43℃(7%),0.12℃(9%),0.14℃(1%)(圖7A)。該年極端低溫事件占1981—2015年極端低溫事件總數(shù)的22%,極端低溫事件主要分布在溫帶大陸性氣候區(qū)以及亞熱帶-熱帶氣候區(qū)的貴州、湖南等地,特別是溫帶大陸性氣候區(qū)普遍低于-1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差,去趨勢距平值是標(biāo)準(zhǔn)差-1.5倍以下的面積占溫帶大陸性氣候區(qū)的64%(圖7B)。

圖7 2012年中國區(qū)域溫度距平及極端低溫事件的空間分布特征Fig. 7 Spatial distribution characteristics of regional temperature anomalies and extreme low temperature events in China in 2012

基于極端氣溫事件的時空分布數(shù)據(jù),按氣候區(qū)分別統(tǒng)計1981—1990年、1991—2000年和2001—2015年3個時段極端高溫和極端低溫事件出現(xiàn)的比例(圖8)。1991—2000年和2001—2015年極端高溫事件所占比例分別為42%,43%,高于1981—1990年(15%),1991—2000年極端高溫事件主要發(fā)生在1998年、2001—2015年極端高溫事件主要發(fā)生在亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(12%),該氣候區(qū)極端高溫事件氣溫較常年值偏高0.8℃(圖8A)。極端低溫事件出現(xiàn)比例最高的時段為2001—2015年(53%),貢獻(xiàn)最大的年份是2012年,該時段溫帶大陸性氣候區(qū)極端低溫事件占比高達(dá)21%,氣溫較常年值偏低0.6℃。1991—2000年極端低溫事件出現(xiàn)比例最低(14%),該時段發(fā)生在高原山地氣候區(qū)的極端低溫事件最多(9%),氣溫較常年值偏低0.7℃(圖8B)。

圖8 四大氣候區(qū)極端高溫事件出現(xiàn)比例及極端低溫事件出現(xiàn)比例Fig. 8 The proportion of extreme high temperature events and the proportion of extreme low temperature events in the four major climate regions

2.3 復(fù)合極端氣候事件時空分布特征

進(jìn)一步統(tǒng)計1981—1990年、1991—2000年和2001—2015年3個時段極端高溫強(qiáng)降水、極端低溫強(qiáng)降水、極端高溫干旱和極端低溫干旱4種復(fù)合極端氣候事件出現(xiàn)的比例(圖9)。

圖9 復(fù)合極端氣候事件出現(xiàn)比例Fig. 9 Proportion of composite extreme climate events

結(jié)果表明,復(fù)合極端事件出現(xiàn)比例最高的時段為2001—2015年(55%),其中2012年貢獻(xiàn)最大,該時段極端低溫強(qiáng)降水事件占比達(dá)23%。1991—2000年復(fù)合極端氣候事件出現(xiàn)比例為29%,其中極端高溫強(qiáng)降水事件占比達(dá)12%,貢獻(xiàn)最大的年份是1998年。復(fù)合極端事件在1981—1990年這個時段出現(xiàn)比例最低(16%),其中極端低溫強(qiáng)降水事件占比達(dá)9%,主要發(fā)生在1984年。

1981—2015年復(fù)合極端氣候事件的空間分布具有明顯的區(qū)域差異。極端高溫強(qiáng)降水事件頻發(fā)于青海一帶和京津冀地區(qū),其中1998年貢獻(xiàn)最大(40%),氣溫和降水去趨勢距平值均超過標(biāo)準(zhǔn)差2倍以上的區(qū)域主要發(fā)生在青海一帶,氣溫和降水分別較常年值偏高0.3～0.8℃和72～156 mm(圖10A)。極端高溫干旱事件頻發(fā)于松花江流域、內(nèi)蒙古的東部、新疆的北部以及福建、江西一帶,主要發(fā)生在2007年(51%),松花江流域和新疆的北部極端高溫干旱事件強(qiáng)度最大,氣溫較常年值偏高0.2～0.7℃,降水量較常年值偏低62～174 mm(圖10B)。極端低溫強(qiáng)降水事件主要發(fā)生在溫帶大陸性氣候區(qū)、遼寧地區(qū)、山東地區(qū)以及廣西地區(qū),極端低溫強(qiáng)降水事件強(qiáng)度最大的地區(qū)主要位于內(nèi)蒙古的東部和山東地區(qū),氣溫較常年值偏低0.4～1.6℃,降水量較常年值偏高106～324 mm(圖10C)。高原山地氣候區(qū)以及華南地區(qū)發(fā)生極端低溫干旱事件的頻率最大,其中1992年(30%)和2011年(28%)是兩個高發(fā)年份,氣溫和降水去趨勢距平值均低于標(biāo)準(zhǔn)差-2倍以下的區(qū)域主要發(fā)生在西藏的東部和廣西廣東的北部(圖10D)。

圖10 1981-2015年復(fù)合極端氣候事件發(fā)生頻率的空間分布Fig. 10 Spatial distribution of the frequency of composite extreme climate events from 1981 to 2015

3 討 論

極端氣候事件的時空分布差異主要受影響我國的多個氣候系統(tǒng)異常變化的共同作用。隨著全球氣候變暖,東亞夏季風(fēng)環(huán)流的急劇增強(qiáng)和大氣層結(jié)波動性的增大為我國極端降水事件的增加創(chuàng)造了有利條件[26]。其中,1998年我國長江流域出現(xiàn)的罕見強(qiáng)降水主要受副熱帶高壓、南海季風(fēng)涌、中高緯冷空氣等方面的共同影響[1]。而1983年和2012年長江中下游地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性致洪暴雨,則主要受西太平洋副熱帶高壓、中高緯度南侵的冷空氣以及青藏高原東移的中尺度系統(tǒng)協(xié)同作用,導(dǎo)致梅雨鋒持續(xù)維持在長江流域[27]。2011年受拉尼娜事件影響,赤道西太平洋海溫急劇升高,使得我國亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū)降水量異常偏低,導(dǎo)致長江中下游地區(qū)干旱[28]。受東亞季風(fēng)、印度季風(fēng)、高原季風(fēng)和西風(fēng)帶的影響導(dǎo)致1986年青藏高原地區(qū)降水量偏低[29]。20世紀(jì)80—90年代中國大部分區(qū)域的降水呈現(xiàn)不同程度的降低,中國北部地區(qū)最為顯著,溫帶大陸性氣候區(qū)極端強(qiáng)降水發(fā)生頻率顯著減少,這與Zhai等[8]研究的極端降水空間格局較為一致。高原山地氣候區(qū)地處亞洲西風(fēng)核心區(qū),常年受到北半球強(qiáng)烈的西風(fēng)環(huán)流影響,其中1991—2000年高原山地氣候區(qū)降水量較不穩(wěn)定,干旱發(fā)生頻率較高,干旱異常在空間上表現(xiàn)為較高的一致性[30]。

在我國的南方地區(qū),隨著亞熱帶高壓在夏季逐漸增強(qiáng),致使極端高溫事件發(fā)生頻率上升,而西南季風(fēng)在冬季增強(qiáng),阻礙了西北西伯利亞高壓南移,致使極端低溫事件發(fā)生頻率降低[31]。北極濤動(AO)、北大西洋濤動(NAO)和厄爾尼諾-南方濤動指數(shù)(ENSO)等大氣環(huán)流指數(shù)對我國不同地區(qū)的極端氣溫有著不同的影響特性[32],如AO是負(fù)相位時我國北方地區(qū)發(fā)生極端低溫天氣的頻率更大[33]。2012年東亞冬季風(fēng)異常偏強(qiáng)造成我國氣溫大范圍異常偏低[34],1998年高原地表溫度異常偏高和1992年高原地表溫度異常偏低都與對流層頂氣壓異常密切相關(guān)[35]。20世紀(jì)80—90年代我國極端高溫事件表現(xiàn)出顯著上升趨勢,極端低溫事件表現(xiàn)出顯著下降趨勢,這與張大任等[36]研究的極端氣溫事件年代際變化特征較為一致。90年代以來,中國極端高溫事件表現(xiàn)出頻次增多、范圍變大、持續(xù)時間變長等特征,尤其是人口密集的南方地區(qū),西太平洋副熱帶高壓是影響中國南方高溫的重要因素[37]。1981—1990年和2001—2015年溫帶大陸性氣候區(qū)極端低溫事件發(fā)生頻率較高,主要原因是冬季AO指數(shù)與溫帶大陸性氣候區(qū)的冷日天數(shù)和冷夜天數(shù)具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[38]。

此外,陸氣反饋作用會導(dǎo)致中國東部地區(qū)極端高溫事件的發(fā)生,這在很大程度上提高了該地區(qū)極端高溫干旱事件的發(fā)生風(fēng)險[39]。高原山地氣候區(qū)降水與氣溫具有顯著的正相關(guān)關(guān)系[40],這在一定程度上解釋了該地區(qū)極端高溫干旱事件發(fā)生頻率較低的原因。近幾十年來我國極端高溫強(qiáng)降水事件頻發(fā)于青海一帶,極端低溫干旱事件主要發(fā)生在高原山地氣候區(qū)以及華南地區(qū)[41],這與本文所研究的復(fù)合極端氣候事件的空間格局較為一致。

可以看出,東亞季風(fēng)、副熱帶高壓等系統(tǒng)的協(xié)同變化在很大程度上影響著我國極端氣候事件的發(fā)生區(qū)域和強(qiáng)度。對這些系統(tǒng)變化的預(yù)測水平?jīng)Q定了對未來極端氣候事件的預(yù)測能力。全球氣候模式是預(yù)估氣候系統(tǒng)未來變化的主要工具,CMIP6相較于CMIP5具有更高的分辨率,使其在區(qū)域平均的極端降水上較CMIP5有明顯改進(jìn),提高模式分辨率后的CMIP6對干旱、半干旱區(qū)區(qū)域平均的極端降水的模擬能力更強(qiáng),但對東亞季風(fēng)的模擬還存在較大偏差[42]。以深度學(xué)習(xí)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用可能為提升未來極端氣候事件預(yù)測能力提供新的途徑[43]。

本研究采用的連續(xù)時空極端事件分析方法能夠?qū)B續(xù)時空范圍內(nèi)極端氣候事件高發(fā)區(qū)域和時段的定量研究,能較好地支撐極端氣候事件對生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化方面研究。由于極端氣候事件對生態(tài)系統(tǒng)過程的影響程度與事件的發(fā)生時間存在密切聯(lián)系[12],今后還需進(jìn)一步分析中國區(qū)域日、月等短時間尺度上極端氣候事件的時空分布特征,為量化中國區(qū)域不同類型的極端氣候事件對中國生態(tài)系統(tǒng)變化的季節(jié)貢獻(xiàn)及事件的持續(xù)影響和“遺產(chǎn)”效應(yīng)提供支撐。

4 結(jié) 論

不同極端氣候事件發(fā)生的年份不同,極端強(qiáng)降水年發(fā)生在1983年、1998年和2012年,極端干旱年發(fā)生在1986年和2011年,極端高溫年和極端低溫年分別發(fā)生在1998年和2012年,不同極端氣候事件具有明顯的區(qū)域差異性。1981—2015年期間,46%的極端強(qiáng)降水事件發(fā)生在2001—2015年,尤其集中在溫帶大陸性氣候區(qū);13%的極端干旱事件發(fā)生在2001—2015年的亞熱帶-熱帶季風(fēng)氣候區(qū);極端高溫事件頻發(fā)于1991—2000年和2001—2015年;21%的極端低溫事件發(fā)生在2001—2015年的溫帶大陸性氣候區(qū)。復(fù)合極端氣候事件出現(xiàn)比例存在逐年代際遞增的趨勢,1981—1990年和2001—2015年占比最高的復(fù)合極端事件均為極端低溫強(qiáng)降水事件。本研究采用連續(xù)時空極端事件分析方法能夠較好地對中國區(qū)域連續(xù)時空范圍內(nèi)極端氣候事件高發(fā)區(qū)域和時段進(jìn)行定量研究,增強(qiáng)了對我國極端氣候事件發(fā)生規(guī)律的認(rèn)知,未來還需進(jìn)一步加強(qiáng)分析中國區(qū)域日、月等短時間尺度上極端氣候事件的時空分布特征。