内蒙古1960-2017年极端温度和降水事件的时空变化外文翻译资料

 2022-11-16 10:42:47

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内蒙古1960-2017年极端温度和降水事件的时空变化

Spatial and temporal variability in extreme temperature and precipitation events in Inner Mongolia (China) during 1960-2017

内蒙古1960-2017年极端温度和降水事件的时空变化

佟斯琴a,b,c,1, 李向前a,1, 张继权a,b,⁎, 包玉海c, 包永斌a, 李娜a, Alu Sia

a.环境学院,东北师范大学,长春130024,中国

b.植被生态学重点实验室,教育部,长春130024,中国

c.地理学院,内蒙古师范大学,呼和浩特010022,中国

摘要

由于全球气候变暖,极端气候已经成为一个重要的问题,并且不同的地理区域对于气候变化有着不同的敏感性。因此,基于1960-2017年的日最高温度、最低温度和降水资料来分析研究内蒙古的极端温度和降水事件的时空变化。结果表明,如SU25, TX90p,TN90p和WSDI这一类的极端高温指标显著增长,而像FD0,TX10p,TN10p和CSDI这一类的极端低温指标显著降低。基于M-K检验,所有指标均有明显的突变;夜间变暖的幅度高于白天。极端降水指数总体上略有下降。基于非趋势波动分析(a>0.5),极端温度和降水指数均具有长期关联性,这个结果说明在未来极端气候指数将保持目前的趋势方向。ENSO、AO、IOD对内蒙古暖极有较强的正向影响,对冷极有较强的负向影响。NCEP/NCAR和ERA-20CM再分析表明,反气旋环流增强,位势高度增加,白天云量的减少和夜间云量的增加导致了内蒙古极端气候的变化。

关键词:极端气候事件,时空变化,趋势波动分析,大气环流,影响,内蒙古

1.引言

IPCC SREX (2012)的报告指出:极端事件通常定义为某一值上出现的天气或气候变量高于(或低于)接近于上(或下)的阈值变量观测值范围的末端(“尾部”)。最近几年,全球气候持续变暖的同时,极端气候事件也频繁发生(Leonard et al., 2013; Hao et al., 2013)。这就导致了气象灾害出现明显的上升趋势,社会经济损失增加。(Botzen and van den Bergh, 2009)。根据最近的统计,全球气候变化和相关极端天气事件造成的经济损失比过去40年增加了10倍(Ding et al., 2002)。亚洲是最容易遭受自然灾害的大陆之一,1990年至2000年,自然灾害占全球极端气候事件的43%,进入21世纪后,随着全球变暖,这种趋势变得更加严重(Hou et al., 2008)。观察表明,区域气候变化导致了各种自然和生物系统的变化,如冰川退缩/消融、冻土融化、中纬度地区生长期延长(Shea et al., 2015; Rangecroft et al., 2016; Douville, 2006)。近年来,世界各地发生了一系列气象灾害(如1992年佛罗里达安德鲁飓风、1998年中国特大洪涝灾害、2008年大规模雪灾),造成大量人员伤亡和重大经济损失。这说明研究极端气候事件的变化控制和形成机制不仅是科学发展的需要,也是社会的迫切需要。

目前,极端气候事件的研究主要包括对各种指标的极值、强度、频率和变化趋势的研究,还包括对极端气候事件所涉及的各种因素进行分析和讨论等(Gao et al., 2015; Planton et al. 2008; BrOuml; et al., 2004; Brown et al., 2010)。研究人员对极端气温和降水进行了研究,发现极端气温变化通常与全球变暖有关,而极端降水变化与全球变暖的空间相关性较低,因此很难理解其趋势(Alexander et al., 2006; Anders and Jones, 2005; Aguilar et al., 2005; Hidalgo-Muntilde;oz et al., 2011; Omondi et al., 2013; Coumou et al., 2013; Coumou and Rahmstorf, 2012)。

自1951年以来,中国极端气候事件发生的频率和强度发生了变化。翟和潘(2003)指出,我国北方东部地区的霜冻期在延长,西北地区极端降水事件增多。Ma et al.(2003)研究了中国北方的极端温度,得出结论:20世纪90年代以后,北方大部分地区的最高温度出现频率呈现明显的上升趋势;这些研究人员还指出,极端低温频率的降低和低温本身的增加与区域变暖密切相关。此外,研究人员还研究了山东、新疆、重庆、华东、华南和长江流域的极端气候变化(Jiang et al., 2011; Zhang et al., 2012; Su et al., 2017; Chen and Sun, 2015)。这些极端气候事件的变化与区域气候变暖和大气环流密切相关(Diffenbaugh et al., 2017; Abiodun et al., 2013; Swain et al., 2016)。因此,利用厄尔尼诺南方涛动(ENSO)、太平洋年代际涛动(PDO)、北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和南方涛动(SO)等大尺度大气环流指数来检验这些关系(Pascual et al., 2013; Muhire et al., 2015; Zhou and Wu, 2010; Chan and Zhou, 2005; Suo et al., 2008; Wan et al., 2010; Gong et al., 2009)。然而,对于ENSO、NAO、AO、印度洋偶极子(IOD)和PDO等多种大气环流指数对内蒙古极端温度和降水事件时空变化的影响研究较少。

内蒙古草原是中国最大的草原之一,是中国北方重要的生态屏障(Sun and Wang, 2008)。它也是中国重要的农牧业生产基地,是全球气候变暖的敏感地区(Wang et al., 2008)。植被覆盖度能够反映内蒙古生态环境的总体状况;因此,植被的变化及其与气候因素的关系一直是科学界关注的话题(Wang et al., 2010)。水位下降、草地退化、土地沙化与气候变化密切相关。目前对内蒙古气温和降水的研究较多(Bao et al., 2010; Chen et al., 2009; Bao et al., 2011),但分析极端气候事件的研究较少。因此,有必要通过对内蒙古极端气候事件的极端温度和极端降水指标、影响因素以及未来预测等方面的分析,对内蒙古极端气候事件的特征和演变进行全面的研究,这对于预测灾难性气候事件和防治内蒙古灾害具有重要意义。

2.资料和方法

2.1研究领域

选取内蒙古自治区作为研究区,它位于中华人民共和国的北部以及位于37°24′N、53°23′N、97°12′E 和 126°04′E之间(图1)。总面积约118万平方公里,占全国总面积的12.3%,是中国第三大省。它位于欧亚大陆内部,由于处于湿润和半湿润季风气候与干旱和半干旱气候之间的过渡带,因此受到东亚季风的影响(Sun et al., 2010)。由于降雨和温度梯度,其植被类型从东北到西南依次为森林、草原和沙漠(Shi等, 2011)。年平均气温约从东北的minus;4.5°C逐步增加到西南的9.8°C(图1 b),但年降水量从东北到西南逐渐减少 (图1 b)。此外,高程由东北向西南增加,范围为86 ~ 3526米。海拔对温度和降水分布也有重要影响,因此,我们采用cokriging方法对气象数据进行插值,得到极端温度和降水指数的空间分布(Daly et al., 2003; Goovaerts, 2000)。

2.2数据来源和质量控制

本研究使用的数据来源于资源环境数据云平台(www.resdc.cn/),其中包括1960-2017年期间的日最高温度、最低温度和降水数据。数据质量控制在分析温度和降水变化之前是必要的,因为错误的离群值会影响趋势(Gao et al., 2015)。数据质量控制采用RClimDex软件(http://cccma.seos.uvic.ca/ETCCDI/software.shtml)进行,该软件由张洋(Li et al.,2012)在加拿大气象局气候研究分局开发和维护。它用于检查不准确的温度和降水数据,如降水值低于0和最低温度超过最高温度。额外的质量控制包括识别潜在的异常值;特别要确定所录得的数据是否符合区内的实际气象情况。将标准差的三倍定义为数据质量控制的阈值。该阈值几乎可以检测到日常气候数据中所有的错误离群值,是以往研究中最有效的数据质量控制方法(Zhang et al., 2005; You et al., 2010; Aguilar等, 2005; Mark等, 2006)。通过数据质量控制,建立100个台站,对内蒙古极端气候事件的变化进行研究;气象站位置如图1b所示。图1研究区(a)及气象站(b)的地理位置,以及年平均气温及雨量、海拔的空间分布(b)。

图1:研究区(a)及气象站(b)的地理位置,以及年平均气温及雨量、海拔的空间分布(b)。

2.3极值指标的定义

本研究从CCI/CLIVAR/JCOMM气候变化检测与指标专家组推荐的核心指标(ETCCDI,http://etccdi.pacificclimate.org/)中选取了14个极端气候指标,包括8个极端温度指标和6个极端降水指标(表S1)。使用RClimDex V1.0软件计算了所选指标。霜冻日数(FD0)、寒冷日数(TX10p)、寒冷夜(TN10p)和寒冷期持续时间指示器(CSDI)反映了极端低温事件(冷极),夏季日数(SU25)、温暖日数(TX90p)、温暖夜(TN90p)和温暖期持续时间指示器(WSDI)反映了极端高温事件(暖极)。极端降水指标包括最大1天降水(RX1day)、最大5天降水(RX5day)、强降水日数(R10)、高比湿日数(R95p)、连续湿日数(CWD)、连续干日数(CDD)。其中rx1d和rx5d代表短时间内的极端降水,在洪涝灾害发生中具有最大的意义。

2.4大尺度环流

将Pearson相关分析应用于大气环流和气候极端指数,以影响中国北方气候的潜在因素为基础,研究内蒙古大气环流类型对气候极端的影响(Deng et al., 2014; 黄等, 2014; You et al., 2013)。本研究选取的大型海洋大气环流指数包括ENSO(从http://www.cpc.ncep.noaa.gov/下载)、AO (http://www.ccp .ncep.noaa.gov/)、NAO (http://ljp.gcess.cn/dct/page/1)、IOD (http://www.jamstec.go.jp/frsgc/research/d1/ IOD /index.html)、PDO (http:// www.esrl.noaa.go/psd /data/correlation/pdo.data)、东亚夏季风指数(EASM) (http://ljp.gcess.cn/dct/page/1)。由NCEP/NCAR再分析数据(http://www.cdc.noaa.gorv/) 驱动来确定1960-2017年大气环流、月平均位势高度(500hpa)、冬季气温、夏季风场和降水的变化。此外,利用ERA-20CM数据集(http://apps.ecmwf.int)获取12:00和00:00的低云层数据,研究低云层对极端温度指数的影响。

2.5线性趋势分析

利用线性趋势分析研究极端温度和降水指数的时空变化趋势:

(1)

其中y为1960年至2017年的年度指数值;x为1960年至2017年;a和b分别为指数的截距和斜率,斜率由最小二乘法通过Eq.(2)计算得到:

(2)

其中n为年数(本研究为58年),表示年份(n= 1,2,3,hellip;,58);xi为第i年的年极端温度或降水指数值;xi是指数的多年平均值。正斜率表示上升趋势;否则,该指数呈下降趋势(Zhao et al., 2012)。F检验用于确定变化是否显著。显著性检验只能确定变化的置信水平,与变化的速度无关。F检验计算公式如下:

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