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中国近20年极端温度和降水的变化

Xin Xu,Yugang Du,Jianping Tang,Yuan Wang

摘要：自从1990年代以来，中国在迅速增暖，极端温度和降水变化研究也在这样的背景下开展。6个基于百分比的指标源于532个气象观测站的日最低最高地表面气温和日降水量。这6个指标被分为两个时期（1960—1989和1990—2007）来计算和对比。对于整个中国，通过日最低气温得到的每年冷夜和暖夜的出现率已经分别变化-3.8%和2.8%，同时，在近20年每年源于最高气温的冷昼和暖昼的出现率经历了-2.1%和1.8%的相对较小的变化。在中国北部和东北部发现了显著的冷极端事件频率的减小，反之，暖极端事件频率在中国南部、西南部和西北部地区极度地增加。冷极端事件频率减小主要发生在冬天。然而，暖极端事件呈现出在冬天和夏天都增加的状态。

与此同时，每年的极端降水量和降水天数分别增加了10.9mm和0.12天，在长江流域的中下游和中国西北部有明显的增加，但在中国东北地区和北方地区只有轻微的变化。中国南方地区和西南地区出现了明显的增加，但它们在统计上没有显著性。极端降水在4—9月份的雨季有很大的增加，因此，展现了类似的年度空间模式。从10月到明年3月的旱季，在中国东北地区和北部地区极端降水有显著的增加。

关键词：气温；降水；极端事件；中国

1. 引言

极端天气和气候事件指的是这些事件在统计学意义上的低出现频率为特征（IPCC,2007）。近年来，对极端天气和气候的关注不断增加，因为它们可能对人类社会和自然造成严重灾难(Karl and Esterling,1999,Easterling et al.2000)。例如，国家气候中心（1998）报道了，1998年中国发生在长江和嫩江－松花江流域的洪水造成了经济损失约360亿美元和超过3000人死亡。2003年夏季发生的热浪导致了欧洲各地超过22000人死亡。

中国经常受到各种极端天气和气候事件的影响，这是由于其广袤的领土和东亚季风强大的影响所造成的。冬季，中国北方经常出现寒潮，而炎热的天气和热浪在中国南方夏季普遍出现。此外，中国西北的干旱和半干旱的地区经常遭受干旱；与此相反，由于大量的季风降水，洪水几乎每年都袭击中国南方。

近年来对中国极端温度事件变化的研究显示了冷昼和冷夜有下降的趋势，但是暖昼和暖夜有上升的趋势。zhai和pan（2003）发现霜冻（例如，每天最低气温低于0℃）的天数大幅的减少。与此同时，丁等（2010）和张等（2008）报告了在中国东南和北方热天（日最高气温在35℃以上）明显地增加。

降水极端事件的变化也被广泛研究过。降水极端事件的趋势被发现与中国降水总量呈正相关。极端降水的增加发生在中国西北和东南部，反之，极端降水的减少发生在中国的北方和四川盆地。

之前的研究主要关注于中国极端天气和气候事件的长期趋势。然而，IPCC在其第四次评估报告中指出，近年来全球地表温度在一个更快增暖过程中，自1850年以来，最暖的12年中，11年发生在最近的12年（1995－2006）。

任等（2005）的研究和王等（2000）的研究也揭示了，在1990年以前，中国平均气温增加并不显著；相反，它在1990年代在明显地增加，中国近20年经历了更快速的增暖。

这个工作的目的是提供中国近20年快速增暖情况下气温和降水极端事件变化的概述。论文是按如下方法进行组织的。第二节描述数据组和本研究中使用的分析方法。极端温度和降水的空间和季节变化分别在第三和第四节给出。讨论和结论在第五和第六节给出。

2.数据和方法

来自740个气象观测站的日最低和最高地面气温和降水量的数据集被用于此次研究。这个数据集是由中国气象局国家气象中心的数据中心（CDC）开发的，并且通过了CDC的质量控制程序。它也被广泛应用于中国气候气候变化的研究。这个数据集提供了1960年代以来更大空间覆盖的地面气温和降水观测的数据，而在1950年代只有160~400个台站。为了保证空间一致性和温度降水记录的时间一致性，每年缺测18天以上的台站和搬迁的台站被舍弃。最后，在1960~2007年期间的532个台站被保留下来。

在不同的标准下，天气和气候极端事件可以以很多方式来描述。气候变化探测和指数的专家小组已经定义了多达27个极端天气和气候事件的指数，其中16个指数关于极端温度事件，其它11个与极端降水事件相关。Alexander等（2006）将这27个指数分为5个类别，包括基于百分率的指数和绝对值数，也有其它类型的指数。在这个研究中，采用了基于百分率的指数，因为在中国的不同区域有不同的气候特性。

4个指数被选用于这次极端温度事件的研究，包括冷夜，暖夜，冷昼和暖昼。在另一方面，极端降水指数（EPA）和极端降水天数指数（EPD）被选用于研究极端降水事件。冷夜和暖夜被看作夜间极端温度事件，它们被定义为夜间日最低气温低于/高于10%/90% 1971－2000期间的当地温度分布。类似的，冷昼和暖昼被看作为白天极端事件，并且定义遵从日最高地面气温。然而，极端降水的阈值是设定为同样时期99%的当地降水量。

对于532个台站的每一个台站，首先计算出1960－1989和1990－2007两个时期的指数，然后将它们对比来看中国近20年它们发生的变化。这些变化的显著性通过用t检验方式来检验。为了更好地理解变化的区域特征，把中国分成六个主要区域，东北（NEC），华北（NC），西北（NWC）,西南（SWC），长江流域（YR）和华南（SC），如图所示。如同全国一样，每个区域也对温度和降水的区域平均变化做了评估和检测。这些指数的季节性变化也被讨论了。对于温度极端事件，讨论了四个季节的标准，DJF（12，1，2）用于冬季，MAM（3，4，5）被用于春季，JJA（6，7，8）用于夏季，SON（9，10，11）用于秋季。然而，在雨季（4－9月）和旱季（10－明年3月）来研究极端降水事件，因为中国的降水很明显地受到东亚季风的影响。

除了这两个时期的变化之外，这些指数的概率分布函数（PDF）也被计算出来用于5个十年，来洞察气温和降水极端事件的十年间变化。

3.近20年极端温度的变化

3.1年际变化

图2展示了近20年年极端温度事件发生频率变化的空间分布特征。年极端温度事件的区域平均变化在表1中给出。对于整个中国，从1990年代以来，年冷夜的发生频率平均减少3.8%（表1）。在年冷夜发生频率上，超过90%的台站显示了显著的统计值下降，在NC，NEC和SWC的西南有非常可观的减少。相反，大约有70%的台站的暖夜出现率有显著地增加，整个中国平均增长2.8%。年暖夜发生率显著增加的地方主要出现在SC的东南，SWC的西南，NWC的北部和NC的中部，在长江流域的中下游只有很少的增长。

对于日间极端事件的变化，年冷昼的发生频率平均减少了2.1%，年暖昼发生频率平均增加了1.8%。有56%的台站被观测到有显著的年冷昼发生频率减少，这些台站位于从NWC东到NEC的广大区域和黄河和长江的下游。然而，在SC，长江中游，SWC和NWC西部，年冷昼发生频率没有显著下降。对于年暖昼，它们的发生频率在46%的台站有显著的增加，这些台站大多数位于SC南，NC北和NWC东。在黄河下游和长江中游南部的一个区域检测到有年暖昼发生频率减少。总而言之，长江流域中下游的年暖昼平均频率的增加在统计上不显著（表1）。

3.2季变化

图3显示了近20年来中国极端温度事件发生频率的季节性变化，表2给出了相应的区域平均变化。很明显，在冬季，冷极端事件频率减少。例如，冷夜在冬天减少了7.5%，远远超过了其它季节的减少。不像冷极端事件，暖极端事件的发生频率在夏季有明细的增加，它们在冬季的增加也有深远的意义。以暖夜为例，在夏季和冬季，它们的平均增长率分别为5.6%和5.4%；几乎是春季（2.7%)和秋季（2.8%)的两倍。

温度极端事件的变化在四季中也有不同的区域特征，如表2所见。例如，在春季和冬季，在NEC和NC，冷昼的发生频率在显著地减少，然而，在秋季它们在SC地区有显著的减少而不是在这两个地区。对于暖日，在SC地区的春天和夏天，它们表现出显著的频率增加。但在NC和NEC地区，增幅更大，分别在秋季和冬季。

3.3概率分布函数的变化

图4显示了过去50年年际极端温度事件发生频率的概率分布函数。前面提及的中国近20年在冷极端事件的频率减少和在暖极端事件的频率增加也可以在它们的概率分布函数的变化中推断出来。随着时间的推移，冷极端天气事件的概率分布曲线一般都是负的（图4a和c），然而，暖极端事件则朝着相反的方向移动，也就是说，它们是正变化的（图4b和d），PDF曲线正和负变化清楚地表明冷极端事件频率的减少和暖极端事件频率的增加。

值得注意的是，在最近20年里，PDF曲线的变化比前30年更加明显。例如，在过去的30年中冷夜的发生率对应的最大概率是12%，11.5%和10.5%，在1990年代和2000年代，它很快地减少至8%和7%（图4a）。对暖夜（图4b），在过去的30年中，最大概率的发生频率几乎没有变化（大约9.5%），与1990年代（11.5%）和2000年代（12.5%）的更大发生频率相反。在近20年里，PDF曲线的变化更为明显，与中国自从1990年以来的迅速增温一致。

4.近20年极端降水的变化

4.1年际变化

图5展示了近20年来中国年际极端降水事件变化的空间分布。极端降水事件变化的最显著特征是极端降水增加的台站数量与极端降水减少的台站数量相当，后者表现与极端温度变化大不相同。在中国南方的广大地区、NWC地区和NC的北部和南部，大约60%的气象台站都发现了极端降水的增加。相反，在NC地区中部、部分NEC地区和SC地区观测到极端降水减少。然而，只有一小部分台站在年EPA（7.7%）和EPD（6.7%）显示了显著的变化（增或减），远少于极端温度事件。

表3详细说明了中国近20年来每年的极端降水的平均变化。对于整个国家来说，年EPA在平均上增加了10.9mm，在长江中下游和SC地区更为显著。同时，年EPD平均增加了0.12天，其中长江中下游流域更为明显。年EPD的增加在NWC、SC和SWC地区也显著。然而，年EPA和EPD在NC和NEC只有微量增加，这很可能是由于在不同测站极端降水的增加和减少相抵消（图5）。

采用t检验方法，在0.05显著水平上，在长江中下游流域和NWC地区，年极端降水仅展现了统计上的显著增加。在SC和SWC，EPA和EPD的增加不能通过t检验，即使它们有更大的变化。这种不显著性是由于极端降水变化的年际变化而发生的。例如，图6展示了在1960－2007年期间，在SC和NWC上的年EPA时间序列。很明显，年EPA的异常现象表明在NWC上的增加趋势比SC更大。

4.2季节性变化

图7和图5相似，但在雨季和旱季的极端降水变化下，表4给出了它们的区域平均变化。在表4中可见，在近20年里，在雨季EPA和EPD平均增加8.5mm和0.09天，这两者都远远大于旱季（1.8mm和0.06天）。这一点都不奇怪，因为中国的降水集中在雨季，尤其是季风区域。在雨季的极端降水因此与年变化的空间模式非常相似（图7a和b）。然而，它们在旱季呈现出不同的空间模式。在SWC、长江中下游流域和SC，极端降水的增加相比于雨季明显下降，但在NEC和NC增加了（表4）。因此，在旱季，极端降水在NEC和NWC转为显著增加（图7c和d）。尽管在长江中下游流域EPA和EPD也显著增加，但在统计上却不显著（表4）。

4.3概率分布函数的变化

图8显示了中国年EPA和EPD的概率分布函数（PDF）。不像极端温度，EPA和EPD的PDF曲线没有明显的变化。它们主要显示方差的变化而不是PDF的平均值变化。比如，在过去的50年中，最大概率的EPA几乎是相同的。然而，与前30年相比，密集（在PDF右侧）和稀疏（在PDF左侧）EPA的概率分别在1990年代增加和减少（图8a）。因为降水的气候特征在中国的不同地区有很大的不同，例如，从中国东南部到中国西北地区，年降水量逐渐减少；如图5和7所示，PDFs的变化直接表明了极端降水的典型区域特征。

在长江中下游流域的年EPA和EPD的PDFs也被考虑进去了（图9）。一般来说，在最近的20年里，这两种PDF曲线都是呈正的变化，这与该地区增加的极端降水有关。更准确地说，PDF曲线的正向变化主要发生在20世纪90年代，而在2000年代，它们相反地往负方向变化。因此，合理的预期是，中国长江中下游流域极端降水的增长，主要集中在上世纪90年代。

5.讨论

与中国近20年来的快速变暖有关，冷和暖极端事件发生率显著地减少和增加，这意味着每日的最低和最高地面气温都显著增加。极端温度变化不均匀，在夜晚极端事件上有更大的量级，反映了日最低气温增加比日最高气温更加明显。因此，在最近20年里，中国的昼夜温度范围必须减少。值得注意的是，城市化的影响在气候在气候变暖中扮演了重要角色，这项研究中没有消除。城市热岛效应对中国北部和东南部气温上升分别贡献了40%和80%。尽管如此，这个研究的结果，至少在定性上，揭示了中国近20年极端气温的变化。

EPA和EPD在中国近20年也被发现有显著地增加，仅管它们只在少数观测站展示了显著变化。对比极端温度，EPA和EPD有更复杂的空间模式变化。在长江中下游流域它们有最明显地增加，这可能是由于夏季雨带的南移和东亚季风的减弱造成的。此外，EPA和EPD变化的空间模式几乎相同，意味着中国极端降水变化主要是由于EPD变化引起的。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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