中国气候变暖大环境下降水和极端降水的变化外文翻译资料

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中国气候变暖大环境下降水和极端降水的变化

SUN JianQi^1,2* amp; AO Juan^1,2,3

1. 朱南森国际研究中心，中国科学院大气物理研究所，中国科学院，北京100029，中国；
2. 中国科学院气候变化研究中心，北京100029；
3. 中国科学院研究生院，北京100049

2012年8月28日收到；2012年11月27日接受；2012年10月9日出版

摘要：该研究分析中国在气候变暖的大环境下冬季降水和极端降水的年代际变化。研究结果表明，随着中国冬季气候变暖的趋势，该地区的冬季降水和极端降水量也在增加。此外，随着20世纪80年代中期年代际气候变暖，降水和极端降水都显著增多。定量分析表明，中国地表温度每增加1℃，降水和极端降水的发生概率就上升9.7%和22.6%上升。降水增加这一概率大于全球平均值，这说明中国降水对气候变暖有高度敏感性，并进一步凸显了研究气候变暖的区域反应的重要性。极端降水比一般降水以更高的速率增加的事实意味着，在全球变暖的背景下，中国冬季降水将越来越趋于极端的类型，这从一定程度上可解释最近中国出现大量破纪录极端降雪事件的原因。

关键词：冬季降水，极端降水，全球变暖，敏感性，区域响应，气候变化

气温和降水是两个主要气象要素，其异常变化经常伴随着极端干旱、洪水、热浪、寒冷的激增，对社会和自然环境有着实质性的和直接的影响。因此，气温和降水一直是科学家和公众关注的焦点。根据Clausius Clapeyron方程（CC），温度每上升1°C，大气水汽和降水量将增加约7%。分析卫星观测和分析的数据证实了CC理论推理关于大气水汽和温度的关系^[1,2]。然而，两者之间的定量关系仍然是一个值得争论的问题。Wentz等人^[2]研究表明全球平均降水概率在1987到2006年间，以每1°C约7.4%的速度增长。观察得到的降水概率增长速度远远大于在模型模拟所得数值，其中每1°C 降水概率仅增加约1%至3%^[3]。对降水的不同反应温度的观测和模拟，Lambert等人^[4]提出了关于Wentz等人^[2]计算降水对温度的敏感性所用方法的问题。利用回归分析，根据Wentz等人^[2]计算出的温度，Lambert等人^[4]得出了降水概率更高的结论。此外，在气候模型中，物理或化学过程模拟中有一些不确定因素（如大气气溶胶和云的变化，其表面辐射的影响等）。这种不确定性进一步引发的不确定性不仅表现在温度和降水的变化，也表现在随温度变化，降水概率的变化^[4]。如果在气候模型中这种不确定性减少，模拟中降水对温度的响应可以被理解为与所观察到的结果相一致^[4]。因为只有1987-2006这一周期被Wentz等人^[2]在研究中使用，其他研究者已经质疑，如此短的周期是否能充分判断降水对气候变暖的响应^[5]。理论上，从更长的周期分析可以得到更可信的结果。但是，如果将分析的周期延长到半个世纪（1951-2005），从不同的观测数据所得的结果是发散的，甚至是反向的^[6]，这主要是观测数据质量和空间分布不同所引起的结果。因此，在全球范围较长时间内要准确判断降水对温度的响应是很难的。

相比之下，在过去的半个世纪，一些区域的降水观测数据质量和空间分布优于全局数据。此外，全球变暖并不意味着地球的所有区域都在变暖，而且气候的区域差异是不同的^[6]。因此，从区域的角度研究降水对温度的响应显得更为重要、更具有可行性。在过去的半个世纪中，中国一直是世界上最大的气候变暖的地区之一。本研究将强调中国的降水和温度之间的关系。

在过去的几十年里，关于中国的降水和极端降水，已经有了大量的研究。大多数具有宝贵贡献意义的文献在中国气候变化国家评估报告以及其他一些评论文章中进行了良好的审查^[7-9]。然而只有少数直接研究了降水对温度的敏感性。Qian等人^[10]认为小雨的减少很可能与大尺度的气候变暖有关。Zhao等人^[11]在不同的时间段（20世纪80年代-20世纪90年代和20世纪60年代-20世纪70年代）比较南方和华北地区持续性降水的开始和结束时间，并发现相比相对寒冷时期（20世纪60年代-20世纪70年代），南（北）中国的持续性降雨开始较早（晚），并在相对较温暖的时期（20世纪80年代-20世纪90年代）结束较晚（早）。所有这些研究表明，有可能存在降水对气候变暖的响应。因为气候变暖的信号在冬季最强，本研究探讨了中国的降水和极端降水的定性和定量关系。

1.数据和方法

该研究使用了2个观测数据集。每日观察的温度数据都是最新更新的，均质温度聚集在由Li and Yan^[12]发开的中国1960-2008时期的549个站点。中国756个站台观测所得的逐日降水数据，来自中国气象局国家气象中心。降水数据在发布前已做质量控制。这756个站台中，有很多缺少20世纪50年代的数据点。因此，本研究的重点是1960年至2008年期间。48年间，给定的一年10%以上的天数缺失或一天中超过1%的数据缺失的站点不包括在内。其余站点的缺失的日常记录已由他们1960-2008年间的气候值填补。最后，选择总共535个站点的气温和降水数据进行研究。

极端降水的阈值是基于百分位估计的。首先，我们计算第95百分位的日降水量，作为从1971-2000年间每个冬季降水量；30年来第95百分位的平均值作为极端降水阈值。极端降水日定义为一天内降水大于极端降水阈值。冬季极端降水定义为给定一个冬季极端降水日降水量总和。总降水量定义为给定一个冬季降水量总和。

2.结果

在分析中国冬季降水和极端降水与温度的关系前，首次调查这三个气象要素的气候特征和发展趋势是非常重要的。如图1(a)所示，中国冬季温度通常具有一个经向偶极模式，即由山东半岛西南向中国西南地区的温度北（南）线是在0°C以上（下）的。中国南北两侧温差大于40°C，显示出中国气候类型的多样性。过去的半个世纪，随着全球变暖，中国经历了一个强烈的升温浪潮，北方地区的升温幅度较大，西南地区的升温幅度较小。

中国华南地区，冬季降水占主导地位，气温在0°C以上。这一趋势的成因主要是温暖潮湿的空气易于到达华南地区，并为该地区提供水蒸汽条件，从而形成冬季降水。相比之下，中国北方冬季降水量明显较少，特别是从内蒙古延伸至新疆南部的地区，冬季降水量小于10毫米。在冬季，中国北方地区经历了强烈的冬季风，从高纬度带来寒冷干燥的空气，并防止暖湿气流从低纬度北上。因此，水汽较少不足以在北方地区形成降水，这也是该地区冬季降水水平较低的一个主要原因之一。趋势分布表明，除了中国北方和西部地区的一些个别地区以外，中国几乎所有地区的冬季降水量都有所增加，并在华南地区有大量增加。冬季极端降水的分布与其非常相似。从气候学角度看，极端降水量占总降水量的三分之一。然而从趋势的角度来看，极端降水的值更接近于总降水量。基于这些结果，我们推断，极端降水的增加在总降水的增加中占了很大一部分，并由以下的定量分析进一步确认所得。

显著的气候和趋势分析表明，随着过去半个世纪气候变暖，冬季降水和极端降水都有增加，这意味着中国降水和气温之间有着密切的关系。以下的分析是基于这个现象进行的。考虑到气候变暖是发生在一个较长时间尺度上的现象，我们首先通过九年移动平均法从所有数据中去除年际变化。这种方法强调降水和极端降水的年代际特征，即适宜诊断与气候变暖的关系。

为了研究降水与温度的关系，本文采用奇异值分解（SVD）的方法。该方法可以检测到双元素耦合信号。SVD的结果表明中国冬季降水和温度之间在年代际时间尺度上有强耦合。第一模式占总方差的93.8%。因此，只有通过分析第一模式的情况，才能合理地得出出降水与温度的关系。图2是冬季降水和温度，以及相应的扩展时间序列的第一个配对模式。温度模式在全国表现出一致的变暖模式,在中国北部(南部)有更大(小)值。如图1(b)所示，在过去的半个世纪中，这种温度分布与中国的气候变暖趋势十分相似。相应的温度时间序列呈现上升趋势，表现出各地在20世纪80年代中期突然的年代际变化，其过去半个世纪期间与中国气候变暖的趋势一致^[13]。因此，SVD温度模式及其相关扩展时间序列，反映出中国冬季气候变暖的特征，这为研究降水对气候变暖的响应提供了坚实的基础。

图1 1960–2008期间冬季气候的温度(°C) (a),降水(mm) (c),和极端降水(mm) (e)与同期这三个变量((b) 温度（°C/a）,（d）降水(mm/a),和(f)极端降水(mm/e)) 的线性趋势。

图2(b)所示，SVD降水模式与中国气候变暖有关。与温度模式相比，降水模式所表现出的空间一致性相对较弱。华北南部、华北北部、中国西北部、青藏高原南部地区和西南地区，存在着一些小的负值区。然而，这些负值是很小的，中国大部分地区表现出一致的、大规模的正值。考虑到气候变暖是一个大规模的现象，本研究我们将只专注于一致的、大规模的降水变化，忽略了明显的小的、局部负信号的降水。因此可以得出以下结论，中国冬季降水量的增加与气候变暖大环境有关，并且华南地区增加量最大。这两个时间序列的第一个配对相应的扩张模式共变得很好。它们的相关系数是0.83，在20世纪80年代中期都表现出突然的年代际变化。这些结果进一步证实了中国冬季降水与气温有较强的耦合性：随着气候变暖的增加，冬季降水量增加。

图2 第一次配对温度（a）和降水（b）及其相应的标准化时间序列（c）

上述SVD分析介绍了季平均降水。现在SVD分析方法进一步研究冬季极端降水和温度之间的耦合关系。图3（a）所示的SVD温度模式与中国气候变暖趋势有相似的分布：全国都在变暖，并且中国北（南）部地区升温值更大（小）值，这表明SVD温度模式也反映了中国在过去半个世纪中气候变暖的特征。图3（b）描述了SVD极端降水模式。极端降水模式与图2（b）降水模式相似。除了在南部中国东北，华北北部中国，中国西北地区，青藏高原南部地区，中国西南地区的一些小负中心，在中国大部分地区极端降水与气候变暖一起增多。两对应的极端降水和温度的时间序列之间的相关系数为0.92，高于降水和温度之间的相关系数。此外，极端降水和温度的第一模式占总方差的95.4%，也高于降水和温度所占比重。所有这些结果表明，相对于降水和温度之间的耦合关系，极端降水和温度有一个更强的耦合关系。

显著的SVD分析表明，我国冬季降水和温度与极端降水有密切的关系。冬季降水和极端降水对中国气候变暖的响应究竟有多强？要回答这个问题，就要从全国的角度研究冬季平均降水和极端降水与温度的定量关系。为了计算全国平均时间序列，首先使用Cressman插值方法将站点数据插值到2°times;2°的网格。中国平均时间序列的温度，极端降水和温度，通过面积加权这三个气象变量的全国网格平均值计算而得。表1所示为SVD扩张时间序列和中国平均时间序列之间的降水、极端降水、温度的相关系数。表格显示，所有的相关系数均大于0.93，这意味着中国平均时间序列反映我国冬季降水、极端降水的年代际变化特征，以及温度和它们之间的耦合关系，正如在SVD分析中所示。因此利用中国平均时间序列代替SVD时间序列来确定降水和极端降水与温度的定量耦合关系是合理的。图4（a）和（b）所示为降水和温度（极端降水和温度）异常（相对于1965年至2004年的气候）的散点图。这两个数字表明，降水和极端降水与温度之间有很强的线性关系。除了中国冬季气温升高，该区域冬季降水和极端降水都有增加，这与SVD显著性结果是一致的。

降水和极端降水对温度的耦合关系采用线性回归法定量分析。Lambert等人^[4]提出用线性回归法判断降水对气候变暖的响应更为合理。降水和极端降水与温度的线性回归方程在图4的右下角给出。公式表明，降水和极端降水增加了3.1和2.2毫米，分别对应于1°C的温度升高。如果这些增加的降水量和降水极端值按照气候划分（超过1965-2004时期平均值），冬季降水和极端降水每1°C分别增加22.6%和9.7%。极端降水量的增加量占总降水量增加量的71.6%，意味着在中国气候变暖大环境中，冬季极端降水的增加量比降水的增加量大得多。伴随着这一现象，中国最近发生了许多破纪录的降雪事件^[14-16]，并且在气候变暖背景下预测我国冬季降水量和极端气候事件增多^[17,18]。

图3 温度（a）和极端降水的第一配对模式（b）及其相应的标准化时间序列（c）

图四 冬季气温异常的散点图（相对1965-2004）和降水异常（a）和冬季气温异常（b）和极端降水异常。线性回归公式在图片右下角

表1 中国平均时间序列相关系数的温度、降水之间的关系，并在1965–2004^a)期间极端降水和SVD第一模态对应的时间序列

a)T/P/EP表明温度、

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