1963年至2012年中国西北地区极端降水日年代际变化外文翻译资料

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1963年至2012年中国西北地区极端降水日年代际变化

Guo Pinwen1, Zhang Xiakun1, Zhang Shuyu2*, Wang Chunling3, Zhang Xiao4

摘要: 选取1963年至2012年中国西北夏季153个气象站的日降水量数据, 分析了夏季极端降水频率的时空分布。结果显示出了区域依赖性的极端降水频率。甘肃南部、青海北部和陕西南部均表现出较高的极端降水频率及和频率突变倾向。在本研究中,根据对每个气象站50年极端频率序列的聚类分析, 将中国西北划分为三个地区 (北部、中部和南部)。极端降水频率的变化通过在19世纪70年代末北部地区和20世纪80末至90年代中部地区的突变表现出来。南部地区存在准10年时间尺度波动。文章还研究了极端降水频率变化的机制。结果表明, 层结稳定性、水汽含量和大气垂直运动影响着极端降水频率的变化。

关键词: 极端降水的频率;中国西北地区; 层结稳定性; 水汽含量; 大气垂直运动

1 引言

基于全球变暖的结果, 中国气温自20世纪以来呈上升趋势。极端天气和气候事件的频率也有所增加, 从而引起气象工作者的关注。研究表明, 极端天气事件会导致天气和气候灾害。

极端天气和气候事件的分类引发了激烈的讨论。IPCC第一工作组建议, 极端天气和气候事件可分为以下四类:(1) 最高和最低温度、温度日变化范围、冷热时期长度和热指数; (2) 降水强度和频率, 包括干旱和湿润期; (3) 热带气旋 (包括气旋强度、路径、频率、位置、最大风速、可能的最大强度和海表温度) 和其他的热带气旋 (包括风暴轨迹、海平面气压梯度、风、水位、风暴潮和波浪高度)；并且（4）雷暴和其他小尺度天气现象, 包括龙卷和相关现象, 如冰雹、闪电、沙尘、水龙卷、暴雨、暴雪、云涌等。

基于对上世纪平均降水量的分析, Iwashima, Yamamoto (1993年)、Tosnis (1996年) 和 Fu 等人 (2006年) 发现,极端降水事件的频率和强度在全球范围内发生了显著变化。在20世纪, 北半球大陆中高纬度地区的降水量增加了5% 至 10%, 极端降水事件的频率平均增加了2% 至4% (Milly, 2002年)。数值模拟结果表明, 在温室气体浓度增加一倍的情况下, 区域气候条件呈两极分化趋势(Zwiers ,Khrin 1998年;Bell等人, 2004年;Pal等人, 2004年;Min ,Qian, 2008年)。

Zhai等人 (2005年) 发现, 近年来, 中国西北地区极端降水事件 (大于日降水量序列的95% 以上) 呈上升趋势，并且数量增加到了先前的2倍。Yang等人 (2007年) 发现, 我国西北地区汛期, 极端降水频率与降水空间分布有显著差异。Chen 等人 (2013年) 指出, 近40年来, 西北表现出降水波动, 不同的异常区域呈现不同的趋势, 周期性、年际和年代际差异明显。Shi等人 (2002年) 指出, 近100年中国西北地区的降水明显增多。他们还发现, 极端天气事件的增加可能与气候从潮湿到干燥的转变有关。Zhang 等人(2012年)和 Sun 等人 (2012年) 强调, 极端天气气候事件更加频繁的发生，其危害程度也会大幅度增加。中国西北地区在地理位置和地形作用的共同影响下，属于干旱和半干旱气候区。极端降水事件对中国西北生态环境构成严重威胁, 严重制约当地经济发展 (Zhang 等人, 2012年;Sun 等人, 2012年;Chen 等人, 2013年)。研究西北极端降水事件的时空分布, 对气象防灾减灾具有重要意义。本章对中国西北地区夏季强降水的时空分布特征和发生发展的规律进行了探讨，并揭示了西北地区近50年来极端降水事件的规律性和特征。

2 资料和方法

本研究使用的数据是由国家气象信息中心资料服务室发布的中国地面、高空、雷达站基本信息清单提供的。选取1961年至2012年中国西北五省(区)，包括甘肃、宁夏、青海、陕西和新疆)177个站的降水数据。这些数据包括1961年至2010年根据地面气象数据档案建设项目提交的 '1951~2010年中国地面站月平均数据校正文件 (a0/a1/a2) 基本数据集' 得出的数据。2011年1月至2012年8月档案的数据依据的是每个省/地区向国家气象信息中心提交的月报告, 2012年9月至2012年10月的数据依据的是国家气象信息中心的实时记录。

我国国家标准把24小时降水量划分为5个等级：小雨(le;10mm/d)、中雨(10~25mm/d)、大雨(25-50mm/d)、暴雨(50-100mm/d)和大暴雨(ge;100mm/d)。本章将日降水量超过25mm/d的天数定义为强降水事件日数或称强降水事件发生频次。根据这个定义，对大量缺少资料和出现观测长时段遗漏的台站意义剔除，最后使用剩下的153个站点的资料用于研究。本章使用的研究方法包括多阶曲线拟合、滑动T检验、小波分析、Mann-Kendall分析和聚类分析等。

3 极端降水事件发生频次的空间分布

图1显示了过去50年中国西北地区夏季极端降水事件频率和变化的空间分布。青海南部至陕西夏季极端降水频率较高, 年平均极端降水量达到12天 (图 1a)。特别是青海省南部和甘肃、陕西南部出现了年强降水日数的最大值，其强降水日数大于16天，其中的唐古拉山脉东段地区甚至可以达到20天，该地区最容易发生强降水事件。同时, 频率最低的地区位于新疆塔里木盆地和准噶尔盆地 (昆仑山以北)。由于干旱，塔里木盆地的极端降水日 (lt; 4天) 少于其他地区。青海中部地区的极端降水频率呈现最大的经向梯度。青海北部年平均极端降水量日数不到 8天, 而南部地区年平均极端降水日数不到可以达到20天。

夏季强降水日数标准差的分布特征和年强降水日频数大值区分布特征相似(图1b)。大值区位于青海南部到河套地区一带，标准差可以达到3.5天/年。青海南部唐古拉山脉东段地区标准差达到6天/年，说明此地极端降水事件发生频率的年际差异较大。与极端降水频率分布类似，其低值区位于新疆地区，此区域大部分地区标准差小于2天/年。

图1 1961~2012年间(a)年平均强降水日数(单位：天/年，阴影区为降水日数ge;12的地区)
(b)强降水日数的标准差(单位：天/年，阴影区为标准差ge;3.5的地区)

为了研究极端降水频率的空间变化,对1961年到2012年的年极端降水频率异常进行了EOF分解，其中，第一、第二和第三个特征向量场分别占总方差的17.4%、14.9% 和7.3%。

第一特征向量场(图2a)在研究区域内基本为正值，反映了我国西北地区夏季极端降水频率的变化是一致的，其中，载荷量大值区中心位于青海南部和陕西南部，说明此地是强降水频率变率最大的地区，也是强降水发生的敏感区；这些区域的相应时间系数在1979年前后出现突变 (图2b)。其对应的时间系数在1979年前后存在突变，前期为负值，后期为正值，这一发现证实了中国西北早期极端降水频率较低, 后期较大。图2b 显示了20世纪60年代~70年代和1995~2004年具有负的十年变异性, 以及1979~1995年和2004~2012年具有正值的十年变异性。

第二特征向量场(图2c)在空间分布上与第一特征向量场有明显差别，其分布在青海南部仍为正值，载荷量最大的区域在唐古拉山脉以北；而在甘肃南部、宁夏和陕西地区则为负值，载荷量的大值区在甘肃南部、宁夏和陕西北部一带。说明，这两地有反向变化的特征，即青海至陕西一带强降水频率的分布有西高东低或东高西低的特征。这些地区对应的时间系数(图2d)在1997年之前多数为负值，之后几乎全为正值。说明前期青海强降水频率偏低，而陕西、甘肃和宁夏三省(区)偏高，后期则相反。图2d显示了从20世纪60年代到70年代较大负值到2000年后的正值的增长趋势。在第三个特征向量场 (图 2e) 中, 其载荷量的大值区位于青海东部，而甘肃南部和陕西地区为正值，其载荷量大值区位于陕西南部。说明青海地区和甘肃南部至陕西地区有反向变化的趋势，这两地的东西差异是第三空间异常类型，它们对应的时间系数(图2f)在1995年之前多数为正值，之后则多数为负值。说明，前期青海地区极端降水频率较低，陕西地区频率较高，后期则a相反。图2f 描述了从20世纪60年代到80年代的正值下降到90年代至21世纪的负值的趋势。

图2 1961~2012年中国西北地区强降水事件频次EOF分析的前三个主要模态(a,c,e)及相应的时间系数(b,d,f)
(a、b. 第一特征向量；c、d. 第二特征向量；e、f. 第三特征向量)

4 极端降水频率的时间变化

4.1 对西北地区及其各省(区)极端降水频率时间序列的分析

图3为西北地区及其各省(区)的极端降水频率变化的时间序列及其五次线性拟合和年代平均。中国西北地区极端降水频率普遍呈上升趋势，甘肃和宁夏呈略有下降趋势，相比之下, 青海和新疆则有上升趋势, 特别是青海, 2003~2012年平均极端降水天数比1963~1972年上升了1.5天左右，陕西没有表现出任何显著的趋势。

图3 西北地区1963~2012年间强降水频率的时间序列(虚线)、相应的五次线性拟合(实线)和十年平均(星号)
(a. 西北地区；b. 甘肃；c. 宁夏；d. 青海；e. 新疆；f. 陕西)

图4西北地区强降水频率的时间变化的MK分析

用Mann-Kendall法对西北地区强降水频率的时间序列进行突变检验，可以看出，1979年前后，降水频率存在明显突变。前期UF基本为负值，而79年以后曲线一直大于0，表明西北地区强降水频率在1979年以后增加。分析结果超过了1985年以后的临界值，说明强降水频率已经呈显著上升的趋势，其中，上升最快的时间段为20世纪90年代。UF和UB的交点位于1978~1979年，说明此时为该频率的突变点，位于显著水平置信线(plusmn;1.96)之内。以上结果表明，我国西北地区强降水频率在1978~1979年间存在突变现象。后期该频率一直呈上升趋势，近年来上升趋势尤其明显。

为了验证以上突变点的准确性, 我们对中西北地区及各省(区)的极端降水频率进行了九年滑动试验 (Cheng 和 Wang 2004)。表1可以看出，与M-K分析的结果相似（图4）。较大的突变发生在1977年前后、1994~2002年。20世纪70年代青海和新疆发生了大规模的突变。而陕西地区突变年份之间相隔时间跨度基本相同, 即突变强度小于青海、新疆, 突变频率无任何变化趋势。甘肃和宁夏地区早期频率的变化不大，突变主要集中于90年代以后。

表4.1连续9年的T检验得出1963~2012年间西北地区及各省强降水频率的突变年份
(*和**分别代表突变前后变化通过了90%和95%的显著性检验)

图5 采用墨西哥帽小波函数对1963~2012年间西北地区及各省(区)的强降水天数进行小波分析所得出的波谱

(a. 西北地区；b. 甘肃；c. 宁夏；d. 青海；e. 新疆；f. 陕西)

4.2 西北地区极端降水频率的小波分析

本章对西北地区即各省(区)的极端降水频率的突变进行了小波分析(Niu等人, 2004年； Shao等人,2006年；Jiang等人,2009年)。小波分析结果表明, 中国西北地区极端降水频率呈两年周期性波动(图5a)。而10年及以上的时间尺度上，1979年存在明显的突变。前期为负值，后期为正值，最大值位于1985~1995年，说明该频率在突变点以后迅速上升，频率最大值位于1990年前后，与之前的分析基本相符。(Niu等人, 2004年； Shao等

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