1960─2020年陕北极端气候指数变化规律的研究.pdf
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1、江西农业学报 2023,35(08):147156ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.08.02319602020年陕北极端气候指数变化规律的研究薛斯文1,周 旗2*(1.云南大学 国际河流与生态安全研究院,云南 昆明 650500;2.陕西省灾害监测与机理模拟实验室,陕西 宝鸡 721013)摘 要:利用9个气象站点的日平均气温、最高气温、最低气温以及降水量等气象数据,采用RClimDex模型和ArcGIS技术,对陕北地区19602020年13个极端气候指数的时空变化规律及影响因素进行了研究。结果表明:在19602020年期间
2、,陕北地区的极端降水强度在减弱,降水总量在增加,湿润程度在增强,极端降水的突变显著;月极端最低气温呈上升趋势,霜冻日数和冷昼日数下降显著,暖夜日数有微弱上升;连续干旱日数、极强降水量和年总降水量呈现北高、南低的变化趋势;大雨日数、日最大降水量均大致呈西高、东低的变化趋势;霜冻日数呈东北高、西南低的变化趋势,而冷昼日数呈东高、西低的变化趋势;极端降水量、极端降水日数与经度、海拔和年平均气温有关,而极端气温日数受经纬度、海拔和年总降水量的影响较为明显。关键词:陕北地区;极端气候指数;变化规律;影响因素;突变检验 中图分类号:S162.1 文献标志码:A 文章编号:1001-8581(2023)08
3、-0147-10Study on Variation Law of Extreme Climate Index in Northern Shaanxi during 19602020 XUESi-wen1,ZHOUQi2*(1.InstituteofInternationalRiversandEco-security,YunnanUniversity,Kunming650500,China;2.ShaanxiKeyLaboratoryofDisasterMonitoringandMechanismSimulation,Baoji721013,China)Abstract:Usingthedai
4、lyaveragetemperature,maximumtemperature,minimumtemperatureandprecipitationdatafrom9meteorologicalstations,RClimDexmodelandArcGIStechnologywereusedtostudythespatio-temporalvariationandinfluencingfactorsof13extremeclimateindicesinnorthernShaanxifrom1960to2020.Theresultsshowedthatfrom1960to2020,theinte
5、nsityofextremeprecipitationwasweakening,thetotalprecipitationwasincreasing,thedegreeofhumiditywasincreasing,andthemutationofextremeprecipitationwassignificant.Themonthlyextrememinimumtemperatureshowedanincreasingtrend,thenumberoffrostdaysandcolddaysdecreasedsignificantly,andthenumberofwarmnightdaysi
6、ncreasedslightly.Thenumberofconsecutivedrydays,extremeprecipitationandtotalannualprecipitationwerehigherinthenorthandlowerinthesouth.Thenumberofheavyraindaysandthedailymaximumprecipitationwerehigherinthewestandlowerintheeast.Thenumberoffrostdayswashigherinthenortheastandlowerinthesouthwest,whilethen
7、umberofcolddayswashigherintheeastandlowerinthewest.Extremeprecipitationandthenumberofextremeprecipitationdayswererelatedtolongitude,altitudeandannualmeantemperature,whilethenumberofextremetemperaturedayswassignificantlyaffectedbylongitudeandlatitude,altitudeandannualtotalprecipitation.Key words:Nort
8、hernShaanxi;Extremeclimateindex;Variationlaw;Influencingfactor;Mutationtest0 引言IPCC第5次评估报告指出,全球大部分地区均呈明显升温趋势,19512012年全球地表平均气温的上升率达0.12/10a,而中国陆地表面平均气温的上升率为0.23/10a,明显高于全球的上升率1-2。越来越多的研究也证实全球气候正在变暖。随着全球气候的变暖,极端气候事件发生频率增加,影响范围更加广泛,这对世界各国的经济发展和人民生活造成了很大的不利影响。极端气温和极端降水事件已经引起越来越多专家、学者们的密切关注。王晓利等3-4的研究结果
9、表明,自1950年以后,全球暖夜数显著增加,霜冻、冰冻天数减少,温度日较差显著下降,且在不同地区间变化速率差异显著。Keggenhoff等5的研究结果收稿日期:2023-06-19作者简介:薛斯文(1996),女,陕西延安人,博士研究生,从事全球变化与水资源利用研究。*通信作者:周旗。江 西 农 业 学 报35 卷148表明,各地区之间极端降水变化特征有明显的差异,同时,极端降水事件使得年降水量普遍呈现上升趋势。极端气候事件一般采用单个气象观测站点的气候要素(如气温、降水量等)在一段时间内的异常记录或超过特定阈值的天数等来表示6。通常极端气候事件发生的强度及危害性都很大。近年来,极端气候指数时
10、间序列的研究已成为气候变化研究的热点,许多学者基于不同的方法或从不同的角度对区域极端气候事件的变化特征进行了大量的研究6-8。我国关于极端气候事件的研究表明,极端暖事件显著上升,极端冷事件显著下降,极端降水事件明显增多9-10,但是不同类型和不同区域的极端气候变化又存在明显差异11-12。中国北方地区极端气温的变化趋势更明显9,由小雨事件显著减少导致的干旱化也更明显13;降水日数和极端降水事件在过去半个世纪显著减少,但在西部地区仍有一定程度的增加14。陕北地区位于半湿润区向半干旱区、干旱区的过渡地带,受西风环流、高原季风和东亚季风环流的共同影响,是中国典型的生态脆弱区和气候敏感区15-18。在
11、前人研究的基础上,笔者选取更长时间的降水和气温数据,应用RClimDex模型计算了陕北地区的极端气候指数,分析了该地区极端气候指数的时空变化规律及其主要影响因素,以期为该区域的生态建设和防灾减灾工作提供科学依据。1 研究区概括与方法1.1 研究区概况陕西北部地区位于黄土高原中部,地理坐标为35 21 39 34 N,107 15 111 14 E,包括榆林、延安2个市,辖25个县(区)(图1)19。受季风活动的影响,陕北地区西北部气候干燥,呈现半干旱季风气候类型,年平均气温和降水量分别为79和350500mm;东南部属暖温带干旱季风气候,年平均气温和降水量分别为8.512.0和500650mm
12、。陕北地区地势西北高、东南低,属于干旱、半干旱区,受水气条件和特殊地形地貌的影响,该地区暴雨、干旱、洪水、水土流失、泥石流等自然灾害频发20。1.2 数据来源19602020年陕北地区9个气象站点的年降水和气温数据来源于中国气象数据网(http:/)。各站点的气候数据相对完整,部分站点少量的缺测数据采用邻近均值法进行插补。108 0 0 E111 0 0 E39 0 0 N36 0 0 N015306090120km图例气象站点县界High:1907Low:508图1 陕北地区的气象站点及地形地貌1.3 研究方法依据国际气候诊断与指数小组(ETCDD-MI)提供的极端降水和气温事件的相关指标2
13、1-26,采用ClimDex模型27-28计算陕北地区的27个极端气候指数(http:/cccma.seos.uvic.ca/ETCCDMI/),从中选取13个与温度、降水相关的极端气候指数分析陕北地区极端气候的变化趋势。采用ArcGIS技术对极端气候指数的时空分布特征进行了探讨,并应用SPSS软件进行相关性分析。2 结果与分析2.1 极端气候指数的时间变化趋势由图2可见,陕北地区的极端降水指数除了年总降水量(PRPCPTOT)和连续湿润指数(CWD)呈非显著上升趋势外,连续干旱指数(CDD)、日最大降水量(RX1day)、极强降水量(R99pTOT)以及大雨日数(R20)均呈显著下降趋势。这
14、与李双双等29的研究结果“19602013年秦岭淮河南北持续性降水日数在下降”相反,说明陕北地区近60a来极端强降水在减少,而连续湿润指数在增加。这与李双双等30的研究结果“近年来陕北地区降水持续时间呈现破碎化趋势,降水强度呈现增加趋势”类似。在本研究中,CDD、RX1day、R99pTOT和R20均通过了0.05水平的显著性检验,其气候倾向率分别为-0.695d/10a、-0.32mm/(d10a)、0.607mm/(d10a)和-0.024d/10a。如图3所示,陕北地区的极端气温指数除了最低气温(TNn)呈显著上升趋势外,其他大多数指数8 期薛斯文等:19602020年陕北极端气候指数变
15、化规律的研究149均呈下降趋势,其中霜冻日数(FD)、冷日持续日数(CSDI)、最高气温(TXx)和冷昼日数(TX10p)均通过了0.05水平的显著性检验,其气候倾向率分别 为-0.591d/10a、-0.365d/10a、-0.030/10a和-0.601d/10a;其余指标如暖夜日数(TN90p)以及夏天日数(SU)均呈非显著上升趋势。说明陕北地区的气温极低值在上升,极端气温冷指数在显著下降,暖指数在微弱上升。这与中国大多数地区最低气温上升幅度较大的趋势相同29,也与李富民等31-32的研究结果类似。19601970 19801990200020102020年份CDD/dR2=29.2P-
16、value=0Slopeestimate=-0.695Slopeerror=0.14112010080604020CWD/dR2=4.8P-value=0.089Slopeestimate=0.03Slopeerror=0.0181614121086419601970 19801990200020102020年份RX1day/mmR2=12.3P-value=0.006Slopeestimate=-0.135Slopeerror=0.04719601970 19801990200020102020年份5040302010R99pTOT/mmR2=18.4P-value=0.001Slopees
17、timate=-0.746Slopeerror=0.20519601970 19801990200020102020年份120100806040200PRPCPTOT/mmR2=2.1P-value=0.262Slopeestimate=0.607Slopeerror=0.53619601970 19801990200020102020年份600500400300200R20/dR2=17P-value=0.001Slopeestimate=-0.024Slopeerror=0.00719601970 19801990200020102020年份543210图2 陕北地区极端降水指数的变化趋势
18、2.2 极端气候指数的空间变化趋势2.2.1 极端降水指数的空间变化 从图4可以看出:陕北地区的连续干旱指数(CDD)、极强降水量(R99pTOT)和年总降水量(PRPCPTOT)均呈现北高、南低的变化趋势,而连续湿润指数(CWD)呈现北低、南高的变化趋势;大雨日数(R20)、日最大降水量(RX1day)均大致呈西高、东低的变化趋势,这与刘彩红等33-34的研究结果类似。CDD的范围为5081d,其高值中心位于延长、榆林、绥德以及横山等地,低值中心主要位于吴起、洛川、靖边以及定边等地。CWD的范围为3.835.70d,其高值中心分布在定边、吴起、靖边及横山等地,低值中心分布在榆林、绥德、延长以
19、及洛川等地。R99pTOT、R20、PRPCPTOT和RX1day的范围分别为24.8971.33mm、4.178.83d、378.12599.55mm和46.1467.23mm。其中,R99pTOT、PRPCPTOT和R20的高值中心均大致位于定边、靖边、吴起等地,低值中心均大致位于榆林、横山、延长以及洛川等地;而R99pTOT的高值中心主要位于神木、绥德、定边以及靖边等地,低值中心分布在吴起、洛川、延长等地。江 西 农 业 学 报35 卷150FD/dR2=59.2P-value=0Slopeestimate=-0.591Slopeerror=0.064160150140130120110
20、10019601970 19801990200020102020年份CSDI/dR2=27.2P-value=0Slopeestimate=-0.365Slopeerror=0.07819601970 19801990200020102020年份706050403020100SU/dR2=2P-value=0.28Slopeestimate=-0.191Slopeerror=0.17519601970 19801990200020102020年份10080604020TXx/R2=7.7P-value=0.03Slopeestimate=-0.03Slopeerror=0.0141960197
21、0 19801990200020102020年份3634323028TX10p/dR2=63.7P-value=0Slopeestimate=-0.601Slopeerror=0.05919601970 19801990200020102020年份5040302010TN90p/dR2=0P-value=0.968Slopeestimate=0.004Slopeerror=0.10519601970 19801990200020102020年份70605040302010TNn/R2=35.6P-value=0Slopeestimate=0.104Slopeerror=0.0181960197
22、0 19801990200020102020年份-10-12-14-16-18-20-22图3 陕北地区极端气温指数的变化趋势2.2.2 极端气温指数的空间分布 如图5所示,陕北地区的霜冻日数(FD)呈东北高、西南低的空间分布趋势,而夏天日数(SU)与其相反;冷昼日数(TX10p)呈东高、西低的空间分布规律,而暖夜日数(TN90p)与其相反;最高气温(TXx)呈西高、东低的变化趋势,而最低气温(TNn)与其相反;冷日持续日数(CSDI)呈东北高、西南低的变化趋势,而暖日持续日数(WSDI)呈西北高、东南低的变化趋势,这与刘彩红等33,35-37的研究结果相似。FD、TX10p、TNn和CSDI
23、的范围分别为123158d、7.4719.93d、-25.01-17.96 和1.342.83d。FD的高值中心位于神木、绥德、延长以及洛川等8 期薛斯文等:19602020年陕北极端气候指数变化规律的研究151地;TX10p的高值中心位于横山、靖边、绥德以及延长等地;TNn的高值中心位于横山、靖边和吴起等地;CSDI的高值中心位于横山、靖边、绥德和榆林等地。FD的低值中心在定边、靖边以及吴起等地;TN90p的低值中心位于神木、榆林、定边和洛川等地;TNn的低值中心主要位于榆林、绥德、延长和洛川等地;CSDI的低值中心位于定边、吴起、洛川和延长等地。SU、TN90p、TXx、WSDI的范围分
24、别 为39114d、7.9420.63d、30.4436.45、3.429.31d。SU、TN90p、TXx、WSDI的高值中心大体一致,均位于神木、绥德、延长等地,其低值中心大多数集中在吴起、定边、靖边和洛川等地。39 0 0 N36 0 0 N108 0 0 E111 0 0 E图例CDD/d505757696981ValueHigh:1907Low:50801020406080km108 0 0 E111 0 0 E39 0 0 N36 0 0 N01020406080kmValueHigh:1907Low:508图例CWD/d3.834.004.004.364.364.634.634.
25、834.835.70108 0 0 E111 0 0 E39 0 0 N36 0 0 N01020406080km图例R20/d4.175.505.506.406.408.38ValueHigh:1907Low:508108 0 0 E111 0 0 E39 0 0 N36 0 0 N01020406080kmValueHigh:1907Low:508图例24.8927.6327.6342.4842.4849.4249.4267.8467.8471.33R99pTOT/mm108 0 0 E111 0 0 E39 0 0 N36 0 0 N01020406080kmValueHigh:1907
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