2011-2050年貴州省極端氣候指數(shù)時空變化特征

韓會慶, 張嬌艷, 蘇志華, 陸 藝

(1.貴州理工學院 建筑與城市規(guī)劃學院, 貴陽 550003;2.貴州省氣候中心, 貴陽 550002; 3.貴州財經(jīng)大學 管理科學學院, 貴陽 550025)

全球及區(qū)域氣候變化是當前氣候學、生態(tài)學等相關學科研究的熱點。在全球氣候變暖影響下，世界各地極端氣候事件發(fā)生頻率和強度顯著改變[1]，這深刻影響著人類社會、經(jīng)濟發(fā)展、自然生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境等各個方面[2]。因此，對極端氣候研究越來越受到世界各國學者的關注。目前，國內外對極端氣候研究集中于極端氣候事件變化特征、極端氣候事件模擬與預測以及極端氣候事件對生態(tài)環(huán)境影響等方面。如Mutiibwa等[3]對1979—2012年美國極端氣溫時空變化特征進行了分析。張磊磊等[4]對過去50 a黃河源區(qū)極端氣候事件變化趨勢進行了分析。Beniston等[5]利用HIRHAM4區(qū)域氣候模型模擬和預測了歐洲極端氣候事件。Jiang等[6]利用IPCC-AR4模型模擬和預測了中國極端氣候事件。Jones等[7]分析了極端氣候事件對蜥蜴的影響。John等[8]分析了蒙古高原極端氣候事件對植被覆被的影響。總之，當前國內外學者已進行了過去時點全球和地區(qū)尺度極端氣候變化及未來極端氣候變化模擬的一系列研究工作，并取得了大量成果，然而這些研究多針對大尺度極端氣候變化研究，較少關注小尺度地區(qū)，更鮮有針對我國西南地區(qū)未來極端氣候變化研究[9]。貴州省屬我國典型喀斯特山區(qū)，受地質條件和地形影響，坡耕地比例高，多屬“雨養(yǎng)型”農業(yè)，對氣候極端變化的敏感性較高[10]，因此，本研究以貴州省為例，利用中國天氣發(fā)生器Version 2.0模型分析了2011—2050年極端氣候指數(shù)時空變化特征，以期為該區(qū)災害防治、農業(yè)區(qū)劃提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　極端氣候指數(shù)選取

依據(jù)世界氣象組織(WMO)、世界氣候研究計劃(WCRP)推薦的氣候變化指標[11]以及相關研究文獻[12-14]，結合貴州省氣候特點，選取6個極端氣溫指數(shù)和6個極端降水指數(shù)分析貴州省極端氣候變化特征(表1)。利用RClimDex(1.0)對極端氣候指數(shù)進行統(tǒng)計。

表1　極端氣溫和極端降水指數(shù)選取及定義

1.2　研究方法

1.2.1逐日氣溫及降水預測模型本研究引入中國天氣發(fā)生器NCC/GU-WG Version 2.0模型對貴州省19個一級氣象站逐日最高溫、日最低溫和日降水量進行預測。中國天氣發(fā)生器NCC/GU-WG Version 2.0模型是利用我國671個氣象站點1960—2007年以來實測的逐日氣候資料對未來日降水量、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數(shù)等氣象要素進行預測。預測方法主要利用干濕兩狀態(tài)一階馬爾科夫鏈法[15]，廖要明等[16-17]學者已對該模型模擬精度進行了驗證，發(fā)現(xiàn)該模型可以很好地模擬各種氣象要素。

1.2.2變化趨勢計算方法本研究引入一元線性回歸方程分析氣候要素變化趨勢[18-19]，其計算公式為：

Y=at+b

(1)

式中：Y為氣候要素值；t為年份；a為回歸系數(shù)；b為常數(shù)，a>0表示氣候要素呈增加趨勢；a<0表示氣候要素呈下降趨勢。根據(jù)相關文獻，認為氣候要素趨勢系數(shù)R等于a，用10 a表示。利用SPSS軟件對該趨勢系數(shù)進行顯著性檢驗。

2　結果與分析

2.1　極端氣候指數(shù)年際變化

日最高溫氣溫(TXx)、日最低氣溫(TNn)、暖日指數(shù)(TX90p)和持續(xù)暖期(WSDI)均呈增加趨勢，冷日指數(shù)(TX10p)和持續(xù)冷期(CSDI)均呈下降趨勢，并均通過0.05顯著性檢驗。其中日最高溫氣溫、日最低氣溫、暖日指數(shù)和持續(xù)暖期每10 a分別增加0.1℃，0.03℃，0.23 d和0.4 d；冷日指數(shù)和持續(xù)冷期每10 a分別下降0.1 d和0.26 d(圖1)。

最大日降水量(RX1day)，5日最大降水量(R5D)、強降水量(R95T)、日降水量強度(SDⅡ)和連續(xù)濕日(CDD)均呈現(xiàn)增加趨勢，連續(xù)干日(CWD)呈現(xiàn)下降趨勢，并均通過0.05顯著性檢驗。其中最大日降水量，5日最大降水量、強降水量、日降水量強度和連續(xù)濕日每10 a分別增加1.02 mm，1.31 mm，5.63 mm，0.01 mm/d和0.05 d，連續(xù)干日每10 a下降0.11 d(圖2)。

2.2　極端氣候指數(shù)空間分布

日最高溫氣溫、日最低氣溫、暖日指數(shù)和持續(xù)暖期均呈現(xiàn)由西向東逐漸增加趨勢。除東部小部分地區(qū)外，冷日指數(shù)和持續(xù)冷期均呈現(xiàn)由南部、東部向西部增加趨勢(圖3)。

最大日降水量、5日最大降水量、強降水量和日降水量強度均呈現(xiàn)由西北部向東部、南部逐漸增加趨勢。連續(xù)濕日由東北部向西南部逐漸增加。連續(xù)干日由東部向西部、南部逐漸增加(圖4)。

圖1貴州省極端氣溫指數(shù)年際變化

圖2貴州省極端降水指數(shù)年際變化

圖3貴州省極端氣溫指數(shù)的空間分布

圖4貴州省極端降水指數(shù)的空間分布

貴州省大部分地區(qū)日最高溫氣溫、日最低氣溫、暖日指數(shù)和持續(xù)暖期均呈現(xiàn)增加趨勢。其中日最高溫氣溫增加幅度較高地區(qū)(>0.2℃/10 a)集中中南部和北部地區(qū)。日最低氣溫增加幅度較高地區(qū)(>0.2℃/10 a)主要分布西南部、東南部和西北部。暖日指數(shù)增加幅度較高地區(qū)(>0.2 d/10 a)集中中部、南部和西北部。持續(xù)暖期增加幅度較高地區(qū)(>1 d/10 a)主要分布中東部和南部。研究區(qū)大部分地區(qū)冷日指數(shù)和持續(xù)冷期呈下降趨勢。其下降幅度較高地區(qū)(分別為<-0.3 d/10 a和<-2 d/10 a)均主要分布于東部和北部(圖5)。

圖5貴州省極端氣溫指數(shù)變化趨勢的空間分布

貴州省大部分地區(qū)最大日降水量，5日最大降水量、強降水量、日降水量強度和連續(xù)濕日均呈現(xiàn)增加趨勢。其中最大日降水量增加幅度較高地區(qū)(>2.5 mm/10 a)集中中西部和東北部。5日最大降水量增加幅度較高地區(qū)(>2.5 mm/10 a)主要分布西部和中東部。強降水量增加幅度較高地區(qū)(>10 mm/10 a)集中中部、西部和南部。日降水量強度增加幅度較高地區(qū)[>0.1 mm/(d·10 a)]主要分布西北部和東部。連續(xù)濕日增加幅度較高地區(qū)(>0.2 d/10 a)集中西部和南部。

研究區(qū)大部分地區(qū)連續(xù)干日呈現(xiàn)下降趨勢。其中下降幅度較大地區(qū)(<-0.6 d/10 a)主要分布中東部和西南部(圖6)。

圖6貴州省極端降水指數(shù)變化趨勢的空間分布

3　討論與結論

3.1　討 論

在全球變暖大背景下，極端氣候事件頻繁發(fā)生，這可能引起嚴重氣候災害，也可能對農作物和植物生長提供有利氣候條件[20]。本研究日最高溫氣溫、日最低氣溫、暖日指數(shù)、持續(xù)暖期增加以及冷日指數(shù)和持續(xù)冷期下降有利于生態(tài)退化區(qū)植被恢復和農作物越冬。但是最大日降水量，5日最大降水量、強降水量、日降水量強度、連續(xù)濕日增加及連續(xù)干日下降將增加該區(qū)洪澇發(fā)生風險，加劇水土流失。另外，極端高溫和極端降水的增加有可能引起農作物高溫熱害和洪澇災害，進而導致糧食產(chǎn)量下降。此外，極端高溫和降水的增加還將對貴州省夏季人類生態(tài)環(huán)境宜居性產(chǎn)生負面影響。

本研究極端氣溫指數(shù)和極端降水指數(shù)變化趨勢與劉琳等[9]對1951—2010年西南地區(qū)極端氣候研究結果基本一致。但本研究與劉琳等[9]對極端氣溫和降水變化趨勢幅度存在一定差異。此外，本研究結果與王冀[21]和陳曉晨[22]等對我國不同情景極端氣候整體變化趨勢較為接近。然而，由于地域環(huán)境的差異，本研究與我國不同地區(qū)相關研究結果存在較大差異[23-24]。另外，受全球變暖影響，大氣環(huán)流異常，研究區(qū)大部分極端氣候指數(shù)均呈增加趨勢。貴州省地處我國西南部，同時受太平洋東南季風和印度洋西南季風影響，加之東低西高的地形特征[25]，這使得該區(qū)極端氣候指數(shù)空間異質性突出。

3.2　結 論

(1) 日最高溫氣溫、日最低氣溫、暖日指數(shù)、持續(xù)暖期、最大日降水量，5日最大降水量、強降水量、日降水量強度和連續(xù)濕日呈現(xiàn)增加趨勢。冷日指數(shù)、持續(xù)冷期和連續(xù)干日呈現(xiàn)下降趨勢。

(2) 研究區(qū)極端氣溫指數(shù)東西差異突出，極端降水指數(shù)東西、南北差異均較大。各極端氣候指數(shù)變化趨勢之間空間格局差異較大，且空間異質性突出。

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