平措次旺 索南才吉 格桑次旺 巴桑
摘要:通過對我國氣溫和降水的方差構(gòu)成和局地相關(guān)關(guān)系的性質(zhì)、季節(jié)差異及地理分布進(jìn)行分析,結(jié)果表明:我國60年和前后30年冬、夏相關(guān)系數(shù)r圖均是顯著的,且為負(fù)相關(guān),夏季表現(xiàn)最為明顯。前、后30年冬季兩者的負(fù)相關(guān)關(guān)系加強(qiáng),但極不穩(wěn)定;夏季2個(gè)負(fù)相關(guān)關(guān)系減弱,穩(wěn)定性有區(qū)域差異。氣溫和降水的年代際變化存在明顯變化,其降水年代際變化波動更為明顯,2種要素的方差構(gòu)成其冬季氣溫的年代際方差貢獻(xiàn)大于夏季、夏季降水年代際方差貢獻(xiàn)大于冬季。在60年、前30年和后30年的完整場序列方面,對于年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異,氣溫的年代際變化分量在大部分測站上顯著,降水的年代際變化分量只有少數(shù)的測站上顯著。
關(guān)鍵詞:季平均氣溫和總降水;相關(guān)關(guān)系;年代際變化;暖干和冷濕團(tuán)
中圖分類號 P461.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731(2020)16-0179-07
IPCC于2014年發(fā)布了第5次氣候變化的科學(xué)評估報(bào)告[1],揭示了近100年全球氣候的變暖、極端天氣事件的頻繁發(fā)生,其中高溫和強(qiáng)降水事件趨多趨強(qiáng),未來氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)更趨嚴(yán)重,并將嚴(yán)重影響自然生態(tài)系統(tǒng)和人類的生存和發(fā)展,需要國際社會積極采取措施行動,共同應(yīng)對惡劣的氣候變化。由此可見,氣候問題不再僅僅是環(huán)境問題,而是更高層面的發(fā)展問題,并體現(xiàn)在人類安全和國家安全保障的許多環(huán)節(jié)。氣候變化是當(dāng)前人類共同面臨的重大環(huán)境問題之一[2],不再僅僅是一個(gè)學(xué)科問題,已日漸成為人們共同關(guān)心的重大社會問題。
我國屬于典型的季風(fēng)氣候國家,其中氣候種類繁多且復(fù)雜多變,各地方氣候差別大,20世紀(jì)中期以來,我國各地方的氣候發(fā)生了顯著的變化,其中地表平均氣溫平均每10年升高0.23℃變暖幅度幾乎是全球的2倍,高溫、暴雨、干旱、臺風(fēng)等極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生且趨強(qiáng)。自21世紀(jì)以來,氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失與國內(nèi)生產(chǎn)總值的1%成相同率,是同期全球平均的8倍。
氣溫和降水是描述氣候狀態(tài)的2個(gè)基本變量,其變化規(guī)律可以反映氣候系統(tǒng)的基本變化特征。在全球變暖背景下,近100年來中國地表平均氣溫顯著升高,比同期升溫幅度平均值略高。我國增溫主要發(fā)生在冬、春季,夏季氣溫變化不明顯,對于降水而言,中國夏季在很大程度上決定了全年降水量的多少。眾多研究表明,我國氣溫、降水局地同期相關(guān)存在顯著的季節(jié)差異及年代際變化特征,周曉霞[3]等分析了近40年我國氣溫和降水的局地相關(guān)關(guān)系的性質(zhì)、季節(jié)變化和地理分布,結(jié)果表明,我國冬夏氣溫,降水異常序列中,自由度均分的方差年代際變化大于年際變化,但總方差則恰恰相反,尤氣溫最明顯;夏季在2種要素的局地相關(guān)圖上表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān),顯著區(qū)覆蓋了 35°N以南、105°E以東的區(qū)域;局地氣溫和降水在夏季呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。黃嘉佑[4]研究表明,我國夏季氣溫場與降水場相互之間存在顯著的反相關(guān),長江中下游、華南和華北等地區(qū)表現(xiàn)很顯著。李爽等[5]初步分析了我國近30年(1971-2000年)氣候變化趨勢,結(jié)果表明:近30年我國氣候變化主要以增溫為主,尤其是大范圍的區(qū)域溫度升高、降水增加。四季也以變暖濕的特點(diǎn)為主,而秋季略有異常,暖干型氣候變化是全國大范圍的主要?dú)夂蛱攸c(diǎn),冷干型氣候變化在冬季不存在。李亞濱等[6]通過對氣溫和降水的相關(guān)分析,認(rèn)為黑龍江省大興安嶺、黑河及齊齊哈爾北部地區(qū)氣溫和降水存在著正相關(guān),表明北部地區(qū)主要以暖濕或冷干相伴的氣候特點(diǎn)為主;而部分地區(qū)的氣溫和降水之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明存在暖干或冷濕相伴的氣候變化。宋連春等[7]研究揭示了我國近40年的氣溫時(shí)空變化特征,表明我國氣溫的年際變化和變化特征存在顯著的區(qū)域和季節(jié)差異,在總趨勢升高的基礎(chǔ)上,具有冬季升溫、夏季降溫、前期降溫和后期升溫等特點(diǎn),并且氣溫變化存在較明顯的準(zhǔn)周期振蕩。
本研究選取國家氣候中心提供的我國160站逐月氣溫和降水量資料,用相關(guān)分析方法和周期分析方法分析了我國冬、夏季2種要素的方差構(gòu)成和相關(guān)聯(lián)系,為揭示我國氣候系統(tǒng)中氣溫與總降水的同期相關(guān)聯(lián)系提供科學(xué)依據(jù)。
1 資料和方法
1.1 資料 本文使用的資料為國家氣候中心提供的我國160站逐月氣溫和降水量資料。根據(jù)研究需要,將其處理為季平均氣溫和季降水總量。其中,冬季和夏季分別對應(yīng)12月至次年2月和6-8月。1951-2010年分3個(gè)時(shí)段(60年、前30年和后30年)、2個(gè)季節(jié)(冬季和夏季),由此整理1951-2010年(對應(yīng)γ=1-59、γ=1-28)冬、夏季中國160站氣溫、降水序列。
1.2 方法
1.2.1 周期分析 f、g分別表示季平均氣溫和季總降水量的(幾何)標(biāo)準(zhǔn)化距平序列。用周期分析方法可將其分解為年代際和年際變化分量sf、sg和sf、sg,它們是中心化、但非標(biāo)準(zhǔn)化的。(sf sg)=(∑6k=1fk ∑6k=1gk),(ff fg)=(1-f 1-g) (1)
式中:fk為f的k波分量fk=(f,~ck)~ck+(f,~sk)~sk (2)其中,~c、~Sk為幾何標(biāo)準(zhǔn)化的余弦、正弦諧波分量(即||~ck||2=||~Sk||2=1)
~Ck=(~ckj),~Ckj=2/ncos2πkj/n (3)
~Sk=(~Skj),~Skj=2/nsin2πkj/n
取n=30計(jì)算時(shí),(1)式中及∑3 k=1,(2)式不變,(3)式中n= 30。Ss=6(3)∑k=1 (a2 k+b2 k),γs=12(6)
Sf=1-Ss,γf=47(23) (4)
Fγs,γf =Ss/γs/Sf/γf,F(xiàn)γs,γf(α=0.01)={2.60(60) 3.71 (30) (5)
1.2.2 穩(wěn)定站數(shù) 首先,構(gòu)造整數(shù)數(shù)組l1(160)、l2( 160)和l(160),其中
l1(i)={0|r前30α(i)|rα,30(正顯著站點(diǎn))
l2與r后30α的關(guān)系同上。
其次,計(jì)算l(i)= l1(i)×l2(i),則有
l(i)={1 負(fù)穩(wěn)定站 4正穩(wěn)定站 2反轉(zhuǎn)站(可理解為極不穩(wěn)定)
最后,對l進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其中l(wèi)(i)= 1的總站數(shù)為M-;l(i)=4的總站數(shù)為M+;M=M+ +M-。
1.2.3 相關(guān)分析
r = ( t',r' ) /( ||t'|| ||r'||),
(6)
rs =(t's,r's) / ( ||t's|| ||r's||),
rf= (tf,r'f)/(||t'f|| ||r'f|| )
2個(gè)要素時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)r的全體構(gòu)成一個(gè)相關(guān)系數(shù)場r。個(gè)別點(diǎn)上相關(guān)系數(shù)r的顯著性檢驗(yàn)使用t檢驗(yàn),對a=0.01和γ=58、γ=28,t檢驗(yàn)用到的臨界相關(guān)系數(shù)及顯著檢驗(yàn)參考表1。
2 局地相關(guān)系數(shù)圖的分析
分別計(jì)算60年,30年的冬、夏季各站完整序列t'和r'、慢變序列和快變序列的局地同時(shí)相關(guān)系數(shù)r、rs。
2.1 60年氣溫和降水局地相關(guān)關(guān)系 圖1(a)中通過相關(guān)計(jì)算r0.01(60a )= 0.330,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共計(jì)23個(gè),其中正相關(guān)3個(gè),負(fù)相關(guān)20個(gè),相關(guān)數(shù)r圖均是顯著的。圖中深色陰影區(qū)為正相關(guān)顯著區(qū),淺色陰影區(qū)為負(fù)相關(guān)顯著區(qū),大范圍的相關(guān)顯著分布以負(fù)相關(guān)為主,以暖干或冷濕相伴主的氣候發(fā)生變化,而西北西部和西南北部存在少量的正相關(guān)顯著區(qū),表明這地區(qū)氣候變化特點(diǎn)主要是暖濕或冷干相伴。圖1(b)相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有98個(gè),均為負(fù)相關(guān),夏季相關(guān)系數(shù)r圖均是顯著的,其中負(fù)相關(guān)優(yōu)勢明顯,對比冬季該特點(diǎn)在夏季尤為明顯。夏季對氣溫和降水的影響較大,其氣溫和降水的相關(guān)性較強(qiáng)。35°N以南、105°E以東的大部分區(qū)域、華北和西北的大部分被夏季反相關(guān)所覆蓋,表明這些區(qū)域的暖干或冷濕相伴的氣候變化在夏季出現(xiàn)的幾率較大r0.01(60a ) = 0.330。
由圖1(a、b)可知,我國60年里冬、夏季單站同期相關(guān)系數(shù)r圖均是顯著的,且以負(fù)相關(guān)為主,該特點(diǎn)夏季最為明顯,并且冬、夏季的顯著位置及分布特點(diǎn)存在特點(diǎn)。35°N以南、105°E以東的大范圍地區(qū),以及華北和西北的大部分區(qū)域被夏季反相關(guān)顯著區(qū)所覆蓋,意味著這些地區(qū)干熱型、濕涼異常夏季出現(xiàn)的幾率較大。陳隆勛等[9]曾分析了我國近40年來的氣候變化特點(diǎn),結(jié)果表明,自1951年以來華北地區(qū)、西北地區(qū)和東北地區(qū)變暖變旱;西北東部地區(qū)變冷和略變濕;長江中下游地區(qū)略為變冷和變旱;西南地區(qū)明顯變冷(尤以四川盆地為甚)和略變旱;華南略變冷(東南沿海在變暖)和變旱,與我國近60年的氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系接近相同。
2.2 前30年氣溫和降水局地相關(guān)關(guān)系 圖2(a)通過相關(guān)計(jì)算r0.01( 30a )= 0.463,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有9個(gè),其中正相關(guān)1個(gè),負(fù)相關(guān)8個(gè)。在冬季西北西部存在氣溫和降水的正相關(guān)顯著區(qū),具有暖濕或冷干相伴的氣候特點(diǎn),而大部分整片屬負(fù)相關(guān)顯著區(qū),表明這些區(qū)域暖干或冷濕相伴的氣候特點(diǎn)最顯著,其氣溫和降水存在的相關(guān)關(guān)系及分布特點(diǎn)跟我國近60年冬季的氣溫和降水的局地相關(guān)分布略同。圖2(b)r0.01(30a)=0.463,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有81個(gè),均為負(fù)相關(guān)。35°N以南、105°E以東的絕大部分地區(qū),以及華北和西北的部分地區(qū)被相關(guān)性顯著區(qū)所覆蓋了,相對于負(fù)相關(guān),表明這些區(qū)域通常呈現(xiàn)干熱或濕冷型夏季,這與黃嘉佑[7]得到的結(jié)論吻合,對比我國前30年的冬其夏季對氣溫和降水的影響較大、相關(guān)性較強(qiáng)。
我國前30年的單站氣溫、降水相關(guān)系數(shù)場圖上,顯著相關(guān)主要發(fā)生在夏季,以負(fù)相關(guān)為主,40°N以南、105°E以東的絕大部分地區(qū)被反相關(guān)顯著區(qū)所覆蓋,以及華北和西北的部分地區(qū)而冬季的顯著區(qū)只覆蓋了西北西部的若干個(gè)區(qū)域,并且相對于夏季其位置及分布特點(diǎn)存在差異,結(jié)合海英等[10]的研究結(jié)論,前30年間中國東部沿海大多數(shù)地區(qū)及青藏高原等地區(qū)向冷濕發(fā)現(xiàn)發(fā)展,中西部等向冷干發(fā)展。黃嘉佑[4]曾通過氣溫場與降水場相互關(guān)系分析(1951-1985年期間)發(fā)現(xiàn)它們有顯著的反相關(guān),表現(xiàn)顯著的地區(qū)為長江中下游、華南及華北等,與本文研究的我國前30年的單站氣溫、降水相關(guān)關(guān)系一致。
2.3 后30年氣溫和降水局地相關(guān)關(guān)系 圖3(a)計(jì)算后30年相關(guān)系數(shù)r0.01(30a )=0.463,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共21個(gè),其中正相關(guān)1個(gè),負(fù)相關(guān)20個(gè)。氣溫和降水相關(guān)顯著性以負(fù)相關(guān)為主,顯著區(qū)域分散在東北西部、西南北部和西北西南部,表明這些地區(qū)顯著的暖干或冷濕相伴的氣候特點(diǎn)??梢缘贸鲋袊形鞑?、青藏高原和中國東北地區(qū)的溫度升高且多雨,溫度升高降水增加;淮河及秦嶺以南的地區(qū)低溫少雨,氣候變得冷濕。圖3(b)r0.01(30a)=0.463,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有51個(gè),均為負(fù)相關(guān)。與前30年一樣單站氣溫、降水局地相關(guān)圖上負(fù)相關(guān)顯著占絕大優(yōu)勢,其在夏季最明顯。相關(guān)性顯著性成片于華南地區(qū)、東北北部、蒙古地區(qū)和西北西部的若干個(gè)地方,表明這些區(qū)域通常出現(xiàn)干熱或濕冷型夏季季,跟姜玉印[8]得出的結(jié)論一致。
后30年冬、夏季氣溫和降水的局地相關(guān)聯(lián)系均為負(fù)相關(guān),在夏季顯著性尤為明顯,并且對氣溫和降水的影響較大,我國東部氣候變化的季節(jié)特征很明顯;北方地區(qū)在冬季增暖較為顯著,而在夏季沿著30°N的變冷趨勢更強(qiáng)。
上述圖1~3分別為60年、前30年和后30年完整的相關(guān)系數(shù)序列,表1和2給出了3組圖上相關(guān)系數(shù)顯著性水平的站數(shù)。綜合觀測這些圖表可見:我國60年、前30年或后30年無論冬、夏相關(guān)系數(shù)r圖均是顯著的,且均是負(fù)相關(guān),負(fù)相關(guān)占絕對的優(yōu)勢,該特點(diǎn)夏季最為明顯,且冬、夏季相關(guān)顯著位置及分布特點(diǎn)存在差異。35°N以南、105°E以東的大部分區(qū)域、華北和西北的大部分被夏季反相關(guān)所覆蓋,這意味著這些地區(qū)存在暖干和冷濕態(tài),與趙曉霞等[3]的研究結(jié)果一致。
根據(jù)上述對冬季(圖2a、3a)和夏季(圖2b、3b)進(jìn)行的分析,對前、后30年統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較可以看出,冬季兩者的負(fù)相關(guān)關(guān)系加強(qiáng),但極不穩(wěn)定;夏季2個(gè)的負(fù)相關(guān)關(guān)系減弱,穩(wěn)定性有區(qū)域差異;華北、長江中游、江南較穩(wěn)定,淮河和長江下游流域不穩(wěn)定。
3 氣溫和降水年代際變化
3.1 方差分析 根據(jù)我國60年、前30年和后30年距平場序列中慢變、快變方差貢獻(xiàn)(表3),無論是60年、前30年或后30年,我國冬、夏季降水和氣溫年代際方差貢獻(xiàn)遠(yuǎn)差超過年際方差貢獻(xiàn),其中除60年我國夏季降水的年代際變化的方差貢獻(xiàn)略大于冬季,而60年里冬、夏季的氣溫和降水的年代際方差貢獻(xiàn)相同。我國氣溫和降水都存在顯著的年代際變化,對于氣溫來說,降水的年代際變化波動更為明顯。參考文獻(xiàn)[11]根據(jù)F檢驗(yàn)中通過a=0.01的慢、快變分量站數(shù)Ps、Pf(表4),就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言,年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異,年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著,而只有少數(shù)的年代際變化分量在降水測站上顯著[12],其中前30年冬、夏季氣溫的年代際分量外60年和后30年氣溫的年代際分量是顯著,并且60年的顯著率尤為明顯而冬,夏季降水的年代際分量的顯著程度極小,年代分量的無論是冬、夏均不達(dá)不到顯著程度。
3.2 60年年代際分量的相關(guān)關(guān)系 圖4(a)將取信度(α=0.01,r0.01,60=0.689)時(shí),所有站點(diǎn)的相關(guān)均不顯著,冬季在全國大部分地區(qū)降水異常和氣溫異常略似呈反位相變化。圖4(b)相關(guān)數(shù)r0.01,60 = 0.689,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共計(jì)10個(gè)(張家口、天津、岳陽、貴溪、南昌、曲江、柳州、宜賓、岷縣),均為負(fù)相關(guān),以暖干或冷濕相伴的氣候特點(diǎn)具有很好的對應(yīng)關(guān)系。由于位置顯著站點(diǎn)位置分散,所以在圖中未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。
3.3 前30年年代際分量的相關(guān)關(guān)系 1951-1980年中國160站冬季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關(guān)系數(shù)(圖5a)取信度(r0.01,30 = 0.875)時(shí),所有站點(diǎn)的相關(guān)均不顯著。與整體的60年一樣,冬季在全國大部分地區(qū)降水異常和氣溫異常略似呈反位相變化。夏季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關(guān)系數(shù)(圖5b )r0.01,30=0.875,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有6個(gè)(陽江、柳州、百色、康定、且末、烏蘇),均為負(fù)相關(guān),常常呈現(xiàn)跟干熱型、濕涼型夏季,由于位置顯著站點(diǎn)位置分散,所以在圖中未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。
3.4 后30年年代際分量的相關(guān)關(guān)系 1981-2010年中國160站冬季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關(guān)系數(shù)(圖6a)r0.01,30=0.875,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有2個(gè)(東臺、屯溪),均為正相關(guān)。由于位置顯著站點(diǎn)位置分散,所以未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。東臺、屯溪的氣溫偏高(低)常常與降水偏多(少)相對應(yīng)。夏季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關(guān)系數(shù)(圖6b)r=0.01,30=0.875,相關(guān)系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有7個(gè)(牡丹江、烏蘭浩特、天津、貴溪、曲江、柳州、百色),均為負(fù)相關(guān),這些區(qū)域干熱型、濕涼異常夏季出現(xiàn)的幾率較大,由于位置顯著站點(diǎn)位置分散,所以在圖中未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。
上述分析我國60年、前30年和后30年冬、夏季氣溫和降水的年代際相關(guān)分析(圖4~6),表5和6給出了3組圖上相關(guān)系數(shù)顯著性水平的站數(shù)。綜合觀測這些圖表可見,當(dāng)取信度a=0.01時(shí),除后30年我國冬季所有氣溫和降水的年代際分量站點(diǎn)的相關(guān)均不顯著,而后30年臺站均為正相關(guān),即氣溫偏高(低)常常與降水偏多(少)相對應(yīng)。但由于位置顯著站點(diǎn)位置分散,所以在圖中未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。而3個(gè)時(shí)段的夏季氣溫和降水的年代際變化有一定的同步性,它們之間存在顯著的負(fù)相關(guān),以暖干或冷濕相伴的氣候特點(diǎn)有很好的對應(yīng)關(guān)系。前后30年冬、夏季慢變相關(guān)均強(qiáng)而穩(wěn)定其多數(shù)區(qū)域干熱型、濕涼異常夏季出現(xiàn)的幾率較大,就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言,年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異,年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著,而只有少數(shù)的年代際變化分量在降水測站上。
4 結(jié)論
(1) 我國60年前30年或后30年的冬、夏相關(guān)系數(shù)r圖均是顯著的,且均為負(fù)相關(guān),負(fù)相關(guān)站絕對的優(yōu)勢,該特點(diǎn)夏季最為明顯,且冬、夏季相關(guān)顯著位置及分布特點(diǎn)存在差異。35°N以南、105°E以東的大部分區(qū)域、華北和西北的大部分被夏季反相關(guān)所覆蓋,這意味著這些地區(qū)存在暖干和冷濕2種氣候狀態(tài)。
(2) 對前、后30年統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較可以看出,冬季兩者的負(fù)相關(guān)關(guān)系加強(qiáng),但極不穩(wěn)定;夏季2個(gè)的負(fù)相關(guān)關(guān)系減弱,穩(wěn)定性有區(qū)域差異;華北、長江中游、江南較穩(wěn)定,淮河和長江下游流域等不穩(wěn)定。
(3) 就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言,年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異,年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著,而只有少數(shù)的年代際變化分量在降水測站上。冬季氣溫的年代際方差貢獻(xiàn)大于夏季、夏季降水的方差貢獻(xiàn)大于冬季。取信度a=0.01時(shí),除后30年我國冬季所有氣溫和降水的年代際分量站點(diǎn)的相關(guān)均不顯著,而3個(gè)時(shí)段的夏季氣溫和降水的年代際變化有一定的同步性,相互之間存在顯著的負(fù)相關(guān),以暖干或冷濕相伴的氣候特點(diǎn)有很好的對應(yīng)關(guān)系。前后30年冬、夏季慢變相關(guān)均強(qiáng)而穩(wěn)定其多數(shù)區(qū)域干熱型、濕涼異常夏季出現(xiàn)的幾率較大。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介:平措次旺(1993-),男,藏族,西藏日嘻則人,助理工程師,研究方向:綜合氣象觀測。 收稿日期:2020-06-22