氣候區劃方案對氣候區劃方案的影響

1閾值的確定—引言極端高、低溫和異常強降水是氣候變化研究的重要內容。伴隨與之俱來的災害性天氣氣候事件的頻發,國內外對該研究也從未間斷,并且越來越重視[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12];研究基本圍繞對其表征值的確定、發生、時空分布、演變趨勢以及可能影響因子分析等[5,6,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]。閾值的確定是界定相應災害性事件的根本依據。為了不同地區的可比性,極端高、低溫和異常強降水閾值計算采用最多的是以某個百分位值來確定,但具體劃分標準不一,極端降水事件閾值計算時有取99百分位的,有取95百分位的,也有取97.5百分位的,溫度計算時取90百分位的居多;閾值的計算方法針對不同的要素也不盡相同,即采用排序法、插值法、分組法、正態變換法、平方根變換法和立方根變換法等方法進行的研究;計算的地域范圍也多種多樣,有針對某一特定區域的[7,16,19,24,29,31],也有全國范圍的。氣象要素閾值的確定一般應滿足如下要求:計算簡單性;不同地區、不同季節的可比較性;不同氣候階段的穩定性。中國氣候復雜多樣,既有多種多樣的溫度帶,又有多種多樣的干濕地區,不同溫度帶和干濕區的氣候特征決定了不同要素閾值的差異性,而以往鮮有從該角度進行針對高、低溫和強降水閾值的研究報道。本文采用計算溫度和降水閾值的成熟算法,基于現有氣候區劃方案,分不同溫度帶及干濕區分別確定高、低溫及強降水逐月閾值。2比較系統的氣候區劃氣候區劃是指按氣候特征相似和差異程度,以一定指標、對一定地區進行的氣候區域劃分。氣候區劃的目的是從系統的角度深入了解氣候狀況的區域分異規律和各地的氣候特征。中國氣候學家自20世紀30年代起就已開始了比較系統的氣候區劃工作,到目前為止開展了80余年的研究工作,積累了大量的科研成果,形成了不同版本的氣候區劃方案[35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50]。最近鄭景云等利用1971-2000年中國609套氣象站日觀測數據對中國氣候進行了比較系統的重新區劃。其基于地帶性和非地帶性相結合、發生同一性與區域氣候特征相對一致性相結合、綜合性和主導因素相結合、自下而上和自上而下相結合的原則以及空間分布連續性與取大去小的原則,按溫度帶、干濕區和氣候區三級體系,將中國劃分為12個溫度帶、24個干濕區和56個氣候區。本文中的氣候區劃即采用上述區劃方案。3分析網點分布選取中國國家氣象信息中心提供的逐日最高氣溫、最低氣溫及降水量資料。該資料經過時空一致性、氣候極值和邏輯檢查等數據質量控制工作。初始分析站點總數為2522套,包括自動觀測站和人工觀測站兩部分;站點類型包括國家級臺站基準氣候站、基本氣象站、一般氣象站和區域級臺站以及新疆和黑龍江農墾及兵團自建觀測站。最長資料序列為1951-2010年,達59年;但仍有96套觀測站資料序列不足30年,故不分析。因此,最終分析站點總數為2426套,各序列長度站點數量分布情況如表1所示。從表1中可看到,接近80%的站點序列長度超過50年。鄭景云等的氣候區劃新方案將中國分為寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、邊緣熱帶、中熱帶、赤道熱帶、高原亞寒帶、高原溫帶和高原亞熱帶12個溫度帶與濕潤、半濕潤、半干旱和干旱4個大干濕區。基于該方案,利用ArcGIS軟件,將分析站點定位到各溫度帶和干濕區,建立氣候區域與分析站點的一一對應關系(圖1)。表2和3是不同溫度帶和干濕區分析站點數量。我國大部分地域隸屬溫帶、亞熱帶和濕潤、半濕潤氣候區。從表2和3不同氣候帶站點分布情況來看,不同溫度帶中,超過80%的分析站點主要分布在中溫帶、暖溫帶、北亞熱帶和中亞熱帶,其中暖溫帶和中亞熱帶站點數量分別占27%和24.3%,其余溫度帶站點數量相對較少,赤道熱帶地區中無可分析站點分布;不同干濕區:超過80%的站點分布在濕潤和半濕潤區,干旱區數量分布很少。從圖1中也可看出,自動氣象站所占比例高的區域,其地理面積相對較小,研究結果具有較大的代表性;反之,地理面積較大的地區,分析站點數量相對較少,研究結果的代表性較小。因此,東部地區各氣候帶具有較大的代表性,高原溫帶、高原亞寒帶及干旱和半干旱區研究結果的代表性相對較低。4常用的幾種方法氣象要素閾值劃分標準和計算方法多種多樣,而且針對不同的觀測要素計算方法也不盡相同。本文在前人研究的基礎上,針對溫度和降水分別采用分組法及排序法、插值法、正態度變換法、平方根變換法和立方根變換法分別對應不同溫度帶和干濕帶計算兩類要素逐月閾值[4,5,14,15,18,19,26,30,52]。4.1常規方法傳統溫度閾值計算的前提是樣本序列的概率分布遵從均勻分布,但李慶祥等的研究結果表明,我國大部分臺站的概率分布既不遵從均勻分布,也不遵從正態分布,常規方法不能反映氣溫閾值實際情況。因此,本文溫度閾值基于李慶祥等的研究方法,采用應用經濟統計學中樣本頻率分組的方法,基于樣本序列實際概率分布來確定百分位閾值,即研究中高溫閾值取95%位值,低溫閾值取5%位。4.2插值法計算方法在已有研究結果的基礎上,本文采用的降水閾值計算方法主要包含常規的排序法和插值法以及正態變換法、平方根變換法和立方根變換法。排序法和插值法為常規計算方法,即將統計時段內所有的降水序列按大小升序排列,得到X1,X2,…,Xn,通過確定相應百分位數來確定閾值。該兩種方法假定降水序列遵從均勻分布,但實際中因降水的時空不連續性,決定了其并不遵從均勻分布。正態變換法、平方根變換法和立方根變換法通過數學方法,將不連續、不均勻分布的降水序列轉化為標準正態分布,以此確定降水百分位閾值,是計算離散型降水閾值的有效方法。5不同地區的高、低、高流量閾值5.1氣候階段的閾值離散度目前普遍采用30年滑動氣候階段樣本計算不同要素閾值。例如,某站統計起始時間為1954年,結束時間為2010年,以30年為一個氣候階段,則1954-1983年為第1氣候階段,1955-1984年為第2氣候階段,直到1981-2010年為第28氣候階段。針對溫度和降水分別采用分組法與排序法、插值法、正態變化法、平方根變化法和立方根變換法分別計算不同氣候區、不同月份第i氣候階段(i=1,…,N,N為氣候階段)的不同百分位閾值Xi,然后計算N個氣候階段要素閾值的平均值ue0af、標準差Sx和離散度Cvx。此處氣候階段的閾值代表性用離散度來度量,即:一般Cvx<1。若Cvx>1,表示閾值估計值變化平均幅度大于平均值,即閾值代表性差。比較幾種方法的離散度,離散度最小的即為最優方法,相應的閾值計算結果即為該要素該區域該統計時段的閾值。計算氣候階段時序列百分位閾值時,不同要素采用的值也不盡相同。文中高溫取99.90百分位值,低溫取0.1百分位值,降水取99.90百分位值。5.2基于溫度帶的熱價分析利用分組法最終確定的不同溫度帶高低溫逐月閾值結果如圖2所示。從圖2中可看出,我國夏季最高溫度閾值明顯高于氣象部門常用的高溫災害預警值35℃的標準,體現了極端高溫的特點,同時也說明本文中高溫閾值的合理性。由于溫度帶中不包含赤道熱帶,故該溫度帶無相應分析觀測站分布。表4和5給出了我國所有主要溫度帶夏季最高溫和冬季最低溫閾值結果。從圖2與表4、5中可以看出,6—8月高、低溫閾值全年最高,12月—次年2月全年最低,且溫度閾值與平均溫度全年變化趨勢保持一致;最高溫閾值最大值出現在7月份的暖溫帶,而非邊緣熱帶。影響氣溫高度的因素有緯度、當地海拔、局地地形和下墊面狀況等。暖溫帶中7月高溫閾值主要是由高山站的海拔因素引起,而本文未考慮海拔因素對溫度的影響;最低溫度閾值的最低值出現在1月的寒溫帶,而非高原亞寒帶,主要是因為低溫中緯度因素的影響超過海拔的影響。5.3日降水量閾值氣象業務中降水閾值的確定應該有如下要求:計算簡單性;不同地區、不同季節的可比較性;不同氣候階段的穩定性。文中分別采用排序法、插值法、正態變換法、平方根變化法和立方根變換法共5種方法分別計算了強降水要素30年階段氣候序列的離散系數。計算結果表明,正態變換法計算離散系數相對最小,而且在不同干濕區具有普適性。因此,本文以正態變換法計算結果作為我國不同月份逐日降水閾值(圖3)。從圖3中可看出,干旱區最大日降水量基本維持在10mm左右,而且各月間不存在較大差異,其余干濕區中各月間差異較大,其中濕潤區6月最大,日降水量超過120mm。表6給出了中國不同干濕區夏季日強降水逐月閾值結果。從表6中可以看出,除6月外,夏季日降水閾值均超過我國氣象部門定義的暴雨標準(日降水量為50~100mm);而且在不同氣候區存在較大的差異,濕潤區閾值均超過大暴雨的標準(日降水量為100~200mm),干旱區為小雨標準(日降水量<10mm)。這與我國實際降水情況基本吻合,進一步說明本文降水閾值的合理性。6地面觀測數據質量控制本研究結果可為我國極端高低溫及暴雨天氣氣候災害事件的實時監測與預測預警服務提供參考,同時也為溫度與降水觀測數據實時質量控制提供基礎參數。近年來極端天氣氣候事件頻發,如繼1998年長江流域特大洪水災害之后,我國經歷了2008年南方罕見雨雪冰凍災害、2010年舟曲特大滑坡泥石流地質災害、西南地區持續干旱、2012年的北京“7·21”事件和多次雙臺風對我國近海的影響等,災害性天氣氣候事件影響的強度也逐漸增強,針對各類災害事件,中國氣象局也制定了14類主要災害事件不同級別預警信號,但基本為各類預警的判斷全國范圍采用同一標準,如高溫黃色預警為“連續三天日最高氣溫將在35℃以上”,未考慮地域等因素,而我國東西南北跨度大,下墊面結構復雜,真正致災的氣象要素“門檻值”存在較大的差異。但本文研究結果從不同氣候區制定了高、低溫及強降水閾值,基于該閾值制定不同氣候區不同級別預警信號發布標準更符合實際情況。此外,地面觀測數據實時質量控制中極值檢查是時空一致性、邏輯判斷、時變檢查和格式檢查之外的重要方法,目前常用的極值參數大多通過對單站或一定地理區域一定數量地面觀測站的歷史觀測數據統計得到,很少從氣候學角度按照氣候區域或氣候帶進行統計。本研究結果為區域氣候極值檢查提供了背景參數,同時為從氣候區域角度進行氣候極值檢查,較按照地理區域進行氣溫和降水要素實時質量控制更科學。7氣候區模擬對比(1)以國家氣象信息中心提供的2426套逐日溫度和降水氣象站觀測資料為基礎,以氣候區劃新方案為氣候區劃方案,采用分組法和排序法、插值法、正態變換法、平方根變換法與立方根變換法,分不同氣候區分別計算了我國主要溫度帶和干濕區高低溫和強降水逐月閾值。經驗證,該研究結果具有一定的氣候代表性和可信性,可為極端高低溫和極端暴雨氣候事件的實時預警提供參考依據;