【精品】20世纪全球与中国气候变率4

【精品】20世纪全球与中国气候变率4 第三章 20世纪全球与中国气候变率 龚道溢 第一节 近百年全球气候变暖 一、 全球平均温度序列的建立 全球平均温度是反映地球气候系统状况的一个很重要的指标，但要建立全球平均温度的长序列并不容易。世界上现代气象仪器观测最早始于17世纪中期，不过仅仅局限于欧洲少数几个国家。从世界气象组织(WMO)的前身"国际气象组织"1873年成立，并开始组织在全球范围增设一些台站，进行常规系统观测后，全球温度观测资料的覆盖面和观测质量都得到了较大的提高，所以现在建立的一些全球平均温度的序列也大致从19世纪后期开始。当然，这些温度序列也都还存在一些问题，尤其是资料覆盖面问题。早期观测资料很少，P.D.Jones等序列资料的覆盖面在1860不到18,，1900年低于43,，既使是1998年最高的月份也只有83,。其中南半球中高纬地区问题最突出。南极大陆的面积约相当于南半球面积的1/10，而20世纪50年代以前南极地区观测气候资料十分稀少，仅有少数探险观测 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ，系统的观测是从国际地球物理年(IGY, 1957/1958年)才开始的，即使这样，到90年代初，南极大陆上常规的测站也仅仅才有29个，其中1/3的站又集中分布在南极半岛的狭长地带。 0.5 0.0C -0.5 18601880190019201940196019802000 图3.1.1 全球年平均温度距平(对1961-1990平均)(Jones,1999) 目前建立近百年来全球温度序列较为有代表性的工作主要有三家:(1)英国东英吉利大学(University of East Anglia) 琼斯(P.D.Jones)等的全球温度序列，最早是用插值法计算全球陆地5纬度10经度网格内各自气温值，再按各网格面积大小加权处理，计算出半球和全球平均气温。后来又用了海面温度，并尽量剔除温度观测方法改变及城市热岛效应所带来的影响，并精细到了5纬度5经度网格。此序列自1856年开始。(2)美国戈德空间中心(GISS) 汉斯(J.E.Hansen)等的序列。计算上首先是把全球划分为面积相等的80个大区，各个大区包含100个小区，先计算小区的温度，再计算大区及半球和全球平均温度。(3)以及前苏联水文气象院维尼科夫(K.Ya.Vinnikov)等的序列。最早是根据北半球单站气温距平手绘等值线，再读出经纬度格点上的值。后来有重新补充资料，采用客观 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 方法计算格点值，再求半球平均，并补充了南半球温度，得到全球平均值。其中北半球的序列向前延伸到了1841年。虽然这3个全球和半球平均温度的序列在建立时使用的方法有些出入，但是结果 还是非常吻合的。北半球平均温度彼此一致性最好，它们之间的相关系数都在0.92以上。南半球稍差，这与南半球早期资料的缺乏有关。目前以 P.D.Jones等的全球温度序列使用得更为广泛一些。 全球变暖正在发生 二、 近百年来全球气候变化最突出的特征是温度的显著变暖。虽然究竟是什么原因造成了气候变暖还存在一些争论，但大量的证据表明变暖本身是不容怀疑的事实。几乎所有的温度观测记录分析都表明，从19世纪末期到20世纪90年代，全球平均温度上升了大约0.6C，增暖速率为0.5C/100年。气候的变暖造成世界上许多的冰川消融，甚至消失，全球平均冰川物质平衡为负;近百年全球海平面平均也上升了15cm，其中一半估计是由于海水的热力膨胀造成的，另一半是由于冰雪溶化造成的;70年代开始的卫星观测表明，北半球春季和夏季的雪盖面积，从1987年以来已经减少了10,。这些间接的证据也都说明了20世纪气候在变暖。 不过近百年来全球平均温度的增暖并不是均匀持续的线性变化，而是有其阶段性。50年代到70年代中期，气温有弱的下降趋势。而气温的变暖主要有3次显著的增加，第1次出现在19世纪末期，第2次出现20世纪20,30年代，第3次从20世纪70年代后期开始。这其中第1次变暖比较弱，第2次变暖在北半球表现最突出，第3次变暖趋势最显著。 20,30年代的变暖在夏季表现较为突出，而70年代后期以来的变暖在冬季和春季最为显著。 许多研究发现，自1970年代后期以来，全球温度的变暖有加速的趋势。观测的近百年0.6C的增暖中，有大约一半发生在最近30年的时间里。近百年来全球平均气温最高的10年，全部都出现在1983年到1998年这短短的16年中。进入1990年代，全球平均温度的最高记录先后4次被刷新，先是1990年以，0.35C的距平(对1961,1990年平均)超过1988年的0.25C破记录，其后最高值在1995(，0.39C)和1997年(，0.43C)又先后被改写，而1998年以0.57C的温度距平再创新高，成为有观测记录以来最热的1年。 表3.1.1 不同阶段全球温度变化趋势(C/100年) (Karl et al. 1999) 1861-1998 1901-1998 1910-1945 1946-1975 1976-1998 0.60 0.74 1.41 -0.25 3.26 北半球陆地气温 0.40 0.55 1.00 0.15 2.66 南半球陆地气温 0.56 0.70 1.31 -0.15 3.09 全球陆地气温 0.43 0.65 1.61 0.12 1.83 全球海表温度 / 0.53 1.49 -0.20 1.22 全球夜间海面气温 与全球年平均温度的变化趋势相比，最高和最低温度的变化也有大致相似的特点。全球大部分地区最低温度的上升趋势非常明显，最高温度也有上升的趋势。不过最低温度的上升趋势是最高温度增加趋势的2倍左右，因此，温度的变幅有下降的趋势。不过有些地方也有例外，如新西兰和中欧，最低和最高温度的上升趋势大致相同，在印度由于最低温度的下降，使得温度变幅反而有增大的趋势。 三、 温度变化的区域差别 全球温度变化很大的区域差别。首先，从整体看近百年来全球平均温度在上升，但不是所有地区都在上升，有些地区在一些时段温度反而有所下降。如在1950年代到1970年代中期，北半球温度有弱的变冷，而同期南半球温度却略有上升。其次，温度上升的地区上升的幅度也不一致。从纬圈平均来看，高纬度上升比低纬度地区要明显，不过高纬度地区本身变 率也比低纬度地区要大。从长期情况来看，温度变暖最显著的地区主要是欧亚大陆中高纬地区、北美大陆。 从1970年代后期以来，全球温度的变暖非常突出，在不同区域其特征差异同样悬殊。亚洲东部地区温度上升的趋势近20年来非常突出，中西伯利亚及附近地区温度上升速率达到+0.6C/10a以上。中国北方到南亚及沿海地区升温速率也在+0.3~+0.6C/10a之间。很明显，亚洲东部大陆及沿海地区，是近20年以来全球温度上升最快、最强烈的地区，也是全球增温速率大于+0.3C/10a面积最大的地区。另外，在西欧和北美中高纬温度的上升速度也很高。而此期间也有些地区温度在下降，如北美大陆东北部及格陵兰、南大西洋中纬度地区等，下降速率都在-0.3~0C/10a。这是年平均温度的情况，如果从季节看还是有差别的。在冬季，有3个变暖极大中心分别位于中、东西伯利亚，欧洲西北部地区及美国东部和加拿大东南部。而加拿大东北部到格陵兰为降温区。在春季，变暖最大的中心覆盖这个亚洲大陆的中高纬度地区以及北太平洋高纬度地区。整个北美中部和东部则是比较大的降温区域。夏季在亚洲东部地区、欧洲地区及地中海沿岸的北非地区、加拿大等地区是最大的升温区。秋季在东亚北部、加拿大东北部增温明显，而在欧洲及西西伯利亚、加拿大的中、西部则是明显的降温区。 四、平流层变冷 安吉尔(J.K. Angell)等最早建立了1958年以来的高空自由大气平均温度序列，他们选择了全球范围内分布较为均匀的63个测站，其中北半球38个，南半球25个，这些站都是无线电探空站，所以有对流层及平流层的温度资料，包括850,300hPa，300,100hPa，100,50hPa等不同的层次。63站计算的对流层平均温度与地面观测的气温序列有很好的一致性，与琼斯等的温度序列相关系数达到0.9，说明安吉尔的序列有较好的代表性。其平流层气温序列表明，平流层在近20多年中气温下降激烈，16~21km(100,50hPa)气温自1960年代到1980年代初，下降趋势明显，1964~1978年期间下降幅度达-0.38C/10a，1979,1995年则高达-1.08C/10a。研究平流层气温还有另外两个序列，澳特(A.H. Oort)和刘(H. Liu)利用了尽可能多的探空资料，约有800多个台站，也建立了1960年代以来全球平均平流层低层温度(100,50hPa〕，当然，由于高空气温的变化有很大的空间连续性，所以台站的增加实际上并不表示其代表的面积范围也相应地成比例增加，广阔的大洋上同样是没有观测资料。克服覆盖面不全最有效的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 是利用卫星观测，斯蓬瑟(R.W. Spencer)和克里斯蒂(J.R. Christy)d公布了他们利用卫星观测的微波辐射资料(MSU通道4，反映120,40hPa整体辐射情况)计算的平流层温度序列，可惜的是资料时间较短。这些序列间都有很高的相关，虽然长短有变化，但相互间相关系数都在0.84~0.98间，也都支持近二、三十年里，全球平流层气温一直在下降这个结论。 表3.1.2 平流层底层气温变化趋势的估计(单位:C/10a〕 序 列 Angell Oort和Liu MSU通道4 1979-1995 -1.08 / -0.33 1979-1989 -1.57 -0.85 -0.79 -0.38 -0.63 / 1978以前 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 大气温度的机制，在接近地表的对流层与高空的对流层有很大的不同。在对流层，地面温度的上升一方面可以通过对流活动使热量向对流层高空输送;另一方面由于对流层水汽和CO的含量较高，可以吸收大量的长波辐射，因此，近地面温度的上升也必然造成整2 个对流层大气温度的升高。而在平流层情况则不同，由于气温随高度增加而上升，所以并不 存在对流活动，也就不存在对流所产生的垂直方向的热量输送。使平流层获得热量的途径主要是臭氧等物质吸收太阳短波辐射所至，如果平流层大气中CO及水汽含量增加，那么由2 于来自地面的长波辐射大部分为对流层所吸收，到达平流层的很少，而CO及水汽含量同2时还要以红外辐射的方式向宇宙空间放射能量，所以反而会使平流层大气温度下降。所以，如果大气中CO浓度增加，会使对流层升温、平流层降温。 2 大量气候模式对CO增加气候变化的数值模拟，也得出对流层气温上升而平流层大气2 温度下降的结论。当然，不仅仅是CO，其它温室气体增加的话，结果也一样。 2 五、大气环流对温度的影响 全球变暖一个很显著的特点是区域的不一致性，有些地方温度上升，而有些地方则下降。这种变化表现出一定的内在结构，而这种结构与大气环流的变化是密切相关的。哈瑞尔(Hurrell)和凡隆(van Loon)指出最近北大西洋海表温度(SST)的变冷及欧亚大陆的变暖，与北大西洋涛动(NAO)的持续偏强有直接关系，而北半球中高纬地区年平均气温的年际变率的近三分之一也可由北大西洋涛动的变化得到解释。约内夫(Yulaeva)和华莱士(Wallace)发现全球低纬和中高纬对流层温度都与ENSO(El Nino/Southern Oscillation)有很好的对应关系，只是气温响应时间比ENSO约落后3个月，而且低纬响应幅度大，中高纬响应幅度小。华莱士等认为IPCC所评估的最近的加速增暖部分几乎全都是由ENSO和北大西洋涛动的年代际变化分量所造成的，因此加速增暖必然不能持久。如果ENSO和北大西洋涛动的位相在下一个年代反过来，即使是目前中等强度的全球增暖趋势都将被抵消，高纬大陆冬季气温将下降。不仅是北半球，最近的工作也表明南半球中高纬地区的气温变化与南极涛动(AO)有密切的关系。 大气环流系统有很多，不同的环流因子影响的区域和强度都是不一样的。近地面大气环流系统中主要是海平面气压场上的大气涛动，龚道溢和王绍武指出全球大气涛动对北半球冬季温度方差贡献主要是在低纬和中高纬大陆地区及北太平洋部分区域，40:N以北大部分陆地总的贡献率达30,以上，热带3/4地区也在30,以上。近百年气温和大气涛动关系表明，3个涛动对北半球冬季、夏季和年平均气温的变化贡献分别达31.8,、2.6%和12.8,，也是以冬季影响最大。用大气涛动可以解释近20多年来气温上升的很大一部分方差，说明在原有气温上升的趋势上，由于叠加了近期大气涛动引起的气温变化，所以才形成了1970年代末以来的加速变暖现象。 大气环流与温度之间的关系可能比较复杂，大气环流的变化能够影响区域温度，而温度的改变同样也会影响大气环流。因此，近百年来全球温度变暖不仅仅是通过辐射过程直接影响，也包含了通过影响大气环流造成的间接作用。 第二节 20世纪全球降水状况 一、全球陆地平均降水 由于降水在时间和空间上的连续性都很小,所以一个站的观测记录所能代表的区域范围比温度要小得多，所以要估计全球平均降水就需要大量的观测台站，实际上降水观测资料比温度的要少得多，建立近百年来全球平均降水序列更不容易。最近30多年来，有许多全球降水的估计，对全球平均降水这个基本量的估计都有较大出入，最少的估计只有784mm，最多的有1130mm，取1960年以来近20位作者估计值的平均，是977mm。 降水序列的不确定性很大，首先是各地降水观测仪器不一致，互相间存在偏差，有些台站不同时期的观测仪器也多次变更，这种仪器带来的系统偏差可以进行修正，其次，是台站 数量的变化，如侯蒙(M. Hulme)使用的降水测站20世纪初期有1378个，而在1960年代，则有5759个。威蒙特(C.J. Willmont)和勒给茨(D.R. Legates)指出在19到20世纪之交，测站数量及分布的改变，造成全球陆地平均降水的误差可以达到10,15,。而通常认为，可信及可以接受的误差范围是5%。 降水记录绝大部分都是在陆地上，相对来说陆地平均降水的长时间序列是可以往前延伸到100多年的。比较有代表性的工作有两个，一个是布拉德里(R.S. Bradley)等的序列，最早只是北半球陆地平均降水，共用了近1 500个站的记录，先将每个站的降水换算为分布的百分位数，再插值到网格上，最后合成为北半球平均值，此序列往前到了1850年，后来埃设德(J.K. Eischeid)等补充计算了全球陆地降水。另外一个是侯蒙的序列，也是首先由全球观测站点降水整理成格点平均降水，再计算出全球平均陆地降水量，此资料集开始于1900年，不过早期资料的不确定性仍然较大，最为可靠的是从20世纪40年代以后。这两个序列中使用的资料有80,左右是相同的，因此，两者间也大体上一致。 50 25 0 mm -25 -50 188018901900191019201930194019501960197019801990 图3.2.1 全球陆地平均年降水量距平(对1961-1990平均) (Vose et al 1992) 二、降水变率的区域特征 全球陆地降水在不同区域有很大的差别。侯蒙曾经分析了20世纪全球范围9个有代表性的干旱或半干旱地区的降水变化特征，这9个地区分别是(1)美国西南部，(2)亚洲西南部，(3)东亚中部，(4)非洲北部，(5)非洲萨赫勒地区，(6)非洲之角地区，(7)非洲南部地区，(8)澳大利亚以及(9)南美南部的巴塔哥尼亚地区。这9个地区没有一致的变湿或变干的线性趋势，不过在萨赫勒地区降水有明显的下降趋势，约为-21%/100a;巴塔哥尼亚地区有明显的增加趋势，约为18,/100a;澳大利亚的降水也有显著减少趋势，约为14,/100a。降水的变化与温度间的关系可能比较复杂，因为这些区域近百年来都在变暖，但降水的变化却没有一致的特征。此外，降水的波动受很多因素的影响，而大气环流则是最为直接的影响因子，所以降水的区域特征很大程度上受全球及区域大气环流、下垫面特征等因子的控制。 从半球或纬圈平均来看，20世纪降水的差异也是显著的。南半球陆地降水表现出弱的上升趋势，在70年代中期降水为极大值，此外在10年代后期到20年代初也是一段比较湿润的时期。北半球中纬度地区降水没有明显的长期趋势。但在北半球热带地区与高纬度地区的降水都有显著的年代际变化，且有相反的趋势:在40到50年代，高纬度地区降水偏少，而热带地区则是1900年以来降水最多的一段时期;70年代以来高纬度地区降水持续偏多，而热带地区则是20世纪最干的一段时期。 表3.2.1 全球9个干旱及半干旱地区20世纪降水变化(数字代表的区域见上文)(Hulme,1998) 区 域 1,9全球 1 2 3 4 5 6 7 8 9 平均 陆 地 483 297 254 237 451 486 457 375 340 359 999 1961-1990降水(mm) 17.6.1 5.2 -14.-96.0.6 -26.52.62.-11.30.6降水趋势##7 9 8 5 4 6* 1 (mm/100a) 0.50.81.20.50.20.40.90.60.20.650.52温度趋势(######9* 8 7 5 1 7 3 5* 8 C/100a) -0.1-0.1-0.0-0.3-0.3-0.2-0.5-0.20.0-0.20.36年降水与温度相####1 1 2 4 5 7 0 0 6 0 关 95 95 86 95 95 37 94 88 94 95 95 算相关资料长度(年) # 达到显著水平99.9%, * 达到显著水平99% 三、全球陆地降水与ENSO ENSO(即厄尔尼诺-南方涛动)具有全球尺度的影响，一方面，其影响可以通过大气环流，包括哈得莱环流及大气遥相关等向中高纬度地区传播，另一方面还可以通过海洋中各种波进行传播。所以，全球许多地方的降水、温度、风场等要素都会受到ENSO的影响而出现异常。 罗宾列斯基(C.F. Ropelewski)和哈培特(M.S. Halpert)曾利用1 700多个站点的月降水资料来分析其对ENSO的响应，指出ENSO对降水的影响在全球有17个中心地区，这些地区内的影响比较一致。总的来说，降水厄尔尼诺关系最密切的是印度尼西亚的干旱、澳大利亚的干旱、印度干旱、巴西东北的干旱、赤道中东太平洋的多雨，秘鲁北部和厄瓜多尔沿岸的多雨。除了这些地区外，其他地区情况比较复杂。总之，并不是所有地区降水都与ENSO有关，即使是有关系的地区，其降水变化对ENSO不同位相的响应及强度也都是有差别的。 龚道溢和王绍武(1999)利用美国国家气候数据中心的全球陆地降水资料，统计了18701996年期间发生的厄尔尼诺和拉尼娜事件，及其与全球陆地平均降水的关系。发现发生厄尔尼诺时全球陆地平均降水偏少，而发生拉尼娜时全球陆地平均降水偏多。在总共123年中有41个厄尔尼诺年，40个拉尼娜年及42个正常年份。在41个厄尔尼诺年中，全球陆地平均降水偏多(正距平)的情况有6次，而降水偏少(负距平)的情况有35次，降水偏少的概率是偏多概率的5.8倍;反之，在40个拉尼娜年份里，降水偏多的次数是34次，而偏少的次数仅为6次，前者是后者的5.7倍;在42个非ENSO年份里，降水偏多和偏少的情况分别出现了19次和23次，大致相当。全球陆地平均降水与ENSO的这种关系，在统计上的显著性非常高。此外，全球陆地平均降水序列的功率谱分析表明，有6~8年、4年及2,3年的显著准周期，都与ENSO的年际变率相近，因此也进一步说明至少在年际时间尺度上，ENSO对全球陆地平均降水的影响是很重要和显著的。 四、萨赫勒(Sahel)干旱 萨赫勒(Sahel)在阿拉伯语中意为“沙漠之边”，指非洲撒哈拉大沙漠南沿的横跨非洲的东西向的半干旱地带，跨乍得、冈比亚、马里、毛里塔尼亚、尼日尔、塞内加尔等许多国家。此地区介于北方干旱的大沙漠和南方湿润地区之间，多年平均降水约在400,500mm左右，居民主要以牧业为主，生产水平落后，受气候变化影响极大，由于降水年际变率很大，所以极易发生旱灾。 在历史上萨赫勒地区经常发生旱灾，如19世纪20年代、30年代，20世纪10年代、40年代先后发生过严重的干旱，这些干旱持续的时间都没有超过10年，如20世纪40年代的干旱主要是发生在1939,1943年这几年。从1960年代后期开始，萨赫勒地区降水持续偏少，一直到1993年出现接近120mm正的降水距平为止，严重的干旱持续了20多年之久，这是20世纪持续最长的干旱。对当地的环境和经济造成了重大破坏，如仅仅在1968,1973年间，干旱就使撒哈拉沙漠向南扩张了500km以上，旱灾影响到了16个非洲国家，受灾面积相当 于美国领土的2/3，死亡约25万人。 人类的活动如过度放牧或不适当的开发，可能是引起或者加重旱灾的一个重要因子。但是应该看到，气候系统内部的变化很可能是最主要和最直接的原因，如ENSO对萨赫勒降水就有显著影响，1972-1973年、1982-1983年是很强的厄尔尼诺年，这几年萨赫勒地区降水都显著减少，是极小值年，使本已严重的干旱更加恶化。另外，弗兰(C.K. Folland)发现，萨赫勒地区持续的干旱或多雨与南北半球海温的差别有关，当南半球的海温比北半球的海温低的时候，萨赫勒地区为多雨期，相反则为干旱期。此外，气候系统的年代际变化也可能是造成萨赫勒地区持续干旱的一个因素。 五、美国的“大尘暴” 20世纪30年代美国发生了有记录以来最严重的干旱。这场干旱，从1930年一直持续到1941年，也是美国20世纪持续时间最长的旱灾，它遍及美国许多州，以及加拿大和墨西哥部分地区。其中尤其以1930，1934，1936和1940年旱情最为严重。如1934年，旱灾范围从东海岸的宾夕法尼亚一直延伸到西海岸的加利福尼亚，其涉及范围覆盖了美国本土面积的61,。这场干旱的特点除了降水稀少，影响范围面积大之外，另一个突出特点是同期气温非常的高。美国中部平原及西部地区6月和7月的气温，90年代以前的历史最高值，都出现在30年代。从1895年到1988年期间，美国平均年均气温最高的20年中，有6个出现在30年代，非常集中。因此，降水奇缺及罕见高温的同时出现，使得灾情尤为严重，使正处于大萧条时期的美国社会和经济雪上加霜，特别是对农业更是灾难性的打击。 由于旱情严重，一些主要的河流水位急剧下降，甚至可以赤足涉徙而过;水库干涸，只留下开裂的泥床;灌渠更是空空如也。严重的干旱致使植被大量死亡，使得地表直接裸露于大气，形成严重的风蚀，个别地方甚至出现了流动的小沙漠，波浪性的沙丘借助风力向前流动。因此，大风将大量的尘土吹扬到空中，形成严重的尘暴。如称为“黑色星期天”的1935年4月14日，在得克萨斯的斯特拉福特(Stratford〕出现的尘暴，看起来象滚滚浓烟，黑压压铺天盖地而来。人们整个白天都点上灯光，躲在学校的教室里，仍然是满身尘土，空气中大量的灰尘使人呼吸都很困难，恐惧的人们跪在地上不停地祈祷。很多时候这种狂风劲吹、尘沙漫漫、暗无天日的天气能持续数天之久，其中在1934年曾经有两次其肆虐的范围几乎波及半个美国。因此，人们也用“大尘暴”(Great Dust Bowl〕一词来形象地称呼20世纪30年代美国的干旱。根据树木年轮资料分析，美国30年代的干旱至少在西南部很大一部分地区，是最近700年以来最为严重的干旱。 第三节 中国气温变化 一、中国气温序列 中国比较连续和覆盖比较完整的观测记录，是从1951年开始的。在往前就只有东部地区少数几个站如北京、上海、广州、哈尔滨等有上百年的观测资料。因此，要建立长的中国年平均气温序列，需要考虑两个问题:一是如何才能使这个序列能很好地代表整个中国，早期资料少、后期资料多，西部资料少、东部资料多，而使用的站点的多少、分布及其代表的区域范围大小都有差别，也都能影响序列的代表性。二是如何将序列延长到19世纪后期，如果只考虑用观测资料，则早期显然不能包括西部广大地区，序列只能是较好地反映东部沿海温度的状况。因此，对于没有观测记录的地区和时段，必须要使用各种反映温度变化的代用资料。 1.5 1.0 o 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 1880189019001910192019301940195019601970198019902000 Year 图3.3.1 1880年,1998年中国年平均气温距平序列(对1961,1990年平均)(龚道溢和王绍武，1999) Temperature ( C ) 王绍武等(1998)根据相关分析，将我国分为10个区，即东北、华北、华东、华南、台湾、华中、西南、西北、新疆和西藏。这10个区里的温度变化都有相对较好的一致性。对1951年及以后的时段，各区取5个站的平均来代表区气温，再乘上每个区的面积权重系数，相加得到了全国的年平均气温序列。对1951年以前的所有10个区的温度，分别根据实际情 18况利用气温等级图、冰芯O及树木年轮资料进行恢复。这样，将中国10个区的年平均气温序列向前延长到了1880年。再将10个区温度考虑面积权重后，合成全国平均温度，这样就得到了1880年以来的代表整个中国的年平均气温序列。 oC0.00.51.01.52.02.53.0 50N 40N 30N 20N 70E80E90E100E110E120E130E 图3.3.2 1998年中国大陆地区年平均温度距平(对1961-1990平均)(龚道溢和王绍武，1999) 二、1998,1880年以来最暖的一年 1998年是有观测记录以来全球最暖的1年。在全球变暖的大背景下，中国的气温也有上升的趋势。许多台站的观测记录表明1998年的气温显著偏高，对中国大陆地区160个站年平均气温直接平均,对1961-1990年平均的距平达到了+1.35C，也是1951年以来的最高值。王绍武等(1998)建立了覆盖中国10个区的年平均气温序列，根据这种考虑区域权重因子方法计算的全国平均气温1998年距平值达到了+1.38C，是最近119年中最高的1 年。当然，早期温度序列都有一定的不确定性因素，需要考虑可能的误差范围。1880-1910期间年平均气温相对误差为0.27C，1911-1950期间为0.16C。考虑到相对误差带进来的温度不确定性的上限后，各温度极大值仍然都低于+1.38C，因此，可以肯定1998年的确是中国1880年以来最暖的1个年份。而且1951年以来的观测资料分析，1998年中国各月平均气温，有5个月份是最近48年中的最高值(这些月份分别是2、4、9、10和12月)，此外6月份是第2高值，11月为第3高值，7月为第4高值，5月为第5高值，可见，1998年气温的变暖不仅仅是集中在冬季和春季，夏季和秋季气温的升高同样很显著。 三、中国四季温度变化 近几十年来的资料显示我国四季的温度变化还是有很大的不同的。春季气温偏低的时段出现在50年代、70年代初期和80年代中，其中50年代偏低最显著，气温最低的春季是1970年。而气温偏高的时段为60年代、70年代中至80年代初及80年代末期以来。夏季气温在60年代中期以前偏热，60年代中期以后至80年代中期偏凉，其中1976年为最低值，80年代后期到90年代又显著偏热。秋季气温在60年代初到60年代中期及80年代以来偏高，在60年代后期到70年代初偏低。冬季气温的变化与年平均气温比较一致，50年代和60年代后期到70年代初冬季气温比较低。从70年代中期以来冬季气温上升趋势显著，如北方从80年代以来已经连续出现10多个暖冬。 四季气温变化的空间分布也有不同的特点。例如在80年代，春季平均气温华北和东北地区偏高0.4C以上，而新疆大部分地区、青藏高原、西南和华南地区则偏低0.1~0.2C。夏季气温在长江流域、江南和新疆大部都偏低0.1~0.3C，其中四川东部地区偏低达0.3~0.5C，全国其他地区则偏高0.1~0.2C。秋季大部分地区比多年平均略偏高。冬季气温南方地区接近正常，而北方地区显著偏高，35,45N地区较常年偏高0.3~0.6C，东北大部分地区冬季气温偏高达0.6~0.9C。 四、中国气温变化与全球变暖的关系 近百年来全球气候变暖也影响着中国的气温变化。从1880-1998年119年的资料看，全球变暖的趋势为0.53C/100a，中国气温上升的趋势也与之很接近，为0.50C/100a，二者相关系数达0.60。不过影响中国气温变化的因素除全球性的变暖之外，还受其他一些因子如东亚大气环流等的影响，所以，比较起来中国的温度变化也有一些与全球温度变化不同的地方，如近百年来全球与中国温度显著升高都有两个高峰时期，一个在30到40年代，另一个是80年代以来，所不同的是全球最暖以后者最显著，强度要超过前者，但是在中国则是40年代温度高于80年代。 从最近的情况来看，1998年中国气温创近百年来的最高记录并不是一个偶然现象，与全球大尺度气候变暖有密切联系。从70年代后期以来，全球气温的最暖有加速的趋势，在此背景下，亚洲东部地区温度上升的趋势自1980年以来非常突出，亚洲东部大陆及沿海地区，是近20年以来全球温度上升最快、最强烈的地区，也是全球增温速率大于+0.3C/10a面积最大的地区。1979-1998年中国年平均气温上升趋势高达+0.52C/10a，显著高于同期全球温度+0.19C/10a的上升趋势。此外，1998年全球大部分地区温度都是正距平，从分布上看有3个地区为增暖中心，分别位于北美大陆中高纬地区、亚洲东部地区和赤道东太平洋地区。其中包括中国在内的亚州东部大陆地区及相邻沿海，温度距平在+1.0~+2.0C之间，部分大陆地区超过+2.0C。可见，1998年中国出现近百年来的最高气温，并不是一个局地现象，它与全球性的增暖及亚洲东部地区持续快速升温有直接的关系。 五、西伯利亚高压对中国气温的影响 西伯利亚高压是冬季控制亚洲大陆近地面大气环流及气候要素的最重要环流系统，很早人们就发现西伯利亚高压的强弱及位置变化对东亚地区及中国冬季气温、气流等的变化有非常重要的影响，因此受到高度的重视。西伯利亚高压强度与亚洲大陆腹地及东亚大部分地区气温的相关系数都是负的，相关高的中心地区主要是110:E,140:E的东部地区，集中分布在俄罗斯远东地区、中国东北及沿海地区的带状区域。另外，孟加拉国及以北小部分地区相关也较高。冬季110:E,140:E地区正好是东亚冷空气向南侵袭的通道，当西伯利亚高压强时，冬季风强，相应南下冷空气活动强，造成这些地区强烈的降温。反之，西伯利亚高压弱时，冬季风弱，冷空气活动也较弱，气温则相对较高。其次，西伯利亚高压中心南侧气压变化变率也比较大，当高压偏强时利于冷空气沿青藏高原东侧南下，对孟加拉国及以北地区造成影响。 西伯利亚高压的年际变化，对北京、上海和全国冬季气温方差的解释率分别达41.0,、41.0,和43.6,。从我国气温的长期变化来看，西伯利亚高压的影响也是显著的。1910,1994年85个冬季来看，西伯利亚高压强度与北京和上海气温的相关系数分别达-0.50和-0.43，与全国平均气温相关为-0.53，都超过99,信度水平。近百年来，西伯利亚高压强度的变化有显著的阶段性，1960年代到1970年代强度偏强，从1980年代以来则持续偏弱。1960年代是近百年来最强的一段时期，1980年代后期到1990年代则是近百年来最弱的一段时期。这与我国气温在1960,1970年代的低温及1980年代以来的显著增暖都是一致的。这说明在年代际的尺度上，西伯利亚高压对我国及东亚地区的气候变化也有显著影响。 图3.3.3 我国冬季平均气温与同期北半球海平面气压的相关系数 (1951-1997，阴影区为达到95%信度的地区)(龚道溢和王绍武，1999) 第四节 中国降水变化 一、中国降水序列的建立 中国降水观测序列除东部地区少数站外，大都只有不到五十年的长度。60年代初杨鉴初与张先恭等绘制了月降水量等级图，降水量按等级分为5级，开始于1900年1月，到1970年12月止，但是在绘制过程中20世纪初只有少数站，而后期则有160多站，而且覆盖面变化也很大，早期只是沿海地区，而后期则包括了整个大陆，因此序列不均匀。所以，要建立一个能反映中国降水量主要特征的长序列，也要考虑对中国是否有较好的代表性，以及如何保证序列的均匀性。与建立温度序列相似，不过比温度序列更困难，因为降水的时间和空间 尺度都很小，每一个站的降水所能代表的范围比温度要小得多。所以即使采用代用资料也很难做到覆盖中国大部分。不过实际上中国降水主要是集中在东部地区。所以，王绍武等在105E以东、45N以南地区，选择分布比较均匀的35个站，包括台湾省的两个站台北和恒春两个站，建立1880年以来的四季降水量序列，以次来反映中国的降水量变化。降水资料包括三部分:1951年以后是降水量观测值;1900到1950年是月降水量等级图，月降水量由月降水量等级与降水量关系转换而得到;1900年之前有观测记录的直接用观测记录，没有观测记录的用史料插补。插补的方法与绘制五百年旱涝等级图相似，再根据1951年以来旱涝等级与降水量关系计算出早期的季降水量。这样就得到了1880年35个站的四季降水量序列，再合成为年降水量。 200 100 0mm -100 -200 1880190019201940196019802000 图3.4.1 中国平均年降水量距平(对1961-1990平均)(王绍武等，1998) 二、降水的年代际变化 许多分析中国降水量变化的文献都指出50年代是多雨时期，而从60年代开始是少雨时期。从更长的序列看，类似的年代际尺度的干湿波动出现过多次:19世纪80年代是降水偏多的时期，上世纪末到本世纪初是一个很强的少雨期，20年代后期又有一个旱期，30年代到50年代是一段持续偏湿的时期。总体上看，最近100多年来，我国降水并没有显著的变干或变湿的长期趋势，降水偏多和偏少的时期交替出现，大致可以分出6个多雨时段和5个少雨时段，有20,30年左右的准周期性。 中国降水的这种波动与全球陆地平均降水的年代际变化有许多相似之处，如严中伟等曾指出60年代的中期降水由多变少，不仅仅是发生在中国，而是北半球范围内出现的行星尺度现象;从20年代中期到30年代中期全球陆地少雨，中国也偏干;从40年代中期到60年代全球陆地平均降水偏多，中国也出现类似情况。不过有时也不一致，如30年代中国多雨，而在全球反映并不明显。因此，中国降水年代际变化除受全球干湿变化的影响外，还与其他一些气候因素的影响有关。 表3.4.1 1880-1998年期间我国降水的干湿阶段(东部35站平均)(王绍武,1999) 偏润阶段 偏干阶段 序年 距平(mm) 序年 距平(mm) 号 号 1 1881-1885 42.2 1 1899-190-109.6 2 1888-1892 72.0 2 1925-192-75.5 9 2 1911-1915 94.5 3 1942-194-19.9 6 1918-1922 65.2 4 1963-196-65.1 8 3 1931-1935 45.7 5 1978-198-30.4 2 4 1950-1954 90.0 5 1972-1976 62.6 6 1990-1994 43.2 三、中国降水异常的空间分布类型 通常某一地区降水的变化有较强的一致性，如北京发生干旱，那么很可能在河北或华北很大范围都会同时出现干旱，而且有时还出现相距很远地区降水也同时偏多或某些同时偏少的现象，降水的异常表现出一定的空间分布特征，而利用经验正交函数法(EOF)可以很好地揭示我国降水异常的空间结构。第一种分布是长江流域为中心，华北和华南为另外相反性质的中心，如果长江流域多雨，那么华北和华南容易出现少雨，反之如果长江流域少雨，那么华北和华南容易出现多雨的情况。第二种分布是南北型，即北方是一个中心，南方为相反的中心，当北方降水偏多时，南方易偏少，反之北方偏少时则南方偏多，如1997年夏季，就是南方降水偏多，而北方降水异常偏少。当然，这些分布型中心的异常强度并不是完全相同的，通常是以某一个中心的降水异常偏多或偏少为主，而另外中心的变化则相对要弱些。如第一种分布，长江流域严重洪涝和华北、华南严重干旱同时出现的情况很少，通常是长江流域出现严重洪涝，而华北和华南降水略偏少。 表3.4.2 我国降水异常的空间分布类型 序号 名称 特 征 1 1a型 全国多雨, 以长江流域为主 2 1b型 长江流域多雨, 华南、华北少雨 3 2型 江南多雨，江北少雨 4 3型 长江流域少雨，华南、华北多雨 5 4型 江北多雨，江南少雨 6 5型 全国少雨 四、旱涝异常与温度冷暖有关吗? 气候冷暖变化对降水的影响是一个广泛关注的问题。如对全球变暖的影响，最初人们关心的是全球变暖幅度有多大，以及相应的降水究竟是增加还是减少。通常认为，如果全球变暖，就会加快全球的水文循环过程，那么全球平均降水量会增加，洪涝更为频繁。侯蒙根据1900到1994年资料计算，发现全球陆地平均降水与温度相关系数在年际尺度上为+0.36，在年代际尺度上为+0.51，显著性都超过99.9,。对温室气体增加、全球变暖情景的模拟也显示，如果温度上升1C，全球平均降水增加量在1.5,,3.0,范围。不过降水对温度变化的效应有很大的地区差异。 气候变暖对我国的洪涝灾害的强度和频率有何影响，也是人们密切关注的问题。从50年代到70年代中期，北半球温度有弱的下降趋势，70年代后期以来则是显著的变暖趋势。50年代以来的观测资料显示，当北半球温度下降时，我国东部地区夏季降水也呈下降趋势，而当北半球温度上升时，我国东部地区夏季降水则增加。从50年代到70年代中期，长江中心游地区、华北地区和东北地区的降水都呈下降趋势，分别达到-9.1,/10a、-6.8,/10a和-6.7,/10a。从70年代后期到90年代后期，华南地区、长江中心游地区、华北地区和东北地区的降水全都有增加的趋势，其中华南地区趋势最强达+14.6%/10a，长江中心游地区、华北地区和东北地区分别为+9.5%/10a、+2.2%/10a和+6.8%/10a。从整个东部平均看，50年代到70年代中期，降水趋势是-5.4%/10a，在70年代后期年到90年代后期是+7.5%/10a，显著 水平分别达到了95,和99,。不过，从近百年来的关系看，我国降水并无明显的增加趋势。看来降水对温度增暖的响应比较复杂，一个方面影响降水的因子很多，另外一个方面降水与温度间可能并不是线性的关系。数值模式模拟结果表明，随着温室效应的加强，我国东部降水有增加的趋势。因此，如果未来温室效应加强导致全球近一步变暖，对我国旱涝异常可能会有显著影响。 五、影响我国降水的因素 影响我国降水的因素有很多，由于我国降水主要发生在4~9月，因此对影响我国汛期降水因子及汛期降水预测一致是人们研究的一个重要课题。我国属典型的季风气候区，夏季风的异常对汛期降水的影响占非常重要的地位，通常情况下，如果夏季风偏强，华北和华南的降水也偏多，而长江中下游地区降水会偏少，反之，当夏季风偏弱时，华北降水偏少，而长江中下游地区降水会偏多。影响我国汛期降水的另外一个特别重要的因子是西太平洋副热带高压，当副高位置偏南时，雨带一般也偏南，位于江南，当副高位置偏北，雨带位置随之北上，华北地区及东北一带成为雨区，如果副高位置长期维持在一个位置，会造成相应地区大量降水，极易导致异常洪涝灾害。当然，不仅是副高的位置，其强度、北界、西界等对我国降水有重要影响。通常情况下，长时间大范围的降水异常都与冷暖空气的交汇和维持有关，中高纬度的天气系统如阻塞高压，对冷空气的向南输送起着重要作用，因此，也是影响我国降水的重要环流因子。19世纪人们就注意到，亚欧大陆及青藏高原冬、春的积雪，能改变下垫面的热状况，进而影响夏季风的活动异常，进而影响夏季降水。当然，气候系统是一个相互作用的有机整体，除上面提到的这些方面以外，还有其它很多因子如厄尔尼诺、西太平洋暖池的海温等，也影响着我国降水。不过，这些因子影响我国降水的途径和方式很复杂，有时某些因子起主要作用，而在另外一些时间里，可能又是其它的因子起主要作用，如1998年夏季我国长江流域的特大洪水，就可能与1997/1998的厄尔尼诺及1997/1998冬季青藏高原特大雪灾这两个因子有很大的关系。 第五节 中国的气候灾害 一、什么是气候灾害 气候灾害通常是指由于大范围、持续性的气候异常所造成的灾害。这与天气灾害是不同的，后者一般是指局地性、短时间的强烈天气而带来的灾害，如台风、暴雨、龙卷风等。而气候灾害的时空尺度都很大，通常表现为某一时期内的某种气候趋势，如气温的持续偏高或偏低，降水量的偏多或偏少。由于气候灾害是由气候异常引起的，因此气候是否出现异常、以及异常的程度如何都可以用来确定或表示气候灾害的严重程度。联合国世界气象组织(WMO)有一个规定，即距平达到 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差σ的2倍为异常。这里要说明一下什么是标准差。这是一个统计学上的量通常用σ表示。把30年的距平，每1年平方、求和、平均再开方得到σ。其意义代表平均距平的大小。为什么不用距平的绝对值平均呢,过去也有人应用过。但是那样得到的值与概率无直接关系。现在公认σ是一个代表气候要素变化的量。有时，因为各地气候不同，例如北方气温变化幅度大，南方气温变化幅度小不便比较。所以，把距平被标准差除，这样得到的距平称为标准化距平。一般标准化距平多变化于?2.0以内，无论是不同地区的气温，还是气温与降水量不同要素均可比较。如果一个要素的变化遵从正态分布，则?2σ(或?-2σ)的概率为2.28%，即相当于大约44年一遇。所以，有时也可以用概率来判断。例如日本气象厅就曾以30年一遇为异常。当然，对于一些具体的气候要素或现象，也有根据实际需要确定异常标准的。如对于夏季降水，距平百分率(距平与多年平均 值的比值)在-25,,-50,之间为旱，-50%为大旱，在25,,50,之间为涝，50,为大涝，就是一个常用的指标。 影响我国的气候灾害主要有干旱、洪涝、冷害等。这些气候灾害持续的时间长，影响的范围广，因此对农业及环境的影响非常大，也是造成我国农业大幅度减产和粮食产量波动的重要因素。据估计，每年因气候灾害平均减产可达150亿kg以上，重灾年份甚至可达300亿kg左右。因此，研究气候灾害的时空规律和成因机制，提高预测和防范能力，对我国这样一个农业大国来说有重要意义。 二、干旱 在我国出现频率最高、影响范围最广、对农业造成损失最大的气候灾害，当推干旱。在出现的月份上，全年四个季节都可能发生干旱，其中以冬旱或春旱发生的机率最高，程度最重，持续时间最长。冬旱和春旱的发生以华南和西南地区最为频繁。我国夏季和秋季发生的干旱也不少，尤其长江中下游地区。由于夏、秋季是农作物的生长季节，所以夏秋季干旱的危害要比冬春季严重的多。在干旱发生的分布上看，我国各地均可发生干旱，不过出现的频率大小不等。东北地区由于降水比较稳定，所以干旱发生的频率比较低。而黄淮海地区降水少而变率大，所以各季发生干旱的频率都较高。云贵高原地区由于特殊的岩溶地貌发育，加上灌溉条件普遍较差，所以也非常容易受到干旱的影响。 根据1880,1997年我国平均降水的多少来判断(以10年一遇为标准)，全国严重少雨的年份有1895，1900，1902，1925，1928，1929，1936，1963，1966和1971年，其中尤其以1900和1902两年最严重。当然，从各个地区来看，干旱出现的频率是有较大的差别的，如长江中下游地区在1958,1961年连续偏旱，1966,1968也接连发生干旱，从80年代以来则干旱的机率大大下降，相比较而言，华北地区则是从60年代后期以来降水减少，尤其是80年代以来多次发生严重干旱。 三、雨涝 雨涝在我国每年都有不同程度的发生，其危害及造成的损失在各种气候灾害中仅次于干旱。据统计分析，全国雨涝的地区可以划分为多涝区、次涝区、少涝区和基本无涝区4类。多涝区主要包括华南地区，湘北及赣北地区，东部沿海地区，淮河流域以及海河流域。历史上有名的一些大洪水大都发生在这些地区。我国东部的其他地区，如黄河下游地区，汉水流域、江南南部及辽河地区都是次涝区 我国季风气候明显，降水主要与夏季风的活动有关，因此从南到北洪涝的发生也有明显的季节特征。华南地区发生洪涝的可能时间最长，4月份开始有春汛，11月还可能有秋汛，不过还是以夏涝为主。长江中下游地区4、5月出现春汛，6月梅雨主要时期，洪涝机率很高，特别是梅雨的强度、雨带的位置及移动的变化都可能造成严重的洪涝灾害，如1998年长江流域的大洪水，就与雨带位置长时间停留在长江中下游地区有直接的关系。黄淮海地区大部分洪涝发生在夏季，东北地区雨季开始晚，洪涝主要发生在7、8月份。我国雨涝发生的情况是很复杂的，形成的原因有很多，因此，从近百年来长的序列看，各地区也有各自的特点。 表3.5.1 1880年以来我国部分地区的严重多雨年 地区 多雨年份 1889,1911,1918,1931,1935,1937,1950,1954,1959,1973,1983 全 国 1889,1901,1906,1909,1911,1912,1915,1919,1931,1938,195长江中下游地区 4,1969,1980,1991,1996,1998 1887,1889,1894,1898,1904,1911,1917,1937,1949,1958,1964,黄河中上游地区 1988 1998年我国发生了特大洪水，降水异常的特点是长江及其以南多雨，同时年松花江流域也多雨。据初步统计1998年由于洪涝全国的直接经济损失1 666亿元。自1989年到1997年各种自然灾害平均每年造成1 422亿元的损失。1998年仅洪涝一项就超过了这个数值。可 2见影响之巨大。这年受灾农田0.13亿hm。但这可能还不是长江流域影响最大的洪涝年。 2近百年最严重的洪涝年1931年，受灾农田0.17亿hm。其他如1954年长江的洪涝也十分严重。 图3.5.1 1998年夏季降水异常分布(降水距平百分率，%) 四、冷害 农作物在生长季节里，如果温度降低不能满足作物生长、发育、结实等对温度和热量的需求，就会产生冷害灾害，给农业生产造成很大的损失。因为夏季是农作物生长的关键季节，所以夏季低温冷害是造成我国粮食减产的重要气候灾害之一。我国北方地区普遍存在低温冷害现象，其中东北地区由于纬度高，其发生低温冷害的概率及造成的损失都是最为严重的。在建国以来的5个最强夏季低温冷害年里，东北地区粮食平均减产30%，其中1969年、1972年和1976年粮食分别较前一年减产50亿kg左右，可见其危害之大。近来许多研究表明，东北的夏季低温冷害并不是一个局地现象，整个东亚的冷夏是一个大尺度的气候异常现象，与大尺度的大气环流异常有密切关系。从空间上看，日本、朝鲜半岛和中国有很大的一致性，对夏季温度的经验正交函数分析(EOF)表明，温度变化最主要分量的符号在我国华北部分地区、东北地区、朝鲜半岛、日本及俄罗斯的远东部分地区是相同的。 如果以10年一遇为标准，则1880年以来东北夏季低温冷害共有14次，分别是1881，1884，1885，1886，1888，1892，1895，1902，1911，1913，1915，1957，1969和1976年。很明显，冷害的发生有群发性，19世纪80年代发生5次，20世纪10年代发生3次，这两段时期也是近百年中国气温偏低的时期。而自从1976年的严重冷害之后，80年代以来还没有发生过明显的冷害，这可能与全球温度的持续变暖有关。 五、气候变化与近百年中国气候灾害 气候变化通常是指一段时期，例如30年平均值的变化。例如北京自1961/1962年冬到 1990-1991年冬共计30个冬季，平均气温为-2.5?。这就是我们通常说的北京的冬季平均温度。但是1880-1881冬到1909-1910年也是30个冬季，平均气温为-3.3?，比近30年平均低了0.8?，这就是气候变迁。但是，并不是1880-1881冬 到1909-1910年冬每1个冬季都是-3.3?，有个别年还要高，例如1890-1891年冬 为-1.4?，比30年平均高1.9?。不过也有的年气温低的多，例如1892-1893年为-4.9?，比30年平均气温低了1.6?，1884-1885年冬也达到-4.6?，比平均低了1.3?。所以，气候变迁对人们的生活、生产有影响，其中个别年影响更大。这些气候显著偏离常态的事件，通常称为气候异常。气候异常是按事件出现概率来定的。每年的气候均与30年平均值有所不同，接近30年平均值的概率大，而距离平均值远的概率小。例如近30年冬季北京平均气温为-2.5?，把每个冬季气温对-2.5?的偏差称为距平。在?1.0?距平之内的有23个冬季，超过?1.0?距平的仅有7次。例如1967-1968年冬北京平均气温为-4.7?，比30年平均低2.2?，而1988-1989年为-0.2?比多年平均高2.3?是一个非常暖的冬季。1968-1969年冬全国均很冷，1月底到2月初出现了两次强寒潮，武汉的最低气温达到-17.4?，黄河下游出现历史上罕见的两次封冻解冻现象，造成较重的凌汛，渤海出现了几十年的封冻，长江下游及江南、华南农作物受到极大影响。1月在西北部新疆大雪、伊宁降雪量达80mm，相当于常年1月降雪量的5倍。气候要素的概率分布可以从理论上加以推算。如果气候要素的分布是正态分布，从统计学理论计算出来出现?2σ的概率为2.3%。即每100年中出现2.3次。当然有些事件出现就出现，不出现就不出现，不可能出现次数有小数。所以，这大体上相当每100出现2次左右。同样?-2σ的距平的出现概率也是2.3%。北京冬季气温的标准差σ正好是1?。这样，气温?-2.5?+2?=-0.5?的以及?-2.5?-2.0?=-4.5?的概率均应在2次左右。上面谈到近30年只出现1次1967-1968年-4.7?，及1次1988-1989年-0.2?，与这个估计大体相当。 气候异常是很罕见的气候偏离平均状态。因此，往往带来巨大灾害。一旦发生气候变迁则气候异常的概率要增加，例如1880-1881年到1909-1910年冬 30年平均气温比近30年低0.8?。因此，出现-2?距平的概率就要比近30年多多了。实际上上世纪末到本世纪初的30年中北京冬季气温距平在-1.5?以下有4次，其中在-2.0?以下就有2次。而近30年只有2次在-1.5?以下，其中一次在-2.0?以下。所以气候变迁往往造成气候异常增加，带来更多的气候灾害。 王绍武曾经统计了1880年以来我国的9种气候灾害的频率，这9种气候灾害包括我国的冷冬，冷夏，多台风，全国少雨，全国多雨，长江中下游地区的少雨，长江中下游地区的多雨，黄河中上游的少雨和黄河中上游的多雨。结果发现，在1880,1998年期间总共110次灾害，平均大约每年出现1次，但在时间分布上很不均匀。19世纪80年代，20世纪10年代和30年代灾害较多。但20世纪40年代、80年代及90年代灾害较少，这正是我国最暖的3个10年。这几个时期也大体上与全球的偏冷及偏暖的时期相对应。因此，我国的气候灾害与全球气候变化可能有很密切的联系。 表3.5.2 1880,1998年中国的几种气候灾害的分布(20世纪90年代以1990,1998年计)(王绍 武等，1999) 19世纪 20世纪 80s 90s 00s 10s 20s 30s 40s 50s 60s 70s 80s 90s 共计 4 1 1 1 1 2 1 1 12 冷冬 5 2 1 3 1 1 1 14 冷夏 1 3 1 1 2 2 2 1 13 多台风 1 2 3 1 2 1 10 全国少雨 1 2 3 3 1 1 11 全国多雨 2 2 1 1 2 2 10 长江中下游少 雨 1 3 4 2 1 1 1 3 16 长江中下游多 雨 2 2 1 2 1 1 1 2 12 黄河中下游少 雨 2 2 1 2 1 1 1 1 1 12 黄河中下游多 雨 14 11 11 14 8 12 3 9 11 10 3 4 110 共计 六、气候变化与极端气候事件 气候变化对极端气候事件的影响是一个广泛关注的问题。早期人们很关注的全球变暖的幅度有多大，及与之相应的降水是增加还是减少等问题。通常认为，如果全球变暖，就会加快全球的水文循环过程，那么全球平均降水量会增加，洪涝更为频繁。侯蒙根据1900到1994年资料计算，发现全球陆地平均降水与温度相关系数在年际尺度上为+0.36，在年代际尺度上为+0.51，显著性都超过99.9,。对温室气体增加、全球变暖情景的模拟也显示，如果温度上升1C，全球平均降水增加量在1.5%,3.0,范围。不过，就其影响而言，象诸如极端多雨、异常少雨等事件造成的洪涝和干旱，对社会和环境造成的影响可能更为严重，因此，近年来，气候变暖及其对极端天气和气候事件的影响逐渐成为全球关注的热点，如卡尔(Karl)等设计了极端气候指数，来研究20世纪气候总体上是否正变得越来越极端，他们发现美国在20世纪30年代和50年代极端气候指数呈显著的峰值，这两段时期是非常温暖的时期，也是美国的两个干旱集中的时期，从80年代以来指数也持续偏高。这个指数既考虑了降水的极端情况，还包含了其他一些因素如极端温度事件等。 从统计和概率的角度来看，极端气候事件是小概率事件。从形式上看气候状态的改变影响极端事件概率的情况有3种可能，即(1)气候要素变率(标准差)的改变;(2)气候要素均值的改变;(3)气候要素的变率和均值同时改变。 下图给出了这3种情况下同一事件的概率变化情况。假定一个遵从正态分布的变量(通常用30年平均值及标准差来表示某一要素的基本气候状态)，如果均值发生变化，必然使概率分布发生变化。如图3.5.2(a)所示，对于均值为0，标准差为1的变量，原来落在1.96之外的概率是2.5%，即40年一遇，但如果其均值增加0.6后，则原本是2.5%的概率则增加到了8.7,，即11.5年一遇。同样的一个变量，其标准差也可能发生变化，标准差的变化大小实质上反映了变量的变化程度，显然会影响概率分布，如图图3.5.2(b)所示，当标准差增加到1.5时，原来落在1.96之外的概率会增加7,，达到10.5年一遇。当然，均值和标准差也可能会同时发生变化，如图3.5.2(c)所示，当均值增加0.6同时标准差增加到1.5时，则概率就会增加到18.1%，相当于5.5年一遇，出现的概率是原来的7倍多。 当然，以上只是一个示意，例如通常情况下降水并不完全是正态分布，更多地是遵从Gamma分布，但道理是一样的。对降水来说，如果只是均值增加，那么出现特大洪涝的概率会增加，而异常干旱的概率则会相应减少。如果只是标准差增加，那么特大洪涝和严重干旱的概率会同时增加。如果均值和标准差同时增加，则大洪涝的概率会大大提高，而同时严重干旱的概率则有可能出现增加、不变和减少3种可能。当然，气候系统各要素有非常密切的相互作用，影响或决定气候状态变化的要素是有很多，如全球变暖，大气环流，冰雪状况，海洋热状况等的改变都能影响降水，所以我国的特大洪涝或严重干旱的频繁出现，也可能与这些因子有关。很多的细节和机制还需要进一步的研究。 ?ùÖµ=0.0?ùÖµ=0.0?ê×??î=1.0?ê×??î=1.0 ?ùÖµ=0.6 ?ê×??î=1.0 ?ùÖµ=0.0 p1=2.5%p1=2.5%?ê×??î=1.5p2=8.7%p2=9.5% p2p2 1.961.96abp1p1 ?ùÖµ=0.0 ?ê×??î=1.0 p1=2.5% p2=18.1%?ùÖµ=0.6 ?ê×??î=1.5 p2 1.96p1c 图3.5.2 变量的统计特征发生变化时极端事件的概率变化 (a) 表示均值变化而标准差不变; (b) 表示均值不变而标准差发生变化; (c) 表示均值和标准差同时都发生变化(龚道溢,1999) 参 考 文 献 [1] 国家科学技术委员会.中国科学技术蓝皮书第5号:气候.科学技术文献出版社,1990,367p [2] 龚道溢. 气候变暖与我国夏季洪涝灾害风险. 自然灾害学报，1999，8(3):30~37 [3] 龚道溢,王绍武. 近百年来ENSO对全球陆地及中国降水的影响.科学通报，1999， 44(3):315~319 [4] 龚道溢,王绍武. 西伯利亚高压的长期变化及全球变暖可能影响的研究. 地理学报，1999， 54(2):128~133 [5] 龚道溢,王绍武.1998年:近百年来中国最暖的一年, 气象 1999,25(8):1-3 [6] 王绍武,龚道溢,陈振华. 近百年来中国的严重气候灾害. 应用气象学报， 1999,10(增):43-53 [7] 王绍武,叶瑾琳,龚道溢,朱锦红.近百年中国年气温序列的建立.应用气象学 报,1998,9(4):392~401 [8] 王绍武. 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