黑龙江省2012年后由暖干转暖湿型气候变化及预测分析

2013-10-17潘华盛吴玉影

黑龙江大学工程学报 2013年3期

潘华盛，王勇，邹斌，吴玉影

（1．黑龙江省气象台，哈尔滨 150030；2．黑龙江省气象信息中心，哈尔滨 150030；3．龙口市气象局，山东龙口 265700）

气候变化问题已成为一个全球环境问题，越来越引起世界各国政府和人民的关注与重视。全球变暖是目前气候变化的一个主要论题。近100多年来全球地面温度已升高0．3～0．6℃，其中11个最暖年份发生在20世纪80年代中期以后［1－6］。黑龙江省是全国变暖幅度最大值区之一，近年来所发生的极端天气气候事件日渐增多。1991、1994年严重洪涝和1998年嫩江、松花江超百年一遇的特大洪水；2000～2001年、2007～2008年大面积严重干旱和水资源严重短缺，森林火灾的频繁发生；1985、1994年台风暴雨特别是2012年布拉万台风给人民生命财产、国民经济造成巨大损失［7－12］。研究气候变化及预测，就是更好地掌握气候变化规律趋利避害，对制定国民经济发展规划，特别对农业、水利、生态环境事业的发展有重要意义。

1 降水变化分析

1．1 百年来降水多、少水时段特征

从图1可见，1909～2011年年降水回归方程趋势项系数来看，103a中降水趋势无大变化，在103a减少了15mm，平均减少1．5mm／10a。按5年降水滑动平均和采用u检验，将1917～1928年定为少水期；1929～1940年为多水期；1941～1954年为少水期；1955～1966年为多水期；1967～1982年为少水期；1983～1998年为多水期；1999～2011年为少水期。将各时段特征值列入表1。在多、少水期中，持续的降水多、少年份数≥12a；出现降水多时的年数≥8a（1941～1954年稍少水期除外），而且少、多水段极值基本在380～445mm、654～733mm。另从表1可见，多、少水时段持续时间平均为13．5a，而且1967年后多、少水时段持续时间尺度在13～16a。1999～2011年已经历了13a基本进入了降水转换周期，因此分析预测未来2012～2014年要开始转多水段，多水的频率要增多。

图1 1909～2011年年降水变化及5a滑动平均Fig．1 Annual precipitation of 1909～2011and 5amoving average

表1 多、少水时段特征值Table 1 Much、less water period characteristic values

1．2 周期分析

1954～2011年年降水小波分析见图2，年降水在长周期30a的变化中，多、少、多、少分布很明显1954～1966年为多水，1967～1982年为少水，1983～1998年为多水，1999～2011年为少水，2011年后多水已抬头。另外在14～15a周期变化中，2011年后多水趋势也开始显露。

图2 降水小波分析Fig．2 Precipitation wavelet analysis

1．3 降水年代际变化特征

近百年降水年代际变化特征见图3，近百年降水年代际变化基本为2升1降或2降1升，30年代降水均值达565mm。40年代降水下降，50年代降水上升，年代降水均值达569mm。而后又开始连续20a（60～70年代）降水呈大幅下降趋势，70年代降水均值达471mm，为近100a降水最少期。而后在80年代降水又大幅上升，年代降水均值达572mm，为近100a降水最多期。之后在90年代和本世纪10年代，连续20a降水呈下降趋势，但年代降水均值未达到上世纪70年代最低值。

图3 降水年代际变化Fig．3 Precipitation decadal change

综上可见，从上世纪90年代和本世纪10年代已连续2个年代降水下降，因此本世纪从2012年开始降水应该将由少水转为多水。

1．4 转多水开始时间指标

历次转多水的统计见表2，从降水开始的第一年至第三年平均降水量＞多年平均降水量10%～20%或以上，定为多水段的开始年。因此2011年不应定为多水段开始，而从2012年开始转多水为宜。

表2 多水期开始第一至第三年降水Table 2 More water first to third years precipitation

年代际转多水指标见表3，开始第一至第三年降水平均降水量＞多年平均降水量10%～20%或以上，定为多水年代的开始年代。

表3 年代际多水开始第一至第三年降水Table 3 Decadal much water first to third years precipitation

综上，我省降水将从2012年开始，由少水段转多水段，时间尺度在13a左右。

2 黑龙江省2011～2050年逐年降水模拟预报

这一节引用文献［13］部分结果。

2．1 对2000～2009年黑龙江年平均降水量距平模拟预报的气候态比较与检验

使用CCCma、Ccsr、Gfdl、Csiro和 Hadley海－气数值模式，采用GS排放情景（CO2倍增＋气溶胶）对2000～2050年，其中时段2000～2009年降水模拟预测来看，近10a降水模拟值往往很小，距平在1～3mm，与实况值均方误较大，因此不能直接使用模式作降水预报。考虑到动力模式系统的偏差，可以像短期预报模式解释适用的“MOS”方法一样，利用模式预报结果，选出模拟值与实际监测值无显著差异的通过u检验的，正相关系数大的（见表4），预报较好的4个模式，分别是CCCma、Gfdl、Csiro和Hadley模拟结果作为因子考虑，构建成4因子逐年降水预报回归方程，如下：

其中Ysawf为年降水量距平预报值；a0＝－17．9；a1＝－2．6；a2＝92；a3＝40．8；a4＝148．9；x1、x2、x3、x4分别为CCCma、Gfdl、Csiro、Hadley预报值；2000～2009年预报值与实况值拟合相关系数为0．70。

表4 2000～2009年10a平均降水量距平模拟值与实况值气候态比较Table 4 2000～2009 10aaverage precipitation anomaly simulated and real values of climate state comparison

2．2 2011～2050年逐年降水模拟预报

未来40a预报结果见图4。总的降水以稍偏少为主。从5a滑动平均来看，2011～2025年降水偏多；2026～2036年降水偏少；2037～2050年降水呈波动升降形势，趋于正常。从年代际变化来看（图5），在2011～2020年稍偏多一些，多不足10 mm；降水主要集中在2010～2019年中后期，2019年降水较常年多111mm。2020～2029年，降水明显减少，较常年偏少30mm，尤其是2027～2029年偏少近100mm，有干旱时段发生；2030～2039年，降水稍偏多一些，较常年多10mm左右；2040～2050年，降水接近常年值。40a累计降水偏少21mm，减少速率5．2mm／10a，较正常。

3 气温

3．1 气温变化特征

图4 2011～2050年逐年降水距平预报值Fig．4 2011～2050yearly precipitation anomaly forecast values

图5 2011～2050年降水预测年代际变化Fig．5 2011～2050precipitation forecast interdecadal variation

从黑龙江省年均气温1909～2011年共103a的气候变化来看，气温呈线性上升趋势（图6），103a中上升2℃，平均上升0．2℃／10a。尤其是1988年以来气温大幅上升，1988～2011年的24a平均气温达3℃，较历年平均（1951～2000年，50a平均2℃）提高了1℃。其中2007～2008年达到了近百年最高值为4．2℃，高于历年2．2℃。

图6 1909～2011年年均气温变化Fig．6 Average annual temperature varies from 1909to 2011

在近百年的气温变化中共化分4个阶段，见表5。1942年前黑龙江省气温以偏低为主，1942～1955年有一较短时段的气温升高，而后1956～1987年有较长时段维持气温较低，1988年开始，1988～2011年气温大幅升高。未来高温时段将持续，但气温有所下降。

3．2 2011～2050年气温预测模拟

1999年利用CCCma、Ccsr、Gfdl、Csiro和Hadley海－气数值模式，采用IS92a，GS排放情景，对黑龙江省2000～2050年的气温进行了年、季的气候模拟预测。10a过去了，对5模式进行气候态检验，选取相关系数大的，均方误小的的模式，进行2011～2050年气温预测，模式产品输出的结果成为因子，进行回归计算，最终结果见图7。气温呈明显线性增高趋势，未来40a将升高1．4℃，在本世纪40年代增高更为明显。而在2024、2031、2047年前后也有几次的降温年。

图7 2012～2050年年气温距平模拟预测值Fig．7 2012～2050temperature anomaly prediction value

另从年代际气温2010～2050年年代际预测来看（图8）。2010～2019年气温较上10a平均下降0．2℃；2020～2029年，2030～3039年，2040～2050年，气温一直上升，但在2040～2050年中上升放慢一些，较前10a下降0．1℃。

图8 2010～2050年年代际气温变化预测Fig．8 2010～2050predication decadal changes in temperature

4 干暖型向湿暖气候型转换的分析

4．1 气候变化干湿、冷暖综合分析

将1909～2011年的年温度、降水变化经5a滑动和趋势线见图9，明显划分为7个时段（表6）。在103a中，基本上冷干有2段1909～1927年、1970～1982年，间隔44a；冷湿有2段1928～1940年、1955～1969年，间隔16a；暖干有2段1941～1954年、1999～2011年，间隔45a；暖湿仅有1段1983～1998年。看来上世纪80年代气候变暖后只有暖湿、暖干的变化。另外，从时段的转换有14a的周期，因此2012年后14～16a转为暖湿时期（但暖的程度有些下降）。

4．2 2012～2050年干湿、冷暖时段预测

将温度和降水的数值预测按年代际结果给出见表7、图10，未来40a降水的形势呈多、少、多、少的趋势，即2011～2020年为暖湿气候；2021～2030年为暖干气候；2031～2040年为暖湿气候；2041～2050年为暖干气候。

表6 干湿、冷暖时段划分Table 6 Dry and wet，cold and warm periods

图9 干湿、冷暖综合Fig．9 Dry and wet，cold and warm comprehensive

表7 2012～2050年干湿、冷暖时段Table 7 2012～2050wet and dry，cold and warm periods

图10 2001～2010年实际值2011～2050年预测值Fig．1 0 2001～2010actual value and 2011～2050predictive value

5 结语

通过对103a降水资料进行降水趋势、时段变化、周期、年代际、数值模拟等项分析表明，降水总趋势无大变化，多、少水共分7个时段，转换周期在14a左右；综合各项结果2012年将由少水型转为多水型。对温度变化分析同样采用以上方法，在103a中年气温上升2℃，尤其是1988年以来气温大幅上升，1988～2011年的24a平均气温达3℃，较历年平均提高了1℃。未来气温继续升高，但较1999～2011年段平均气温将有所下降。进行气温、降水变化的叠合，结果表明2012年后黑龙江省将由暖干型转为暖湿型。

［1］符淙斌，黄燕．亚洲的全球变化问题［J］．气候与环境研究，1996，2 （1）：97－112．

［2］J·Houghton（英）．全球变暖［M］．戴晓苏，石广玉，董敏，等译．北京：气象出版社，2001．

［3］林而达，李玉娥．全球气候变化和温室气体清单编制方法［M］．北京：气象出版社，1998．

［4］中国气候变化国别研究组．中国气候变化国别研究［M］．北京：清华大学出版社，2000．

［5］丁一汇．中国气候变化—科学、影响、适应及对策研究［M］．北京：气象出版社，2009．

［6］任国玉，徐铭志，初子莹，等．近54年中国地面气温变化［J］．气候与环境研究，2005，10 （4）：717－727．

［7］潘华盛，张桂华，徐南平．20世纪80年代以来黑龙江气候变暖的初步分析［J］．气候与环境研究，2003，8 （3）：348－355．

［8］周秀杰，张桂华，潘华盛．黑龙江省气候变暖对极端天气气候事件的影响［J］．气象，2004，30 （11）：47－50．

［9］郑红，郑凯，张桂华，等．气候变暖对黑龙江省灾害气候影响及减灾对策［J］．自然灾害学报，2003，12 （4）：150－153．

［10］白人海．黑龙江省近50年干旱发展事实及分析［J］．黑龙江气象，2003．（1）：9－14．

［11］云雅如，方修琦，王媛，等．黑龙江省过去20年粮食作物种植格局变化及其气候背景［J］．自然资源学报，2005，20 （5）：697－705．

［12］景学义，方丽娟，郭家林，等．黑龙江省暴雨的特征及天气学分类［J］．自然灾害学报，2005，14 （1）：53－58．