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近55年呼伦贝尔地区极端低温事件时空变化特征研究

2020-03-23王常顺王慧清

呼伦贝尔学院学报 2020年1期
关键词:呼伦贝尔市呼伦贝尔频数

王常顺 王慧清

(呼伦贝尔学院农林学院 内蒙古 海拉尔 021008;

呼伦贝尔市气象局 内蒙古 海拉尔 021008)

引言

极端天气事件是一种在特定地区和时间内发生的罕见事件。极端天气事件的罕见程度一般相当于观测到的概率密度函数小于第 10 个或大于第 90 个百分位点[1],即在特定地区、特定时间内出现了天气极值。气候上的极值与年平均、月平均气温不同,其更直接的与极端气候事件相联系。20 世纪以来,随着全球变暖进一步加剧,暴雨、洪涝、龙卷、干旱等天气和气候极端事件更为频繁的出现,气象及其次生灾害造成了严重的经济损失和人员伤亡[2]。

极端气温的研究结果显示近几十年来日最低温度都显著上升,最高气温变化的幅度却不大,因此温度日较差显著减小。张宁等[3]研究了中国极端气温的时空变化特征,结果显示我国年与四季极端低温增加趋势较明显,且增温幅度均比极端高温的增幅大。赵玉洁等[4]研究了漠河1963-2000年极端气温的时间变化特征,结果表明漠河极端最高气温表现为升、降交替变化,总体变化十分显著。翟盘茂等[5]利用1951-1999 年的逐日气温资料分析了中国气温变化,表明中国北方夜间极端温度日数呈明显减少且日最低气温低于0℃的天数也是显著减少,这也说明我国北方地区无霜期加长较明显。秦鹏[6]应用REOF和小波分析等方法研究了广东省极端温度的时空变化特征,表明广东省的极端低温值呈升温趋势,且具有明显的年际、年代际等变化特征。刘吉峰[7]通过REOF分区法研究了中国1957-2001年的逐日最低、最高气温,该研究表明北方极端温度表现为增温趋势,而南方除华南沿海地区是增温趋势外,其余地区均为降温趋势,而东北地区近年来极端高温变化的振动开始加强。

众多的研究表明,极端气候事件频发已成为事实,但各国及各地区极端气候类型、发生强度和季节变化差异性极大[8]。呼伦贝尔市地处我国北疆,北纬47°05′~53°20′,东经115°31′~126°04′,属寒温带大陆性季风气候,其气候特点是冬季寒冷漫长、夏季温凉短促,按照气候季节划分标准(QX/T 152-2012)林业区基本无夏季,是全区气温年较差最大的地区,大部分地区年平均气温均在零度以下,林业区和牧业区年极端最低气温在-40℃以下,极端低温事件经常发生,对取暖、出行、公众生活造成一定影响。因此通过分析呼伦贝尔市极端低温事件的特征,可以为生态安全、生产生活及政府决策部门等提供有利依据。

一、资料和方法

(一)资料

1.呼伦贝尔地区站点分布情况

大兴安岭山脉纵贯呼伦贝尔地区,山脊和两麓气候差异明显。遵循气候相似原则,用聚类分型方法,选用表征热量的因子7个、水分因子5个、光因子2个、地理因子3个共17个因子进行筛选,将该地区划分为三个差异明显的气候区域[9]。岭东南海拔较低195~306m,冬季平均气温-15.7℃~-12.7℃,与东北松嫩平原地区接壤,下垫面植被主要以农作物为主故称为农业气候区,简称农区, 位于120°E以东、50°N以南,气象台站包括莫旗(尼尔基镇)、扎兰屯、阿荣旗(那吉镇);岭西北海拔554~662m,冬季平均气温-20.5℃~-16.5℃,与蒙古高原接壤,下垫面植被主要以草原为主故称为牧业气候区,简称牧区,位于120°E以西、50°N以南,气象台站包括海拉尔、陈巴尔虎旗(巴彦库仁镇)、鄂温克旗(巴彦托海镇)、满洲里、新巴尔虎右旗(阿拉坦额莫勒镇)、新巴尔虎左旗(阿木古郎镇);岭上及岭东北海拔287~740m,冬季平均气温-23.5℃~-18.2℃ ,下垫面植被主要以森林为主故称为林业气候区,简称林区,位于120°E以东、50°N以北,气象台站包括牙克石、额尔古纳、根河、鄂伦春(阿里河镇)、图里河、博克图、小二沟(图1)。

图1 呼伦贝尔地区气候区划图

2.数据来源

本文的数据是呼伦贝尔地区 1961-2015年55年16个站点均一化逐日最低气温观测数据。

(二)分析方法

本文采用百分位法来确定呼伦贝尔地区极端低温阈值及事件,请见Bonsal et al(2001)的文章。

综合考虑本文所用资料序列的长度较短,也为了进一步避免受错误值的影响,将温度序列的第 95(5)个百分位上的值作为极端高(低)值或极端高(低)温或是极端温度事件的上(下)阀值,如果某日的温度超越了上阀值,就称该日发生了极端高温事件,如果超越了下阀值,就称该日发生了极端低温事件[8]。

二、呼伦贝尔地区近55年极端低温事件时空变化特征

(一)年极端低温阈值空间分布

呼伦贝尔市的年极端低温阈值呈现南高北低、西高东低的特点,且南北差异显著。16个站点中有 3 个站点的年极端低温阈值在-31.0~-25.6℃之间,主要分布在大兴安岭东侧;8个站点的年极端低温阈值在-38.0~-31.0℃之间,主要分布在呼伦贝尔市西部以及东北部;而中北部地区5个站的年极端低温阈值都在-42.5~-38.0℃之间。这种现象原因主要是地理纬度差异所致,而且受地形和下垫面因素的影响也不容忽视(图2)。

图2 呼伦贝尔市年极端低温阈值空间分布

(二)季极端气温阈值空间分布

1.春季极端低温阈值空间分布

由于受到纬度位置和地形的影响,呼伦贝尔市南部站点其阈值相对比北部较高,南北最大差异达17.3℃,其极端低温阈值南北变化幅度是呼伦贝尔市四个季节中最大的;呼伦贝尔市春季极端低温阈值东西差异没有南北差异这么明显,东西阈值最大相差4.8℃,可能原因是呼伦贝尔市西部春季频繁受到弱冷空气的影响,而同纬度的东部地区由于受大兴安岭阻挡,影响相对较小(图3a)。

2.夏季极端低温阈值空间分布

呼伦贝尔市夏季极端低温阈值空间分布的差异南北较小,最大的相差9.4℃,是呼伦贝尔市四季中极端低温阈值变化幅度最小的,其阈值分布的最小值出现在根河市和图里河镇,最大值出现在岭东的各站点。究其原因,除了受纬度影响外,地形和地理位置也影响较大。呼伦贝尔市夏季极端低温阈值东西部差异也不明显(图 3b)。

3.秋季极端低温阈值空间分布

呼伦贝尔市秋季极端低温阈值南北差异相对于夏季较大,但相对于春季较小,地处最北端的根河市与最南端的扎兰屯市秋季极端低温阈值相差达13.8℃,其中岭东各站点阈值均在-23.2~-21.1℃之间,要比北部站点高。呼伦贝尔市秋季极端低温阈值在东西方向上的差异,低纬变化幅度较高纬变化幅度小,北部各站点其阈值范围大多在 -34.9~-34.4℃之间,最大幅度在0.5℃左右,而低纬度地区东西差异明显,如:新巴尔虎右旗与同纬度附近的扎兰屯市差异最大为 2.9℃。这基本也与地理位置、纬度、地形及下垫面等因子有关(图3c)。

4.冬季极端低温阈值空间分布

呼伦贝尔市冬季极端低温阈值南北变化幅度是四个季节中较春季次大,幅度最大为16.9℃。这反映出呼伦贝尔市冬季最低气温北部与南部有很大差异,这主要受纬度的影响,其次也和大气运动有关。处于同一纬度的各站极端低温阈值差异不明显,但是高纬度较低纬度的东西差异大,这主要是因为大兴安岭以西地区冬季受冷空气频繁活动影响较大,而同纬度东部地区由于受大兴安岭的阻挡,冷空气越山后减弱,影响较小(图3d)。

图3 呼伦贝尔市春季(a) 、夏季(b)、秋季 (c)、冬季 (d)极端低温阈值空间分布

(三)极端低温事件时空变化

1.极端低温事件时间变化

(1)年极端低温事件时间变化

呼伦贝尔市55年来的极端低温事件发生频数总体上处于一个减少的趋势(图4),但每年都有极端低温事件的发生,其中 1969 年极端低温事件发生了303次。

图4 呼伦贝尔市1961-2015年年极端低温事件频数时间变化

(2)四季极端低温事件时间变化

呼伦贝尔市55年来四季极端低温事件变化趋势整体呈下降趋势,在2000年前后略有增加。其中,冬季极端低温事件变化趋势下降最为显著,其次为春季和夏季,秋季极端低温事件变化趋势相对下降较为缓慢。

春季极端低温事件变化较大(图 5a),总体是减少的趋势,但变化趋势不明显。春季极端低温事件在2014年发生次数最多,为24次。

夏季发生极端低温事件的总趋势也呈减少趋势(图5b),这一时段内极端低温事件频数最少的一年是 2011年为0次,其次为1984年、1985年、1989年和1990年,各年分别出现1次。

秋季发生极端低温事件的总趋势呈现缓慢减少(图 5c),但是这种减少趋势比春、夏季更加不明显。

冬季发生极端低温事件的变化趋势同样呈现减少的趋势且这种趋势是显著的。近 2年来呼伦贝尔市冬季极端低温事件发生次数为0,这也从另一个侧面表明呼伦贝尔市冬季气温是升高的(图 5d)。

图5 呼伦贝尔市1961-2015年春季(a) 、夏季(b)、秋季 (c)、冬季 (d)极端低温事件频数时间变化

2.极端低温事件空间分布

(1)年极端低温事件频数空间分布

从图6可以观察到呼伦贝尔市55年来年极端低温事件频发地主要在扎兰屯市、鄂伦春旗及图里河镇这3个站点,这些地方55年来的年极端低温事件高达 463~583 次,年极端低温事件频数最少的出现在新巴尔虎右旗,该地55年来的年极端低温事件出现次数为256次,比出现最多地的一半还少。

图6 呼伦贝尔市年极端低温事件频数空间分布

(2)四季极端低温事件频数空间分布

从呼伦贝尔市55年来春季极端低温事件空间分布图(图 7a)中发现:呼伦贝尔市55年来春季极端低温事件频发地主要在陈巴尔虎旗和牙克石市,这2个站点55年来的春季极端低温事件频数为85~89次,而春季极端低温事件频数最少的出现在扎兰屯市,该地55年来的年极端低温事件出现次数为51次。

呼伦贝尔市55年来夏季(图7b)极端低温事件频发地主要在满洲里市、鄂温克旗、牙克石市、博克图镇和莫力达瓦旗5地,这5个站点55年来的夏季极端低温事件频数均在100次以上,而夏季极端低温事件频数最少的出现在海拉尔区、陈巴尔虎旗、根河市、阿荣旗和扎兰屯市5地,这5个站点55年来的年极端低温事件出现次数均少于80次。

而呼伦贝尔市55年来秋季(图7c)极端低温事件频发地主要在牙克石市、扎兰屯市和莫力达瓦旗,该3个站点55年来秋季极端低温事件频数均在90次以上,秋季极端低温事件频数最少的出现在陈巴尔虎旗,该地55年来的年极端低温事件出现次数为63次。

呼伦贝尔市55年来冬季(图7d)极端低温事件频发地主要在满洲里市、新巴尔虎右旗和图里河镇,该3个站点55年来秋季极端低温事件频数均在100次以上,而冬季极端低温事件频数最少的出现在海拉尔区和扎兰屯市, 55年来的年极端低温事件出现次数分别为69次和63次。

总体来讲,呼伦贝尔市55年来四季极端低温事件频数高纬度地区发生次数比低纬度多,西部地区比东部地区多,夏季和冬季出现次数较春季和秋季出现次数多。

图7 呼伦贝尔市春季(a) 、夏季(b)、秋季 (c)、冬季 (d)极端低温事件频数空间分布

三、结论

(一)呼伦贝尔地区年极端低温存在明显的南北差异和东西差异性。南北差异主要和气温带的划分保持了良好的一致性,极端低温阈值南部比北部高。而其东西差异却与干湿带的划分保持了良好的一致性,总的分布情况是东北地区比西南地区低。

(二)呼伦贝尔地区四季极端低温阈值空间分布特征总体上也是东北地区比西南地区低。这表明极端低温阈值和纬度、地形及下垫面等因素均相关。四个季节中南北的极端低温阈值变化幅度较大,可见这与我国冬季南北温差大是相关的。

(三)极端低温事件时间变化:呼伦贝尔市年极端低温事件发生频数总体上处于一个减少的趋势,但每年都有极端低温事件的发生,其中 1969 年极端低温事件发生了303次。四季极端低温事件变化趋势整体呈下降趋势,在2000年前后略有增加。其中,冬季极端低温事件变化趋势下降最为显著,其次为春季和夏季,秋季极端低温事件变化趋势相对下降较为缓慢。呼伦贝尔地区极端低温事件在减少也从另一个侧面上反映呼伦贝尔地区气候有增暖的趋势。

(四)极端低气温事件空间分布:呼伦贝尔市55年来年极端低温事件频发地主要在扎兰屯市、鄂伦春旗及图里河镇这3个站,最少的出现在新巴尔虎右旗,该地55年来的年极端低温事件出现次数为256次,比出现最多地的一半还少。四季极端低温事件频数高纬度地区发生次数比低纬度多,西部地区比东部地区多,夏季和冬季出现次数较春季和秋季出现次数多。

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