1951—2018年东北地区极端降水的时空变化特征

2024-01-01刘俊男郭乃旭

农业灾害研究 2024年4期

收稿日期：2023-12-10

作者简介：刘俊男（1997—），男，吉林通化人，研究方向为自然地理。

摘要：研究东北地区近几十年极端降水的时空变化对气候变化监测、归因和预估，以及维护粮食安全至关重要。利用HadEX3数据集，分析了1951—2018年东北地区4个关键极端降水指数的变化趋势。结果显示：中部地区极端降水指数多呈增加趋势，四周尤其是南部地区呈减小趋势；东南部极端降水事件的发生概率增大；近30年极端降水指数波动大且不稳定。东北地区降水总量减少，但空间分布差异增大，日降水强度增加，降水事件日趋极端化。

关键词：东北地区；极端降水；时空变化；趋势分析；降水特征

中图分类号：P426.6 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）04–0-03

近百年来，工业化导致温室气体上升，引发全球气候变暖、海平面上升等极端气候事件，其中极端降水事件在时空上发生显著变化，对各地经济、社会和生态均造成了严重影响[1-2]。我国东北地区作为气候变化敏感区及重要粮食产地，其极端降水变化对农业生产至关重要[3-4]。我国学者对极端降水的研究显示，不同区域的极端降水发生情况存在明显差异，例如，东北和华北极端降水逐年减少，而西北和长江以南地区则逐渐增加[5-7]。基于HadEX3数据集，分析1951—2018年东北地区极端降水指数的时空变化特征，为区域气候变化监测和粮食安全提供支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

东北地区包括黑龙江、吉林、辽宁三省以及内蒙古东部五盟市区域，总面积为124.3万km2。东北地区属温带季风气候，四季分明，夏季温和多雨，冬季寒冷且干燥，该气候下，该区域冬季本区受到蒙古高压的控制[8-9]，

盛行干冷西北风，很多地区的冬季漫长甚至达到半年以上；而夏季时主要受到副热带高压的控制[10-11]，盛行东南信风。自东南向西北方向，该区域年降水量从

1 000 mm降低至300 mm以下，并从湿润区依次向半湿润区、干旱区过渡。在自然景观上，东北地区分布了大面积的森林、草甸草原、黑土以及广泛的冻土、沼泽等景观，是全国重要的商品粮基地。

1.2 极端指数及其定义

极端天气事件和极端气候事件被统称为极端事件，是指某异常天气或产生气候变量值，且该值高于（低于）变量观测值区的上下限端附近的某阈值[12-13]。

为了分析极端的长期变化趋势，同时与国内外研究结果进行对比，采用了4个气候变化监测与指数专家组推荐的极端降水指数[14-15]（表1）。

1.3 数据来源

数据来自英国气象局哈德利中心开发的全球陆地极端气候指数数据集HadEX3，该数据集包含了气候变化监测与指数专家组推荐的27个极端气候指数，其中有11个与降水相关的极端指数。根据研究需要，选取了最大1 d降水总量（RX1day）、最大5 d降水总量（RX5day）、连续降水天数（CWD）和日降水强度（SDII）进行研究，这些指数代表了极端降水在频率、持续时间和强度方面的维度，具有一定代表性[16-18]。通过最小二乘法计算来估计该区域网格时间序列和平均时间序列的线性趋势，趋势估计公式如下：

b=（1）

通过R语言和RStudio进行计算和绘图[19-20]。

2 结果与分析

2.1 极端降水指数变化空间分布

在1951—2018年期间，我国东北地区的各极端降水指数呈现出一定的空间分异（图1）。其中，RX1day的变化趋势在东北地区的分布是自中部地区逐渐向周边地区减少，在中部地区呈0～2 mm/10年的增加趋势，周边大多数地区则过渡到0～2 mm/10年减小的趋势，东北的南部达到了2～4 mm/10年的减少趋势。此外，RX5day的变化幅度和RX1day相比最为明显，东北的中部以及东部局部地区呈0～2 mm/10年的增加趋势，南部地区呈4～6 mm/10年的减少趋势。CWD在东北地区的变化幅度较小，除了中部、西南部、东南部分地区有0～0.05 mm/10年的增加趋势，其余均以减少趋势为主。SDII的变化趋势在东北地区的西北部呈0.1～

0.3 mm/10年的减少趋势，南部及东北部有0～0.1 mm/

10年的减少趋势，其余地区均有0～0.2 mm/10年的增加趋势，SDII的变化趋势相对来说并不明显。总体来说，中部地区大多呈现出增加的趋势，四周地区特别是南部地区呈现出减少的趋势（图1）。

2.2 极端降水指数平均值的空间分布

我国东北地区CWD和SDII指数的年均值分布均匀，均无明显变化（图2）。而RX1day和RX5day指数的年均值呈现出由西北向东南增加的趋势，高值区主要位于辽宁省中南部地区。其中，RX1day多年平均值在东北大部地区都集中在50～65 mm之间，RX1day年均值高值区则在80～110 mm之间；RX5day多年平均值在东北大部地区集中于65～95 mm之间，而RX5day年均值高值区则集中于110～140 mm之间，个别站点RX5day年均值155 mm以上。从这4个指数的年均值比较中可以看出，我国东北的东南部地区极端降水事件发生的概率较大，且易在较短时间内暴发。

2.3 极端降水指数时间变化趋势

通过图中面积加权法分析可知（图3），RX1day和RX5day在研究的时段内，其时间变化的波动幅度相似，1950—1970、1985—2000、2010—2018年均出现偏高的情况，呈现出先增加、后减少的趋势，在这3个时间段依次过渡的时期均出现了较低的状态。RX5day指数的时间变化总体上呈现出减少的趋势，RX1day总体时间变化趋势相对不明显。CWD在研究时间段内虽然波动幅度较大，但总体上呈现出逐渐减少的趋势。SDII的波动幅度相对来说较小，且变化趋势较平缓，在研究时段内呈现出逐渐增加的趋势。

3 结论

（1）从极端降水指数变化的空间分布上来看，我国东北地区极端降水事件发生的频率总体呈增加的趋势，就整个东北地区而言，4个极端降水指数除了SDII外，在空间上的变化具有相对一致性。在东北地区的变化趋势是在东北中部大多呈现增加的趋势，而东北四周大部分地区都呈现出减少的趋势，特别是东南部地区其减少的趋势最为明显。

（2）从极端降水指数平均值的空间分布上可以看出，虽然SDII和CWD在整个东北地区无明显差异，但RX1day和RX5day在本区的空间上呈现出明显的自西北向东南逐渐增加的趋势，在南部达到最大值。东北地区的极端降水事件发生频率最高的地区集中在辽宁东部、中部地区，且吉林省的东南部地区发生频率也较高。

（3）从极端降水指数时间变化趋势上来看，这4个极端降水指数在不同年份上波动幅度较大，并且还具有不稳定性，除了CWD整体在1951—2018年期间有着明显的减少趋势，其他3个指数在长期变化中均较为平缓，变化幅度较小。其中，RX1day的变化最为平缓，无明显变化；RX5day有相对不明显的减少趋势；SDII在时间上的变化呈现出相对增加的趋势。

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