气候区划方案对气候区划方案的影响

气候区划方案对气候区划方案的影响

1阈值的确定—引言极端高、低温和异常强降水是气候变化研究的重要内容。伴随与之俱来的灾害性天气气候事件的频发,国内外对该研究也从未间断,并且越来越重视[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12];研究基本围绕对其表征值的确定、发生、时空分布、演变趋势以及可能影响因子分析等[5,6,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]。阈值的确定是界定相应灾害性事件的根本依据。为了不同地区的可比性,极端高、低温和异常强降水阈值计算采用最多的是以某个百分位值来确定,但具体划分标准不一,极端降水事件阈值计算时有取99百分位的,有取95百分位的,也有取97.5百分位的,温度计算时取90百分位的居多;阈值的计算方法针对不同的要素也不尽相同,即采用排序法、插值法、分组法、正态变换法、平方根变换法和立方根变换法等方法进行的研究;计算的地域范围也多种多样,有针对某一特定区域的[7,16,19,24,29,31],也有全国范围的。气象要素阈值的确定一般应满足如下要求:计算简单性;不同地区、不同季节的可比较性;不同气候阶段的稳定性。中国气候复杂多样,既有多种多样的温度带,又有多种多样的干湿地区,不同温度带和干湿区的气候特征决定了不同要素阈值的差异性,而以往鲜有从该角度进行针对高、低温和强降水阈值的研究报道。本文采用计算温度和降水阈值的成熟算法,基于现有气候区划方案,分不同温度带及干湿区分别确定高、低温及强降水逐月阈值。2比较系统的气候区划气候区划是指按气候特征相似和差异程度,以一定指标、对一定地区进行的气候区域划分。气候区划的目的是从系统的角度深入了解气候状况的区域分异规律和各地的气候特征。中国气候学家自20世纪30年代起就已开始了比较系统的气候区划工作,到目前为止开展了80余年的研究工作,积累了大量的科研成果,形成了不同版本的气候区划方案[35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50]。最近郑景云等利用1971-2000年中国609套气象站日观测数据对中国气候进行了比较系统的重新区划。其基于地带性和非地带性相结合、发生同一性与区域气候特征相对一致性相结合、综合性和主导因素相结合、自下而上和自上而下相结合的原则以及空间分布连续性与取大去小的原则,按温度带、干湿区和气候区三级体系,将中国划分为12个温度带、24个干湿区和56个气候区。本文中的气候区划即采用上述区划方案。3分析网点分布选取中国国家气象信息中心提供的逐日最高气温、最低气温及降水量资料。该资料经过时空一致性、气候极值和逻辑检查等数据质量控制工作。初始分析站点总数为2522套,包括自动观测站和人工观测站两部分;站点类型包括国家级台站基准气候站、基本气象站、一般气象站和区域级台站以及新疆和黑龙江农垦及兵团自建观测站。最长资料序列为1951-2010年,达59年;但仍有96套观测站资料序列不足30年,故不分析。因此,最终分析站点总数为2426套,各序列长度站点数量分布情况如表1所示。从表1中可看到,接近80%的站点序列长度超过50年。郑景云等的气候区划新方案将中国分为寒温带、中温带、暖温带、北亚热带、中亚热带、南亚热带、边缘热带、中热带、赤道热带、高原亚寒带、高原温带和高原亚热带12个温度带与湿润、半湿润、半干旱和干旱4个大干湿区。基于该方案,利用ArcGIS软件,将分析站点定位到各温度带和干湿区,建立气候区域与分析站点的一一对应关系(图1)。表2和3是不同温度带和干湿区分析站点数量。我国大部分地域隶属温带、亚热带和湿润、半湿润气候区。从表2和3不同气候带站点分布情况来看,不同温度带中,超过80%的分析站点主要分布在中温带、暖温带、北亚热带和中亚热带,其中暖温带和中亚热带站点数量分别占27%和24.3%,其余温度带站点数量相对较少,赤道热带地区中无可分析站点分布;不同干湿区:超过80%的站点分布在湿润和半湿润区,干旱区数量分布很少。从图1中也可看出,自动气象站所占比例高的区域,其地理面积相对较小,研究结果具有较大的代表性;反之,地理面积较大的地区,分析站点数量相对较少,研究结果的代表性较小。因此,东部地区各气候带具有较大的代表性,高原温带、高原亚寒带及干旱和半干旱区研究结果的代表性相对较低。4常用的几种方法气象要素阈值划分标准和计算方法多种多样,而且针对不同的观测要素计算方法也不尽相同。本文在前人研究的基础上,针对温度和降水分别采用分组法及排序法、插值法、正态度变换法、平方根变换法和立方根变换法分别对应不同温度带和干湿带计算两类要素逐月阈值[4,5,14,15,18,19,26,30,52]。4.1常规方法传统温度阈值计算的前提是样本序列的概率分布遵从均匀分布,但李庆祥等的研究结果表明,我国大部分台站的概率分布既不遵从均匀分布,也不遵从正态分布,常规方法不能反映气温阈值实际情况。因此,本文温度阈值基于李庆祥等的研究方法,采用应用经济统计学中样本频率分组的方法,基于样本序列实际概率分布来确定百分位阈值,即研究中高温阈值取95%位值,低温阈值取5%位。4.2插值法计算方法在已有研究结果的基础上,本文采用的降水阈值计算方法主要包含常规的排序法和插值法以及正态变换法、平方根变换法和立方根变换法。排序法和插值法为常规计算方法,即将统计时段内所有的降水序列按大小升序排列,得到X1,X2,…,Xn,通过确定相应百分位数来确定阈值。该两种方法假定降水序列遵从均匀分布,但实际中因降水的时空不连续性,决定了其并不遵从均匀分布。正态变换法、平方根变换法和立方根变换法通过数学方法,将不连续、不均匀分布的降水序列转化为标准正态分布,以此确定降水百分位阈值,是计算离散型降水阈值的有效方法。5不同地区的高、低、高流量阈值5.1气候阶段的阈值离散度目前普遍采用30年滑动气候阶段样本计算不同要素阈值。例如,某站统计起始时间为1954年,结束时间为2010年,以30年为一个气候阶段,则1954-1983年为第1气候阶段,1955-1984年为第2气候阶段,直到1981-2010年为第28气候阶段。针对温度和降水分别采用分组法与排序法、插值法、正态变化法、平方根变化法和立方根变换法分别计算不同气候区、不同月份第i气候阶段(i=1,…,N,N为气候阶段)的不同百分位阈值Xi,然后计算N个气候阶段要素阈值的平均值ue0af、标准差Sx和离散度Cvx。此处气候阶段的阈值代表性用离散度来度量,即:一般Cvx<1。若Cvx>1,表示阈值估计值变化平均幅度大于平均值,即阈值代表性差。比较几种方法的离散度,离散度最小的即为最优方法,相应的阈值计算结果即为该要素该区域该统计时段的阈值。计算气候阶段时序列百分位阈值时,不同要素采用的值也不尽相同。文中高温取99.90百分位值,低温取0.1百分位值,降水取99.90百分位值。5.2基于温度带的热价分析利用分组法最终确定的不同温度带高低温逐月阈值结果如图2所示。从图2中可看出,我国夏季最高温度阈值明显高于气象部门常用的高温灾害预警值35℃的标准,体现了极端高温的特点,同时也说明本文中高温阈值的合理性。由于温度带中不包含赤道热带,故该温度带无相应分析观测站分布。表4和5给出了我国所有主要温度带夏季最高温和冬季最低温阈值结果。从图2与表4、5中可以看出,6—8月高、低温阈值全年最高,12月—次年2月全年最低,且温度阈值与平均温度全年变化趋势保持一致;最高温阈值最大值出现在7月份的暖温带,而非边缘热带。影响气温高度的因素有纬度、当地海拔、局地地形和下垫面状况等。暖温带中7月高温阈值主要是由高山站的海拔因素引起,而本文未考虑海拔因素对温度的影响;最低温度阈值的最低值出现在1月的寒温带,而非高原亚寒带,主要是因为低温中纬度因素的影响超过海拔的影响。5.3日降水量阈值气象业务中降水阈值的确定应该有如下要求:计算简单性;不同地区、不同季节的可比较性;不同气候阶段的稳定性。文中分别采用排序法、插值法、正态变换法、平方根变化法和立方根变换法共5种方法分别计算了强降水要素30年阶段气候序列的离散系数。计算结果表明,正态变换法计算离散系数相对最小,而且在不同干湿区具有普适性。因此,本文以正态变换法计算结果作为我国不同月份逐日降水阈值(图3)。从图3中可看出,干旱区最大日降水量基本维持在10mm左右,而且各月间不存在较大差异,其余干湿区中各月间差异较大,其中湿润区6月最大,日降水量超过120mm。表6给出了中国不同干湿区夏季日强降水逐月阈值结果。从表6中可以看出,除6月外,夏季日降水阈值均超过我国气象部门定义的暴雨标准(日降水量为50~100mm);而且在不同气候区存在较大的差异,湿润区阈值均超过大暴雨的标准(日降水量为100~200mm),干旱区为小雨标准(日降水量<10mm)。这与我国实际降水情况基本吻合,进一步说明本文降水阈值的合理性。6地面观测数据质量控制本研究结果可为我国极端高低温及暴雨天气气候灾害事件的实时监测与预测预警服务提供参考,同时也为温度与降水观测数据实时质量控制提供基础参数。近年来极端天气气候事件频发,如继1998年长江流域特大洪水灾害之后,我国经历了2008年南方罕见雨雪冰冻灾害、2010年舟曲特大滑坡泥石流地质灾害、西南地区持续干旱、2012年的北京“7·21”事件和多次双台风对我国近海的影响等,灾害性天气气候事件影响的强度也逐渐增强,针对各类灾害事件,中国气象局也制定了14类主要灾害事件不同级别预警信号,但基本为各类预警的判断全国范围采用同一标准,如高温黄色预警为“连续三天日最高气温将在35℃以上”,未考虑地域等因素,而我国东西南北跨度大,下垫面结构复杂,真正致灾的气象要素“门槛值”存在较大的差异。但本文研究结果从不同气候区制定了高、低温及强降水阈值,基于该阈值制定不同气候区不同级别预警信号发布标准更符合实际情况。此外,地面观测数据实时质量控制中极值检查是时空一致性、逻辑判断、时变检查和格式检查之外的重要方法,目前常用的极值参数大多通过对单站或一定地理区域一定数量地面观测站的历史观测数据统计得到,很少从气候学角度按照气候区域或气候带进行统计。本研究结果为区域气候极值检查提供了背景参数,同时为从气候区域角度进行气候极值检查,较按照地理区域进行气温和降水要素实时质量控制更科学。7气候区模拟对比(1)以国家气象信息中心提供的2426套逐日温度和降水气象站观测资料为基础,以气候区划新方案为气候区划方案,采用分组法和排序法、插值法、正态变换法、平方根变换法与立方根变换法,分不同气候区分别计算了我国主要温度带和干湿区高低温和强降水逐月阈值。经验证,该研究结果具有一定的气候代表性和可信性,可为极端高低温和极端暴雨气候事件的实时预警提供参考依据;