近40年中国平均气候与极值气候变化的概述_钱维宏
第22卷第7期2007年7月
地球科学进展
ADVANCES I N EARTH SC I E NCE
V o.l22N o.7
J u.l,2007
文章编号:1001-8166(2007)07-0673-12
近40年中国平均气候与极值气候变化的概述*
钱维宏，符娇兰，张玮玮，林祥
(北京大学大气科学系，北京100871)
摘要：随着中国气象局对近50年来逐日气象观测资料的释放，人们从不同的角度对中国平均气候和极端气候的分布特征有了更多的了解。从目前研究的结果来看，这些认识需要有一个集成，即需要有一个总体的归纳和解释。通过中国近40年来的温度极值和降水极值事件的分析认识到全球增暖和区域环流异常决定着
气候极值事件的分布格局。与全球增暖相联系的是：我国微量降水在空间上表现为一致的减少趋势，我国北方寒潮事件显著减少，冷夜和冷日的减少与暖夜和暖日的增多并存，以及极端强降水有增多的趋势。与东亚季风气流和西风带气流异常对应的我国有效降水在区域分布上发生了显著变化，东部季风区中的/北涝南旱0从1970年代末转型为/南涝北旱0，与华南的偏干一起形成了东部季风区降水从华南、长江到华北的/-、+、-0异常分布型，但华南在1991年出现了转湿的突变；东北和西北先后从1983年和1987年前后转为暖湿气候。极端温度和极端降水趋势的空间分布与平均温度和平均降水趋势的空间分布一致。
关键词：平均气候；极端气候；全球增暖；环流变化；集成分析
中图分类号:P467文献标识码:A
1引言
气候是一段(一个月以上)时间内天气的总和特征。这个总和在统计意义上既包含了平均状态，也反映了极端情况，如极端高温和极端低温等。为分辨起见，我们认定前者为平均气候，而后者为极端气候。近年来，中国气象局公布了近50年来的逐日气象观测记录。无疑，这些资料的公布有助于人们对我国平均气候变化和极端气候变化的认识。虽然公布的资料跨度是从1951年开始，但早期的站点相对较少，到1961年以后才基本稳定在700个站点以上。基于这40多年的逐日观测资料，人们可以分析平均气候和极
端气候的区域差异、趋势和突变等变化。关于平均气候的区域差异、变化趋势和突变点等的研究较多；我国极端气候研究较早把文章发表到国外的是翟盘茂等[1]的工作。近年来对极端气候的研究日益增多；极端气候依赖于极端天气事件；极端天气事件是指某一地点或地区在统计分布上不常或极少发生的事件。而极端气候是指某一时段内天气事件的平均状况是极端的或者极端天气事件在该时段内持续发生[2]。极端天气事件的确认可以根据经验，或对社会、经济有重大影响来判断。但为了定量研究还是要从气象要素上给定一个阈值来判别[3]，如大于100mm的日降水为大暴雨极端事件。
I PCC第4次报告[2]则基于气象要素的概率分布，定义小于等于第10个(大于等于第90个)百分位的事件为极端事件。当然，也可以取标准方差作为极端事件的判据[4]，如温度距平小于-2R(标准方差)为异常低温事件等。平均气候、极端气候和气候变率之间是相互关联的，如平均温度升高很可能导致极端高温事件的增加，而气候变率增大也会增加极端高温与极端低温事件的发生概率和强度。实际研
*收稿日期:2007-04-18；修回日期:2007-06-08.
*基金项目：国家自然科学基金项目/东亚夏季风北缘活动带的年代际变率及其成因研究0(编号:40475032)；国家重点基础研究发展计划项目/印度洋海气相互作用及其对亚洲季风异常的影响0(编号:2006CB403602)资助.
作者简介：钱维宏(1957-)，男，江苏东台人，教授，主要从事季风和海气相互作用方面的研究.E-m ai:l
q i anwh@pku.edu
究中往往又很难弄清楚极端气候的变化到底是由于平均气候变化或变率变化，还是二者共同作用所致的[5]。本文主要关注中国范围内平均气候变化与极端气候变化间的联系。
随着观测资料的日益增多，气象工作者对我国的平均气候和极端气候事件做了很多的研究和探索。在平均气候研究方面人们认识到20世纪70年代末在我国东部的季风区中夏季降水型发生了变化，即长江流域降水增多，而华北降水减少，这种降水型的变化认为是夏季风减弱的结果[6]。施雅风等[7]根据多种信息提出了西北西中部气候从1987年出现了向暖湿转型的突变。在极端气候研究方面，翟盘茂等[1,8~16]较系统地对我国的极端气候事件进行了研究，结果表明我国华北地区强降水事件趋于减少，西北地区强降水事件则增多，而我国平均最高温度呈现北方增暖明显，南方变化不明显或呈现弱降温趋势，最低气温呈现变暖趋势。马柱国等[17]分析得到我国北方霜冻日数在近50年有明显的减少趋势，且霜冻日的平均温度显著升高，这预示着区域温度的升高主要体现在霜冻日的温度变化。他们又分析得到20世纪90年代极端干旱频率显著增加，极端干旱的频发区对应增温明显[18]。华丽娟等[19]分析了大城市和小城镇极端温度与温度日较差的差异，结果表明，大、小城市暖日、暖夜天数增加，而冷日、冷夜天数减少，大城市日较差的极端值均比小城镇小，但都呈显著下降的趋势。严中伟等[20]利用中国61个站点的气象观测资料分析得到北方干旱化问题主要反映在微量降水事件的显著减少。严中伟等[21]又通过对北京)上海平均和极端温度变化趋势的对比研究发现，虽然平均温度变化一致，极端事件的变化却存在着很大的区域
差异性。
全球增暖与区域极端气候的关系也有了一些研究[22,23]。I PCC第4次报告[2]指出：单个极端事件很难用人类活动即温室气体的增加来解释，但是模式模拟得出的结论告诉我们，人类活动的影响会使得极端事件出现的概率增倍。高学杰等[24]对东亚地区的模拟表明：在C O2增倍的条件下，极端事件在暖期增加，冷期减少，暴雨雨日也增加。
以上列举了与我国平均气候和极端气候研究有关的重要成果，本文结合我们自己的研究来归纳与集成这些成果，并试图回答以下几个问题:
(1)中国气候变化的客观分区，以及不同区域的时间突变点。
(2)在全球增暖的背景下，中国哪些气象要素响应了该变化。
(3)我国极端气候变化对平均气候变化的贡献。
2中国区域气候变化
受资料长度的限制，本文所关注的中国区域气候变化只包括区域气候突变点的确认和变化趋势的分析。我国区域气候变化研究多用站点资料，用得最多的是50年来的我国160个站点降水和温度资料。在研究
区域气候变化，如长江中下游或华北的年际和年代际干湿变化时，用哪些站点的记录来反映这些区域的降水变化特征存在很大的随意性。在长江中下游选择5个点与选择18个点或30多个点将会使同一年的降水出现不同的距平。用中国486个站的41年(1960)2000)逐日降水资料,Q ian 等[25]根据一个改进的分层聚类分析法(m od ifi e d h-i erarch ica l cl u steri n g m ethod)从季节变化和年际变化两个方面给出了中国降水的分区。从中国降水的季节推进上来看，中国可分为9~22个区。而对于年降水和夏季降水，中国大陆上最多可以划分40个区。基于5个分区的结果得到了不同区域的时间序列，并进行了突变检验分析。新疆区域在92b E以西，检测到的年降水增加的突变点出现在1987年(图1a)，与施雅风等[7]得到的突变时间一致。年降水的东北分区是从115b E以东的渤海以北区域，降水增加的突变点出现在1983年(图1b)。新疆和东北夏季降水的突变时间与年平均降水的突变点相同。夏季只有长江下游降水增加的突变在1979年(图1c)达到了显著水平且在1990年前后继续增多，而华北夏季降水在70年代一直处于减少的趋势上(图1d)，没有出现显著的突变。华南的夏季降水在70年代末经历了一个突变减少的过程，但1991年(图1e)华南降水又经历了突变增加的过程。这是目前我们能够用近40年观测资料检测到的降水变化的突变点,1979年在长江下游,1983年在东北, 1987年在新疆和1991年在华南。
利用多年平均的逐日降水资料，图2分别给出了过去41年和22年的4mm/d降水向北推进时间线[26]。从图2a可以看出降水线的向北推进有4个阶段，第一个阶段降水线稳定在长江下游达一个月，第二阶段稳定在淮河流域的时间较短，第三阶段降水线稳定在黄河中下游达一个月，第四阶段降水线达到最北的位置，时间出现在7月下旬到8月。此后，降水不再向北推进。降水向北推进扫过的地区
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图1降水的突变检验分布
Fig.1The resu lts of th e t-test calcu lated w ith differen t ti m escales fro m5to20years
(a)新疆;(b)东北;(c)长江下游;(d)华北;(e)华南；其中(a)、(b)为年降水,(c)、(d)、(e)为夏季降水[25]；图例中向上、
向下的箭头及对应的填充图形分别表示正、负线性趋势达到了0.01和0.05的显著水平
Annu al preci p it ati on i n(a)the X i n ji ang regi on,(b)N ortheast Ch i na,and summ er preci p it ati on i n(c)t h e lo w er Yangtze R i ver,(d)N ort h Ch i na, and(e)Sou t h C h i na.Val u es0.01or0.05i nd i cate s i gn ifi can ce l evel f or t he t-test.Positive val ues(or arrow s)denote the seri es trans iti on fro m a b el o w-nor ma l to above-nor m al preci p itati on,and negative val ues denote the reverse tran siti on
区被认为是中国副热带季风区。降水线达到最北的位置被称为季风边缘[27]。这样，中国的东南部就是季风区，而降水时间线不能到达的地区为非季风区。季风边缘具有年际和年代际变化的特征。图2b为1979)2000年季风推进过程，与图2a比较可以看出，后22年季风明显减弱，季风边缘的位置向南撤退了几个纬度,4mm/d降水线不能到达河套的大部分地区。此外，向北推进的过程也发生了很大的变化，要么
4mm/d降水日期线长期维持在长江下游，要么直接推进到最北的位置。
根据近40年资料检测到的长江中下游降水年代际突变发生在1979年，图3给出了1979年前后夏季1979)2000年平均降水与1961)1978年夏季平均降水的差[26]。从图3中看出,1979年以后东部季风区中夏季降水在长江中下游和东北地区增多，而在华南和华北减少，即降水年代际异常在东部季风区中呈现/-、+、-、+0的分布型。这篇文章进一步计算了中国东部季风区的南风水汽输送，发现水汽输送的突变减少也是发生在1979年。于是，该文又分别计算了1968)1978年和1979)1998年平均的对流层下层的水汽输送场。结果表明,1979年前低层水汽可以输送到东部季风区的中蒙边境，即水汽可以输送到华北地区，长江中下游受副高控制。1979年后有较多水汽输送到长江中下游地区，华北地区被一环流脊控制，新疆地区的水汽流线也较密，东北处于西风带槽底流线密集区附近。流线的上述
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第7期钱维宏等：近40年中国平均气候与极值气候变化的概述
图2 滑动平均的4mm /d 降水相对1月1日向北推进的日期线[26]Fig .2 D ates of sh ifting 4mm /d isochrones in runn i n g m ean p reci p itati on
(as dates fro m th e 1st January)averaged for t w o per i od s
(a)1960)2000年;(b )1979)2000年(a)1960-2000;(b)1979
-
2000
图3 中国486站夏季(JJ A )1979)2000年平均降水与1961)1978年夏季平均降水的差[26]
F i g .3 Precip itation d ifferences of two p eriods w ith 1979-2000m inus 1961-1978for a summ er m ean ,based on 486station s
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地球科学进展                    第22卷
分布能够很好地解释我国降水型的年代际分布。由于青藏高原的存在，其北部的西风带气流及其水汽输送与高原东部西南季风气流及其水汽输送在我国东部地区会发生年代际的相互作用，因而决定着我国东部季风区降水型的分布。
利用我国1961)2000年年平均降水和年平均温度资料，计算得到了我国年平均降水和年平均温度的趋势
[28]
(图4)。年平均降水的趋势也具有区
域特征，从东北北部，经过内蒙古到我国西北的新疆
和高原地区年降水有增加的趋势，我国东南地区年平均降水也为增加的趋势，而东北的南部、黄河流域和长江中游到我国广西沿海为降水减少的趋势。我国新疆部分地区的年平均降水增加达到了每10年10个百分点。我国的年平均温度趋势基本都是增加的，尤其以北方地区的增温最为明显。35b N 以北、高原和南方沿海的很多站，气温增加达到了每10年0.25~0.5e ，这相当于过去的40年中增加了1~2e 。
图5给出的是过去40
年我国夏季温度和夏季
图4 1961)2000年年平均温度和年平均降水百分率的趋势[28]
F i g .4 T rend s of annual m ean te mp eratu re and p reci p itati on percen tage fro m 1961to 2000i n China
圆圈大小为不同的温度趋势(e /10a)，深灰和浅灰分别表示降水增加和降水减少的趋势(%/10a),
正方形和菱形分别指示增加和减少的趋势达到了0.05的显著水平
The circle s i ze denotes the m agn it ude of te m perat ure trends(e /10a).Dark gray and li gh t gray colors den ote t h e i n creasi ng and deceas i ng trends(%/10a)of preci p itati on percentage .Squ ares and d ia monds i nd icate statistical s i gn ifi can ce at t h e 0.05l evel f or t he upw ard and downw ard trends ,respecti vel
y
图5 同图4，但为夏季(6、7、8月)平均温度(e /10a)和夏季平均降水百分率(%/10a)的趋势[28]
F ig .5 A s i n F i g .4,excep t for the trends of summ er (JJA)m ean te m perature (e /10a)
and preci p itation percen tage (%/10a)
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第7期          钱维宏等：近40年中国平均气候与极值气候变化的概述
降水的趋势。与年平均降水的趋势大致一致，从东北北部经过内蒙古到新疆的夏季降水是增加的，长江中下游的降水也是增加的。其中新疆和长江下游地区的夏季降水增加达到了每10年10个百分点。降水减少的趋势在黄河中下游(华北)和我国南方沿海地区。华北夏季降水减少也达到了5~10个百分点。夏季温度的趋势除了长江中下游存在有负的趋势外，我国北方、西北、高原和南方沿海都为正的趋势。我们对长江中下游的降温趋势的解释是，夏季的降水增加导致了温度的降低。
3 全球增暖对中国气候的影响
近半个世纪以来中国的气温变化与全球的气温变化一样，是普遍升高的，中高纬度的升温速率比低纬大。第三次I PCC 报告
[5]
指出全球对流层低层和
地面的温度普遍上升，而对流层上层和平流层的温度在下降。近地面的温度上升使云底高度上升，即凝
结高度上升。凝结产生的小降水要经过一个较高温度的非凝结层，则小的雨滴被蒸发，地面上能够观测到的小降水事件会减少。事实上，随着地面温度的升高，痕量(小于0.1mm /d)和微量(大于0.1mm /d ，小于1.0mm /d)雨日，无论在夏季，还是冬季都有减少的趋势。图6是夏季小于1mm 雨日事件在过去45年(1961)2005)的变化趋势[29]
。图5和图6有一个很好的对应关系，在夏季温度增加明显的地区微量雨日的减少趋势也大。它们之间大的趋势分布在高原东部和华北与东北地区。此外，大于100mm /d 的大暴雨在长江和黄河流域也表现为增
多，这证明了Gos w a m i 等[30]
的观念，随着全球增暖
极端强降水事件增多了。
图6 同图4，但为夏季小于1mm /d 的降水事件(包括了有降水记录但无量的痕量降水事件)
雨日变化趋势[29](单位:d /10a)
F i g .6 A s i n Fig .4,except for trends (days /decade)of ligh t rai n events i n m ainland
Ch i na for su mm er (JJ A )fro m 1961to 2005
全球增暖中，冬季和中高纬度增暖更快，这导致
了北半球中纬度地区大气南北温度梯度的减小和大气斜压性的减小。于是，中纬度大气中的扰动也减少了，如气旋频次的减少和因气旋引起的沙尘暴天
气的减少[31]
。天气扰动的减少也导致了冬季(10月到次年4月)我国寒潮天气的减少。图7是过去45个冬季(1960)2005)1日(24h)和2日(48h)内最低温度下降10~15e 年次数的趋势变化[32]
。中
国北方和华东地区寒潮次数普遍减少。
冬季24小时升压频次趋势和冬季大风频次趋
势如图8中所示。升压频次减少的趋势并达到信度水平的站点集中在河套)华北和华中地区，很多点上在过去的40年中减少了1~2次。全国大风次数普遍减少，北方比南方减少的多，东部比西部减少的多。
4 极端气候对平均气候的贡献
我们进一步考察极端气候对平均气候的贡献。降水极端事件的表达方式大致可以分为绝对极值和相对极值。绝对极值，如日雨量大于50mm 的暴雨
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>1960年中国发生了什么

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