陳麗娟,王壬,陳友飛,3?

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,350007,福州;2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,510275,廣州; 3.福建師范大學(xué)地理研究所,350007,福州)

1960—2014年福建省極端氣候事件時(shí)空特征及變化趨勢

陳麗娟1,王壬2,陳友飛1,3?

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,350007,福州;2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,510275,廣州; 3.福建師范大學(xué)地理研究所,350007,福州)

為分析福建省極端氣溫和降水事件的時(shí)空特征及變化趨勢,基于區(qū)域內(nèi)23個(gè)氣象站點(diǎn),1960—2014年逐日降水、最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫資料,采用線性傾向估計(jì)、最小二乘和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)等方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明:1)在區(qū)域尺度下,冷氣溫指數(shù)呈降低趨勢,其中冷持續(xù)指數(shù)和冷夜指數(shù)下降趨勢較顯著;而暖氣溫指數(shù)(作物生長期、暖夜天數(shù)和暖晝天數(shù))均呈顯著增加趨勢;2)過去55年中,除最大持續(xù)降水時(shí)間(CWD)外,總降水量和其余極端降水指數(shù)均呈增加趨勢;3)空間特征上,極端氣溫指數(shù)的上升或下降趨勢在全省區(qū)域內(nèi)基本一致,而極端降水指數(shù)區(qū)域差異明顯,上升傾向率較高的站點(diǎn)主要分布在沿海地區(qū)。極端冷指數(shù)呈下降趨勢,極端暖指數(shù)呈上升趨勢;降水量和極端降水增加而CWD減少,表明強(qiáng)降水在時(shí)間上更集中,該區(qū)域洪澇和局部干旱的風(fēng)險(xiǎn)加大。研究結(jié)果可為區(qū)域水資源適應(yīng)性管理、水土保持及農(nóng)業(yè)管理提供參考依據(jù)。

極端氣候事件;極端氣溫指數(shù);極端降水指數(shù);時(shí)空特征;福建省

在全球氣候變暖背景下,加速的水循環(huán)過程,改變了區(qū)域水文氣象要素,造成更頻繁的暴風(fēng)雨、洪澇和干旱事件,這些極端氣候水文使土壤侵蝕力增強(qiáng),進(jìn)而對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響[13]。IPCC第5次評估報(bào)告顯示,極端暖事件和極端強(qiáng)降水事件,在絕大部分陸地地區(qū)呈現(xiàn)增多特征[45]。極端氣候事件的增加具有顯著危害,已成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。汪寶龍等[5]對中國西北地區(qū)極端氣候變化研究發(fā)現(xiàn),暖指數(shù)顯著增加而冷指數(shù)顯著減少,年降水總量與極端降水指數(shù)呈增加趨勢,并且兩者有較高相關(guān)性;國外學(xué)者研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果[67];任福民等[8]研究中國極端氣溫變化,發(fā)現(xiàn)存在較大季節(jié)差異。前人研究表明一個(gè)事實(shí),不同地理單元和區(qū)域的極端氣候,在時(shí)間和空間上的變化是不均一的,且研究結(jié)果受到時(shí)間和空間尺度影響;因此,在不同區(qū)域范圍理解極端氣候變化特征,對于采取氣候變化的適應(yīng)性對策具有重要價(jià)值。

福建省是受到海陸熱力差異影響巨大的前緣地帶,是極端氣候事件發(fā)生的敏感性區(qū)域之一[910]。眾多學(xué)者對該地區(qū)極端氣溫和極端降水開展了一些研究,但研究更多關(guān)注一種或一類極端氣候事件[11],綜合應(yīng)用多指數(shù)對極端氣候事件的系統(tǒng)研究較少。當(dāng)前,在全球變暖和沿海地區(qū)快速城鎮(zhèn)化影響下,福建省極端氣候事件和洪旱風(fēng)險(xiǎn)有增加趨勢[12],且其強(qiáng)度和頻率變化對人工和自然生態(tài)系統(tǒng)沖擊更大[1314],有必要對該地區(qū)極端氣溫、降水特征及變化趨勢作進(jìn)一步分析。筆者利用1960—2014年福建省逐日氣溫和降水資料,分析極端氣溫和降水事件的時(shí)空特征及其變化趨勢,以期為區(qū)域水資源適應(yīng)性管理、水土保持及農(nóng)業(yè)管理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

福建省(E 115°50′～120°47′,N 23°30′～28° 19′)地處中國東南沿海、臺灣海峽西岸,背靠歐亞大陸,東臨太平洋,因而受海陸熱力影響大。由于季風(fēng)環(huán)流和地形影響,形成有亞熱帶季風(fēng)氣候,雨量充沛,光照充足,氣候條件優(yōu)越。地勢復(fù)雜,境內(nèi)山峰聳立,丘陵連綿,河谷、盆地穿插其間,在整體上呈現(xiàn)西北高東南低,西部及中部形成閩西大山帶和閩中大山帶,東部沿海為丘陵和濱海平原[11]。福建省地形西高東低,素有“八山一水一分田”之稱,而其地形特征和臨海地理位置,使得更易遭受更頻繁的洪澇、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究選取福建省23個(gè)氣象站點(diǎn),1960—2014年的逐日降水資料、平均氣溫和最高、最低氣溫資料?；A(chǔ)數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺,對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,如檢驗(yàn)日降水為0的數(shù)據(jù),最低氣溫大于最高氣溫的數(shù)據(jù),對個(gè)別天缺失的數(shù)據(jù),采用相鄰日期數(shù)據(jù)進(jìn)行平均插補(bǔ)。

2.2 極端氣候指數(shù)選取

參考“歐洲地區(qū)極端事件統(tǒng)計(jì)和區(qū)域動力降尺度”項(xiàng)目公布的極端氣候指數(shù),選取6個(gè)極端氣溫指數(shù)和6個(gè)極端降水指數(shù)(表1)來反映極端氣候不同方面的變化[1516]。其中,極端氣溫指數(shù)如CSDI和GSL反映最大持續(xù)時(shí)間,TN10p、TN90p、TX10p和TX90p則反映氣溫極值的總天數(shù),展現(xiàn)極端氣候在不同層面上的變化,具有極端性較弱、噪聲低和顯著性強(qiáng)的特點(diǎn)[2]。極端降水指數(shù),如PRCPTOT反映研究時(shí)段內(nèi)年際降水總量的變化,R10、RX1day和RX5day反映短時(shí)期內(nèi)強(qiáng)降水時(shí)間、最大降水量的變化,而CDD和CWD分別為干燥和濕潤持續(xù)的最大天數(shù),能較好反映干濕程度的變化。

2.3 統(tǒng)計(jì)方法

運(yùn)用加拿大氣象研究中心等開發(fā)的RclimDex軟件,計(jì)算23個(gè)站點(diǎn)極端氣溫和極端降水指數(shù),通過站點(diǎn)指數(shù)平均的方法,得到每個(gè)指數(shù)在福建省的區(qū)域平均值。擬采用線性趨勢估計(jì)法,分析極端氣候指數(shù)年際變化趨勢,最小二乘法估計(jì)氣候指數(shù)10年變化率。線性傾向率的正負(fù),分別表示極端氣候指數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)上升或下降趨勢。選取Mann-Kendall(MK)方法,對指數(shù)變化趨勢的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),進(jìn)而利用ArcGIS,分析變化趨勢的空間分布特征。

3 結(jié)果與分析

表1 極端氣候指數(shù)定義Tab.1 Definition of extreme climate index

3.1 極端氣溫

3.1.1 極端氣溫指數(shù)年際變化 極端氣溫事件相關(guān)指數(shù)變化顯示(圖1),低溫事件的CSDI、TN10p和TX10p均呈現(xiàn)下降趨勢。CSDI、TN10p和TX10p年際變化傾向率分別是-0.152(P＜0.012)、-0.314(P＜0.0001)和-0.053(P=0.196)d/a,相關(guān)系數(shù)分別是0.512、0.75和0.177,通過M-K顯著性檢驗(yàn)。從演變曲線來看,CSDI在1960—1986年變化較大,1987年后逐漸下降趨于平穩(wěn)。1960—1997年福建省TN10p在12～32 d之間變化,1998—2014年減至5～15 d。TX10p在1960—1993年稍有上升,1994—2014年呈下降趨勢。

圖1 1960—2014年福建省極端氣溫年際變化趨勢Fig.1 Annual variation trend of extreme temperature in Fujian Province during 1960—2014

表征極端高溫事件的GSL、TN90p和TX90p均呈現(xiàn)上升趨勢。GSL、TN90p和TX90p傾向率分別為0.078(P=0.028)、0.293(P＜0.0001)和0.347 (P＜0.0001)d/a。GSL在1960—1975年緩慢上升,1976—2014年上升趨勢明顯,2005和2011年波動較大。1960—1984年TN90p與TN10p變化相似, 1985—2014年TN90p顯著上升,相對的TN10p呈明顯下降趨勢。TX90p在1960—1982年有所下降, 1983年后緩慢上升。

3.1.2 極端氣溫指數(shù)空間變化 通過RclimDex,計(jì)算得到福建省23個(gè)站點(diǎn)極端氣溫10年變化率(圖2)顯示,在全球變暖背景下,極端冷指數(shù)普遍呈減少趨勢,且存在一定空間分異。

CSDI變化傾向率在-3～0 d/a之間,83%站點(diǎn)均呈顯著下降趨勢,主要集中于中部及北部地區(qū)。TN10p變化傾向率在-5～0 d/a之間,下降明顯的地區(qū)分布在西北和東南地區(qū)。TX10p變化傾向率在-2～1 d/a之間,福州、九仙山、平潭、漳州及東山地區(qū)下降明顯。

極端暖指數(shù)也有明顯的區(qū)域差異,GSL變化傾向率在-1～4.5 d/a之間,所有站點(diǎn)均呈現(xiàn)上升趨勢,上升較為明顯的地區(qū)分別為壽寧、九仙山和屏南。TN90p變化傾向率在0～6 d/a之間,所有站點(diǎn)均呈現(xiàn)上升趨勢,增加幅度大的地區(qū)主要在永安、漳州、崇武和平潭。TX90p變化傾向率在-1～4 d/a之間,增加幅度大的地區(qū)主要為漳州、仙游和福州。

3.2 極端降水

3.2.1 極端降水指數(shù)年際變化 福建省近55年極端降水(圖3)與中國區(qū)域內(nèi)的變化趨勢大致相同[1718]。PRCPTOT年際變化傾向率1.988(P= 0.32)mm/a,線性變化整體上呈現(xiàn)增加趨勢,閾值范圍為1 000～2 200 mm。RX1day和RX5day年際變化傾向率分別為0.097(P=0.008)和0.183(P＜0.000 1)mm/a,閾值范圍分別在30～55和50～110 mm。R10年際變化傾向率為0.009(P=0.879)d/a,呈增加趨勢,但較不明顯,R10閾值范圍在30～70 d。CDD以0.035(P=0.579)d/a的趨勢在增加,閾值范圍在20～60 d。CWD年際變化傾向率為-0.028(P＜0.000 1)d/a,閾值范圍在4～16 d,呈現(xiàn)下降趨勢,且在1975、1992和2004年波動較大。

圖2 福建省極端氣溫指數(shù)空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of extreme temperature index in Fujian Province

圖3 1960—2014年福建省極端降水年際變化趨勢Fig.3 Annual variation trend of extreme precipitation in Fujian Province during 1960—2014

3.2.2 極端降水指數(shù)空間變化 近55年福建省地區(qū)極端降水空間變化差異明顯(圖4)。PRCPTOT變化傾向率在-10～60 mm/a,廈門和平潭呈現(xiàn)下降趨勢,且較明顯。RX5day在-4～13 mm/a之間。RX1day變化傾向率在-4～9 mm/a之間,廈門呈現(xiàn)上升趨勢,且較明顯。R10變化傾向率在-1～1 mm/a之間,其中廈門呈顯著上升。CDD變化傾向率在-2～2 mm/a之間。CWD變化率在-1～1 mm/a之間,九仙山和尤溪均呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

圖4 福建省極端降水指數(shù)空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of extreme precipitation indices in Fujian Province

4 結(jié)論

通過分析1960—2014年福建省極端氣溫和降水指數(shù)時(shí)空特征及變化趨勢,對水資源分布、洪澇/干旱模式和生態(tài)系統(tǒng)研究提供理論依據(jù)。主要結(jié)論如下:

1)時(shí)間變化上,極端冷指數(shù)(冷持續(xù)指數(shù)、冷夜天數(shù)和冷晝天數(shù))呈下降趨勢,表明嚴(yán)寒天和極端低溫事件明顯減少,以冷持續(xù)指數(shù)和冷夜指數(shù)最為顯著;極端暖指數(shù)(作物生長期、暖夜指數(shù)和暖晝天數(shù))呈增加趨勢,氣溫變暖與全球變暖趨勢相一致,并且夜間氣溫上升幅度大于白晝氣溫上升幅度?？臻g上,全省區(qū)域內(nèi)極端氣溫指數(shù)的上升或下降趨勢相一致。極端冷指數(shù)下降趨勢顯著,站點(diǎn)主要分布在西北和東北地區(qū),極端暖指數(shù)在整個(gè)區(qū)域范圍均呈顯著上升。

2)對于極端降水指數(shù),年總降水量、強(qiáng)降水時(shí)間、最大1 d降水量、最大5 d降水量和持續(xù)干旱天數(shù)均有增加,而最大持續(xù)降水天數(shù)減少,表明強(qiáng)降水事件在時(shí)間上更加集中?？臻g上,極端降水指數(shù)區(qū)域差異相對明顯,沿海地區(qū)降水極值上升幅度較大。研究表明福建省極端強(qiáng)降水事件頻率增加,洪澇和水土流失風(fēng)險(xiǎn)加大,小雨降水量及降水時(shí)間縮短,局部干旱可能性增加。

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Spatio-temporal characteristics and trends of extreme climate events across Fujian Province,during 19602014

Chen Lijuan1,Wang Ren2,Chen Youfei1,3
(1.College of Geographical Sciences,Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China;2.School of Geography and Planning, Sun Yat-Sen University,510275,Guangzhou,China;3.Institute of Geography,Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China)

[Background]The accelerated water circulation has changed regional hydrological and meteorological elements,which can lead to more frequent flood,drought and soil erosion,and further influence the ecological environment.It is well known that extreme climate events are exhibiting an increase trend in most of the land areas.The increased intensity and frequency of extreme climate events have severe impacts on the human society and natural ecosystem.Therefore,it is of great significance to understand its recent changes in different regions.Fujian Province is located in the southeast coastal region of China with rapid urbanization,and in which there are frequent flood and drought disasters related to extreme climate events.[Methods]This paper analyzed the variability of extreme temperature and precipitation indices in Fujian Province during the period of 1960 to 2014,based on 23 meteorological stations covering daily precipitation,daily maximum temperature,daily minimumtemperature and daily average temperature da tasets from 19602014.The statistic methods including linear trend estimate method,least squares estimation and Mann-Kendall trend analysis method were employed to analyze these indices.[Results]The cold temperature index showed a decreasing trend. The cold index and cold night index showed significant decrease trends,but the heating temperature index(the crop growth period,warm night days and warm days)showed significant increase trends at the regional scale.Over the past 55 years,with the exception of the continuous wet days,all the extreme precipitation indices showed an increasing trend.In the spatial characteristics,the increase or decrease trends of the extreme temperature index were similar over the Fujian Province.Noting that the extreme warming indices had a significant upward trend in the whole region,and the regional differences of extreme precipitation index were obvious that the stations having significant increase trends were mainly distributed in the coastal areas.[Conclusions]All the extreme cold indices showed a decrease trend while the extreme warm indices showed an increase trend.The stations with sharp increasing trend of extreme cold index were mainly distributed in the northwest and northeast areas,and the extreme warm indices had significant upward trend across the whole region.The regional difference of extreme precipitation indices was relatively obvious,and the stations with sharp increase rates were mainly located in the coastal areas.As for the variability in precipitation,the total precipitation and precipitation extremes tended to increase while the wet days tended to be less,which suggests that the extreme precipitation events are more concentrated in time.Therefore,the risk of flood and local drought events increased in the region,and adaptive measures for mitigation of climatic disasters and water resources management should be considered in Fujian Province.

extreme climate event;extreme temperature index;extreme precipitation index;spatiotemporal characteristics;Fujian Province

K903

A

1672-3007(2016)06-0107-07

10.16843/j.sswc.2016.06.014

2016 04 18

2016 08 18

項(xiàng)目名稱:福建省公益類科研院所專項(xiàng)項(xiàng)目”溪源江流域極端暴雨災(zāi)害應(yīng)急過程仿真技術(shù)研究”(2015R10341)

陳麗娟(1992—),女,碩士研究生。主要研究方向:GIS與RS在資源環(huán)境中的應(yīng)用。E-mail:ljchen93@fox

mail.com

?通信作者簡介:陳友飛(1958—),男,博士,教授。主要研究方向:地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。E-mail:yfchen@fjnu.edu.cn