新疆觀測極端氣候事件研究進展

張延偉

(商丘師范學(xué)院環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南商丘476000)

0 引言

全球氣候變暖給當(dāng)前生態(tài)環(huán)境帶來了極大的影響，IPCC評估報告指出［1］，過去50年變暖趨勢是0.13℃/10 a，中國在過去幾十年變暖趨勢0.25℃/10 a［2］，新疆年平均氣溫增加趨勢0.30℃/10 a［3］.全球變暖將導(dǎo)致大范圍的冰雪融化和全球海平面升高，天氣系統(tǒng)更加不穩(wěn)定.由于極端氣候事件對氣候變化更敏感［4］，氣溫升高將會引發(fā)更多的極端氣候災(zāi)害［5］，例如:干旱、洪水、熱浪流等，嚴(yán)重危害人類安全、社會建設(shè)及生態(tài)系統(tǒng).自1980 s以來，由于極端天氣氣候事件引起的氣象災(zāi)害帶來了嚴(yán)重的后果，造成巨大的經(jīng)濟損失.中國是遭受自然災(zāi)害襲擊最頻繁國家之一.其中，在1990－2000年，這10年間由于極端氣候事件引起的自然災(zāi)害占全球所有極端氣候事件的43%以上［6］.中國國土幅員遼闊，氣候特征多樣，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜.氣候的變化，對我國造成的影響帶來了巨大災(zāi)害，如1998年長江流域洪水，2008年我國南方出現(xiàn)持續(xù)性大雪災(zāi)害，2010年云貴川干旱、2012年北京暴雨等災(zāi)難性事件.這些氣象災(zāi)害嚴(yán)重的影響了人們的日常生活.針對極端氣象災(zāi)害對我國生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟生活的的影響，有目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)極端事件變化趨勢、發(fā)生規(guī)律、機理原因.我國制定了相應(yīng)的規(guī)章及其防御措施，加強了對極端氣候事件的監(jiān)測力度.建立了一批防御工程和監(jiān)測站點及研究單位.例如:強臺風(fēng)和區(qū)域性暴雨洪澇等極端天氣氣候事件的防御取得重大進展，初步建立起氣候與氣候變化綜合觀測系統(tǒng)［7，8］.2010年，中國建成了一批氣候災(zāi)害防御工程，提高應(yīng)對極端氣象災(zāi)害的綜合監(jiān)測預(yù)警能力、抵御能力和減災(zāi)能力.面對極端氣候事件，我國提出全民參與氣候變化的決策;積極應(yīng)對和適應(yīng)極端氣候，參與國際合作［9］.本文歸納了新疆地區(qū)極端氣候事件研究狀況，為今后新疆干旱與半干旱地區(qū)極端氣候事件引起的氣候災(zāi)害如何應(yīng)對，提出一些思考和建議.

1 極端氣候事件定義與指標(biāo)研究

1.1 極端氣候事件定義

在極端氣候事件研究之前，必須要搞清楚一個根本性問題:極端氣候事件是什么?如何對極端氣候事件進行研究?

通常認為極端氣候事件是指氣候的狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均態(tài)，幾十年一遇甚至百年一遇的小概率事件.IPCC在第3次［10］和第4次［1］評估時給出了極端氣候事件定義:即在特定地點和時間，極端事件就是發(fā)生概率極小的事件，通常占天氣事件的10%或更低.Easterling等［11］將極端氣候歸為兩類:一類是簡單的氣候統(tǒng)計學(xué)，這些極端氣候事件每年都會發(fā)生，如強降水等;另一類是直接由事件發(fā)生與否決定，如洪旱災(zāi)害等，這樣的事件并不是每年都發(fā)生.Beniston等［12］定義極端事件的3個標(biāo)準(zhǔn):(1)事件發(fā)生的頻率相對較低;(2)事件有相對較大或較小的強度值;(3)事件導(dǎo)致了嚴(yán)重的社會經(jīng)濟損失.研究以上極端氣候事件定義，發(fā)現(xiàn)所謂極端氣候事件，就是古典概率中小概率事件.在概率論中我們把概率很接近于0(即在大量重復(fù)試驗中出現(xiàn)的頻率非常低)的事件稱為小概率事件.從概率意義上講，極端氣候事件表示隨機變量(氣候因子)的極端變異特征;從統(tǒng)計意義上講極端氣候事件是指氣候因子數(shù)據(jù)集合中最大值或最小值.

定義極端氣候事件之前，先了解氣候內(nèi)涵是什么.目前為止氣候還沒有很完備的定義.大家公認的氣候定義是地球上某一地區(qū)多年間大氣基本狀態(tài)，它反映平均狀況，是多年各種天氣過程的綜合表現(xiàn)形式.它是從時間和空間上分析的一種平均態(tài).極端氣候事件的定義:(1)從時間分析，一定時期內(nèi)嚴(yán)重偏離其平均態(tài)氣候變化，維持較短的時間，發(fā)生頻次較低，強度較大;(2)從空間分析，一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重降水、干旱、寒潮、熱浪等小概率事件.不同地區(qū)閾值定義不同，具有群發(fā)性特征;(3)從破壞強度分析，破壞力度較大，造成巨大的經(jīng)濟損失.

嚴(yán)格意義上講，什么是極端氣候事件是一個很難說明白的事情.研究時空尺度不同也有不同的見解，這與什么是異常值研究一樣.因此，當(dāng)所有的工作已經(jīng)完成后，在異常值研究中，只剩下一個最簡單問題，什么是異常值的定義.

1.2 極端氣候事件指標(biāo)

研究極端氣候事件的變化特征通常有兩種方法:一種是定量研究極端氣候事件，即代用指標(biāo)應(yīng)用，例如近530年干濕指數(shù)［13］、新疆最長干日和最長濕日［14］等，分析這些氣候指數(shù)特征反應(yīng)極端氣候事件變化情況，研究表明新疆地區(qū)降水事件的強度和概率最大的地區(qū)位于阿合奇、巴里坤、昭蘇、烏魯木齊等地，干旱事件強度和概率最大的地區(qū)位于且末、若羌、吐魯番等地;另一種是定性研究極端氣候事件.采用原始資料計算降水和氣溫等氣象資料的強度、頻數(shù)變化趨勢.當(dāng)前，極端氣候事件的代用指標(biāo)是國際上通用的方法.一些氣象組織對于代用指標(biāo)做了大量的研究工作.例如:氣候變化監(jiān)測和指數(shù)專家組定義了27個極端氣候指數(shù)(包括16個氣溫指數(shù)和11個降水指數(shù)).這27個極端氣候，通過氣溫、降水資料計算而來，得到了全球許多地區(qū)的廣泛應(yīng)用.同時，WMO公布的極端氣候指數(shù)，探討極端氣候事件的變化特征.Jones等［15］采用極端氣候指數(shù)模擬愛爾蘭和全球的極端氣候事件的變化;Klein和Konnen［16］采用極端氣候指數(shù)研究歐洲日極端氣溫和降水的趨勢;Alexander等［17］在研究各類極端溫度指數(shù)后指出，近50年全球極端氣溫事件主要表現(xiàn)為變暖，尤其與日最低溫度有關(guān)的極端溫度指數(shù).同時，還有一些極端氣候現(xiàn)象不能用單個的氣象要素描述清楚，如干旱不僅僅和降水有關(guān)，還與氣溫等密切相聯(lián)系.

當(dāng)前對于不同國家地區(qū)，不同的研究學(xué)者給出了大量不同的極端氣候事件的研究指標(biāo).這些指標(biāo)有著自身各自的優(yōu)點和缺陷.例如:根據(jù)不同地區(qū)、不同氣候類型定義的指標(biāo)，適用范圍較小，不能很好的推廣使用.國際公認的幾種極端氣候指標(biāo)，能夠被許多地區(qū)應(yīng)用.可以大范圍的研究得到一些結(jié)論.但是，定義極端氣候指標(biāo)過程受到質(zhì)疑，地球有著不同的氣候帶類型，每個地區(qū)的地形地貌干濕狀況不同.統(tǒng)一指標(biāo)選取依據(jù)是什么，尚不清楚.統(tǒng)一指標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)，如何選擇恰當(dāng)?shù)拈撝?，這些閾值是否符合所有地區(qū)?

2 綜述

2.1 極端氣溫事件

全球氣候變化更加顯著，其中當(dāng)前氣溫變化幅度超過了過去百年的幅度.特別是1980 s后期氣溫上升趨勢更快，其中北半球增溫趨勢大于南半球［18，19］.當(dāng)前許多學(xué)者結(jié)果表明［20－22］:夏季高溫事件和冬季低溫事件發(fā)生的頻率有增大的趨勢.目前研究中國區(qū)域發(fā)現(xiàn)［23］:熱浪有減少的趨勢，中國東部地區(qū)趨勢減少的比較明顯;冷日數(shù)顯著減少;暖日和暖夜數(shù)頻率有增加的趨勢，冷日數(shù)和冷夜數(shù)減少頻率更加顯著.北部地區(qū)高溫日數(shù)略有減少，寒潮事件顯著減少，冷夜和冷日的減少與暖夜和暖日的增多并存.

新疆位于我國的最西部，遠離海洋，屬于干旱與半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱.張麗旭等研究發(fā)現(xiàn)［24］自20世紀(jì)50年代以來，新疆的氣溫持續(xù)升高，并且升溫和降水增加主要發(fā)生在冬季.根據(jù)新疆77個有代表性的國家水文、氣象站的數(shù)據(jù)［25］，發(fā)現(xiàn)近幾十年來新疆氣溫總體呈上升趨勢，近50 a來全疆氣溫平均增長率為0.27℃/10 a，北疆地區(qū)為0.36℃/10 a，南疆地區(qū)為0.20℃/10 a.新疆氣溫升高與全球以及全國有同步性，并且高于全球升溫幅度.張延偉等［35］研究發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)最近幾十年來，冷夜呈現(xiàn)下降趨勢2.45 d/10 a，暖夜呈現(xiàn)上升趨勢4.85 d/10 a;冷日呈現(xiàn)下降趨勢0.86 d/10 a，暖日呈現(xiàn)上升趨勢1.62 d/10 a.這些研究表明新疆氣溫上升，導(dǎo)致了極端氣溫事件指數(shù)的改變.

2.2 極端降水事件

極端降水事件增多嚴(yán)重影響著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟社會的發(fā)展［26］.21世紀(jì)，全球平均的年降水量可能增加，但在區(qū)域尺度上降水的增加或減少都是有可能的，其變化幅度大約為5%－20%之間，高緯度地區(qū)無論冬季，還是夏季其降水都可能是增加［1］.隨著溫室氣體在大氣中的含量增加引發(fā)極端降水事件的強度、頻數(shù)及其生命周期的增加.Changnon等［27］研究表明區(qū)域整體降水量增加，極有可能是區(qū)域某一部分降水量增加的結(jié)果.也有可能存在區(qū)域總降水量減少或不變，但也會出現(xiàn)個別地區(qū)極端降水事件增多的現(xiàn)象.李欣等［28］研究表明，寧夏大部分地區(qū)的極端降水頻率、極端降水量以減少趨勢為主，而極端降水強度呈增大趨勢.張乃升和戴宇珩［29］指出空間上，西北地區(qū)極端降水閾值、極端降水日數(shù)和極端降雨量均是自北向南逐漸增大;時間上，極端降水日數(shù)和極端降雨量除西北東南部呈減少趨勢，其他地區(qū)均表現(xiàn)為增加趨勢，且存在明顯的年際變化特征.中國區(qū)域極端降水的變化具有一定的區(qū)域性特點.在過去50 a中，除了1954年大水的影響外，我國降水增減趨勢不太明顯，但其空間分布卻很不均勻，我國華北地區(qū)干旱化的趨勢在過去50 a中非常明顯，強降水變化趨勢與降水量的地區(qū)分布非常一致，表現(xiàn)為強降水日數(shù)減少［30］.

新疆地區(qū)極端降水事件研究表明［31］:新疆極端降水事件閾值的空間分布存在明顯的地域差異，北部地區(qū)在48 a極端指數(shù)變化比其他地區(qū)顯著;每年濕期降水總量、簡單降水強度指數(shù)、月最大一日降水量、月最大五日降水量、重濕日數(shù)和連續(xù)干日的空間特征基本相似，除連續(xù)干日，總體呈自東南向西北遞增的態(tài)勢，且高值中心均分布于山區(qū)一帶.48 a來，除連續(xù)干日，極端降水事件的其他5個指標(biāo)呈上升趨勢，并于1980 s左右發(fā)生了突變現(xiàn)象.48 a來，極端降水事件的每年濕期降水總量、簡單降水強度指數(shù)、月最大一日降水量、月最大五日降水量、重濕日數(shù)和連續(xù)干日均存在明顯的年代際特征，而且還存在準(zhǔn)3 a和7a的震蕩周期.姜逢清等［32］研究發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)極端降水事件在研究的站點中，70%是極為顯著增加，30%是微小增加趨勢.并且用M－K檢驗發(fā)現(xiàn)，極端降水事件在1980 s發(fā)生了突變，這與新疆在該時期氣溫與降水發(fā)生轉(zhuǎn)變時期一致.新疆有濕潤化趨勢，北疆濕潤化趨勢比南疆顯著［33］.從降水天數(shù)和極端降水天數(shù)角度來看，新疆極端強弱降水同時出現(xiàn)的概率減小，從極端降水雨量和強度來看新疆中部、南疆西部、北疆東部及北部極端強弱降水同時出現(xiàn)的可能性減小，而天山西部與南疆北部的可能性增加［33］.1980年后新疆地區(qū)發(fā)生澇的概率增大，發(fā)生旱的概率減少［34，35］.

2.3 北大西洋濤動的影響

近年來，世界各地極端天氣氣候事件頻發(fā)，氣候變化是引起極端氣候事件變化的原因，但NAO(北大西洋濤動)對于極端氣候事件的也產(chǎn)生了一定的影響.NAO是北半球大氣中一個顯著的、南北向翹翹板式的波動，它不但影響歐亞天氣和氣候，而且還影響全球海洋和陸地生態(tài).

近年來，許多研究人員展開了對應(yīng)北大西洋濤動與氣候變化關(guān)聯(lián)研究.徐寒列［36］研究北大西洋濤動與西南地區(qū)降水關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)冬季北大西洋濤動與西南地區(qū)降水存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，并且，正相關(guān)具有不對稱性，即當(dāng)冬季北大西洋濤動處于負位相時，東亞地區(qū)環(huán)流形勢不利于中國西南地區(qū)降水的形成，對應(yīng)著中國西南地區(qū)冬季降水的顯著減少.而當(dāng)冬季北大西洋濤動處于正位相時，北大西洋濤動與中國西南地區(qū)降水的正相關(guān)關(guān)系并不顯著.楊蓮梅等［37］發(fā)現(xiàn)夏季NAO強弱活動影響斯堪的納維亞半島EP通量散度強度和位置異常，該區(qū)EP通量散度強度和位置異常導(dǎo)致強輻散中心在中高緯向東傳播的準(zhǔn)靜止波和沿副熱帶西風(fēng)急流準(zhǔn)靜止波活動變化，從而影響新疆夏季降水.魏鳳英［38］分析北大西洋濤動、南方濤動、太平洋年代際振蕩和太陽黑子等指數(shù)的年代際變化與北京年降水量年代際變化的關(guān)系基礎(chǔ)上，利用它們之間關(guān)系具有長程記憶的特性，提出了在年代際背景下預(yù)測不同強度降水量出現(xiàn)的概率的新思路.南峰等［39］發(fā)現(xiàn)冬季北大西洋濤動指數(shù)與瑪納斯河冬季流量呈現(xiàn)顯著的正向變化關(guān)系，夏季兩者的關(guān)系則相反.利用交叉小波變換，分別發(fā)現(xiàn)了冬、夏季北大西洋濤動指數(shù)與瑪納斯河流量變化關(guān)系最密切的振蕩周期.文中還發(fā)現(xiàn)冬、夏季北大西洋濤動指數(shù)與北疆溫度、降水的變化也存在顯著的相關(guān)關(guān)系.王曉騰等［40］發(fā)現(xiàn)冬季NAOI與我國冬季的降水和氣溫相關(guān)性很強，夏季次之，春季和秋季較差;除春季外，在其余季節(jié)NAOI與我國氣溫的相關(guān)性要遠大于與降水的相關(guān)性.韓添丁等［41］指出影響北半球氣溫、降水等氣候驅(qū)動因子的NAO和AO同樣與新疆河川徑流的變化具有顯著的遙相關(guān)，在年際變化上，NAO和AO的強弱分別與徑流變化的相關(guān)性具有明顯的區(qū)域性差異;在年代際尺度上，NAO和AO有超前于新疆河流年徑流5 a的顯著相關(guān)，相關(guān)關(guān)系分別超過了95%和99%置信水平，NAO和AO變化對預(yù)測新疆河川徑流的變化有很好的實際意義.李紅軍等［42］發(fā)現(xiàn)NAO與阿克蘇河徑流的年代際變化、周期、相關(guān)等分析表明兩者關(guān)系密切;NAO通過大氣環(huán)流變化來影響阿克蘇河流域溫度和降水.進而影響其徑流.郝興明等［43］證實NAO和AO確實對北疆西部地區(qū)的氣候變化具有顯著影響;具體體現(xiàn)在，NAO和AO顯著的影響研究區(qū)冬季溫度和全年的溫度變化;NAO對整個區(qū)域年降水具有顯著影響.溫度比降水對NAO和AO的響應(yīng)更敏感.Peng等［44］指出，因為北大西洋地區(qū)大氣環(huán)流的改變可以影響氣旋和反氣旋強度、路徑，所以NAO對降水的影響可能不僅局限于北大西洋區(qū)域.新疆自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，氣候環(huán)境比較惡劣［45］，同時生態(tài)環(huán)境較為脆弱.全球氣候變化，新疆夏季暴雨洪水、春秋干旱頻率呈現(xiàn)上升趨勢的現(xiàn)象［46］.其中，20世紀(jì)80代年以來新疆旱澇災(zāi)害呈現(xiàn)擴大的態(tài)勢［47］.新疆年均降水與NAO存在準(zhǔn)2 a和6 a周期，夏季降水與NAO存在準(zhǔn)3 a和5 a周期，冬季降水與NAO存在準(zhǔn)3 a周期［69］.新疆年均氣溫與NAO存在準(zhǔn)3 a周期，夏季氣溫與NAO存在準(zhǔn)3 a周期，冬季氣溫與NAO存在準(zhǔn)3 a和8 a周期［48］.新疆年、冬季和夏季的降水與NAO，通過檢驗的周期區(qū)域中，高值正相關(guān)大多集中在1980 s;年、冬季和夏季的氣溫與NAO，通過檢驗的周期區(qū)域中，高值正相關(guān)也大多集中在1980 s.

3 展望

由于新疆生態(tài)環(huán)境較為脆弱，會對新疆的生態(tài)系統(tǒng)造成致命的傷害.同時，極端氣候事件的增多，也會嚴(yán)重影響到新疆的經(jīng)濟社會和工農(nóng)業(yè)發(fā)展.因此，展開對極端氣候事件的研究具有重要意義，特別是新疆地區(qū)極端氣候事件研究.當(dāng)前，國內(nèi)外對于極端氣候事件研究成果的大量涌現(xiàn).新疆作為西部大開發(fā)的重點地區(qū)，也應(yīng)當(dāng)加強極端氣候事件的研究.但是，目前新疆地區(qū)極端氣候研究較少.其中，關(guān)于未來新疆極端氣候事件研究處于空白.全球變暖使得極端氣候事件發(fā)生的頻率及強度有著增加的趨勢.如何應(yīng)對極端氣候事件的變化?我們需要加強以下幾方面的研究.

(1)進一步完善和充實新疆地區(qū)的站點資料，加強新疆地區(qū)站點建設(shè)及密度是當(dāng)前刻不容緩的任務(wù).但是，由于歷史及地形地貌原因.當(dāng)前站點有效觀測時間較短，站點分布不均勻.其中，北疆經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，站點密集，但是南疆等經(jīng)濟欠發(fā)達、荒漠及高山地區(qū)站點太少，幾乎沒有站點分布.

(2)適合新疆地區(qū)的極端氣候事件指標(biāo)發(fā)展.當(dāng)前針對新疆特殊的環(huán)境，我們需要恰當(dāng)?shù)摹M足新疆地區(qū)的極端氣候事件指標(biāo).這方面的研究較少［17］，基于新疆的降水、氣溫資料建立適應(yīng)于新疆地區(qū)的代用指標(biāo).

(3)研究極端氣候事件與洪旱災(zāi)害、氣候強迫因子之間關(guān)聯(lián)研究較少.新疆遠離海洋，但并不代表這些因素不影響新疆地區(qū)生態(tài)環(huán)境.加強該方面研究，看是否這些因素具有一定的氣候預(yù)報價值.

(4)模式模擬預(yù)測極端氣候變化.新疆由于歷史原因，資料數(shù)據(jù)較為匱乏.但是并不能因此忽略該地區(qū)未來極端氣候事件研究.也許，通過其他方法得到一些數(shù)據(jù)，如:樹木年輪數(shù)據(jù)，通過插值得到新疆地區(qū)長期數(shù)據(jù).這些研究也許不準(zhǔn)確，但是隨著我們文明的進步，模式模擬也許能準(zhǔn)確預(yù)測未來極端氣候事件.這也許和天氣預(yù)報發(fā)展歷程類似.

(5)極端氣候事件預(yù)警.當(dāng)前我們國家加強了極端氣候事件的預(yù)警措施.我們應(yīng)當(dāng)在國家良好的政策下，加強這方面的研究，更好的為新疆地區(qū)發(fā)展，和決策提供有參考價值的預(yù)警方法.

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