近55年呼倫貝爾地區(qū)極端低溫事件時(shí)空變化特征研究

王常順 王慧清

(呼倫貝爾學(xué)院農(nóng)林學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008；

呼倫貝爾市氣象局 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

引言

極端天氣事件是一種在特定地區(qū)和時(shí)間內(nèi)發(fā)生的罕見事件。極端天氣事件的罕見程度一般相當(dāng)于觀測到的概率密度函數(shù)小于第 10 個(gè)或大于第 90 個(gè)百分位點(diǎn)[1]，即在特定地區(qū)、特定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了天氣極值。氣候上的極值與年平均、月平均氣溫不同，其更直接的與極端氣候事件相聯(lián)系。20 世紀(jì)以來，隨著全球變暖進(jìn)一步加劇，暴雨、洪澇、龍卷、干旱等天氣和氣候極端事件更為頻繁的出現(xiàn)，氣象及其次生災(zāi)害造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[2]。

極端氣溫的研究結(jié)果顯示近幾十年來日最低溫度都顯著上升，最高氣溫變化的幅度卻不大，因此溫度日較差顯著減小。張寧等[3]研究了中國極端氣溫的時(shí)空變化特征，結(jié)果顯示我國年與四季極端低溫增加趨勢較明顯，且增溫幅度均比極端高溫的增幅大。趙玉潔等[4]研究了漠河1963-2000年極端氣溫的時(shí)間變化特征，結(jié)果表明漠河極端最高氣溫表現(xiàn)為升、降交替變化，總體變化十分顯著。翟盤茂等[5]利用1951-1999 年的逐日氣溫資料分析了中國氣溫變化，表明中國北方夜間極端溫度日數(shù)呈明顯減少且日最低氣溫低于0℃的天數(shù)也是顯著減少，這也說明我國北方地區(qū)無霜期加長較明顯。秦鵬[6]應(yīng)用REOF和小波分析等方法研究了廣東省極端溫度的時(shí)空變化特征，表明廣東省的極端低溫值呈升溫趨勢，且具有明顯的年際、年代際等變化特征。劉吉峰[7]通過REOF分區(qū)法研究了中國1957-2001年的逐日最低、最高氣溫，該研究表明北方極端溫度表現(xiàn)為增溫趨勢，而南方除華南沿海地區(qū)是增溫趨勢外，其余地區(qū)均為降溫趨勢，而東北地區(qū)近年來極端高溫變化的振動(dòng)開始加強(qiáng)。

眾多的研究表明，極端氣候事件頻發(fā)已成為事實(shí)，但各國及各地區(qū)極端氣候類型、發(fā)生強(qiáng)度和季節(jié)變化差異性極大[8]。呼倫貝爾市地處我國北疆，北緯47°05′～53°20′，東經(jīng)115°31′～126°04′，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其氣候特點(diǎn)是冬季寒冷漫長、夏季溫涼短促，按照氣候季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)(QX/T 152-2012)林業(yè)區(qū)基本無夏季，是全區(qū)氣溫年較差最大的地區(qū)，大部分地區(qū)年平均氣溫均在零度以下，林業(yè)區(qū)和牧業(yè)區(qū)年極端最低氣溫在-40℃以下，極端低溫事件經(jīng)常發(fā)生，對(duì)取暖、出行、公眾生活造成一定影響。因此通過分析呼倫貝爾市極端低溫事件的特征，可以為生態(tài)安全、生產(chǎn)生活及政府決策部門等提供有利依據(jù)。

一、資料和方法

(一)資料

1.呼倫貝爾地區(qū)站點(diǎn)分布情況

大興安嶺山脈縱貫呼倫貝爾地區(qū)，山脊和兩麓氣候差異明顯。遵循氣候相似原則，用聚類分型方法，選用表征熱量的因子7個(gè)、水分因子5個(gè)、光因子2個(gè)、地理因子3個(gè)共17個(gè)因子進(jìn)行篩選，將該地區(qū)劃分為三個(gè)差異明顯的氣候區(qū)域[9]。嶺東南海拔較低195～306m，冬季平均氣溫-15.7℃～-12.7℃，與東北松嫩平原地區(qū)接壤，下墊面植被主要以農(nóng)作物為主故稱為農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，簡稱農(nóng)區(qū), 位于120°E以東、50°N以南，氣象臺(tái)站包括莫旗(尼爾基鎮(zhèn))、扎蘭屯、阿榮旗(那吉鎮(zhèn))；嶺西北海拔554～662m，冬季平均氣溫-20.5℃～-16.5℃，與蒙古高原接壤，下墊面植被主要以草原為主故稱為牧業(yè)氣候區(qū)，簡稱牧區(qū)，位于120°E以西、50°N以南，氣象臺(tái)站包括海拉爾、陳巴爾虎旗(巴彥庫仁鎮(zhèn))、鄂溫克旗(巴彥托海鎮(zhèn))、滿洲里、新巴爾虎右旗(阿拉坦額莫勒鎮(zhèn))、新巴爾虎左旗(阿木古郎鎮(zhèn))；嶺上及嶺東北海拔287～740m，冬季平均氣溫-23.5℃～-18.2℃ ，下墊面植被主要以森林為主故稱為林業(yè)氣候區(qū)，簡稱林區(qū)，位于120°E以東、50°N以北，氣象臺(tái)站包括牙克石、額爾古納、根河、鄂倫春(阿里河鎮(zhèn))、圖里河、博克圖、小二溝(圖1)。

圖1 呼倫貝爾地區(qū)氣候區(qū)劃圖

2.數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)是呼倫貝爾地區(qū) 1961-2015年55年16個(gè)站點(diǎn)均一化逐日最低氣溫觀測數(shù)據(jù)。

(二)分析方法

本文采用百分位法來確定呼倫貝爾地區(qū)極端低溫閾值及事件，請(qǐng)見Bonsal et al(2001)的文章。

綜合考慮本文所用資料序列的長度較短，也為了進(jìn)一步避免受錯(cuò)誤值的影響,將溫度序列的第 95(5)個(gè)百分位上的值作為極端高(低)值或極端高(低)溫或是極端溫度事件的上(下)閥值，如果某日的溫度超越了上閥值，就稱該日發(fā)生了極端高溫事件，如果超越了下閥值，就稱該日發(fā)生了極端低溫事件[8]。

二、呼倫貝爾地區(qū)近55年極端低溫事件時(shí)空變化特征

(一)年極端低溫閾值空間分布

呼倫貝爾市的年極端低溫閾值呈現(xiàn)南高北低、西高東低的特點(diǎn)，且南北差異顯著。16個(gè)站點(diǎn)中有 3 個(gè)站點(diǎn)的年極端低溫閾值在-31.0～-25.6℃之間，主要分布在大興安嶺東側(cè)；8個(gè)站點(diǎn)的年極端低溫閾值在-38.0～-31.0℃之間，主要分布在呼倫貝爾市西部以及東北部；而中北部地區(qū)5個(gè)站的年極端低溫閾值都在-42.5～-38.0℃之間。這種現(xiàn)象原因主要是地理緯度差異所致，而且受地形和下墊面因素的影響也不容忽視(圖2)。

圖2 呼倫貝爾市年極端低溫閾值空間分布

(二)季極端氣溫閾值空間分布

1.春季極端低溫閾值空間分布

由于受到緯度位置和地形的影響，呼倫貝爾市南部站點(diǎn)其閾值相對(duì)比北部較高，南北最大差異達(dá)17.3℃，其極端低溫閾值南北變化幅度是呼倫貝爾市四個(gè)季節(jié)中最大的；呼倫貝爾市春季極端低溫閾值東西差異沒有南北差異這么明顯，東西閾值最大相差4.8℃，可能原因是呼倫貝爾市西部春季頻繁受到弱冷空氣的影響，而同緯度的東部地區(qū)由于受大興安嶺阻擋，影響相對(duì)較小(圖3a)。

2.夏季極端低溫閾值空間分布

呼倫貝爾市夏季極端低溫閾值空間分布的差異南北較小，最大的相差9.4℃，是呼倫貝爾市四季中極端低溫閾值變化幅度最小的，其閾值分布的最小值出現(xiàn)在根河市和圖里河鎮(zhèn)，最大值出現(xiàn)在嶺東的各站點(diǎn)。究其原因，除了受緯度影響外，地形和地理位置也影響較大。呼倫貝爾市夏季極端低溫閾值東西部差異也不明顯(圖 3b)。

3.秋季極端低溫閾值空間分布

呼倫貝爾市秋季極端低溫閾值南北差異相對(duì)于夏季較大，但相對(duì)于春季較小，地處最北端的根河市與最南端的扎蘭屯市秋季極端低溫閾值相差達(dá)13.8℃，其中嶺東各站點(diǎn)閾值均在-23.2～-21.1℃之間，要比北部站點(diǎn)高。呼倫貝爾市秋季極端低溫閾值在東西方向上的差異，低緯變化幅度較高緯變化幅度小，北部各站點(diǎn)其閾值范圍大多在 -34.9～-34.4℃之間，最大幅度在0.5℃左右，而低緯度地區(qū)東西差異明顯，如：新巴爾虎右旗與同緯度附近的扎蘭屯市差異最大為 2.9℃。這基本也與地理位置、緯度、地形及下墊面等因子有關(guān)(圖3c)。

4.冬季極端低溫閾值空間分布

呼倫貝爾市冬季極端低溫閾值南北變化幅度是四個(gè)季節(jié)中較春季次大，幅度最大為16.9℃。這反映出呼倫貝爾市冬季最低氣溫北部與南部有很大差異，這主要受緯度的影響，其次也和大氣運(yùn)動(dòng)有關(guān)。處于同一緯度的各站極端低溫閾值差異不明顯，但是高緯度較低緯度的東西差異大，這主要是因?yàn)榇笈d安嶺以西地區(qū)冬季受冷空氣頻繁活動(dòng)影響較大，而同緯度東部地區(qū)由于受大興安嶺的阻擋，冷空氣越山后減弱，影響較小(圖3d)。

圖3 呼倫貝爾市春季(a) 、夏季(b)、秋季 (c)、冬季 (d)極端低溫閾值空間分布

(三)極端低溫事件時(shí)空變化

1.極端低溫事件時(shí)間變化

(1)年極端低溫事件時(shí)間變化

呼倫貝爾市55年來的極端低溫事件發(fā)生頻數(shù)總體上處于一個(gè)減少的趨勢(圖4)，但每年都有極端低溫事件的發(fā)生，其中 1969 年極端低溫事件發(fā)生了303次。

圖4 呼倫貝爾市1961-2015年年極端低溫事件頻數(shù)時(shí)間變化

(2)四季極端低溫事件時(shí)間變化

呼倫貝爾市55年來四季極端低溫事件變化趨勢整體呈下降趨勢，在2000年前后略有增加。其中，冬季極端低溫事件變化趨勢下降最為顯著，其次為春季和夏季，秋季極端低溫事件變化趨勢相對(duì)下降較為緩慢。

春季極端低溫事件變化較大(圖 5a)，總體是減少的趨勢，但變化趨勢不明顯。春季極端低溫事件在2014年發(fā)生次數(shù)最多，為24次。

夏季發(fā)生極端低溫事件的總趨勢也呈減少趨勢(圖5b)，這一時(shí)段內(nèi)極端低溫事件頻數(shù)最少的一年是 2011年為0次，其次為1984年、1985年、1989年和1990年，各年分別出現(xiàn)1次。

秋季發(fā)生極端低溫事件的總趨勢呈現(xiàn)緩慢減少(圖 5c)，但是這種減少趨勢比春、夏季更加不明顯。

冬季發(fā)生極端低溫事件的變化趨勢同樣呈現(xiàn)減少的趨勢且這種趨勢是顯著的。近 2年來呼倫貝爾市冬季極端低溫事件發(fā)生次數(shù)為0，這也從另一個(gè)側(cè)面表明呼倫貝爾市冬季氣溫是升高的(圖 5d)。

圖5 呼倫貝爾市1961-2015年春季(a) 、夏季(b)、秋季 (c)、冬季 (d)極端低溫事件頻數(shù)時(shí)間變化

2.極端低溫事件空間分布

(1)年極端低溫事件頻數(shù)空間分布

從圖6可以觀察到呼倫貝爾市55年來年極端低溫事件頻發(fā)地主要在扎蘭屯市、鄂倫春旗及圖里河鎮(zhèn)這3個(gè)站點(diǎn)，這些地方55年來的年極端低溫事件高達(dá) 463～583 次，年極端低溫事件頻數(shù)最少的出現(xiàn)在新巴爾虎右旗，該地55年來的年極端低溫事件出現(xiàn)次數(shù)為256次，比出現(xiàn)最多地的一半還少。

圖6 呼倫貝爾市年極端低溫事件頻數(shù)空間分布

(2)四季極端低溫事件頻數(shù)空間分布

從呼倫貝爾市55年來春季極端低溫事件空間分布圖(圖 7a)中發(fā)現(xiàn)：呼倫貝爾市55年來春季極端低溫事件頻發(fā)地主要在陳巴爾虎旗和牙克石市，這2個(gè)站點(diǎn)55年來的春季極端低溫事件頻數(shù)為85～89次，而春季極端低溫事件頻數(shù)最少的出現(xiàn)在扎蘭屯市，該地55年來的年極端低溫事件出現(xiàn)次數(shù)為51次。

呼倫貝爾市55年來夏季(圖7b)極端低溫事件頻發(fā)地主要在滿洲里市、鄂溫克旗、牙克石市、博克圖鎮(zhèn)和莫力達(dá)瓦旗5地，這5個(gè)站點(diǎn)55年來的夏季極端低溫事件頻數(shù)均在100次以上，而夏季極端低溫事件頻數(shù)最少的出現(xiàn)在海拉爾區(qū)、陳巴爾虎旗、根河市、阿榮旗和扎蘭屯市5地，這5個(gè)站點(diǎn)55年來的年極端低溫事件出現(xiàn)次數(shù)均少于80次。

而呼倫貝爾市55年來秋季(圖7c)極端低溫事件頻發(fā)地主要在牙克石市、扎蘭屯市和莫力達(dá)瓦旗，該3個(gè)站點(diǎn)55年來秋季極端低溫事件頻數(shù)均在90次以上，秋季極端低溫事件頻數(shù)最少的出現(xiàn)在陳巴爾虎旗，該地55年來的年極端低溫事件出現(xiàn)次數(shù)為63次。

呼倫貝爾市55年來冬季(圖7d)極端低溫事件頻發(fā)地主要在滿洲里市、新巴爾虎右旗和圖里河鎮(zhèn)，該3個(gè)站點(diǎn)55年來秋季極端低溫事件頻數(shù)均在100次以上，而冬季極端低溫事件頻數(shù)最少的出現(xiàn)在海拉爾區(qū)和扎蘭屯市， 55年來的年極端低溫事件出現(xiàn)次數(shù)分別為69次和63次。

總體來講，呼倫貝爾市55年來四季極端低溫事件頻數(shù)高緯度地區(qū)發(fā)生次數(shù)比低緯度多，西部地區(qū)比東部地區(qū)多，夏季和冬季出現(xiàn)次數(shù)較春季和秋季出現(xiàn)次數(shù)多。

圖7 呼倫貝爾市春季(a) 、夏季(b)、秋季 (c)、冬季 (d)極端低溫事件頻數(shù)空間分布

三、結(jié)論

(一)呼倫貝爾地區(qū)年極端低溫存在明顯的南北差異和東西差異性。南北差異主要和氣溫帶的劃分保持了良好的一致性，極端低溫閾值南部比北部高。而其東西差異卻與干濕帶的劃分保持了良好的一致性，總的分布情況是東北地區(qū)比西南地區(qū)低。

(二)呼倫貝爾地區(qū)四季極端低溫閾值空間分布特征總體上也是東北地區(qū)比西南地區(qū)低。這表明極端低溫閾值和緯度、地形及下墊面等因素均相關(guān)。四個(gè)季節(jié)中南北的極端低溫閾值變化幅度較大，可見這與我國冬季南北溫差大是相關(guān)的。

(三)極端低溫事件時(shí)間變化：呼倫貝爾市年極端低溫事件發(fā)生頻數(shù)總體上處于一個(gè)減少的趨勢，但每年都有極端低溫事件的發(fā)生，其中 1969 年極端低溫事件發(fā)生了303次。四季極端低溫事件變化趨勢整體呈下降趨勢，在2000年前后略有增加。其中，冬季極端低溫事件變化趨勢下降最為顯著，其次為春季和夏季，秋季極端低溫事件變化趨勢相對(duì)下降較為緩慢。呼倫貝爾地區(qū)極端低溫事件在減少也從另一個(gè)側(cè)面上反映呼倫貝爾地區(qū)氣候有增暖的趨勢。

(四)極端低氣溫事件空間分布：呼倫貝爾市55年來年極端低溫事件頻發(fā)地主要在扎蘭屯市、鄂倫春旗及圖里河鎮(zhèn)這3個(gè)站，最少的出現(xiàn)在新巴爾虎右旗，該地55年來的年極端低溫事件出現(xiàn)次數(shù)為256次，比出現(xiàn)最多地的一半還少。四季極端低溫事件頻數(shù)高緯度地區(qū)發(fā)生次數(shù)比低緯度多，西部地區(qū)比東部地區(qū)多，夏季和冬季出現(xiàn)次數(shù)較春季和秋季出現(xiàn)次數(shù)多。