1961-2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊極端低溫事件數(shù)據(jù)集

李濤，陶輝，陳金雨

1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫(集)名稱 1961-2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊極端低溫事件數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 李濤、陶輝、陳金雨數(shù)據(jù)通信作者 陶輝（taohui@ms.xjb.ac.cn）數(shù)據(jù)時間范圍 1961-2015年地理區(qū)域 中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)，地理范圍包括24°N-40°N，60°E-80°E?？臻g分辨率 0.25°×0.25°數(shù)據(jù)量 482KB數(shù)據(jù)格式 *.mat數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.01101基金項(xiàng)目 科技部基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)課題（2018FY100501）數(shù)據(jù)庫(集)組成本數(shù)據(jù)集由7個數(shù)據(jù)文件組成，其中：(1)持續(xù)1天極端低溫事件70.5 KB;(2)持續(xù)2天極端低溫事件66.3 KB；(3)持續(xù)3天極端低溫事件46.0 KB;(4)持續(xù)4天極端低溫事件51.3 KB；(5)持續(xù)5天極端低溫事件46.9KB；(6)持續(xù)6天極端低溫事件46.2 KB；(7)持續(xù)7天及以上極端低溫事件155 KB。

引言

最新發(fā)布的IPCC第六次評估報(bào)告指出，人類活動造成的氣候變化已經(jīng)影響到全球的天氣和氣候極端事件，未來極端天氣氣候事件將大幅增加[1]。極端氣溫事件作為其重要組成部分，受氣候變化影響顯著。與極端高溫事件相比，極端低溫事件的變化更為劇烈，對全球平均氣溫變化的敏感性更高[2-3]。近年來，全球多個地區(qū)冬季頻繁發(fā)生持續(xù)時間長、覆蓋范圍廣的極端低溫事件[4-6]。例如，2020年底至2021年1月中旬，北京和天津發(fā)生了兩次破紀(jì)錄低溫寒潮事件，最低氣溫分別達(dá)到了-19.7°C和-19.9°C，是過去54年來的最低值；2021年2月，歷史極端低溫襲擊了北美的中西部和南部諸州，在得克薩斯州的奧斯汀市和休斯敦市分別出現(xiàn)了-13.3°C和-8.3°C的低溫天氣[7]。隨著全球氣候變暖，極端低溫已多次刷新氣溫極值。盡管全球范圍內(nèi)極端低溫事件總體呈減少趨勢，但已有研究表明，極端低溫事件的變化趨勢也存在明顯的區(qū)域化差異[8-9]，因此針對不同區(qū)域的極端低溫事件研究必不可少。中巴經(jīng)濟(jì)走廊（China-Pakistan Economic Corridor，CPEC）地處北半球，地理經(jīng)緯度介于24°N-40°N和 60°E-80°E，北起中國喀什地區(qū)，南至巴基斯坦的瓜達(dá)爾港，是“一帶一路”先行示范區(qū)[10]。該區(qū)域氣候類型復(fù)雜，極端低溫事件頻發(fā)，對人口、經(jīng)濟(jì)、社會造成了巨大威脅[11]。如2020年2月，巴基斯坦發(fā)生了一場大規(guī)模持續(xù)性極端低溫事件，造成100多人死亡，數(shù)十人受傷。因此，制作該區(qū)域的極端低溫事件數(shù)據(jù)集，對其進(jìn)行風(fēng)險評估與監(jiān)測預(yù)警有著重要作用。

近年來，針對極端低溫事件，國內(nèi)外開展了大量研究[12-17]。其中對極端低溫事件的識別方法主要分為三類：第一類是定義單站低溫閾值，當(dāng)氣溫低于閾值時，則定義為出現(xiàn)了單站的極端低溫事件[18]；第二類是根據(jù)區(qū)域平均的氣溫序列定義極端低溫事件[19]；第三類是在定義單站的極端低溫閾值基礎(chǔ)上根據(jù)單站極端事件的影響范圍和強(qiáng)度大小定義極端事件[20]。第一和第二類方法無法界定發(fā)生在不同空間范圍的極端低溫事件。第三類定義方法適用于大范圍持續(xù)性極端低溫事件研究。此外，世界氣象組織（WMO）和世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）等聯(lián)合成立了氣候變化檢測和指數(shù)專家組（ETCCDI），定義了27個具有代表性的氣候指數(shù)，其中包含了（TNx、TNn、TN10p、TX10p、FD、ID、CSDI）7個與極端低溫相關(guān)的指數(shù)，被廣泛用于全球及區(qū)域極端低溫事件的研究[21-22]，但極端氣候指數(shù)無法定量描述極端低溫事件開始時間、結(jié)束時間、影響范圍等特征。姜彤等[23]針對極端事件的持續(xù)時間、強(qiáng)度和影響面積的三維度特征，創(chuàng)建了強(qiáng)度–面積-持續(xù)時間（intensityarea-duration，IAD）方法，即將一次極端事件定義為在一定時間尺度段內(nèi)，連續(xù)面積大于給定閾值的格點(diǎn)集合。該方法能客觀識別極端事件強(qiáng)度、影響范圍和持續(xù)時間[24-27]，但無法完整表征一次大范圍持續(xù)性極端低溫事件的動態(tài)過程并存在重復(fù)計(jì)算低溫事件影響面積等問題。

目前國內(nèi)外學(xué)者采用各種研究方法制作了不同區(qū)域的極端高溫天氣數(shù)據(jù)集[28-30]，但有關(guān)極端低溫事件的數(shù)據(jù)集尚不多見。鑒于此，本文基于中巴經(jīng)濟(jì)走廊1961-2015年0.25°×0.25°分辨率的逐日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)集，通過剔除面積小于設(shè)定的最小極端低溫事件影響面積閾值區(qū)域，對其產(chǎn)生、發(fā)展到消亡過程進(jìn)行提取與追蹤，精準(zhǔn)識別了中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)不同持續(xù)時間的極端低溫事件的發(fā)生位置、格點(diǎn)日最低氣溫、開始時間、結(jié)束時間和影響面積，并通過與歷史極端低溫事件對比驗(yàn)證對數(shù)據(jù)集進(jìn)行質(zhì)量評估，制作了不同持續(xù)時間的中巴經(jīng)濟(jì)走廊1961-2015年極端低溫?cái)?shù)據(jù)集，以期為中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)極端低溫事件相關(guān)研究提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資料。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

本文所采用的原始數(shù)據(jù)主要來源于發(fā)表在《中國科學(xué)數(shù)據(jù)》上的1961-2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊逐日氣象數(shù)據(jù)集的逐日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與國際上常用的日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)集PGFMD、CPC相比質(zhì)量更好[31-32]。實(shí)現(xiàn)高溫地區(qū)的剔除、極端低溫閾值（5%）的計(jì)算和不同持續(xù)時間極端低溫事件的識別并存儲為mat格式數(shù)據(jù)。

1.1 極端低溫事件基本要素含義

一次極端低溫事件的基本要素主要包括：發(fā)生位置、格點(diǎn)日最低氣溫、開始時間、結(jié)束時間和影響面積。其具體含義見表1。

表1 極端低溫事件基本要素

1.2 數(shù)據(jù)處理流程

本數(shù)據(jù)的處理流程如圖1所示，主要包括：原始數(shù)據(jù)輸入、高溫地區(qū)判別、極端低溫閾值計(jì)算、剔除面積小于A的事件和不同持續(xù)時間的極端低溫事件的識別。具體步驟如下：

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

步驟1輸入1961-2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)逐日最低氣溫柵格數(shù)據(jù)。

步驟2剔除高溫地區(qū)（格點(diǎn)年均日最低氣溫>研究區(qū)平均日最低氣溫）。若研究區(qū)無高溫地區(qū)，則無需剔除高溫地區(qū)步驟直接進(jìn)行極端低溫閾值計(jì)算。

步驟3進(jìn)行極端低溫閾值的計(jì)算。從1961-2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)逐日最低氣溫柵格數(shù)據(jù)中選取逐年冬季（12-2月）日最低氣溫，升序排列后的第5個百分位數(shù)的多年平均值作為極端低溫的閾值。極端低溫閾值確定后，開始進(jìn)行不同持續(xù)時間的極端低溫事件識別。

步驟4設(shè)定極端低溫事件最小影響面積閾值A(chǔ)，剔除影響面積小于A的極端低溫事件。一般情況下，小范圍的極端低溫事件可能部分是由儀器觀測誤差引起，另有其他地球和大氣之間待研究的原因，從而影響極端低溫事件的識別結(jié)果。因此設(shè)定最小面積閾值A(chǔ)，若一次低溫事件的影響面積小于A，則進(jìn)行剔除。所以，此步驟首先對整個時間尺度進(jìn)行掃描，剔除小于A的極端低溫事件。本方案最小面積A閾值可變，可根據(jù)研究區(qū)的大小來進(jìn)行設(shè)定。借鑒目前國內(nèi)外的研究，本研究區(qū)為中巴經(jīng)濟(jì)走廊，設(shè)定最小面積A閾值設(shè)為25 000 km2。若進(jìn)行中國尺度研究，可設(shè)為150 000 km2；全球尺度研究，可設(shè)為500 000 km2[33]。

步驟5識別極端低溫事件。一次極端低溫事件應(yīng)包括發(fā)生位置、影響面積、格點(diǎn)日最低溫度、開始時間和結(jié)束時間。其中發(fā)生位置為具體發(fā)生極端低溫事件的經(jīng)緯度，影響面積為發(fā)生極端低溫事件所覆蓋的最大面積，開始時間和結(jié)束時間為這次極端低溫時間的歷時。本研究統(tǒng)計(jì)了持續(xù)時間為1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d及以上的極端低溫事件。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

1961-2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊極端低溫事件數(shù)據(jù)集識別并統(tǒng)計(jì)了整個中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)極端低溫事件共449次，其中影響面積最大和持續(xù)時間最長的一次為1994年12月29日開始至1995年1月19日結(jié)束，持續(xù)時間為22天，影響范圍主要分布在巴基斯坦北部的吉爾吉特-巴爾蒂斯坦地區(qū)和中國的喀什地區(qū)，影響面積約為182 790 km2。本數(shù)據(jù)集共包含中巴經(jīng)濟(jì)走廊1961-2015年持續(xù)時間為1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d及以上的極端低溫事件共7個數(shù)據(jù)文件，命名方式為CPEC_X_ELTE和CPEC_XP_ELTE。其中CPEC為中巴經(jīng)濟(jì)走廊，X為持續(xù)時間，ELTE為低溫事件，XP為持續(xù)時間X天及以上。例如CPEC_6_ELTE.mat表示的是中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)1961-2015年發(fā)生的持續(xù)6天的極端低溫事件，CPEC_7P_ELTE.mat表示的是中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)1961-2015年發(fā)生的持續(xù)7天及7天以上的極端低溫事件。每個mat文件示例如圖2所示，共分為6行包括發(fā)生位置（經(jīng)度和緯度）、開始時間、結(jié)束時間、格點(diǎn)日最低氣溫和影響面積，列數(shù)為持續(xù)X天的極端低溫事件在1961-2015年發(fā)生的次數(shù)。第1行給出了發(fā)生極端低溫事件的緯度；第2行給出了發(fā)生極端低溫事件的經(jīng)度；第3行給出了發(fā)生極端低溫事件的每個格點(diǎn)的日最低氣溫；第4行以年-月-日的形式給出了開始時間；第5行以“年-月-日”的形式給出了結(jié)束時間；第6行給出了該次事件的總影響面積。圖3為本文識別出的中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)2004年2月5日開始到2004年2月7日結(jié)束的一次持續(xù)3天的極端低溫事件；圖4為中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)2013年12月26日開始到2013年12月28日結(jié)束的一次持續(xù)3天的極端低溫事件。

圖2 中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)極端低溫事件數(shù)據(jù)集mat文件示例

圖3 中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)2004年2月5-7日極端低溫事件（單位:℃）

圖4 中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)2013年12月26-28日極端低溫事件（單位:℃）

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 質(zhì)量控制

為了驗(yàn)證本數(shù)據(jù)集的精度和可靠性，采取了數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量控制和識別極端低溫事件過程中的質(zhì)量控制。首先，本數(shù)據(jù)集選取的中巴經(jīng)濟(jì)走廊逐日最低氣溫柵格數(shù)據(jù)，經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制且通過與國際上其他的常用氣象數(shù)據(jù)集進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)集精度較高。其次，極端低溫閾值的界定是極端低溫事件數(shù)據(jù)集質(zhì)量控制的重要步驟。本數(shù)據(jù)集在進(jìn)行極端低溫閾值界定時，對研究區(qū)的高溫地區(qū)（即格點(diǎn)年均日最低氣溫>研究區(qū)年均日最低氣溫）進(jìn)行了剔除，保證了事件識別質(zhì)量的可靠性。最后，在識別極端低溫事件時，剔除了影響面積小于最小面積A的極端低溫事件，有效減小了系統(tǒng)誤差，提升了本數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。

3.2 數(shù)據(jù)評估

采用與中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)典型極端低溫事件對比驗(yàn)證的方法對本數(shù)據(jù)集進(jìn)行評估。對識別出來的極端低溫事件與歷史時期中巴經(jīng)濟(jì)走廊的典型極端低溫事件進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)典型極端低溫事件（表2）與本文所識別出的極端低溫事件數(shù)據(jù)基本吻合。同時，采用緊急災(zāi)難數(shù)據(jù)庫（Emergency Events Database,EM-DAT）提供的中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)低溫災(zāi)害數(shù)據(jù)對本研究識別出的極端低溫事件進(jìn)行對比驗(yàn)證。圖5為中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)1961-2015年以來重大歷史低溫災(zāi)害事件的發(fā)生位置、受影響格點(diǎn)日最低氣溫和重點(diǎn)受災(zāi)城市及其發(fā)生次數(shù)，這些歷史極端低溫災(zāi)害事件與本數(shù)據(jù)集中所識別的該區(qū)域的極端低溫事件高度吻合，驗(yàn)證了本數(shù)據(jù)集具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)1961-2015年重大極端低溫災(zāi)害事件空間分布（單位:℃）

表2 中巴經(jīng)濟(jì)走廊典型極端低溫事件

序號 起止時間 發(fā)生位置 平均氣溫(℃) 持續(xù)天數(shù)(天) 數(shù)據(jù)來源3 1994/12/29-1995/1/19區(qū)和中國喀什地區(qū) -22.3℃ 22 巴基斯坦氣象局(PMD)/中國氣象局(CMA)4 2004/1/22-30 吉爾吉特-巴爾蒂斯坦地區(qū)吉爾吉特-巴爾蒂斯坦地-18.3℃ 9 巴基斯坦氣象局(PMD)5 2008/1/27-2/14喀什地區(qū) -22.4℃ 14 巴基斯坦氣象局(PMD)/中國氣象局(CMA)6 2009/1/4-9 俾路支省-奎達(dá)地區(qū) -15.0℃ 5 巴基斯坦天氣門戶網(wǎng)站(PWP)7 2010/10/15-18巴基斯坦北部區(qū)域和中國俾路支省西北地區(qū)和巴基-12.0℃ 11 巴基斯坦天氣門戶網(wǎng)站(PWP)9 2013/1/15-24 俾路支省西北地區(qū) -6.5℃ 10 巴基斯坦自然災(zāi)害管理局(NDMA)10 2013/12/26-2014/1/3斯坦北部部分地區(qū) -12.9℃ 3 巴基斯坦氣象局(PMD)/中國氣象局(CMA)8 2013/1/9-20 吉爾吉特-巴爾蒂斯坦地區(qū)俾路支省西北地區(qū)和聯(lián)邦直轄部落地區(qū) -12.0℃ 9 巴基斯坦天氣門戶網(wǎng)站(PWP)

圖6為本數(shù)據(jù)集識別的中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)1961-2015年發(fā)生的持續(xù)（1 d、2 d、3 d、4 d，5 d、6 d、7 d及以上）的極端低溫事件頻次，結(jié)果表明1962、2012、2013年是中巴經(jīng)濟(jì)走廊極端低溫事件的高發(fā)年份，與1961-2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊發(fā)生的典型極端低溫事件（表2）一致；如本數(shù)據(jù)集識別出的發(fā)生于2013年12月的持續(xù)9天極端低溫事件，在EM-DAT統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和巴基斯坦天氣門戶網(wǎng)站（PWP）中記錄表明：此次低溫事件中巴基斯坦重要城市斯卡都（Skardu）受到極端低溫影響，當(dāng)日最低氣溫達(dá)-12℃，影響人數(shù)超過17人（https://public.emdat.be）。同時本數(shù)據(jù)集更加精確地反映了該區(qū)域極端低溫事件的發(fā)生位置和影響范圍。

圖6 中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)1961-2015年極端低溫事件頻次

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

精準(zhǔn)識別極端低溫事件對氣候變化的分析和防災(zāi)減災(zāi)的成效具有直接影響，本數(shù)據(jù)集可以結(jié)合其他人口、經(jīng)濟(jì)、耕地?cái)?shù)據(jù)使用，用于中巴經(jīng)濟(jì)走廊的極端低溫事件的暴露度、危險性、脆弱性等相關(guān)研究。本數(shù)據(jù)集為mat文件格式，解壓后可使用Matlab軟件打開、顯示、查看、統(tǒng)計(jì)分析等。因?yàn)閿?shù)據(jù)格式問題，建議使用Matlab軟件進(jìn)行批處理，用戶可根據(jù)實(shí)際研究情況選擇下載數(shù)據(jù)。