乌鲁木齐极端天气事件及其与区域气候变化的联系.doc

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1、3乌鲁木齐极端天气事件及其与区域气候变化的联系赵逸舟 2 ,李圆圆 1 ,赵克明 1杨霞 ,( 1 新疆气象台 ,新疆 乌鲁木齐 830002;2 新疆气候中心 ,新疆 乌鲁木齐 830002 )摘 要 : 使用逐日观测资料 ,分析了乌鲁木齐极端天气事件的变化趋势及其与区域气候变暖的可能联系 ,结果表明 :近 30年来 ,乌鲁木齐的低温 、大风和雷暴事件减少趋势明显 ,沙尘暴 、大雾等事 件呈略减少趋势 ;暴雨 、高温和暴雪事件整体呈略增加的趋势 。大雾 、大风 、低温 、高温 、雷暴等事件 均具有较大的年际变化 ;暴雨 、暴雪 、沙尘暴 、冰雹等事件的年际变化幅度均较小 ; 各类极端天气事件

2、均存在各自明显的周期性特征 。乌鲁木齐年平均气温和高温 、低温 、沙尘暴等极端事件之间存在 较强的相关性 ,这些与温度相关的极端天气事件的变化与区域气候变暖关系密切 。关 键 词 : 极端天气 ; 区域气候 ; 气候变暖 ; 乌鲁木齐文章编号 : 1000 - 6060 ( 2009) 06 - 0867 - 07 ( 867873 )中图分类号 : P466文献标识码 : A全球变暖1 引发极端天气气候事件 所 造成 的各类气象灾害已引起国际社会的广泛关注 。近几年 来 ,国 内 外 科 学 家 对 极 端 天 气 进 行 了 大 量 的 研 究2 - 4 ,已得到了许多有意义的事实 。Bo

3、n sa l等5 的研究表明 ,过去几十年中 ,全球极端低温事件发生 频率以及霜冻日数都 有 减少 的趋 势 。严 中 伟等6 的研究指出 ,近 40多年来我国北方极端最低气温普 遍上升 5 10 ,冬季寒潮减弱 ,北方干旱主要表 现为微量降水事件的显著减少 ,而强降水并无明显 变化 ,在很多情况下 ,极端气候变化可达到气候平均 变化的 510倍 。翟盘茂等7 - 9 利用逐日资料分析 发现我国北方夜间极端低温事件在减少 ,白天极端 高温在增加 ,华北强降水事件在减少 。王鹏祥10 等 发现中国西北极端高温事件发生频率虽然变化趋势 较一致 ,但显著性明显不同 ,青海北部增加显著 ,西 北东部和

4、青海南部高原增加比较明显 ,而北疆和南 疆地区增加趋势较弱 。Q ian 等11 利用 494 个台站1961 - 2000 年的降水资料 , 根据基于降水百分比 、 强度及持续性的不同阈值指数 ,发现黄河流域和华 北干旱出现的频率增加 , 东南地区 (包括长江中下 游 )和新疆地区强降水事件增多 。新疆地处欧亚大陆腹地 ,其特有的地理位置和 地貌格局形成了新疆特有的气候特征 。大量研究表明12 - 17 ,在全球变暖的大背景下 ,新疆气候也发生了明显变化 。乌鲁木齐作为新疆的首府 ,近年来各 种自然灾害频发 。 2007年 7 月 ,乌鲁木齐市的降水量达到 110 mm 几乎占全年降水量的一

5、半 , 创历史极值 。其中 , 7月 17日乌鲁木齐市的日降水量高达57. 4 mm , 创 7 月 份 日 降 水 量 的 历 史 极 值 。此 外 ,2007年 5 月 8 日乌鲁木齐市的日降水量也突破了 其 5月份的历史极值 。乌鲁木齐的暴雨在一年内如此频繁地突破降水量极值 ,历史罕见 。目前关于乌鲁木齐极端天气事件的变化及其与区域气候变暖关 系的研究还较少 。本研究利用逐日观测资料 ,分析乌鲁木齐极端天气事件的年频率变化特征 ,并初步探讨其与区域气候变暖的可能联系 。1 资料及方法1. 1 资料使用乌鲁木齐市气象局观象台 1976 - 2007 年 的逐日实测资料 。选取日最高气温 、

6、最低气温 、最大 风速 、降水量 、雷暴 、冰雹 、沙尘暴及大雾次数作为分析对象 。这些信息涵盖了可能导致乌鲁木齐本地重 大气象灾害的主要极端天气事件 。1. 2 方法本 研 究 使 用 了 趋 势 分 析 、相 关 分 析 、小 波 分3收稿日期 : 2008 - 08 - 26; 修订日期 : 2008 - 12 - 19基金项目 : 新疆气象台青年基金 ( 200801 ) ;国家“十一五 ”科技支撑项目 ( 2007BAC29B02 ) ;中国气象局气象变化专项 ( CCSF - 09 - 15 )作者简介 : 杨霞 ( 1980 - )女 ,甘肃武威人 ,硕士 ,工程师 ,现主要从事

7、中短期天气预报工作. E - m a il: Yangxia921 163. com析18 等研究方法 。出现一个降雹年 , 共降雹 8 天 。冰雹在 20 世纪 80年代出现最多 ,其出现次数占总次数的 50 % 。2 乌鲁木齐市极端天气事件分析表 1 各类极端天气事件标准Ta b. 1 S tan da rd s of the ex trem e wea ther even ts2. 1 变化趋势本研究对于极端天气事件中暴雨的定义使用新 疆本地标 准即 : 日 降水 量 大 于 24 mm 定 义 为 暴 雨 日 ,其他极端天气的标准均参考中国气象局制定的 标准 (表 1 ) 。图 1 给

8、出自 1976 年以来 ,乌鲁木齐主要极端天 气事件的出现频率 。由图可看出 ,近 30 多年来 ,乌 鲁木齐的低温 、大风和雷暴事件减少趋势明显 ,平均10年分别减少 4. 8 天 、4. 0 天和 2. 1 天 。沙尘暴事 件和大雾事件也呈减少趋势 ,但趋势不明显 。暴雨 、 高温和暴雪事件的出现频率 ,整体呈略增加的趋势 , 但可看出 20 世纪 90 年代以后 ,暴雨和暴雪事件的 这种增加趋势更为显著 。乌鲁木齐市出现冰雹的几极端天气事件标 准暴雨高温 低温 大风 暴雪日降水量大于 24 mm 定义为暴雨日日最高气温高于 35 定义为高温日 日最低气温低于 - 20 定义为低温日 日最

9、大风速大于 17 m / s定义为大风日 日降雪量大于 12 mm 定义为暴雪日 由于空气中水汽凝结或凝华而导致能见度小于500 m 时定义为大雾事件出现闪电或雷声时定义为雷暴事件 由于沙尘原因导致水平能见度小于 1 km 时定义为沙尘暴事件大雾雷暴沙尘暴出现坚硬的球状 、锥状或形状不规则的固 态降水 ,雹核一般不透明 , 外面包有透 明的 冰层 , 或 由透明的冰层与不透明的冰层相间组 成 , 定义 为冰雹事件 。冰雹率很小 , 32 年间仅7 年有冰雹出现 , 平均每4. 6 年图 1 1976 - 2007年乌鲁木齐主要极端天气事件出现频率F ig. 1 Yea rly frequenc

10、y of m a in extrem e synop tic even ts in U rum q i from 1976 to 2007此外 ,从极端天气事件出现的年际变化来看 ,大雾 、大风 、低温 、高温 、雷暴等事件均具有较大的变化 幅度 ,最大变幅均在 10次以上 ,尤其是大雾 ,其年际 变化可 达 58 次 ( 1987 年 为 70 次 , 1996 年 仅 为 12 次 ) 。暴雨 、暴雪 、沙尘暴 、冰雹等事 件的 年 际变 化 幅度均较小 。2. 2 周期性特征为了了解不同频率的时间分布特征 ,本研究对 标准化 的 乌 鲁 木 齐 极 端 天 气 事 件 频 次 序 列 进

11、 行 Mo rle t小波分析 。图 2显示了各类极端事件的 Mo r2 le t小波分析结果 。可看出 :( 1 )暴雨事件 :变化周期主要集中在高频区 ,准5 年 的 主 周 期 信 号 在 20 世 纪 90 年 代 趋 于 减 弱 ,年代后期出现较弱的准 10 年周期 。从周期变化趋势来看 ,乌鲁木齐正处在多暴雨时期 。2000年以后 该 周 期 重 新 加 强 。中 频 区20 世 纪80图 2 乌鲁木齐极端天气事件的周期性特征 (阴影为正值区 )a. 暴雨 ; b. 暴雪 ; c. 雷暴 ; d. 沙尘暴 ; e. 高温 ; f. 大风 ; g. 大雾 ; f 低温F ig. 2

12、Pe riod ic cha rac te rs of extrem e synop tic even ts in U rum q i( a. to rren tia l rain; b. heavy snow; c. thunde rsto rm; d. sand sto rm; e. h igh temp e ra tu re; f. strong w ind; g. heavy fog; f. low temp e ra tu re )( 2 )暴雪事件 :周期变化在高频区表现明显 ,准5 年周期出现不连续 ,在 20 世纪 70 年代中期至 80 年中期最强 , 80年代后期至 90

13、年初期逐渐减弱 , 90 年代中期以后周期信号较难分辨 。( 3 )雷暴事件 :周期在低 、高频区均有表现 。较 弱准 17年的周期信号稳定存在 ;高频区准 6年周期 于 20世纪 80年代中期逐渐缩短为 5 年周期 , 2000 年后该周期消失 。( 4 )沙尘暴事件 :周期变化表现在中频区 ,存在 一个弱的准 9年周期信号 。( 5 )高温事件 :周期在中 、高频区均有表现 。中 频区准 9年周期和高频区准 5 年周期 ,均开始于 20 世纪 80年代中期 。准 9 年周期维持较弱 ,准 5 年周 期在 20世纪 90 年中后期较强 ,后逐渐减弱 ,从年代 际周期变化趋势看 ,乌鲁木齐即将

14、进入少高温天气 时段 。( 6 )大风事件 : 周期变化在低 、中 、高频表现均 较明显 。低频区存在明显的准 30 年周期 。中频区 存在准 13 年周期 ,该周期进入 2000 年后有所减弱 , 准 6 年周期在 20 世纪 70 年后期至 80 年代中期较 强 ,后逐渐减弱 , 2000 年之后消失 。( 7 )大雾事件 :周期在中 、高频区均有表现 。中 频区准 15 年周期稳定存在 ,准 9年周期和准 5 年周 期在 20世纪 80 年代中期至 90年代末较强 。( 8 )低温事件 :周期信号主要集中在高频区 ,准4年周期和弱的准 9年周期均在 20 世纪 90 年初期 后消失 。自

15、 90年代中期开始 ,无明显的周期信号 。图 3 1976 - 2007年乌鲁木齐市平均气温序列F ig. 3 Yea rly ave rage a ir temp e ra tu re sequence in U rum q i from 1976 to 20074 极端天气事件与区域气候变暖的可能联系全球气候变暖已经成为一种共识 ,乌鲁木齐的12 气候变化具有同样的趋势 。区域气候变暖与极端天气事件之间是否存在某种联系 ,是一个值得探 讨的问题 。表 2 给出 1976 - 2007 年乌鲁木齐年平 均气温与各种极端天气事件发生频率的相关系数 , 从中可发现如下事实 :( 1 )年平均气温

16、与高温日数的正相关系数超过0. 05的信度标准 ,其与低温日数 、沙尘暴日数的负 相关系数均超过 0. 01 的信度标准 。而年平均气温 与其他灾害性天气事件如暴雨 、暴雪 、大雾 、大风和 雷暴事件发生频率的相关性并不明显 。( 2 )在各类极端天气事件之间 , 雷暴日数与大 风日数 ,沙尘暴日数与低温日数之间的正相关系数 超过 0. 05的信度标准 ,雷暴日数与沙尘暴日数之间 的正相关系数超过 0. 01的信度标准 。几类极端天气 事件之间的高相关性在一定程度上反映了其内在的 联系 ,如 :雷暴是一种短时强对流天气 ,其发生时常3 近 30 年来乌鲁木齐气候变暖状况图 3为乌鲁木齐市自 1

17、976 年以来的气温变化序列 。可看出 ,乌鲁木齐市的年平均气温 、年平均最 高气温和年平均最低气温均有升高的趋势 ,但升温 幅度并不对称 ,年平均最低气温的增温幅度最大 ,为0. 92 /10 a,年平均最高气温的增温幅度为 0. 38 /10 a。从各季节的气温变化趋势来看 ,升温幅度又以 秋季为最大 ,达 1. 02 /10 a,其次是春季 ,为 0. 96 /10 a,冬 季 为 0. 92 /10 a, 夏 季 相 对 较 弱 , 为0. 60 /10 a。表明 , 乌鲁木齐区域气候增暖是 由 秋 、春 、冬季平均气温的升高造成的 ,这一结论与前 人的研究结论一致12 。伴有短时大风

18、出现 ,而大风又是沙尘暴的重要启动条件 ,因此 ,雷暴与大风 ,雷暴与沙尘暴之间的高相 关性正反映了其内在的这一联系 。沙尘暴日数与低 温日数之间的高相关性反映了 ,冬 、春季强冷空气活 动常引发沙尘暴 ,强冷空气活动频繁必然导致低温 日数增加 ,由此导致的沙尘暴事件也相应增加 。由前文分析可知 ,乌鲁木齐区域气候的增暖表 现为非对称性特征 ,以秋 、春季平均气温的上升为最 明显 。乌鲁木齐秋 、春季区域气候变暖与冷空气活 动的频繁程度有一定的联系 。一方面 ,冷空气活动 的减少必然导致极端低温事件和强沙尘暴事件的减 少 ,这种后果对冬 、春季平均最低气温增加将起到正 的贡献 。同时 ,高温天

19、气事件的增多对夏季平均最高气温的上升也有一定的影响 ,这些变化的结果部分地抬升了区域的平均气温 。当然 ,导致气候变暖 的因素有很多 ,极端事件的变化只是其中的因子之 一 。从另一个角度上看 ,气候平均值的改变可能会 直接影响到温度极端值的变化 ,例如温度平均值的 变化会直接影响到极端高温 /低温事件出现的频率 和强度 。对于符合正态分布的温度 ,其平均值的上 升可以导致新的高温事件 。气候变率的改变是导致极端气候事件发生变化 的另一个原因 ,为了进一步分析乌鲁木齐区域气候 变暖与极端天气事件的变化差异 ,计算了年平均气 温以及与其有较强相关性的高温 、低温 、沙尘暴等事 件在不同年代的气候平

20、均态和气候变率 (表 3 ) 。表 2 乌鲁木齐年平均气温与极端天气事件的相关系数C orre la t ion coeff ic ien ts of ann ua l a vera ge a ir tem pera ture w ith ex trem e syn op t ic even ts in Urum q iTa b. 2暴雨日暴雪日大风日高温日大雾日低温日沙尘暴日雷暴日0. 383- 0. 34- 0. 150. 121. 00- 0. 5733- 0. 15- 0. 310. 300. 060. 081. 00- 0. 5233- 0. 09- 0. 080. 27- 0. 2

21、4- 0. 020. 4331. 00年平均气温暴雨日 暴雪日 大风日 高温日 大雾日 低温日 沙尘暴日 雷暴日0. 131. 000. 170. 161. 00- 0. 06- 0. 19- 0. 211. 00- 0. 090. 00- 0. 120. 30- 0. 101. 00- 0. 31- 0. 140. 030. 413- 0. 27- 0. 050. 340. 54331. 00( 33表示信度超过 0. 01 标准 ; 3 表示信度超过 0. 05 标准 )表 3 乌鲁木齐年平均气温与高温 、低温 、沙尘暴等极端天气事件的年代际变化特征Ta b. 3 D eca de cha

22、n ge cha ra c ter s of ann ua l a vera ge a ir tem pera ture an d ex trem e syn op t ic even th igh tem pera ture, low tem pera ture, san d storm in Urum q i年份年均气温 / (标准差 / )年均高温天数 / d (标准差 / d)年均低温天数 / d (标准差 / d) 年均沙尘暴天数 / d (标准差 / d )1976 - 19851986 - 19951996 - 20056. 33 ( 0. 98 )6. 81 ( 0. 63 )

23、7. 66 ( 0. 59 )4. 30 ( 1. 73 )3. 80 ( 2. 15 )5. 50 ( 3. 07 )41. 20 ( 12. 08 )32. 90 ( 12. 08 )25. 70 ( 10. 32 )9. 10 ( 4. 55 )5. 60 ( 2. 11 )7. 00 ( 3. 32 )可见 ,近 32 年来 ,乌鲁木齐区域年平均气温保持平稳上升态势 ,平均低温天数与其存在一致性减 少的趋势 。乌鲁木齐区域年平均气温的年代际变率 呈下降态势 ,极端事件的年代际气候变率也存在一 致性上升 (如高温 ) 或下降 (如低温 )趋势 。年平均 沙尘暴天数与年平均气温的年代际变化

24、趋势缺乏一 致性 。由此说明 ,极端事件的出现是一个较为复杂 的问题 ,区域气候变暖 、气温变率的变化都是导致其 出现的可能因素 。5结论和讨论本研究使用逐日观测资料 ,分析了乌鲁木齐极端天气事件的变化趋势及其与区域气候变暖的可能 联系 ,得到如下结论 :( 1 ) 近 32 年来 , 乌鲁木齐的低温 、大风和雷暴 事件减少趋势明显 , 沙 尘暴 、大 雾事 件 呈略 减少 趋 势 ;暴雨 、高温和暴雪事件整体呈略增加的趋势 ,但20世纪 90年代以后 ,暴雨和暴雪事件的增加趋势c ip ita tion even ts in a rid and sem i a rid region s in

25、 the ea st of no rth2west Ch inaJ . Jou rna l of D e se rt R e sea rch, 2005 , 25 ( 6 ) : 904 -909. 4 龚道溢 ,韩晖. 华北农牧交错带夏季极端气候的趋势分析 J . 地理学报 , 2004 , 59 ( 2 ) : 230 - 238. Gong D aoyi, H an H u i. Ex2 trem e c lim a te even ts in no rthe rn Ch ina ove r the la st 50 yea rsJ .A c ta Geograp h ica Sin i

26、ca, 2004 , 59 ( 2 ) : 230. 238. 5 Bon sa l B R , Zhang X B , V incen t L A , e t a l. Cha rac teristic s of daily and extrem e temp e ra tu re over CanadaJ . C lim a te, 2001 , 5 ( 14 ) :1959 - 1976.6 严中伟 ,杨赤. 近几十年我国极端气候变化格局. 气候与环境 研究 , 2000 , 5 ( 3 ) : 267 - 272. Yan Zhongwei, Yang Ch i. Change str

27、uctu re in c lim a tic extrem e s in Ch ina in recen t decade sJ . C li2 m a te and Environm en t. 2000 , 5 ( 3 ) : 267 - 272. 7 翟盘茂 ,潘晓华. 中国北方近 50 年温度和降水极端事件变化J . 地理学报 , 2003 , 58 (增刊 ) : 1 - 10. Zha i Panm ao, Pan X i2 aohua. Change in extrem e temp e ra tu re and p recip ita tion ove r No rthem C

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31、p heric Physic s, 2005 , 90 ( 2 ) :l93 - 207.12 张家宝 ,史玉光. 新疆气候变化及短期气候预测 J . 北京 : 气 象出版 社 , 2002. 1Zhang J iabao, Sh i Yuguang. C lim ate change and fo reca st of sho rt2te rm c lim a te in X in jiangM . B e ijing: M e te2 o ro logica l P re ss, 2002. 13 徐贵青 ,魏文寿. 新疆气候变化及其对生态环境的影响 J . 干 旱区地理 , 2004 ,

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33、resen t c lim a te change from wa rm 2d ry to warm 2we t in no rthwe st Ch inaJ . Q uate rna ry Science s, 2003 , 23 ( 2 ) : l53 - l64. 15 薛燕 , 韩萍 ,冯国华. 半个世纪以来新疆降水和气温的变化趋 势J . 干早区研究 , 2003 , 20 ( 2 ) : 127 - 130. Xue Yan, H an P ing, Feng Guohua. Change trend of the p rec ip itation and a ir tem 2表现

34、更为显著 。( 2 )大雾 、大风 、低温 、高温 、雷暴等事件均具有 较大的年际变化 ;暴雨 、暴雪 、沙尘暴 、冰雹等事件的 年际变化幅度均较小 。( 3 )乌鲁木齐区域气候的增暖表现为非对称性 特征 ,以秋 、春 、冬季平均气温的上升最为明显 。乌 鲁木齐年平均气温和高温 、低温 、沙尘暴等极端事件 之间存在较强的相关性 ,这些与温度相关的极端天 气事件的变化与区域气候变暖关系密切 。乌鲁木齐 冬 、春季区域气候变暖与冷空气活动的频繁程度有 一定的联系 。一方面 ,冷空气活动的减少必然导致 极端低温事件和强沙尘暴事件的减少 ,这种后果对 冬 、春季平均最低气温增加将有正的贡献 。( 4

35、)区域气候变暖 、气温变率的变化都可能导 致极端事件的出现 。气候平均值的变化可能会直接 影响到极端值的变化 ,如温度平均值的变化会直接 影响到极端高温 、低温事件 。从物理机制讲 ,温室气 体的大量排放 ,致使大气温度升高 ,与温度有关的极 端事件就会增多或减 少 。气 温 的升 高会 使 地表 增 暖 ,加剧地表水分蒸发 ,大气中水分含量也会增加 , 为了与蒸发过程相平衡 ,降水将增长 ,暴雨几率增大19 。极端天气的变化较为复杂 ,不同的极端天气也 有不同的影响机制 。随着城市规模的扩张和经济的 发展 ,极端天气事件 在城 市 造成 的损 失 日益 加剧 。 弄清极端天气事件的出现规律

36、,对于城市防灾减灾 是一项重要的工作 ,对其致灾机理的研究尚有待进 一步探讨 。参考文献 ( Referen ce s)1 IPCC. C lim a te change 2001: the sc ience of c lim a te changeM / /Hough ton J T, D ing Y, Griggs D J , e t al. Con tribu tion of W o rk ing Group I to the Th ird A sse ssm en t R epo rt of the In te rgove rnm en ta l Pane l on C lim a t

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42、th reg iona l c l im a te chan geYAN G X ia1 ,ZHAO Yi2zhou2 ,L I Yuan2yuan1 ,ZHAO Ke2m ing1( 1 X in jiang M eteorolog ica l O bserva tory, U rum qi 830002, X in jiang, C h ina; 2 X in jiang C lim a te Cen ter, U rum qi 830002, X in jiang, Ch ina )A b stra c t: B a sed on the da ily wea the r ob se r

43、va tion da ta from 1976 to 2007 , the change of extrem e wea the r even tsand its po ssib le re la tion sh ip w ith the c lim a te wa rm ing in U rum q i wa s ana lyzed by the trend ana lysis, co rre la tive a2 na lysis and wave le t ana lysis m e thod s. The re su lts show tha t the low temp e ra t

44、u re, strong w ind and thunde rsto rm e2 ven ts have a obviou sly dec rea sing trend in the la st 32 yea rs; sand sto rm and heavy fog even ts have a dec rea sing trend to d iffe ren t exten t, bu t the to rren tia l ra in, heavy snow even t and h igh temp e ra tu re even ts have a inc rea sing tren

45、d in the p a st 32 yea rs. The heavy fog even ts, strong w ind, low temp e ra tu re, h igh temp e ra tu re and thunde rsto rm even ts have a rem a rkab le annua l change; bu t the annua l change s of the to rren tia l ra in, heavy snow , sand sto rm and ha ilstone even ts a re incon sp icuou s. C li

46、m a te wa rm ing in U rum q i region show s a symm e try cha rac te rize s, the au tum n, sp ring, w in te r m in im um temp e ra tu re inc rea se sign ifican tly; a ll extrem e synop tic even t wh ich we re re sea rched in th is p ap e r have eviden t va ria tion p e riod s. The re a re h igh co rre la tion be tween the annua l ave rage temp e ra tu re and som e extrem e wea the r even ts such a s h igh temp e ra tu re, low temp e