新疆觀測極端氣候事件研究進展

張延偉

(商丘師范學院環境與規劃學院，河南商丘476000)

0 引言

全球氣候變暖給當前生態環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］.全球變暖將導致大范圍的冰雪融化和全球海平面升高，天氣系統更加不穩定.由于極端氣候事件對氣候變化更敏感［4］，氣溫升高將會引發更多的極端氣候災害［5］，例如:干旱、洪水、熱浪流等，嚴重危害人類安全、社會建設及生態系統.自1980 s以來，由于極端天氣氣候事件引起的氣象災害帶來了嚴重的后果，造成巨大的經濟損失.中國是遭受自然災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，生態環境復雜.氣候的變化，對我國造成的影響帶來了巨大災害，如1998年長江流域洪水，2008年我國南方出現持續性大雪災害，2010年云貴川干旱、2012年北京暴雨等災難性事件.這些氣象災害嚴重的影響了人們的日常生活.針對極端氣象災害對我國生態環境和社會經濟生活的的影響，有目標的發現極端事件變化趨勢、發生規律、機理原因.我國制定了相應的規章及其防御措施，加強了對極端氣候事件的監測力度.建立了一批防御工程和監測站點及研究單位.例如:強臺風和區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［7，8］.2010年，中國建成了一批氣候災害防御工程，提高應對極端氣象災害的綜合監測預警能力、抵御能力和減災能力.面對極端氣候事件，我國提出全民參與氣候變化的決策;積極應對和適應極端氣候，參與國際合作［9］.本文歸納了新疆地區極端氣候事件研究狀況，為今后新疆干旱與半干旱地區極端氣候事件引起的氣候災害如何應對，提出一些思考和建議.

1 極端氣候事件定義與指標研究

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嚴重偏離其平均態，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計學，這些極端氣候事件每年都會發生，如強降水等;另一類是直接由事件發生與否決定，如洪旱災害等，這樣的事件并不是每年都發生.Beniston等［12］定義極端事件的3個標準:(1)事件發生的頻率相對較低;(2)事件有相對較大或較小的強度值;(3)事件導致了嚴重的社會經濟損失.研究以上極端氣候事件定義，發現所謂極端氣候事件，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(即在大量重復試驗中出現的頻率非常低)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;從統計意義上講極端氣候事件是指氣候因子數據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多年間大氣基本狀態，它反映平均狀況，是多年各種天氣過程的綜合表現形式.它是從時間和空間上分析的一種平均態.極端氣候事件的定義:(1)從時間分析，一定時期內嚴重偏離其平均態氣候變化，維持較短的時間，發生頻次較低，強度較大;(2)從空間分析，一定區域內出現嚴重降水、干旱、寒潮、熱浪等小概率事件.不同地區閾值定義不同，具有群發性特征;(3)從破壞強度分析，破壞力度較大，造成巨大的經濟損失.

嚴格意義上講，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，當所有的工作已經完成后，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

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，即代用指標應用，例如近530年干濕指數［13］、新疆最長干日和最長濕日［14］等，分析這些氣候指數特征反應極端氣候事件變化情況，研究表明新疆地區降水事件的強度和概率最大的地區位于阿合奇、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、頻數變化趨勢.當前，極端氣候事件的代用指標是國際上通用的方法.一些氣象組織對于代用指標做了大量的研究工作.例如:氣候變化監測和指數專家組定義了27個極端氣候指數(包括16個氣溫指數和11個降水指數).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的廣泛應用.同時，WMO公布的極端氣候指數，探討極端氣候事件的變化特征.Jones等［15］采用極端氣候指數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后指出，近50年全球極端氣溫事件主要表現為變暖，尤其與日最低溫度有關的極端溫度指數.同時，還有一些極端氣候現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，還與氣溫等密切相聯系.

當前對于不同國家地區，不同的研究學者給出了大量不同的極端氣候事件的研究指標.這些指標有著自身各自的優點和缺陷.例如:根據不同地區、不同氣候類型定義的指標，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，能夠被許多地區應用.可以大范圍的研究得到一些結論.但是，定義極端氣候指標過程受到質疑，地球有著不同的氣候帶類型，每個地區的地形地貌干濕狀況不同.統一指標選取依據是什么，尚不清楚.統一指標選擇標準，如何選擇恰當的閾值，這些閾值是否符合所有地區?

2 綜述

2.1 極端氣溫事件

全球氣候變化更加顯著，其中當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］.當前許多學者結果表明［20－22］:夏季高溫事件和冬季低溫事件發生的頻率有增大的趨勢.目前研究中國區域發現［23］:熱浪有減少的趨勢，中國東部地區趨勢減少的比較明顯;冷日數顯著減少;暖日和暖夜數頻率有增加的趨勢，冷日數和冷夜數減少頻率更加顯著.北部地區高溫日數略有減少，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，生態環境較為脆弱.張麗旭等研究發現［24］自20世紀50年代以來，新疆的氣溫持續升高，并且升溫和降水增加主要發生在冬季.根據新疆77個有代表性的國家水文、氣象站的數據［25］，發現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，北疆地區為0.36℃/10 a，南疆地區為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］研究發現新疆地區最近幾十年來，冷夜呈現下降趨勢2.45 d/10 a，暖夜呈現上升趨勢4.85 d/10 a;冷日呈現下降趨勢0.86 d/10 a，暖日呈現上升趨勢1.62 d/10 a.這些研究表明新疆氣溫上升，導致了極端氣溫事件指數的改變.

2.2 極端降水事件

極端降水事件增多嚴重影響著工農業生產和經濟社會的發展［26］.21世紀，全球平均的年降水量可能增加，但在區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極端降水事件的強度、頻數及其生命周期的增加.Changnon等［27］研究表明區域整體降水量增加，極有可能是區域某一部分降水量增加的結果.也有可能存在區域總降水量減少或不變，但也會出現個別地區極端降水事件增多的現象.李欣等［28］研究表明，寧夏大部分地區的極端降水頻率、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，西北地區極端降水閾值、極端降水日數和極端降雨量均是自北向南逐漸增大;時間上，極端降水日數和極端降雨量除西北東南部呈減少趨勢，其他地區均表現為增加趨勢，且存在明顯的年際變化特征.中國區域極端降水的變化具有一定的區域性特點.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分布非常一致，表現為強降水日數減少［30］.

新疆地區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，北部地區在48 a極端指數變化比其他地區顯著;每年濕期降水總量、簡單降水強度指數、月最大一日降水量、月最大五日降水量、重濕日數和連續干日的空間特征基本相似，除連續干日，總體呈自東南向西北遞增的態勢，且高值中心均分布于山區一帶.48 a來，除連續干日，極端降水事件的其他5個指標呈上升趨勢，并于1980 s左右發生了突變現象.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、月最大一日降水量、月最大五日降水量、重濕日數和連續干日均存在明顯的年代際特征，而且還存在準3 a和7a的震蕩周期.姜逢清等［32］研究發現新疆地區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檢驗發現，極端降水事件在1980 s發生了突變，這與新疆在該時期氣溫與降水發生轉變時期一致.新疆有濕潤化趨勢，北疆濕潤化趨勢比南疆顯著［33］.從降水天數和極端降水天數角度來看，新疆極端強弱降水同時出現的概率減小，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年后新疆地區發生澇的概率增大，發生旱的概率減少［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，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.

近年來，許多研究人員展開了對應北大西洋濤動與氣候變化關聯研究.徐寒列［36］研究北大西洋濤動與西南地區降水關聯，發現冬季北大西洋濤動與西南地區降水存在顯著的正相關關系，并且，正相關具有不對稱性，即當冬季北大西洋濤動處于負位相時，東亞地區環流形勢不利于中國西南地區降水的形成，對應著中國西南地區冬季降水的顯著減少.而當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降水的正相關關系并不顯著.楊蓮梅等［37］發現夏季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EP通量散度強度和位置異常導致強輻散中心在中高緯向東傳播的準靜止波和沿副熱帶西風急流準靜止波活動變化，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的年代際變化與北京年降水量年代際變化的關系基礎上，利用它們之間關系具有長程記憶的特性，提出了在年代際背景下預測不同強度降水量出現的概率的新思路.南峰等［39］發現冬季北大西洋濤動指數與瑪納斯河冬季流量呈現顯著的正向變化關系，夏季兩者的關系則相反.利用交叉小波變換，分別發現了冬、夏季北大西洋濤動指數與瑪納斯河流量變化關系最密切的振蕩周期.文中還發現冬、夏季北大西洋濤動指數與北疆溫度、降水的變化也存在顯著的相關關系.王曉騰等［40］發現冬季NAOI與我國冬季的降水和氣溫相關性很強，夏季次之，春季和秋季較差;除春季外，在其余季節NAOI與我國氣溫的相關性要遠大于與降水的相關性.韓添丁等［41］指出影響北半球氣溫、降水等氣候驅動因子的NAO和AO同樣與新疆河川徑流的變化具有顯著的遙相關，在年際變化上，NAO和AO的強弱分別與徑流變化的相關性具有明顯的區域性差異;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，相關關系分別超過了95%和99%置信水平，NAO和AO變化對預測新疆河川徑流的變化有很好的實際意義.李紅軍等［42］發現NAO與阿克蘇河徑流的年代際變化、周期、相關等分析表明兩者關系密切;NAO通過大氣環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的氣候變化具有顯著影響;具體體現在，NAO和AO顯著的影響研究區冬季溫度和全年的溫度變化;NAO對整個區域年降水具有顯著影響.溫度比降水對NAO和AO的響應更敏感.Peng等［44］指出，因為北大西洋地區大氣環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域.新疆自然災害頻繁發生，氣候環境比較惡劣［45］，同時生態環境較為脆弱.全球氣候變化，新疆夏季暴雨洪水、春秋干旱頻率呈現上升趨勢的現象［46］.其中，20世紀80代年以來新疆旱澇災害呈現擴大的態勢［47］.新疆年均降水與NAO存在準2 a和6 a周期，夏季降水與NAO存在準3 a和5 a周期，冬季降水與NAO存在準3 a周期［69］.新疆年均氣溫與NAO存在準3 a周期，夏季氣溫與NAO存在準3 a周期，冬季氣溫與NAO存在準3 a和8 a周期［48］.新疆年、冬季和夏季的降水與NAO，通過檢驗的周期區域中，高值正相關大多集中在1980 s;年、冬季和夏季的氣溫與NAO，通過檢驗的周期區域中，高值正相關也大多集中在1980 s.

3 展望

由于新疆生態環境較為脆弱，會對新疆的生態系統造成致命的傷害.同時，極端氣候事件的增多，也會嚴重影響到新疆的經濟社會和工農業發展.因此，展開對極端氣候事件的研究具有重要意義，特別是新疆地區極端氣候事件研究.當前，國內外對于極端氣候事件研究成果的大量涌現.新疆作為西部大開發的重點地區，也應當加強極端氣候事件的研究.但是，目前新疆地區極端氣候研究較少.其中，關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生的頻率及強度有著增加的趨勢.如何應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的站點資料，加強新疆地區站點建設及密度是當前刻不容緩的任務.但是，由于歷史及地形地貌原因.當前站點有效觀測時間較短，站點分布不均勻.其中，北疆經濟發達地區，站點密集，但是南疆等經濟欠發達、荒漠及高山地區站點太少，幾乎沒有站點分布.

(2)適合新疆地區的極端氣候事件指標發展.當前針對新疆特殊的環境，我們需要恰當的、滿足新疆地區的極端氣候事件指標.這方面的研究較少［17］，基于新疆的降水、氣溫資料建立適應于新疆地區的代用指標.

(3)研究極端氣候事件與洪旱災害、氣候強迫因子之間關聯研究較少.新疆遠離海洋，但并不代表這些因素不影響新疆地區生態環境.加強該方面研究，看是否這些因素具有一定的氣候預報價值.

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

(5)極端氣候事件預警.當前我們國家加強了極端氣候事件的預警措施.我們應當在國家良好的政策下，加強這方面的研究，更好的為新疆地區發展，和決策提供有參考價值的預警方法.

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