趋势和突然的政权转变温度极端的中国东北,1957 - 2015

文摘

极端温度的趋势和突然的政权转移进行了基于日数据在中国东北地区116个气象站1957 - 2015年期间。总共10温度指标分为两类:极度寒冷和温暖的指标,被用于这项研究。Mann-Kendall(可)测试是用来评估的趋势时,其温度changepoint, R包changepoint分析,是用来检测温度的平均水平的变化极端数据系列。这项研究的结果显示,发生频率的极端寒冷的夜晚(TN10p)和极端温暖的夜晚(TN90p)已下降,增加了−1.67和1.79天/十年,分别。此外,极端温度变化没有统一的最低温度变暖趋势是迅速而极端最高温度。昼夜温度范围(DTR)描绘了一个显著的减少由于迅速变暖的最低温度。地区气候变暖导致减少的霜天数(FD)和结冰的日子(ID)和增加的数量生长季长度(GSL)和热带的夜晚(Tr)。季节性的,TN10p很大程度上减少了在冬季和春季,而TNn和TN90p很大程度上增加了在冬天和夏天,分别。空间,大部分电台与最低气温的明显的变暖趋势位于长白山,Khingan范围,和小Khingan范围。这意味着山区更为敏感,容易受到气候变暖比平原地区。 On the contrary, most stations located in the Songnen Plain, Sanjiang Plain, and Liao River Plain displayed significant positive trend GSL and Tr. These climate extreme trends show that the region is experiencing warming which may have an impact on the hydrological process, ecological process, and agricultural production capacity.

1。介绍

极端温度的变化,吸引了全世界的关注由于其巨大的潜在影响人类生活,经济稳定和生态系统(1,2]。例如,2003年,极端的夏季热浪夺走了22000人的生命在欧洲的不同部分(3),而在孟加拉国,受洪灾地区的大约140000死亡病例被报道在19914]。Nenjiang-Songhuajiang流域和长江在中国,3000人死亡报告了1998年夏季极端洪水的结果(5]。根据评估报告的风险管理和适应极端气候和灾难在中国,每年约1.07%的国内生产总值(GDP)的经济损失发生在二十一世纪由于极端气候(6]。因此,这清楚地显示全球极端气候变化的重要性,在全国范围内,和区域,从全球变暖的角度。

最近,许多研究人员进行的研究对温度和降水的变化从世界各地7- - - - - -13]。尽管长期可靠的气候数据,得到高质量的挑战中一个显著的一致性结果显示从这些研究极端温度。这些研究表明,从19世纪的中期,平均表面温度增加了每年大约0.75°C,预计将上升1.1 - -6.4°C未来10年。与观测到的年平均气温变化,这些研究也报道了全球约1%的积极趋势,降水在二十世纪。在国家层面上,研究表明,中国也受到极端气候的影响。你等。2许,et al。14谢,et al。12]报道明显的变暖的温度0.27°C /十年在中国,增加在温暖的夜晚和温暖的白天的发生,并减少在寒冷的天冷夜的发生。作者进一步指出减少趋势的昼夜温度范围和霜冻天−0.18°C /和−3.37天/十年,十年。

在中国气候极端的反应随地理区域特征。例如,在青藏高原和横断山脉,与海拔增加(温度升高有显著的关系15,16]。温暖的极端显著中国西北部,惜售,和中国北方,而极端寒冷的频率明显降低在中国东北和华北2,17]。这些反应对极端气候敏感的含义可以令人担忧的中国东北等地区,非常敏感的人类活动的影响由于其地理位置在温带18]。

在中国东北,降水极端事件的变化已经开始被注意到。例如,梁等。19]指出极端降水的空间变异性在中国东北由于东亚季风和地形的影响。大多数以前的研究调查了东北地区降水的变化(18,19]或厄尔尼诺-南方涛动的后果夏季温度使用每日气候数据(20.]。然而,包容性极端温度的调查是中国东北仍然缺乏,因此,本研究的目标是(i)研究的趋势及其空间和季节性特征温度极端和(2)调查的存在changepoint(突变)及其温度的大小在58-year水文气象时间从1957年到2015年。

1.1。研究区域

东北地区位于38^o40′-53°34′N;115°05′-135°02′E,面积约为1.24×10⁶公里²。东北包括黑龙江、辽宁、吉林省从北到南,也涵盖了内蒙古东部的。研究区特点是平原,山脉,河流。在平原,松嫩平原、三江平原和辽河平原包括划定的长白山和大Khingan较小Khingan范围(图1)。该地区是一个典型的季风气候地区的影响下东亚季风和气候变化的敏感区域19]。气候变化从温暖到酷温带中纬度地带,而在纵向区域,气候潮湿,semihumid和半干旱。东北地区是中国农业生产盆地最高的人均耕地禀赋(21]。除了种植业,该地区也以牲畜饲养,林业和制造业。中国东北地区的大型平原回收变得更加明显“食品第一”农业政策下的比例显著增加作物农场。与当前的土地利用变化趋势、水提取加上气候变化、地区的居民担心,在不久的将来可用的资源可能会耗尽因此影响农业生产和经济增长22]。

2。数据和方法

2.1。数据源和质量控制

与全球其它地区一样,在中国得到很好的气候数据的分析温度极端是非常具有挑战性的。除了北京、上海和其他几个站,大部分电台中国气候数据观测成立于1950年代。中国东北地区的时间考虑本研究58年(从1957年到2015年)坐落在中国东北116个气象站(图1)。温度数据来自中国气象局国家气候中心(http://www.nmic.gov.cn/),用于提取极端指数。根据Shahid et al。23),异常值和缺失值产生相当大的影响的计算对极端温度的指数和趋势分析。因此,数据质量评估进行了使用一个RClimDex软件包(可用ETCCDI网站,http://cccma.seos.uvic.ca/ETCCDI/software.shtml)。站与缺失的数据时间的平均值由最近的车站考虑自然地形和海拔,曾与前最好的相关数据和同期没有缺失的数据。数据质量检查和同质性测试后,被用于116个气象站温度指数的计算。为了了解温度极端的空间变化,东北分为subgeographical六个区域,即。松嫩平原、三江平原,辽河平原,长白山,Khingan范围越大,Khingan范围较小。为每个区平均极端温度的变化进行了评估和东北地区作为一个整体。季节性变化,12月、1月和2月是冬季的集群;3月,4月,5月是集群春天;6月、7月和8月是夏天的集群;和9月、10月和11月是秋的集群。

2.2。温度指数的定义

27个指标的极端天气和气候事件定义的专家团队在气候变化检测和指标,一组10温度指数选择了这项研究。这是在排除其他温度指数被认为是高度相关的。所选指标进一步分为极度寒冷指数和极其温暖指数(表1)。

2.3。趋势分析

Mann-Kendall(可)测试是用来评估温度的趋势。Mann-Kendall(可)是一个非参数检验已普遍应用于确定气候时间序列的趋势,因为以下原因:(i)不能影响数据异常值;(2)与参数检验,可测试不需要满足正态分布假设的数据;甚至可以使用(3)可在处理审查数据或数据缺失值(24]。然而,水文气象时间序列中连续依赖的存在增加了拒绝零假设的可能性因此影响可测试结果。提出了几种方法从数据之前可删除序列相关性测试评估趋势(25,26]。对于这一分析,悦悦等提出的和Pilon方法。(24使用了)。这种方法首先使用Theil-Sen估计斜率方法(TSA)。如果梯度不同于零;然后,它被假定为线性和数据去趋势评价意义的趋势24]。

2.4。Changepoint分析

自然因素和人类活动对水文气象过程会影响导致突然的变化。研究发现突然变化或位置changepoints水文气象学的系列是非常重要的检查稳定性和一致性假设[27,28]。摘要changepoint, R包changepoint分析由小锚和Eckley [29日),是用来检测温度的平均水平的变化极端数据系列。这种方法不需要数据满足正态分布的假设,可以检测多个changepoints。

3所示。结果

3.1。极度寒冷指数(TN10p TNn,公司FD,和ID)

每个索引的使用可测试、趋势个人气象站进行了分析,以了解的时间趋势在中国东北地理区域。表2提出了气象监测站的数量与一个积极的趋势在95%置信水平(重要),没有趋势,和消极的趋势在95%置信水平(重要),指数。它可以推断出从表2倾向不太寒冷的夜晚频率(TN10p)是占主导地位的113(106显著)的116个车站是一个消极的趋势,只有3站显示积极的趋势。相反,每日最低温度的最小值(TNn)显示一个积极的趋势在112年电台约60%的电台有一个显著的趋势。在地理模式方面,有重大积极的站TNn趋势观察主要是在长白山,Khingan范围较小、辽河平原,和一些站在Khingan范围越大(图2 (b))。每日最高温度的最小值(时候)也显示一个积极的趋势总数的不到30%站有一个显著的趋势。时候的趋势显示了很好的空间分布在研究区(图2 (c))。大多数电台具有显著的增加倾向集中在北部边缘的小Khingan范围和一些站在大Khingan范围和辽河平原。消极趋势显示的几个站位于最远的东北Khingan范围越大。此外,霜冻天(FD)描绘了一个下降趋势58-year期间站总数的96%显示明显降低在95%置信水平。再次的东部长白山有一些电台与大趋势和其他几个站在北部边缘的小Khingan范围和在Khingan范围越大(图2 (d))。

图3显示了寒冷的年度时间序列指数。TN10p显示不规则变化模式在1970年代中期之后,明显降低了1990年代末(图3(一个))。整个区域趋势TN10p(天)的百分比是−1.67天/十年,在95%置信水平显著趋势−5.50和1.5天/十年之间震荡。与TN10p TNn和公司的年度时间序列表现出一种增加的趋势从1970年代中期的整体区域趋势0.51 ( )和0.26 ( )°C /十年,分别为(数字3 (b)和3 (c))。所有站在分析区域平均,FD的趋势计算使用Mann-Kendall(可)测试是−2.04天/十年( ),和总体趋势范围从−5.80∼−0.18天/年。明显的是,在1960年代末之前,FD见证了一个增加的趋势。在1970年代早期,紧随其后的是轻微的变化,然后从1970年代中期明显降低(图3 (d))。我们的研究进一步显示的天数,每日最高温度小于0°C(糖衣天(ID)略有下降但不显著−0.91天/十年。相比的相对大小的趋势也在个人站(表3)。如表所示3显示,大约75.86%的电台TNn的一个更大的趋势(冷的晚上)比在公司(冷的天)建议在夜间比白天更大的变暖。

昼夜的温度范围(DTR),超过65%的总车站见证了显著的减少趋势。整个区域趋势DTR−0.16°C /十年明显在95%置信水平。迅速降低发生从1970年代中期到1998年,此后,波动变化观察(图3 (e))。注意的显著减少DTR伴随着极端最低温度的快速增长时期。

3.2。非常温暖指数(TN90p TNx、TXx GSL,和Tr)

不同于TN10p,电台节目总数的96%显著增加的趋势在温暖的夜晚频率(TN90p)。几个站位于Khingan范围较小,Songen平原,和西北大Khingan范围有一个更大的趋势(图4(一))。区域年度趋势系列TN90p(天)的百分比是1.79天/十年( )与波动变化在1970年代中期前显著增加(图紧随其后5(一个))。每日最低温度的最大值(TNx)也均呈增长趋势下58-year时期的研究。然而,不到50%的电台有一个积极的显著趋势。同样,每日最高温度的温度最大值(TXx)显示一个增加和减少的趋势在98年和18站,分别在研究区域。TXx展览一些地理模式的趋势(图4 (b))。大多数电台与重要的积极趋势观察到在研究区北部,而中部(松嫩平原),长白山,Khingan范围,和较小Khingan范围由无意义的积极趋势。整个区域趋势TNx和TXx 0.10 ( )和0.08°C /十年( ),分别。值得注意的是,TNx和TXx显示从1980年代中期略有增加(数据5 (b)和5 (c))。与TXx相比,大约54.31%的个人电台TNx(表显示一个更大的趋势3)。这进一步证实了一个更大的夜间变暖与白天相比。

生长季节的长度(GSL)结果表明,所有站在该研究领域有一个积极的趋势以76%的全站仪是重要的。空间、车站位于松嫩平原、三江平原,辽河平原,和更大的Khingan范围显著积极的趋势(图显示4 (c))。从区域年度系列GSL(图5 (d)),很明显,有一个下降趋势,从1957年到1970年代早期,紧随其后的是轻微的变化,然后从1970年代中期显著增加。116站作为一个整体,GSL的增长趋势是1.67天/十年( )。同样,热带的夜晚(Tr) 113年目睹了越来越倾向与57%的116个车站电台有一个显著的趋势在95%置信水平。很有趣的趋势的空间分布和年度系列热带夜几乎展览GSL的模式类似。大多数车站位于松嫩平原的积极趋势显著和Tr的整体区域趋势是0.96天/年( )。

3.3。比较寒冷和温暖的极端温度的线性趋势

相对大小的线性趋势相比,冷与暖指数也在这个研究。从表3,约有98.27%的站在TN90p TN10p相比一个更大的趋势。此外,整个地区的趋势TN90p(1.79天/十年)相对比TN10p(−1.67天/十年)。这意味着温暖的夜晚的出现频率远高于寒冷的夜晚。TNn和TNx,整个地区TNn的趋势在所有电台0.51°C /十年作为一个整体是TNx的五倍(0.10°C /十年)。此外,大约94.83%的电台有一个更大的趋势比TNx TNn。同样,对于公司和TXx,公司的整体区域(0.26°C /十年)显著高于TXx (0.08°C /十年)。此外,103个车站有一个更大的趋势相比,公司在TXx。根据大小的趋势,最低指数时候发生在冬季变暖的速度比最大指数TXx暗示拒绝极端时白天的日际变化评估。的结果,同样清楚的是,变化的速度在最大的日常最小和最大温度(TNx和TXx)趋势低于这个最低的最小和最大温度(TNn和公司。

3.4。极端温度的季节性变化

极端温度的季节性变化如表所示4。很明显,最大的贡献减少寒冷的夜晚频率(TN10p)来自冬天和春天。TN10p的出现减少了2.24−−2.01天/十年在冬季和春季,分别为东北地区作为一个整体,这是大约两倍以上,在夏季(−1.23天/十年)。不同于TN10p,温暖的夜晚的发生频率(TN90p)显示显著增加夏季平均2.14天/十年。最小值的每日最低温度(TNn),最大的平均增加0.48°C /十年冬天,夏天这意味着增加2倍(0.20°C /十年)和秋季(0.18°C /十年)。在四季中,极端温度的变化有不同的分区域特征(表4)。在冬季和春季,发生在长白山区TN10p明显降低。TN90p,增加相对更高的夏天在松嫩平原和三江平原。有趣的是,在冬季和春季,TNn描述重要相对更高的提高山区(表4)。

3.5。Changepoint分析

在目前的研究中,changepoint分析表明changepoints一些极端气候指数的分析(表5)。极度寒冷指数,寒冷的夜晚频率(TN10p)显示一个明确的changepoint约1984在95%置信水平。changepoint之前,意思是TN10p 12.28%(1957 - 1984),改为5.83%之后(1984 - 2015)(图6(一))。1990年,温暖的夜晚频率(TN90p)显示明显的突变。然而,与TN10p TN90p(图显示一个积极的转变6 (d))。changepoint前,平均TN90p 9.65%(1954 - 1990)和改变之后(1990 - 2015)的16.40%。年度最小值的每日最低温度(TNn),约74%的全站仪显示,研究区一个积极的转变。变化点检测到1990年平均平均温度−31.11°C在1990年之前,−28.75°C之后(图6 (b))。结果进一步表明,改变点发生在FD的数量和GSL大约在1990年,平均天数减少和增加在1991年之前从180.45到194.22天,171.28和202.07天之后,分别为(数字6 (c)和6 (e))。

4所示。讨论

根据第五次政府间气候变化专门委员会(IPCC)技术报告,极端气候,如在强降雨事件的数量增加,增加频率在温暖的夜晚,和减少冷是由全球变暖(催化30.]。中纬度地区如中国东北,在中国一个农业地区,由于地理位置对气候变化非常敏感,潮湿和半干旱气候特征和人类活动的影响18]。本研究分析了空间和时间趋势特点和极端温度的突然变化,以得到一个清晰的理解气候变化和区域气候变化之间的相互作用。

4.1。空间和极端温度的季节性变化

我们的结果显示减少和增加的趋势在寒冷的夜晚的发生频率(TN10p)和频率(TN90p)温暖的晚上,分别。这意味着大多数气象站记录了中国东北地区更温暖的夜晚和更少的寒夜期间1957 - 2015。此外,我们的研究显示,TNn的增加趋势(冷的晚上)(0.51°C /十年),TNx最热(晚上)(0.10°C /十年)大比的时候(冷的天)(0.26°C /十年),TXx最热(晚上)(0.08°C /十年),分别。这表明速度相比,夜间气温的变暖,在白天。因此,昼夜温度范围(DTR),这是一种测量温度的变化,描绘了一个显著的减少在中国东北的−0.16°C /十年,在0.05显著水平。减少DTR的速度显著高于在全球范围内(−0.08°C /十年)31日在1951 - 2003年),非洲南部和西部(−0.01)(32在1961 - 2000年),中东(−0.12)(33在1950 - 2003年),略低于在青藏高原东部和中部(−0.20)在1961 - 2005年和中国(−0.18)(2在1961 - 2003年)。观察到的差异可能是由于中国东北是一个潮湿和半干旱地区的特点是独特的山,平原,河流因此对气候变暖非常敏感。与中国东北地区气温变暖的增加显著增加两个生长季长度和热带的夜晚和随后的减少霜冻天。

在评估季节性贡献,寒冷的夜晚的发生频率(TN10p)很大程度上减少了在冬季和春季,而对于频率(TN90p)温暖的晚上,在夏天它很大程度上增加了。此外,每日最低温度的最小值(TNn)很大程度上增加了在冬天它符合先前的研究[34]。根据你et al。2更快),冬季气温变暖而减少水蒸气的夏季气温可能因为空气在冬天比夏天。空间,大部分电台与最低气温的明显的变暖趋势观察到长白山,Khingan范围较小,很少站在Khingan范围就越大。站位于松嫩平原和三江平原和北部的几大Khangan范围记录无意义的积极趋势。这表明在中国东北山区变得温暖的速度比低地平原地区。

4.2。极端温度的时空变化

时态变化,极端最低温度显示规律的特点是没有明显的变化时期前的1970年代中期和1998年之后(数据3 (b)和3 (c))。的最小值显著增加的趋势开始于1970年代中期依照先前的研究在中国(2,35]。然而,极端最高温度显示轻微的增加从1980年代中期也就是十年后相比,极端最低温度。应该注意的是,变化对地表由于城市化和气溶胶的增加可能起到至关重要的作用在表面空气温度变暖并没有排除上述观测。根据冯et al。36和戴秉国et al。37),表面反照率,潜热通量和云覆盖极端最高温度的主要因素。皇帝(38报道明显降低的云层从1950年在中国东北,相反,显著降低表面反照率是注意到在1960年代到1980年代中期39]。期以来,因此,减少表面反照率发生一起云量减少(35),可能轻微增加极端最低温度在中国东北是气溶胶的增加的结果和陆地表面的变化。模型模拟表明,土地利用变化派生的城市发展会导致增加区域经历极端温度但主要影响夜间温度(最小值)40]。然而,我们应该小心在同意这个解释,因为龚et al。41)也将变化的极端低温和高温北部,北太平洋,在中国南方振荡。也很清楚的是,极端最低温度迅速增加相比,极端最高温度之间的1970年代中期和1980年代中期。

4.3。极端温度的影响在中国东北农业

作为一个农业地区,极端温度变化可能意味着很多在中国东北。极端寒冷的在中国东北的减少可以降低低温造成的农业损失和损害。此外,东北地区变暖意味着潜在的农业面积的增加从而增加生产。刘等人。42)报道说,气候变暖使混合谷物种植在中国东北黑龙江省正式太冷变暖之前种植玉米。与中国南部和长江下游多个种植一年是不可能的,在中国的西北和东北地区,种植制度每年只有一次(43]。然而,根据不同人员、多种植系统将转向地区最初的单一种植是唯一的选择(例如,中国东北)由于电流变暖,增加在GSL [43- - - - - -46]。离散subgeographical地区极端温度的变化表示不同的气候应对变暖的场景在中国东北的不同部分。出于这个原因,应采取适当的行动以应对极端气候的变化及其影响。

5。结论

在这项研究中,趋势特征、空间分布、changepoint分析极端温度116电台在中国东北段1957 - 2015使用一系列极端气候指数进行了分析。我们得出这样的结论:冷事件的发生频率(寒冷的夜晚频率(TN0p))和极其温暖的事件(温暖的夜晚频率(TN90p))已下降,增加,分别。因此,该地区正在经历更多的温暖的夜晚和更少的寒冷的夜晚。此外,极端温度变化没有统一的每日最低温度的变暖趋势是快相比,每日最高温度极端。昼夜温度范围(DTR)描绘了一个显著的减少在中国东北的快速变暖最低。东北地区气候变暖导致减少的霜冻天(FD)和糖衣天(ID)。但是请注意,天气暖和的数量,即。,GSL和Tr increased at a rate of 1.67 and 0.96 days/decades, respectively. Spatially, most of the stations with a significant warming trend in minimum temperatures were located in the Changbai Mountain, Greater Khingan Range, and Lesser Khingan Range. This implies that the mountainous regions of Northeast China are warming faster than the lowland plain regions. On the contrary, most stations located in Songnen Plain, Sanjiang Plain, and Liao River Plain displayed the significant positive trend in GSL and Tr. This could have a positive impact on crop production in the region.

数据可用性

手稿中使用的所有数据都可以通过联系相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢那些为本文的完成。中央大学的基础研究基金(2572017 ca15)、黑龙江省自然科学基金(QC2016047),和科学研究基金会为黑龙江省优秀归侨学者支持这项工作。

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