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气候变暖背景下的极端天气气候事件 与防灾减灾 翟某某，刘 静 （ 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，XX 100081） ［摘要］ 首先概括极端天气气候事件以及“气候极值”的相关定义，并把极端事件分为单要素的极端事件、与 天气现象有关的极端事件、多要素极端事件和极端气候事件。在此基础上，总结上述几类极端事件在气候变 暖背景下的变化趋势及影响。指出气候变暖背景下我国长江中下游区域强某某事件更趋频繁，我国东部地 区高温热浪天气更为明显； 东北华北地区干旱趋势增加，尤其在 20 世纪末期和 21 世纪初期最为明显； 近 10 年来西南地区干旱频繁发生。为减轻日益增加的重大气象灾害的损失，我国有必要加强高某某极端事件的 监测、预警能力建设，同时还必须根据极端天气气候事件变化规律加强工程性防御措施，以防范和应对强降 水引发的洪涝灾害和城市渍涝，以及与降水持续不足有关的重大干旱和高温热浪等气象灾害。 ［关键词］ 极端气候指数； 高某某； 气象灾害； 工程 ［中图分类号］ P467 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1009 － 1742（ 2012） 09 － 0055 － 09 1 前言 在全球变暖的大背景下，极端天气气候事件的 变化引起了国内外学者的广泛关注。IPCC（ Intergovernmental Panel on Climate Change） 第 4 次评估报 告指 出，过 去 的 100 年 里 全 球 平 均 气 温 上 升 了 0． 74 ℃ ，在近 50 年全球气温以 0． 13 ℃ /10 a 的速 度上升［1］。全球气候变暖似乎使夏季变得更热，冬 季变得温某某，并伴随着热浪频率和强度的增加，霜冻 日数减少更明显，冷极端事件减少，夜晚更明显。与 此同时，近 50 年占全球陆地面积一半以上的区域发 生强某某 的 频 率 呈 现 增 加 趋 势［2］。 强 降 水 事 件 在 美国、中国、澳大利亚、加拿大、挪威和墨西哥、波兰 和前苏联 均 有 所 增 加［3］。 受 温 度 升 高 和 区 域 性 降 水减少的影响，干旱的强度更强、持续时间更长。 极端天气气候事件加剧会给社会、经济和人民 生活带来严重影响和损失。中国是旱涝、台风、寒潮 等自然灾害多发的国家，我国北方旱灾、雪灾、寒潮 和沙尘暴灾害频发，东南部地区台风、高温某某雨涝灾 害影响严重（ 见图 1） 。据统计，从 1949 年以来，气 象灾害的损失趋于增加，20 世纪 90 年代中期以来 每年的损失接近或超过了 2 000 万亿，其中 1998 年 受到长江和XX流域持续的强某某等极端事件的影 响，全国气象灾害损失达 3 000 万某某，2008 年我国 南方地区持续的低温雨雪冰冻事件也造成了超过 3 000万亿的严重经济损失，2010 年受到XX突发强 降水影响引起的泥石流滑坡事件等造成的损失达 5 000万某某（ 见图 2） 。 气象灾害一方面与极端事件频率和强度有关， 另一方面与我国的经济发展水平和防灾减灾能力紧 密相联。加强与气候变化有关的极端事件的变化研 究，有利于国家防灾减灾和应对气候变化。鉴于不 同类型的极端事件的影响具有很大差别，监测、预测 和评价极端事件及其影响必须对各种极端事件进行 严格的定义并给出定量指标。文章总结了极端温 度、极端降水、台风、冰雹、雾和霾、干旱、寒潮、沙尘 暴等极端事件的各种指标及其应用，探讨了其中存 在的问题和未来需要关注的重点工作。 ［收稿日期］ 2012 － 06 － 25 ［基金项目］ 国家重点基础研究发展计划项目（ 2012CB417205） ［作者简介］ 翟某某（ 1962—） ，男，**_*人，研究员，研究方向为极端天气气候事件研究； E － mail： pmzhai@ cma． gov． cn 2012 年第 14 卷第 9 期 55 Fig． 1 图 1 中国主要气象灾害分布综合示意图 Distribution of major meteorological disasters in China 注： 引自 2007 年中国灾害性天气气候图集 图 2 1949—2010 年期间与极端天气紧密有关的气象灾害损失的变化 Fig． 2 Losses caused by meteorological disasters related to extreme weather events during 1949—2010 2 极端天气气候事件的定义 极端天气气候事件是在特定地区和时间发生的 罕见的气象事件，当某地的天气气候状态严重偏离 其气候平均态时，就可以认为发生了极端事件。在 统计意义上，认为极端事件是小概率事件，有些人认 为是 50 年一遇甚至 100 年一遇的事件。从时间尺 度上分，极端天气事件是时间尺度较短（ 一般在一 周某某） 的罕见的或高某某的气象事件。而极端气 候事件时间尺度较长的极端事件，通常是极端天气 事件累积的结果。极端事件从极端性的性质上分可 以包括两大类。一类是依赖于基本天气气候要素的 极端值进行定义的，例如极端强某某、极端高温某某低 温事件。气候变化研究中通常通过分析这些要素的 变化趋势来分析极端事件的演变规律。另一类极端 事件是对自然环境有重大影响并且通常会带来较大 经济损失 的 灾 害 性 极 端 事 件 （ 如 干 旱、洪 涝、热 浪 等） ，这些极端天气气候事件也称为综合性极端事 件，因为一般来讲，它们并不是由单一气象要素的异 常引起的，而是由于两个甚至更多气象要素的共同 作用造成的，例如降水减少和全球变暖是引起干旱 加剧的两个重要因子。 目前研究和业务中主要为基于单一台站监测技 术的定义，采用“气候极值”量化和表征异常天气气 候现象，当气候要素（ 如气温、降水量等） 达到定义 的气候极值时，便可认为极端事件发生。关于极端 值阈值的选取，国际上主要有两种处理方法，即绝对 极值和相对极值。根据绝对物理界线值定义的事件 有寒潮和霜冻日数、大雨和暴雨日数等，这种阈值的 定义虽然相对简单，但在一定程度上也能较好地表 征极端事件的特征和变化规律［4，5］，因此，仍受到各 界学者和 工 作 人 员 的 青 睐。 同 时，“极 端 天 气 和 气 56 中国工程科学 候”具有时空相对性，如日降水量 30 mm 在华南沿 海和长江下游为正常降水量，而在西北地区已达到 极端降水量水平，即使是同一地区，相同的降水量在 不同季节所带来的影响也有可能不同。因此，确定 某些事件（ 如日降水量等） 的相对阈值是非常有必 要的。目前国际上常采用某个百分位某某 （ 如第 95 百分位某某） 作为极端值的阈值，翟某某等利用百分 位方法分析和研究了我国北方近 50 年温度和降水 极端事件变化，此方法在我国极端气候研究中得到 了广泛的认可和应用［6］； 也有人对不同气候要素采 用不同分布型的边缘值来确定气候极值，研究指出， 我国降水量以 Γ 分布拟合效果较好（ 见图 3） ，江某某 红等利用 Γ 分布模式拟合区域降水百分率的概率 分布，由此推求黄淮流域夏某某（ 4—10 月） 旱涝概 率，并探讨 该 区 出 现 各 级 旱 涝 概 率 的 时 空 分 布 特 征［7］。李 威 和 翟 盘 茂 利 用 Γ 分 布 函 数 对 中 国 1951—2004 年地面台站逐日降水观测资料进行雨 日降水量概率分布拟合并定义极端降水事件，在此 基础上对极端降水日数与 ENSO （ EL Nino Southern Oscillation） 的关系进行分析研究［8］。 与温度和降水相联系的极端事件变化的研究， 大都基于逐日的气候资料进行。20 世纪 90 年代后 期以来，我国的一些学者开始利用中国逐日气象资 料开展多种极端气候指标变化格局分析［4，5，9］，这些 研究今天仍然具有较普遍意义。 Fig． 3 图 3 XX和XX日降水量 Γ 分布概率密度函数和频率分布曲线 Gamma distribution probability density functions and sample frequencies of the daily precipitation for Beijing and Guangzhou 3 极端天气气候事件指数及其变化 近年来极端事件研究在不断深入，政府间气候 变化专门委员会（ IPCC） 针对天气气候极端事件变 化及其对自然物理环境影响的认识进行评估［10］，其 分析跟 IPCC 报告中极端事件变化内容的差别在于 除了强调极端事件的变化以外，还突出了与极端事 件紧密相关的天气气候现象和影响。重点强调 3 方 面内容： a． 大气中的天气气候极端事件变化（ 温度， 降水，风等变量） ； b． 影响极端天气气候事件发生的 天气气候现象（ 季风，厄尔尼诺，其他变率模态，热 带气旋，温带气旋） ； c． 对自然物理环境的影响（ 干 旱，洪水，极端海平面，波浪，沿海影响，冰川、地形和 地质影响，包 括 高 纬 度 多 年 冻 土 在 内 的 变 化，沙 尘 暴） 。这种分类，把极端天气气候事件与其形成的 天气气候环境以及影响联系到了一起，但也容易把 形成极端事件的条件和极端天气气候事件造成的灾 害混为一谈。文章对以上分类方法进行了修正，主 要从极端事件的影响要素出发，将其分为单要素极 端事件、与天气现象有关的极端事件以及多要素极 端事件，并进一步分析了这些极端事件的气候变化 特征。从极端事件的持续时间上看，有时也将极端 事件分成极端天气与极端气候事件。文章涉及的大 部分极端事件由于时间尺度较短，都应属于极端天 气事件的范畴。干旱由于其持续时间长，是长期降 水极度偏少的结果，是典型的极端气候事件。 3． 1 单要素极端事件 为了有效推动世界各国开展极端天气气候事件 变化检测研究，WMO（ World Meteorological Organization） 气候委员会等组织联合成立了气候变化监测 和 指 标 专 家 组 （ ETCCDI，Expert Team on Climate Change Detection and Indices） ，并定义了 27 个典型 的气候指数，其中包括 16 个气温指数和 11 个降水 指数（ 见表 1 和表 2） 。国内外学者利用这些基本指 数对各种极端温度和降 水 事 件 进 行 了 探 讨［11 ～ 13］。 Manton 发现在东南亚和南太平洋地区，自从1961 年 2012 年第 14 卷第 9 期 57 以来，热日 和 暖 夜 显 著 增 多，而 冷 日 和 冷 夜 却 减 少 了［12］。Kunkel、Kostopoulou、Sen 分 别 分 析 了 美 国、 意大利、印度等国家的极端降水，研究表明全球大部 分地区极端降水量及其 频 次 有 增 加 的 趋 势［14 ～ 16］。 翟某某等指出我国北方夜间温度极端偏低的日数显 著变少，白天温度偏高的日数趋于增多［6］。随着我 国气温呈现明显的上升，特别是 20 世纪 80 年代中 期以来升温速度的显著加快，我国的霜冻日数显著 下降（ 见图 4） 。王小玲和翟某某针对不同等级的降 水强度，分析了 1957—2004 年中国 8 个区域年降水 量、降水频率 和 平 均 降 水 强 度 的 线 性 变 化 趋 势［17］， 结果表明，西北西部、青藏高原和华东地区年降水量 有明显增多趋势，华北、东北和西北东部年降水量明 显减少； 年降水频率除西北西部和青藏高原显著增 加外，其余地区年降水频率均呈减少趋势； 平均降水 强度在华北、东北和西北东部呈减弱趋势，其余地区 则呈增强趋势。年极端强某某日数表现为东北和华 北以及四川盆地为减小趋势； ***下 游一直到华南都表现出增加趋势（ 见图 5） 。Alexander 根据不同地区专家研究的结果，首次给出了全球陆 地地区的极端温度和降水变化趋势，但在非洲和中 东等地区仍然存在空间上的空白［18］。 风是影响人类安全、海上航空活动以及基础设 施建设的重要气象因子。近 50 年来中国年平均风 速存在逐年减小的变化趋势，Jiang 等指出中国的大 风日数也呈减小的趋势［19］。虽然在 ETCCDI 的 27 个指数中没有给出明确的极端风速的概念，国内外 一些研究也已开.经展了极端风速变化的研究。 3． 2 与天气现象有关的极端事件 除了跟温度、降水和风等单要素有关的极端事 件，与台风、冰雹、雾和霾等有关的强天气现象紧密 有关的极端天气气候事件也给社会经济和人类活动 带来了较大的影响。 台风是发生在热带海洋上的一种具有暖中心结 构的强烈气旋性涡旋，总是伴有狂风暴雨，常给受影 响地区造成严重的灾害。中国是世界上热带气旋 （ TC） 登陆最多、灾害最重的国家之一，平均每年登 陆 7 ～ 8 个［20］。通常以台风中心地面最大平均风速 和台风中心海平面最低气压为依据判断台风的强度 大小。 分类 日最高、最低气温的 月极值 绝对阈值 代码 TXx TNX TXn TNn FD SU ID TR GSL 相对阈值 其他 TN10p TX10p TN90p TX90p WSDI CSDI DTR 表 1 极端气温指数 Table 1 Indices of extreme temperature 名称 月最高气温极大值 月最低气温极大值 月最高气温极小值 月最低气温极小值 霜冻日数 夏季日数 冰封日数 热夜日数 意义 每月中日最高气温的最大值 每月中日最低气温的最大值 每月中日最高气温的最小值 每月中日最低气温的最小值 一年中日最低气温小于 0 ℃ 的天数 一年中日最高气温大于 25 ℃ 的天数 一年中日最高气温小于 0 ℃ 的天数 一年中日最低气温大于 20 ℃ 的天数 生长期 北半球从 1 月 1 日（ 南半球为 7 月 1 日） 开始，连续 6 天日平均气温 大于 5 ℃ 的日期为初日，7 月 1 日（ 南半球 1 月 1 日） 以后连续 6 天 日平均气温小于 5 ℃ 的日期为终日，初日和终日之间的日数为生长期） 冷夜日数 冷昼日数 暖夜日数 暖昼日数 异常暖昼持续指数 异常冷昼持续指数 月平均日较差 日最低气温小于 10 % 分位某某的日数 日最高气温小于 10 % 分位某某的日数 日最低气温大于 90 % 分位某某的日数 日最高气温大于 90 % 分位某某的日数 每年至少连续 6 天日最高气温大于 90 % 分位某某的日数 每年至少连续 6 天日最高气温小于 10 % 分位某某的日数 日最高气温与日最低气温之差的月平均值 58 中国工程科学 分类 绝对阈值 相对阈值 持续干湿期 其他 代码 R10 mm R20 mm Rnn mm R95pTOT R99pTOT CDD CWD Rx1day Rx5day SDII PRCPTOT 表 2 极端降水指数 Table 2 Indices of extreme precipitation 名称 中雨日数 大雨日数 日降水大于某一特定强度的降水日数 强某某量 特强某某量 持续干期 持续湿期 1 日最大降水量 5 日最大降水量 意义 日降水量大于等于 10 mm 的日数 日降水量大于等于 20 mm 的日数 日降水量大于等于 nn mm 的日数 日降水量大于 95 % 分位某某的年累计降水量 日降水量大于 99 % 分位某某的年累计降水量 日降水量小于 1 mm 的最大持续日数 日降水量大于 1 mm 的最大持续日数 每月最大 1 日降水量 每月连续 5 日最大降水量 降水强度 年降水总量与湿日日数（ 日降水量 大于等于 1． 0 mm） 的比值 年总降水量 日降水量大于 1 mm 的年累计降水量 图 4 基于逐日最低温度计算的 1951—2010 年逐年霜冻日数的变化 Fig． 4 Series of frost days based on daily minimum temperature during 1951—2010 图 5 1951—2004 年极端强某某日数的变化趋势 Fig． 5 Spatial distribution of trends for frequency of extreme precipitation days during 1951—2004 注： 实心（ 空心） 圆点代表增加（ 减少） ，根据图标的大小，其趋势 分别为大于 7． 5 % 和小于 7． 5 % ，叉号代表趋势达到 0． 05 以上 的显著性水平 刘燕等利用 1949—2006 年热带气旋年鉴资料， 根据 2006 年新制订的 TC 等级标准，分析了登陆我 国 TC 的气候特征，结果表明，登陆 TC 的平均强度 出现减弱趋势，但进入 21 世纪以来，平均强度显著 增加，尤其是 TC 逐年强度极值表现更为明显［20］。 冰雹是强对流天气系统引起的一种剧烈的气象 灾害，它持续时间短，作用范围小，但是强度一般很 大，对农业的 损 害 最 大，Xie 等 统 计 了 中 国 1960— 2005 年冰雹出现频率的年际变化特征和趋势，结果 表明，20 世纪 80 年代之前年平均冰雹日数没有显 著的变化，而在此之后年平均降水日数有显著的减 小趋势［21］。 雾和霾严重影响大气能见度，并对交通运输、人 体健康以及农作物生产具有重要的影响。根据能见 度将雾划分为重浓雾、浓雾和大雾，陈某某等分析了 不同等级雾的年代际变化，结果表明，对于多数地区 2012 年第 14 卷第 9 期 59 来说，重浓雾在 20 世纪 70 年代有增多的突变，而浓 雾与大雾无此特征［22］。高歌利用 1961—2005 年中 国霾日统计资料，探讨了霾的变化趋势，研究表明， 我国东部大部分地区的霾日主要呈现增加趋势，而 西部和东北大部分地区以减小趋势为主［23］。 3． 3 多要素极端事件 3． 3． 1 寒潮 寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过 程，主要特点是剧烈降温某某大风，有时还伴有雨、雪、 雨凇或霜冻，会给农业生产、人类活动以及交通运输 带来很大影响。中央气象台以过程降温与温度负距 平相结合来划定冷空气活动强度，当过程降温达到 10 ℃ 以上、温度负距平的绝对值达到 5 ℃ 以上就可 认为是寒潮事件。Lau 等以 3 个标准定义寒潮，即 降温大于 5 ℃ ，中国内陆与沿海的地面压力差大于 5 hPa 以及XX北部盛行北风风速大于 5 m / s［24］。 西伯利亚中部（ 70 ° ～ 90 ° E，43 ° ～ 65 ° N） 为寒潮 关键区，绝大部分冷空气在这里堆积加强进而入侵 我国。从年代际变化上看，1961—2010 年中国平均 寒潮频次呈明显的减少趋势，其线性变化趋势系数 为 － 0． 3 次/10 a，通过了 95 % 的显著性检验（ 见图 6） 。 魏凤英的结果表明，气候变暖后，冬春季发生在全国 性寒潮灾害的频次显著减少，并指出这种减小趋势 与 AO 位相的增强趋势背景有一定的联系［25］。钱 维宏等的结果表明，发生在我国的寒潮以北方最多， 东北的寒潮始于 10 月份，而河套和江南的寒潮在 4 月份比较频繁［26］。 图 6 196 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 l disasters，it is extraordinary essential to strengthen the capability in monitoring and warning of high-impact extremes． Meanwhile，it is also necessary to strengthen engineering defense measures based on changes in extreme events to prevent flash floods and urban waterlogged disasters induced by intense precipitation as well as droughts and heat waves associated with insufficient precipitation． ［Key words］ extreme climate indices； high impacts； meteorological disasters； engineering 84 中国工程科学 [文章尾部最后500字内容到此结束,中间部分内容请查看底下的图片预览]请点击下方选择您需要的文档下载。

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