中国东北地区暖季下的极端低温事件分析外文翻译资料

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中国东北地区暖季下的极端低温事件分析

摘要：全球变暖的趋势越来越明显，尤其是对于北半球中高纬度的地区而言，这一地区极端事件带来的气候变化的影响，更加引起了人们的关注。中国东北地区纬度较高，并且对于气候变化十分敏感。暖季下的极端低温所造成的冷冻伤害是中国东北地区主要的农业气象灾害之一，这种伤害会带来严重的粮食产量减少。本文通过分析1956~2005年东北地区暖季(5-9月)极端低温频率的时空变化趋势，并且用Mann-Kendall检验气候突变。结果表明，在气候变化的背景下，1956~2005年东北地区暖季极端低温日数的频数显著减少。极端最低气温日数最高值发生在1970和1980年代，并且在1993年发生了一次气候突变。由空间分析可知，东北地区的北部和东南部的极端低温日数比西部和南部减少得更多。大米、高粱、玉米和大豆最容易受到冷冻伤害。在极端低温出现的年份，东北地区平均产量减少了15.2%。

关键词：冷冻伤害 暖季 频率影响 中国东北地区

1. 引言

自1980年代以来，全球气温不断上升的现象愈发明显，并且气温的上升趋势正在加速(Jones等人，1986；Jones and Reid，2001；Wang等人，1998)。全球变暖的直接影响似乎增加了极端气候事件的发生，极端事件的频率和规模的增加，经常被认为是未来全球气候变化的一个潜在特征。观测和区域模拟模型表明，在全球变暖的背景下，极端低温和高温的频率都有所增加，这将导致极端高温的频率增加，而异常低温的频率降低（Gao等人，2002；Founda等人，2004)。这些极端事件对环境、农业、社会和经济部门都会带来一系列后果(Easterling，1990；Bensiton和Stephenson，2004；Walker和Schlze，2008)。

在高纬度地区，（农作物）生长季节的低温或冰冻是影响农业的典型气候事件。以前有关低温的研究，特别是在中国东北地区，强调了冷冻伤害——即农作物对低温的反应和低温对农作物的影响(Fang等，2005；Ma等，2003）。本文以气象观测资料为基础，分析了东北地区低温和冰冻的频率、强度以及这些低温的时空变化，并且分析了低温对于农业的影响。

1. 资料与方法
2. 区域描述

中国东北地区位于北半球中高纬地区，经纬度范围为38-54°N、119-133°E，包括吉林、辽宁、黑龙江三省（图1）。东北地区东、北、西部被山脉包围，中部是一个大平原。山的海拔一般是500至1000米，其中最高的长白山白云峰(海拔2691米)。东北平原中部海拔一般小于300 m，三江平原海拔较低(最低点仅34 m)。东北地区占地总面积为7870万公顷，其中耕地2150万公顷，占全国耕地面积的16.6%。东北地区是我国一个重要的商品粮区，主要种植豆、玉米、高粱、春小麦、水稻等农作物。农作物生长季节下的低温造成的冷冻伤害是影响农业的最严重的气象灾害，在1950年代至1980年代期间造成产量大幅度下降。（Sun等，1983；Fang等，2005）。

图1 中国东北地区示意图

1. 资料来源

本文的研究所需的气象数据来自国家气象信息中心，选定的气象站必须有40年的记录期，缺测日数少于10天。为了便于统计分析，本文的研究采用了中国东北地区79个气象站1956~2005年(共50年)的气温资料。由于5~9月是东北地区主要农作物的生长季节，低温和冰冻伤害对在这5个月生长的作物有重要影响。因此，5~9月是研究东北暖季极端低温和冷冻伤害的时段(Ma等，2003)。2004至2008年，国家气候中心收集了气象灾害数据，并对其进行了整理，出版了“中国气象灾害”工作情报。中国气象灾害工作(Wen，2008)记录了历史上极端的气候和天气事件及其影响。冷损伤所造成的影响是该工作中设计的的一个主要部分。

1. 气候突变检验

本文采用非参数统计检验方法Mann-Kendall进行了气候突变检验。该方法的优点是数据不需要符合任何特定的分布，不受少数离群值的干扰，适用于序列变量。对于n个样本的时间序列x，我们构造一个有序列如下：

其中是大于时的累加。

假设时间序列是随机和独立的，则定义：

当是累加的平均值，是累加的该变量，是一个标准正态分布，根据时间序列计算的统计序列，并提供一个固定的显着性水平alpha;。如果，时间系列出现了显著的变化趋势。通过时间序列，可以将绘制成一条曲线，然后通过该序列进行反算，并显示为曲线。如果和曲线之间的交叉点位于置信区间，这一点就是气候突变开始的点 (Berger和Labeyrie，1987；Fu和Wang，1992)。

本文采用Mann-Kendall方法，对东北地区暖季、暖季平均气温的极端最低气温频率进行了气候突变变化试验。

1. 暖季下的极端低温计算

根据世界气象组织和政府间气候变化专门委员会第三次评估报告，极端事件的定义被认为是发生概率为小于等于10%的气候事件(IPCC，2001；Zhai和Pan2003)。

根据非概率密度函数在范围内的分布，计算了暖季每个月极端最低气温的阈值。经偏度和峰度检验，5~9月(东北暖季)的日平均气温呈正态分布。用正态分布概率密度函数代替历年5~9月的平均日气温数据和标准差，计算每个月的极端最低温度值。正态分布概率密度函数如下：

其中，和是平均值和标准差。

在5~9月，每个月的气温差异较为显著，每个月的极端最低气温阈值也不同。因此，分别计算每个月的极端最低温度阈值，并计算每个月的极端最低气温日数。根据正态分布的说法，5月、6月、7月、8月和9月的极端最低温度阈值分别为8.3、14.5、18.5、16.6和8.7℃。当某个月的某一天的温度低于该月份的极端最低温度阈值时，记录到一个极端最低温度日。统计每个月的极端最低气温日数，并计算出每个月的极端最低气温日的频率。5~9月的极端最低气温日数是温暖季节极端最低气温日的频率。

1. 计算结果及分析
2. 暖季极端最低气温频率的变化

图2(a) 图2(arsquo;)

暖季(a)和Mann-Kendall气候突变试验(arsquo;)期间极端最低气温日频率的趋势

图2显示了中国东北暖季每个月极端最低气温日数的变化特征和趋势。总体上看，频率显著降低，平均下降率为0.93天/十年(p0.05)(图2a)。在过去50年，温季的极端最低气温日数平均为15.64天。然而，考虑个别几十年，1950年代暖季的极端最低气温日数平均为15.8天，1960年代的平均最低气温日数为16.5天；1970年代，平均天数增加到17.3天，1980年代也差不多；1990年代，平均天数迅速下降到13.3天。自2000年以来，极端最低气温日数不断减少，平均为11.4天。1987年，暖季极端最低气温日的频率开始显著下降。1993年，极端最低气温日的频率发生了突变（图2(arsquo;)）。以前的研究者的工作还指出，1993~1994年是一个突变点，1994年以前，夏季平均气温为20.6℃，1994年以后气温为21.5℃，上升了0.9℃(Li等，2010)。在过去50年中，最高最低气温日的年份为1972年，为27天，1983年、1969年和1976年分别为24、22和21天。在这些年里，随着极端最低气温日数的增加，对东北地区的农业产生了严重影响，导致当年作物产量大幅下降(Su等，1983；Ma等，2003）。2000年和1994年极端最低气温日数最少，分别为7天和9天，其次是1998年、2001年和1970年，分别为10天、11天和12天。随着全球变暖，在过去几十年中，澳大利亚和新西兰等其他区域也报告了极低气温频率下降的情况(Salinger等，2000；Stone 等，1996），也证实了本研究的结论。

图3 1956~2005年5~9月极端低温日数频率分布图

考虑到每个月极端最低气温日数的变化，最显著的变化是在5月和6月，而在这几个月中减少的频率如下： 在0.05水平上显著，而最不显著的变化发生在8月份，极端最低气温日数在过去50年的暖季几乎保持不变(图3)。

为分析极端最低气温日数变化频率的区域特征，分析近50年来极端最低气温日频率的变化趋势，计算结果如图4所示。除绥中、胶河、吉安、桓仁、丹东、庄河、滦南外，暖季极端最低气温日频率均有不同程度的下降。频率下降幅度最大的是长白、天池、罗子沟、孙吴、塔河和胡马。对于辽宁省，极端最低气温日的减少频率相对较小，大部分地区每年少于0.1天，而在某些地区极端最低气温日的频率有所增加。对于吉林省，中西部地区极端最低气温日数的变化趋势不明显，而在海拔较高的东部地区，一般为0.1~0.2天/年，而在吉林省东部其他地区，极端最低气温日频率的下降率相对较高，而且在大多数地区每年超过0.3天/年。在黑龙江省，极端最低气温日频率的下降趋势高于吉林和辽宁两省，一般在0.2~0.6天之间，随着纬度的增加以更快的速度下降。对于中国东北地区，暖季极端最低气温日频率的下降率随着气温的增加而增加。

图4 东北暖季极端最低气温日频度变化图

海拔较高的地区，极端最低气温日的频率有更显著的趋势，长白山和小兴安岭的暖季极端最低气温日数的下降趋势比较明显。而在辽河流域、松花江流域、东北平原等低海拔地区，部分地区的下降趋势相对较小，较不明显。在辽河流域的一些地区，暖季极端低温日的频率实际上有增加的趋势。

1. 气候变暖对暖季极端最低气温频率的影响

图5a、arsquo;年平均气温、相应的气候突变Mann–Kendall检验下的年平均气温

图5b、brsquo;暖季平均气温、相应的气候突变Mann–Kendall检验下的暖季平均气温

图5c、crsquo;暖季极端低温、相应的气候突变Mann–Kendall检验下的暖季极端低温

1956~2005年，东北地区年平均气温呈上升趋势(plt;0.05)，年平均气温的总增长率为0.32℃/十年，自1970年代以来，气候变暖的趋势十分明显，1970至2005年间的增长率为0.49℃/十年。1990年以来，年平均气温的上升趋势更加明显。1955年至1989年，平均气温为4.4摄氏度，而1990-2005年，平均气温为5.5摄氏度，增加了1.1摄氏度。年平均气温的气候突变点在1992年(图5a，arsquo;)。

与年平均气温相比，暖季平均气温的上升趋势要小得多，增幅为0.126℃/十年。从1970年代起，这一变暖趋势变得相对显著，在1970至2005年期间为0.35℃/十年(plt;0.05)。1956年至1989年，暖季的平均气温为18.1℃，而1990年的平均气温为18.7℃，增加了0.6摄氏度(图5b)。东北暖季平均气温突变点为1996年(plt;0.05)(图5brsquo;)。

东北地区暖季极端低温的变化也显著增加。在1956至2005年期间，暖季极端最低气温的变异为0.169℃/十年。自20世纪70年代末以来，暖季极端低温的变化变得更为显著，其变化率为0.56℃/十年(图5c)。东北暖季极端低温突变点为1993年(plt;0.05)(图5rsquo;)。20世纪70年代，平均气温和极端最低气温在暖季的温度变化都开始显著增加，但气候突然变化发生在20世纪90年代。

由分析可知，东北暖季的年平均气温和极端最低气温都在不断上升，这一变化随着极端低温日数的减少而反向变化，表明这一变化可能是由于长期显著的变暖所致。

1. 低温对农业的影响

东北地区在暖季下的极端低温灾害，是影响中国农业的主要灾害之一。水稻、高粱、玉米、大豆和其他主要农作物都容易受到低温伤害。东北地区的农业低温危害可分为延迟伤害和永久伤害。延迟伤害是指由于在作物的生长期间（主要为作物的营养期），作物经历了长时间的低温，导致开花、授粉、施肥延迟，在灌浆和成熟后作物产量下降。在1954年、1956年、1969年、1972年和1976年都发生了这种伤害，主要危害棉花、水稻、花生和高粱。