论文总字数：19835字

目 录

1 引言 1

2 干旱、热浪事件的定义 1

3 资料与方法 2

3.1 资料 2

3.2 方法 3

3.2.1 标准化降水指数SPI 3

3.2.2 MannKendall趋势检验法 4

3.2.3 Sen’s斜率估计 6

3.2.4 线性倾向估计 6

4 结果与分析 7

4.1 干旱型热浪的空间分布 7

4.2 1960-1980与1990-2010两个时段发生面积百分比变化分析 9

4.3 面积百分比的趋势检验 13

5 结论与讨论 16

参考文献 16

致谢 19

中国暖季发生干旱型热浪事件的趋势分析

季悦

, China

Abstract: This paper analyses feature of spatial distribution of concurrent drought and heatwave and discuss the trend of percent China (sum of the pixels in concurrent drought and heatwave in each year’s MayOctober, divided by the total numbers of pixels in China) during 1950 to 2012 with SPI method. The spatial distribution of concurrent drought and heatwave in China is increasing in general in Northwest China, North China and Northeast China. During the period 19902010, there is a higher frequency of longer duration of concurrent events than that of shorter duration relative to the period 19601980. Whether it is seasonal or monthly scale of SPI, concurrent events tend to be more severer in both North China and Northeast China. With Mann-Kendall trend and linear regression methods, this paper analyses the percent China change between 19902010 and 19601980. Percent China increases in both two periods but the latter 21 years have a more obvious increasing trend. In twosample KS test, the cumulative distribution function of 19902010 is different from that of 19601980 in general.

Key words: concurrent drought and heatwave; spatial distribution; trend analysis

1 引言

在全球变暖的背景下，近100年来，中国的年平均气温上升了近0.50.8℃，变暖在近50年尤其显著，中国大范围地区增温趋势明显，其中北方地区增暖最为明显^[1]。然而，最近研究表明，从19992000年后，全球变暖处于一个明显的停滞或者变缓时期^[2]，同时高温和干旱的极端事件并没有减少^[34]。干旱以及高温热浪对人类身体健康、生态环境、社会经济发展和水资源产生严重影响^[58]。

干旱是当前全球范围内，对经济造成的损失最严重的自然灾害之一。干旱带来的危害广泛而持久，干旱可引起水资源短缺^[9]、地下水储量锐减^[10]、农作物减产^[11]， 据统计，每年全球因干旱而导致的经济损失可达 6080亿美元^[12]，大量的统计事实表明，中国因干旱造成的经济损失也在急剧增长^[13]，干旱已成为一个严重危胁人类生存的环境问题。中国干旱地区面积占全国自然灾害影响面积的60%^[14]，由于干旱影响范围大、持续时间长、发生的次数多，并且对农业等社会经济可引起直接而严重的损失，以及其对水资源、土地资源和社会的潜在影响，因而干旱是我国最大的自然灾害之一。

因为全球气候变化和城市化而引起的城市热岛效应，热浪在世界范围内逐步成为发生频繁的极端天气事件。高温热浪严重威胁人类的生命安全，热浪过程中持续的高温炎热天气常导致人体体温调节功能障碍，从而引发中暑，严重时可致死亡^[15]，影响人们的生活；此外，持续的高温少雨，易造成干旱，严重影响植物生长发育，造成农林牧业生产品质的质量下降，高温天气时，不仅大气降水量明显减少，土壤水分蒸发速度也加快，土壤含水量迅速下降，因此夏季高温天气常伴随大气干旱和土壤干旱同时发生，从而加重农作物和经济损失^[1622]。持续高温天气还可引发大面积蓝藻发生，污染水源 ^[2326]。近几年，高温热浪灾害频发，如2010年夏季北半球多国发生高温热浪。由此可见高温热浪对身体健康、国民经济和交通、农业、旅游、建筑等社会生活构成极大危害，对高温热浪的深入研究已引起各国政府有关部门和科学界的广泛关注^[27]。

干旱常伴随着高温，气温升高和降水减少是干旱产生的主要原因^[28]，已有的研究通常分开研究干旱与热浪，然而干旱和热浪极端气候事件同时发生时，可以加剧对人类、环境和经济社会的影响，而这方面的研究并不多见。因此，推进干旱和热浪特别是二者同时发生的事件(即干旱型热浪)的深入研究，对防灾减灾、实现可持续发展具有重要意义。

2 干旱、热浪事件的定义

干旱和高温热浪均是降水量显著偏少的现象，但干旱常是高温热浪的背景，高温天气加快了土壤水分蒸发，进一步加重干旱的严重程度^[8]。

干旱是指某一地区在某一时段内的降水量显著低于多年平均降水量，严重危害该地区的人类生活和经济活动(尤其是农业生产)的现象^[24,29]。目前，干旱指标已有大量的研究^[30-32]，因为形成干旱的原因复杂且影响因素多，干旱指标受地域性和时间尺度影响显著，对于干旱并没有一个统一的定义。美国气象学会定义干旱分为4类:气象干旱(由蒸发和降水不平衡所导致的水分短缺现象)、农业干旱(反映土壤含水量低于植物需水量的程度)、水文干旱(河川径流低于含水层水位降落或其正常值的现象)、社会经济干旱(因为水分短缺影响生产、消费等社会经济活动的现象)^[33]。

本文所定义的干旱为气象干旱。气象干旱指标主要有降水量距平百分率、相对湿润指数、标准化降水指数、土壤相对湿度指数、帕默尔干旱指数等单项干旱指数以及综合气象干旱指数^[8]。Palmer干旱指数(Palmer Drought Severity Index，简称PDSI)是目前在全球应用较广泛的干旱指标^[34,35]，但它的局限性在于对计算方案中参数的区域性尤其敏感，由于我国幅员辽阔，地域差异明显，与PDSI指数相比，SPI指数可以较好地反映干旱持续时间和强度，并且具有多时间尺度应用的特征，能够用同一个干旱指标反映不同地区和时间尺度的水资源 ^[36]，且前人研究发现与在我国应用较为成熟的Z指数相比，SPI计算简单可行，在我国不同气候区域都有较好的计算稳定性，排除了降水的时空分布差异的影响，优于Z指数^[37,38]，因此本文描述干旱时采用标准化降水指数。

高温热浪是指大气温度高，且高温持续时间较长，造成动植物无法适应环境的一种天气灾害^[16]。目前国际上还没有一个明确而统一的高温热浪标准。世界气象组织(World Meteorological Organisation，WMO)提倡日最高温度gt;32℃，且持续3天以上称为高温热浪；荷兰皇家气象研究所则规定为最高气温gt;25℃，且持续5天以上，其中至少有3天最高气温gt;30℃的天气过程。美国、加拿大等国家气候部门都根据综合考虑了相对湿度和温度影响的热指数(也称显温)而发布高温警报，其标准是：当白天热指数连续2天有3 h气温gt;40.5℃或预计热指数在任意时间气温gt;46.5℃则发布高温警报^[25]。

中国气象局规建议最高温度≥35℃为高温日，且该标准持续时间为3天以上则称为高温热浪。由于中国幅员辽阔，气候差异很大，中国气象局同时还规定，各省市区可以根据本地天气气候特征规定界限温度值^[24]。

3 资料与方法

3.1 资料

本文所使用的资料为：1）19502012年美国国家环境预报中心美国国家大气研究中心1代再分析资料 (National Centrer for Environment PredictionNational Center for Atmospheric Research-Reanalysis1，简称NCEPNCARReanalysis1)的逐日最高气温的T62高斯格点资料；2）19502012年NCEPNCAR-Reanalysis1的1°×1°月均降水量资料。

3.2 方法

干旱型热浪的定义：1）暖季(5月到10月)逐日最高气温的第85、90和 95百分位数作为极端气温的临界值，即阈值，并采用3个热浪持续时间，即3天、5天和7天的持续时间^[40，41]，利用这两个条件来定义一次热浪过程。连续5天达到第90百分位数阈值的热浪过程定义为：连续5天的日最高气温超过该月长期气候态下逐日最高气温的第90百分位数阈值的温度^[43]；2）SPIlt;-0.8(约为降水的第20百分位数)。本文利用逐日最高气温和月总降水量资料来同时符合上述两个条件的过程定义为一次干旱型热浪。

主要的计算步骤如下：1）计算每个网格点上5月到10月发生干旱型热浪的次数；2）统计不同阈值和持续时间下每一年暖季发生干旱型热浪的面积，即发生干旱型热浪的网格点数与中国境内总网格点数之比。

3.2.1 标准化降水指数SPI

由于不同时间、不同地区降水量分布变化很大，直接用降水量不能在不同时空尺度上进行比较，并且降水分布是偏态分布，不是正态分布，因此在降水分析中，采用Γ概率分布来描写降水量的变化，然后再对其正态标准化求得SPI值。

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