The characteristics of extreme minimum temperature events and exposure of farmland in China
WANGAnqian1,4,, SUBuda1,2,3,, WANGYanjun2, WANGGuojie2, HUANGJinlong1,4, ZHAOChengyi1 1. State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology,Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China2. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster,School of Geography and Remote Sensing,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China3. National Climate Center,China Meteorological Administration,Beijing 100081,China4. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China 通讯作者:通讯作者:苏布达,E-mail:subd@cma.gov.cn 收稿日期:2016-11-10 修回日期:2017-01-9 网络出版日期:2017-05-20 版权声明:2017《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部 基金资助:国家自然科学基金(41671211,41401056)国家自然科学基金会和巴基斯坦科学基金会合作研究项目(41661144027) 作者简介: -->作者简介:王安乾,男,山东泰安人,博士生,从事极端气候事件变化和风险管理研究。E-mail:wangaq1990@163.com
关键词:极端低温事件;强度-面积-持续时间;耕地暴露度;中国 Abstract Based on daily minimum temperature data from 543 meteorological stations from 1960 to 2014,characteristics of extreme minimum temperature events over China were analyzed. By taking the spatial and temporal continuity characteristics of extreme minimum temperature events into account,the Intensity-Area-Duration(IAD)method was applied to assess the relationship between intensity and coverage of extreme minimum temperature events at different durations and evaluate the area of farmland exposed to extreme minimum temperature events. We found that the areas where single-site extreme minimum temperature events occur more frequently are located in the northern and northeastern regions and that most events last 1~2 days. In northwestern and southeastern areas,where extreme minimum temperature events are comparatively lesser,most events last longer (last 3~5 days,or more than six days). Coverage of extreme minimum temperature events has decreased from the 1960s to 1990s,and increased in the 21st century. The coverage of extreme minimum temperature events was lowest in the 1990s for different durations. Before the 21st century,regional extreme minimum temperature events were of short duration but greater area and intensity. Since the beginning of the 21st century,both the coverage and intensity of extreme minimum temperature events has decreased,but the duration has increased. The area of farmland exposed to extreme minimum temperature events increased before 1969,but then decreased. The maximum and minimum farmland area exposed to extreme minimum temperature events was in 1969 and 2007 respectively. Farmland area exposed to extreme minimum temperature events has stabilized since the beginning of the 21st century.
1960-2014年,中国极端低温事件在新疆大部以及东南沿海和西南内陆区域发生次数较少,在(11~15)次/年左右,而在中国中部、华北北部及东北大部区域发生次数较多,在(15~23)次/年左右(图2a)。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图21960-2014年气象站极端低温事件年均频次空间分布 -->Figure 2Spatial distribution of the frequency of single-site extreme minimum temperature events over China for the period from 1960 to 2014 -->
将1960-2014年划分为5个时段,分别是1960s(1960-1969年)、1970s(1970-1979年)、1980s(1980-1989年)、1990s(1990-1999年)以及2000s(2000-2014年),分别绘制不同持续时间(持续1日、持续3日、持续6日和持续9日)尺度上,各个时段的极端低温事件的IAD包络线(图3,见第958页)。图中横坐标为极端低温事件所发生的连续面积,纵坐标为在此连续面积上极端低温的最大强度。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图3各时间段内不同持续时间(1日、3日、6日、9日)极端低温事件IAD包络线 -->Figure 3IAD envelope of the different durations (1d,3d,6d,9d)extreme minimum temperature events in different period from 1960 to 2014 -->
1960s,持续1日的极端低温事件最大影响范围为676万km2,最强中心出现在新疆北部,超过对应阈值17.1℃。进入1970s,极端低温事件最大影响范围为650万km2,最强中心比对应阈值低15.6℃,位于内蒙古东部。1980s,最大影响范围650万km2,最强中心位于西藏东北部,比对应阈值低19.2℃。1990s,持续1日的极端低温事件的最大影响范围562 km2,最强中心位于新疆南部。进入21世纪,极端低温事件最大范围660万km2,最强中心位于云南地区,超过阈值18.3℃(图3a)。 1960s,持续3日的极端低温事件最强中心位于新疆北部,超过阈值15.4℃,影响的最大范围为305万km2。1970s极端低温事件的影响范围最大,为513万km2,最强中心位于辽宁北部,比阈值低12.3℃。1980s的最大影响范围为307万km2,最强中心低于阈值17.1℃,位于西藏北部。持续3日的极端低温事件在1990s的影响范围显著减少,仅有244万km2,最强中心低于阈值为10.9℃,位于甘肃南部地区。21世纪之后,持续3日的极端低温事件最大影响范围为386万km2,最强中心低于阈值14.3℃,位于新疆北部地区(图3b)。 持续6日的极端低温事件与持续3日类似,最大影响范围在1970s最大,为396万km2,在1960s、1980s、1990s以及21世纪之后,最大影响范围分别为224万km2、172万km2、105万km2和176万km2。1960s最强中心位于新疆北部,超过阈值11.9℃,1970s,最强中心超过阈值9.8℃,位于辽宁北部, 1980s,最强中心位于西藏北部,超过阈值17.0℃,在1990s,最强中心位于新疆南部,超过阈值9.5℃,21世纪之后,最强中心位于新疆北部,超过阈值11.5℃(图3c)。 1960s持续9日的极端低温事件的最大影响范围140万km2,最强中心出现在新疆西北部,超过阈值9.2℃。进入1970 s,持续9日的极端低温事件的影响范围有所减少,为99万km2,最强中心超过阈值9.1℃,位于西藏东北部。1980s,极端低温事件的影响范围又增加到144万km2,其低温事件的强度更大,超过阈值16.6℃,位于西藏东部。1990s,极端低温事件的影响范围在各年代中最小,仅有15.6万km2,最强中心位于新疆西南部,超过阈值8.7℃。进入21世纪之后,极端低温事件的最大影响范围为106万km2,最强中心位于新疆南部,超过阈值9.1℃(图3d)。 1960-2014年不同持续时间的极端低温事件IAD包络线(图4)显示,持续1日极端低温事件的IAD包络线共由10个事件组成,其中在(0~50)万km2连续面积的最强事件发生在1985及1987年,(50~150)万km2内的最强事件发生在1966年,在(150~200)万km2的最强极端低温事件发生在1987年,在(200~600)万km2的最强极端低温事件主要发生在1975年,在600万km2以上的最强极端低温事件主要发生在1969年;持续3日极端低温事件IAD包络线共由7个事件组成,(0~50)万km2最强事件发生在1985年,在(50~150)万km2里最强事件发生在2008年,在(150~500)万km2的最强极端低温事件发生在1975年;持续6日极端低温事件IAD包络线由4起事件组成,连续面积在(0~30)万km2发生在1985年及1960年,在(50~150)万km2最强事件发生在2008年,在(150~400)万km2的最强极端低温事件发生在1975年;持续9日的极端低温事件IAD包络线由7起事件组成,连续面积在(10~130)万km2主要发生在2008年,在(130~180)万km2最强事件发生在1966年。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图41960-2014年不同持续时间(持续1日、3日、6日及9日)极端低温事件IAD 包络线 -->Figure 4IAD envelope of the different durations(1d,3d,6d,9d)extreme minimum temperature events from 1960 to 2014 in China -->
以2000年土地利用状况为基础,采用IAD法,统计全国逐年持续1日的极端低温事件次数及其影响的耕地面积,影响的耕地面积为暴露在该极端低温事件范围内耕地的总面积。1960-2014年中,极端低温事件的总次数呈显著的下降趋势,极端低温事件次数最多的年份为1969年,最少的年份为2007年(图5a)。极端低温事件所影响的耕地面积年均值在1969年之前为上升趋势,之后则变为下降趋势(图5b)。1987年和1969年极端低温事件影响耕地面积较大,2007年极端低温事件影响的耕地面积最小。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图51960-2014年极端低温事件的次数及极端低温事件影响的耕地面积(以2000年土地利用为基准) -->Figure 5Frequency of extreme minimum temperature events from 1960 to 2014 and farmland area affected by the extreme minimum temperature events (based on the 2000 land use data) -->
年极端低温次数(图5a)与年均极端低温事件所影响的耕地面积(5b)之乘积,即为年极端低温事件累积影响的耕地面积(图6)。由于对同一地区发生的多次事件所影响的耕地面积进行了重复统计,极端低温事件影响的耕地面积每年累积达3944万km2,相当于全国耕地总面积的6.5%暴露于极数事件。与受影响耕地年均值的变化一致,极端低温事件所影响的耕地累积面积在1960-2014年呈统计意义上显著的下降趋势(通过95%信度检验),也在1969年左右发生转变,1969年之前呈上升趋势,之后转为下降趋势。1969年极端低温事件累积影响的耕地面积约8400万km2,相当于耕地总面积的13.8%;2007年累积影响耕地面积约为1400万km2,相当于耕地总面积的2.3%。进入21世纪之后,极端低温事件对耕地的影响较为稳定。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图61960-2014年极端低温事件累积影响的耕地面积(以2000年土地利用为基准,虚线为平均值) -->Figure 6Annual cumulative farmland impacted by the extreme minimum temperature events from 1960 to 2014(based on the 2000 land use data;dotted line denotes the multi-year average) -->
本文基于中国543个气象站1960-2014年逐日最低气温数据,采用强度-面积-持续时间(IAD)方法,以低温强度、影响面积和持续时间3个要素,根据极端低温事件在时间上的发展和空间上的连续性特点,分析了不同持续时间下的极端低温事件的连续面积与强度的关系,并对1960-2014年极端低温事件对耕地的影响进行初步评估。得到以下结论: (1)1960-2014年中国极端低温事件发生次数较多的地区主要位于华北及东北,80%左右的极端低温事件均为短期(持续时间1~2天)极端低温事件。新疆大部以及东南沿海和西南内陆区域的极端低温事件总次数较少,但多为中期(持续时间3~5天)和长期(持续时间6天以上)的极端低温事件。 (2)1960-2014年,极端低温事件在1960s-1990s的影响面积呈下降趋势。在不同持续时间上,1990s的影响范围均为最小,进入21世纪之后,极端低温事件的影响范围又有所上升。21世纪之前,中国极端低温事件主要为短期大范围事件,进入21世纪之后,在全球变暖的大背景下,极端低温事件有了新变化,其强度和影响范围均有所减少,但持续时间在增长。 (3)极端低温事件在1960-2014年影响的耕地面积在1960-1969年为上升趋势,随后为下降趋势,影响的耕地面积最大值与最小值的年份分别出现在1969年与2007年。其进入21世纪,区域性极端低温事件所影响的耕地面积变化相对稳定。 本研究所采用的IAD方法将组成极端低温事件的3个重要组成要素联立起来,从时间的发展和空间的连续角度上重新定义和判别区域性的极端低温事件,将过去仅在单一台站的极端指数的分析中解放出来,从区域上更为全面地认识极端低温事件。此外,本方法采用格点形式资料,能够更为便利地与社会经济资料相结合,有利于评估极端低温事件对社会经济的影响。 极端低温事件对社会经济造成的影响不仅与其自身的强度、影响面积与持续事件都能自身特征有关,同时也与研究区内的社会经济等发展状况有关。本文所计算的暴露在极端低温事件下的耕地面积的变化,前提条件是土地利用状况维持在2000年状况不变的情况,因此本文的结论并未考虑到人类活动的影响,只考虑了极端低温事件自身变化的因素,将人类活动要素加入到研究当中也是今后研究的重点之一。 The authors have declared that no competing interests exist.
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