气候变化指数的应用
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国际标准气候变化指数简介及其温度指数在中国的应用
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国际标准气候变化指数简介及其温度指数在中国的应用
王大钧1，陈列2，丁裕国3
（1.嘉兴市气象局，浙江，嘉兴，314050；2.浙江省气象台，浙江，杭州，310017；3.南京信息工程大学，江苏，南京，210044）
摘要：运用气候变化检测、监测和指数专家小组制定的与温度相关的气候变化指数，针对我国进行了尝试性应用，得出一些结论：冰点日数从西北向东南逐渐较少，其中日数最多的位于青藏高原东部，部分站点达到300天以上，长江以南地区普遍在50天以下，全国范围内绝大部分地区冰点日数是趋于减少的；夏季日数普遍在50天以上，整个东部地区，除了东北大部分地区外，夏季日数都在100天以上，全国范围内大部分地区夏季日数是趋于增多的；我国的生长期普遍在150天以上，总体来说自北而南随着纬度的降低生长期逐渐增加，本研究的278个站点中，有236个站点生长期的趋势系数为正值。
关键词： 气候变化指数；冰点日数；夏季日数；生长期
1 引言
气候变化问题已经成为国际上热门的科学问题之一，不仅自然科学领域的专家（如气象学家、海洋学家、地球系统科学家），甚至社会学家、经济学家也都对此方面的研究产生浓厚的兴趣。因为气候变化已不是纯粹的自然科学问题，同时也是全球变化问题的重要组成部分。
气候学家在此领域做了大量有意义的工作，取得了丰硕的成果主要可以分为以下几个方面：1. 气候变化的事实和科学认识，可参考文献[1]---[6]；2. 气候变化与天气气候系统或因素的相互影响关系，可参考文献[7]---[9]；3. 气候变化的模拟预测及人类活动的影响，可参考文献[10]---[14]。本文的研究属于第一个方面。气候变化需要用一定的指标、指数来表征，其中常用的有要素距平、距平百分率、趋势系数、要素变化倾向率、生长期、气候极端指数(CEI)、温室气候响应指数（GCRI)、气候增暖作用指数等等，但由于各地、各国的自然条件和传统表示规律的不一致性，还没有一系列相对标准的、可简单操作的指标来表征气候变化，这给科学家们对比分析各地、各国的气候变化，直至更科学、合理地表征全球气候变化带来看似简单，解决起来却很困难的难题。
2 国际标准气候变化指数
为了解决上面提到的问题，气候变化检测、监测和指数专家小组做出了大量的工作。这个小组是由世界气象组织气候委员会（WMO-CCL）和气候变率预测计划（CLIVAR）共同发起成立的，并为其建立了专门的网页（ http://cccma.seos.uvic.ca/etccdmi/index.shtml）。
该网页既包含了建立该小组的目的和意义，还包括了指数的定义、计算方法，资料同化，计算程序，数据获取，工作小组的情况和相关链接等等丰富的资源，可谓考虑周全，人性化极强。
该小组从众多的相类似的计划中选取了27个核心的指数，这27个指数都是建立在逐日气温、降水资料的基础上的。这一系列的指数既包括了一些“绝对”的指数，如日最低温度小于0oC的天数的年际变化，在某一段时间内日降水量大于10mm的天数的变化；还有一些“相对”的指数，如针对日最高温度，定义为以1961年到1990年期间5天滑动平均最高温度为基准，按照可以拟合该序列的某种分布计算第90个百分位值作为阀值，以此来计算某个时期内“极端”最高温度的日数变化；特殊类指数，如湿天的年际降水量（这里湿天定义为日降水量大于1.0mm的日子），也就是一年中湿天的降水合计量。
3 资料和方法
3.1 资料
采用1961年到2004年中国范围内的278个气象站的逐日气温资料，包括最高、最低和平均温度。其中1961年到2000年的资料来自中国国家气候中心700多站的气候资料集，2001年到2004年的数据来自于世界气象组织国际交换站，其中中国范围内共有300多站，由于存在资料缺失现象，为了保证资料的可靠性，剔除了有资料缺失的站点。结合两个时段的数据，共保留了278个站，具体分布见图1。
图1 中国278个站点分布图
3.2 方法
由于该系列指数共27个，其中与温度有关的16个，与降水有关的11个，如果一一列出，势必受篇幅所限，所以本文仅采用3个与温度有关的指数在中国的范围内进行应用研究，为其他相关研究人员提供参考借鉴。
3.2.1 冰点日数(FD)：定义日最低温度小于0oC为冰点日，冰点日总和的年际变化就是我们
研究的第一个内容；
3.2.2 夏季日数（SU）：定义日最高温度大于25oC为夏季日，夏季日总和的年际变化也是我
们研究的内容；
3.2.3 生长期（GSL）：北半球从1月1日到12月31日期间，首次出现至少连续6天平均温度大于5oC开始，到首次出现至少连续6天平均温度小于5oC为止，同时首次出现至少连续6天平均温度小于5oC要保证在7月1日以后，满足这些条件的时段天数定义为生长期；
3.2.4 趋势系数：系数可以表示要素的长期趋势变化的方向和程度，具体可以参见文献[15]；
3.2.5 倾向率：一次回归系数为 ，将 称为倾向率，即每10年要素的变化量[15]。
3.2.6 相似系数：为定量地表示两幅图的相似程度，采用相似系数，见参考文献16[16]。
4 冰点日数
4.1 冰点日数平均状况
整体上来讲，冰点日数（图2）从西北向东南逐渐较少。其中最多的位于青藏高原东部，部分站点达到300天以上，另外一个高值区在黑龙江的最北部地区，较大的地区冰点日数
图2 冰点日数平均分布图 图3 冰点日数趋势系数分布图
也在250天以上；长江以南地区普遍在50天以下，特别是华南地区，基本都在25天以下，尤其是北纬回归线以南地区，基本一年之中都没有0oC的日子出现。为了与更加极端的情况进行对比，我们还计算了最低温度在-10oC以下的天数的平均分布情况，分布形态与图2基本一致，二者的相似系数达到0.9425，可谓“十分”相似，只不过0值线从北回归线向北移动至浙江、江西、湖南、重庆、贵州到云南一线，同样两个高值区仍然在青藏高原和黑龙江最北部地区，都在150天以上。
4.2 冰点日数趋势变化
我们采用了趋势系数和倾向率来表示日数年际变化。运用蒙特卡洛检验方法得出长度为44的序列达到0.05、0.01和0.001的显著性检验的标准分别是0.296、0.375和0.435。冰点日数的趋势系数（图3）有248个站表现为负值（其中达到0.05、0.01和0.001的显著性检验的站点数分别是201、176和139个），13个为正值，17个为0。这就说明了在全国范围内绝大部分地区冰点日数是趋于减少的，负趋势显著区域主要在东北、华北和长江中下游地区，也从一个侧面反映了最低温度可能是趋于升高的，为此，我们与翟盘茂、任福民[17]的工作进行了对比，他们认为“在年平均情况下，最低温度在全国普遍呈增温趋势，在增温幅度上北方较大，南方较小”，我们的全国大部分地区冰点日数趋于减少可以看作是翟的结论的具体化的部分解释；17个等于零的站点主要位于北回归线附近及其以南地区；冰点日数在近44年来趋于增多的主要分布于黑龙江最北部和塔里木盆地。
倾向率（图略）和趋势系数相类似，在华北和长江中下游地区的部分地区每10年冰点日数减少4到6天，整个东北地区除了黑龙江最北部以外，其余地区基本都是每10年冰点日数减少4天左右。
5 夏季日数
5.1夏季日数平均状况
全国来看，夏季日数（图4）普遍在50天以上，特别是华南地区和云南的西南部，更是多达200天以上，尤其是西沙站点，平均达到340余天。整个东部地区，除了东北大部分地区外，夏季日数都在100天以上，青藏高原的东部由于海拔很高的原因，普遍在10天以下，个别几个站点甚至全年没有大于25oC的日子出现，由于青藏高原的西部站点缺乏，否则都应该在10天，甚至5天以下。为了和更加极端的情况进行对比，我们同时计算了最高温度35oC以上的天数平均分布情况，二者的相似系数为0.6984，远远低于最低温度小于0oC和-10oC平均天数分布图0.9425的相似系数，这是由于最高温度大于35oC的平均天数分布较大值与最高温度大于25oC的平均天数分布较大值相比除了云南西南部、华东和华南较一致以外，前者最大值在吐鲁番盆地一带，还有一个主要原因就是在图5中，东北地区天数普遍在50到100天之间，而在大于35oC的天数分布图中东北地区基本表现为5天以下。
图4 夏季日数平均分布图 图5 夏季日数趋势系数分布图
5.2 夏季日数趋势变化
夏季日数的趋势系数（图5）有232个站表现为正值（其中达到0.05、0.01和0.001的显著性检验的站点数分别是66、27和16个），42个为负值，4个为0，这就说明了在全国范围内大部分地区夏季日数是趋于增多的。正趋势显著区域主要在从辽宁到广东的我国沿海地区，还有关中地区和新疆、甘肃、内蒙古的交界地带，另外整个东北地区夏季日数也是普遍增加的，也从一个侧面反映了最高温度可能是趋于升高的,为此，我们与翟盘茂、任福民[17]的工作进行了对比：他们认为“在年平均情况下，最高温度在黄河以北及东经95以西地区普遍增暖，在东北和内蒙最北部表现出明显增温趋势”，这与本文的研究有异曲同工之妙，只不过，翟的研究对象是具体的温度，本文的研究对象是达到某一个阈值的天数；负趋势主要表现在贵州和湖南中北部，另外四川的西部和新疆的北部也有个别站点趋势系数是负值。
普遍来讲，夏季日数倾向率（图略）的绝对值没有冰点日数倾向率的绝对值大，比较显著的也就是个别地区每10年增加4天左右，如辽东-山东半岛一带、珠江三角洲地区等等。
6 生长期
6.1 生长期平均状况
按照国际上最新的标准，我国的生长期普遍在150天以上，总体来说也是自北而南随着纬度的降低生长期逐渐增加。其中少于150天的地区主要在青藏高原和黑龙江西北部地区，前者主要因为海拔高的缘故，后者则是纬度较高造成的，极端值出现在青海省的五道梁附近，平均只有40天，长江以南的我国东部地区一般都在300天以上，特别是华南和云南东南部地区一般都在350天以上，个别地区全年都是生长期，这对作物生长、提高作物产量都创造了无可比拟的自然条件。
图6 生长期平均分布图 图7 生长期趋势系数分布图
6.2 生长期趋势变化
本研究的278个站点中，有236个站点生长期的趋势系数为正值，12个站点为负值，还有30个站点基本没有变化，这30个站都是那些全年或者接近全年都是生长期的站点。为负值的站点零星分布于珠江口、陕西和山西一带，最主要就是在黑龙江的最北端，其中华南的个别站点由于生长期基本都在350天以上，所以它的影响可以忽略不计，山西和陕西一带的个别负值的绝对值也都在0.1以下，倒是我国最北端的地区，负值达到了-0.2左右，可以看作是近44年来平均温度降低趋势在物候指标上的体现。这与徐铭志、任国玉[18]的研究相似，但由于他们的研究把始日定义为5日滑动平均气温＞0℃的日期，终日定义为5日滑动平均气温＜0℃的日期，因此二者多少有些差别。
