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中国区域气候干湿变化的确定性结论:基于多指数与柯本气候区

已有 7194 次阅读 2017-6-14 12:43 |个人分类:学术研究|系统分类:论文交流| 干旱, 干旱指数, 干湿变化, 柯本气候分类法

气候干湿变化是一个非常热门的研究话题,包括干湿状况(wetting/drying)以及干旱变化(drought changes)。经常用到的手段是分析干旱指数。干旱指数目前广泛使用的就有十几种,Heim2002)对此做个非常好的总结。具体来讲,影响力比较大的包括1965Palmer创建的PDSIMcKee1993年提出的SPI,以及近期发展出的SPEIVicente-Serrano2010)。

SPEISPI类似,特点是多尺度性,能够反映不同干旱类型。SPEI相比SPI通过引入潜在蒸散发,包含了温度信息,因此可以用于研究气候变化,这一点与SPI不同。在WMO的手册中明确提到:However, it must be stressed thatthe SPI is not suitable for climate change analysis because temperature is notan input parameter。一些文章还是犯了这个错误。

SPEISPI这类统计干旱指数不同,PDSI是一种物理化的干旱指数。基于计算两层土壤水平衡状况,Palmer提出了气候适宜态(climatically appropriate forexisting conditions)的概念。

PDSISPEI/SPI各有优劣,相关内容可以参考一场论战Dai(戴爱国)2011年发表在JGR的文章,认为PDSI这类物理化干旱指数更优。Vicente-Serrano在同年同期刊发表论文给予回应。都非常精彩,这两篇文章是理解干旱指数的重要参考。

在全球变暖的背景下,干旱是否发生了显著改变?

Dai2012年的自然子刊《Nature Climate Change》上发表文章,基于PDSI干旱指数,全球变暖已经显著的增加了全球的干旱。同年,Sheffield在《Nature》上发文表示,其利用PDSI干旱指数的研究结果表明过去60年干旱并没有显著增加,不认同Dai的结果。

同样是利用PDSI为何出现了不同结论,Sheffield给出的解释是,PDSI中计算蒸散发的公式选择问题。计算蒸散法存在两个主要公式,分别是Thornthwaite1948)法和Monteith1964)提出的Penman-Monteith公式。两种方法分别简记做TH法与PM法。PM法计算复杂,需要的变量较多,但计算的准确性也较高。Sheffield认为基于TH法的PDSI高估了干旱增强现象,而基于PM法的PDSI并未发现干旱明显增加,而后者结论更为可靠。地理所孙福宝团队研究结果(Zhang2016)明确指出理论上PDSI_thPDSI_pm对于变暖的响应不同。

博主的工作简介,从多指数的共性中寻找确定结论是否可行?

利用干旱指数研究干湿变化,面临这上面这些问题,包括指数选择和蒸散发计算方法。因此在大尺度上很难获得确定性的结论,包括全国或者全球。那么区域尺度表现如何?如何使用这些指数得到确切结论?

Hypothesis有两个

1)既然不同指数有各自的倾向性,那么如果出现一致性(coherent)结论,那这个结论就应该更为可靠了,不一致的地区暂时不管。最终选了的指数有6个:降水、蒸散发、PDSI_pmPDSI_thsc_PDSI_pmsc_PDSI_th

2)有关分区,一般采用行政区划或者地理分区,而干湿状况的大背景是气候,所以采用了基于柯本气候分类法对中国进行分区,经过细微调整后把中国分为6个气候区。

幸运的是,6个气候区中有5个在多指数中表现出一致性的结论。具体为青藏高原(ET)和西部干旱气候区(BB)变湿润,而半干旱地区与半湿润地区(BADWCW)表现出变干趋势。结论不明确的是东南的湿润地区。

一方面这一想法,通过多指数的一致性表现寻求干湿变化确定性结论,得到验证。同时,明确了5个气候区的干湿变化状况,尤其是我国半干旱地区的持续性变干,尤其值得警惕。



数据分享

上图的分区是基于柯本气候分类法经过修订的6个气候区,已经制作了shapefile以供同行使用。


china_6kp_region.rar




2017_tchen_JGR.pdf




本文推荐阅读文献:

Dai, A. (2011), Characteristicsand trends in various forms of the Palmer Drought Severity Index during1900–2008, J. Geophys. Res., 116,D12115, doi:10.1029/2010JD015541.

Dai, A. G. (2013), Increasingdrought under global warming in observations andmodels, Nat. Clim. Change,3(1), 52–58, doi:10.1038/Nclimate1633.

Heim, R. R. (2002), A review oftwentieth-century drought indices used in the United States, Bull. Am.Meteorol. Soc., 83(8),1149–1165,doi:10.1175/1520-0477(2002)083<1149:AROTDI>2.3.CO;2.

Heim, R. R. (2002), A review oftwentieth-century drought indices used in the United States, Bull. Am.Meteorol. Soc., 83(8),1149–1165,doi:10.1175/1520-0477(2002)083<1149:AROTDI>2.3.CO;2.

McKee, T. B., N. J. Doesken, andJ. Kleist (1993), The relationship of drought frequency and duration to timescales, in Eighth Conference onApplied Climatology, pp. 179–186, Am. Meteorol.Soc., Anaheim, Calif.

Sheffield, J., E. F. Wood, and M.L. Roderick (2012), Little change in global drought over the past 60 years, Nature,491, 435–438, doi:10.1038/Nature11575.

Vicente-Serrano, S. M., S.Begueria, and J. I. Lopez-Moreno (2010), A multiscalar drought index sensitiveto global warming: The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, J.Clim., 23(7), 1696–1718, doi:10.1175/2009JCLi2909.1.

Vicente-Serrano, S. M., S.Beguería, and J. I. López-Moreno (2011), Comment on “characteristics and trendsin various forms of the Palmer Drought Severity Index (PDSI) during 1900–2008”by Aiguo Dai, J. Geophys. Res., 116, D19112, doi:10.1029/2011JD016410.

Zhang, J., F. Sun, J. Xu, Y.Chen, Y. Sang, and C. Liu (2016), Dependence of trends in and sensitivity ofdrought over China (1961–2013) on potential evaporation model, Geophys. Res.Lett., 43, 206–213, doi:10.1002/2015GL067473.

Chen T, Zhang H, Chen X, et al. Robust drying and wetting trends are found in regions based on Köppen climate classifications over China[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2017.



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