一种简单的全球气候分区方法与流程

本发明涉及一种适用于全球的气候系统分区方法，该方法利用单一的表征地表通量因子，即显热通量与潜热通量的比值，实现全球不同气候带快速分区。

背景技术

气候分区是依据一定的指标将气候大致相同的地方划为一区。在气候学分析时，采用更为简单的方法，一般仅考虑多个变量（降水、气温、蒸发比和植被覆盖度等）的方法进行分区。这类方法由于受不同因子的影响，受地形地貌、下垫面类型以及观测数值的不足，会造成部分地区分区存在很大不确定性，仅适用于一类气候带，无法在全球陆地运用。目前的气候分区大多基于经典的köppen气候分区法，即使用地表气温和降水两个大气变量进行分区，实际所用具体变量包括气温降水的均值，概率分布以及极值等，这种以温度和降水进行气候分区的方法，在实际应用中由于观测数据的稀疏性，无法在全球展开观测，具有局限性，温度和降水两大变量在实际气候分区中使用并不方便。如何解决在气候分区多指数的影响，如降水、气温蒸发比和植被覆盖度等。

目前常用的气候分区基于经典的köppen气候分区法，即采用气温和降水两个因子为基础，根据应用目标不同，增加其他自然因子为辅的方法来定义。波文比方法是利用感热通量与伴随发生的潜热通量的比值表征地表大气湍流通量的方法。其中感热通量（sensibleheatflux，hs）也称之为做显热通量，指的是由温度变化而引起的大气与下垫面之间发生的湍流形式的热交换通量；潜热通量（latentheatflux，le）为温度不变条件下单位面积的热量交换，自然界潜热通量的主要形式为水的相变，亦可定义为下垫面与大气之间水分的热交换，潜热通量包括地面蒸发（裸地覆盖）或植被蒸腾、蒸发（植被覆盖）的能量，又称蒸散（evapotranspiration），与下垫面表面温度、下垫面饱和水汽压、参考高度空气水汽压、空气动力学阻抗、下垫面表面阻抗等有关。

由于波文比的测算只需测量温、湿梯度2个参数，极大简化了测算过程，被广泛应用到复杂全球复杂下垫面能量测定中，主要反映在方法简单、精度较高等2个方面。利用波文比定义，通过地表通量来定义新的气候带。气候带不仅简化了原有多因子分区带来的不确定性，同时更能确切的反映地表真实冷热、干湿状态，从而在表征地表因子方面具有较强的优势。

技术实现要素：

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种简单的全球气候分区方法，利用改进的波文比计算公式：（式中：为感热通量，为潜热通量，表示采用的符号，brm为波文比范围）。该方法可实现将全球气候带分为五种基本气候区，五种气候区分别为极寒带（ec）(对应波文比−∞to0,extremelycoldregion),极湿带（ew）(0–0.5;extremelywetregion),半湿带（sw）(0.5–2.0;semi-wetregion),半干带（sa）(2.0–10;semi-aridregion),和极干带（ea）(10to+∞;extremelyaridregion)；该方法可在五种基本分区的基础上，进一步划分子区域，从而实现全球气候带的划分。

本发明的优点和产生的有益效果：

1、本发明利用波文比在研究自由水面的能量平衡时，提出的一种利用感热通量与伴随发生的潜热通量的比值表征地表大气湍流通量的方法。以一个能反应地表大气湍流通量下垫面变化的唯一指标来划分不同的气候分区，本发明依据地表植被及下垫面类型的差异，决定了气候带之间的地气作用特征，可通过地表通量因子来定义全球五种基本气候带，即极寒带（ec）、极湿带（ew）、半湿带（sw）、半干带（sa）和极干带（ea）。全球五种不同气候带分区主要用于比较与传统降雨及温度之间的区别，从划分的五大类分区可明显看出，本发明所采用的的波文比修正法分区图，科学合理的解释了不同下垫面的气候分区，同时，该分区可以依据不同季节划分气候分区，使得分区更为灵活，更为客观。该分区方法不仅对气候变化研究提供便利，同时为碳排放计算提供了科学合理的气候分区。该方法可对五种基本气候带进行子区域划分，从而实现更为详实的气候分区划分。

2、köppen气候分区是现有的气候分区的基础，本发明通过与köppen气候分区相比较，不仅可以反映出本发明方法在分区方面简化了多个参数的测算，减少其他自然因子的参与，具有优越性。本发明利用感热通量和潜热通量这两个地表因子较能准确反映不同下垫面不同季节的分区，实现全球不同气候带快速分区，表现了强劲的优势，为区域或全球气候变化研究带来新思路，同时也为区域不同下垫面碳排放等建立新的计算基础。并为解决全球气候变化背景下，研究不同气候带演替过程提供新的思路和方法，很好解决了气候分区多因子影响带来的不确定性问题，从而为全球气候变化研究、节能减排及气候谈判提供技术支持。

附图说明

图1为气候态平均（1980-2010）的不同季节的修正后波文比分布，其中：a，春季，3月-5月；b，夏季，6月-8月；c，秋季，9月-11月；d，冬季12-2月；e,年平均以及f为5种主要气候带所占面积的平均年变化。

图2为对五种气候分区进行子区域划分。（即五种气候区分别为极寒带（ec）(图中五幅图分别对应为（a）ec为极冷区,（b）ew为极湿带,（c）sw半湿带,（d）sa半干带和（e）ea极干带五大类气候区的子区）

图3为不同季节不同气候分区所占面积在1980-2010年间的线性变化趋势（单位：10¹⁰m²yr^-1）。

具体实施方式

1、波文比计算公式修正

a、波文比计算式

基于波文比（1）具有很好的区分干湿下垫面的能力，波文比计算式为：

…..（1）

（1）式中，hs为感热通量（向上为正，向下为负），e为潜热通量（向上为正，向下为负），l为潜热气化系数。

b.由于公式（1）中，感热通量在高温地区如沙漠下垫面干热向上传播，面积较大（方向为向上，指向空间）为正值，而在冷的区域如格陵兰岛具有较小（方向为指向地表）为负值；地表干湿状态由潜热通量表征；当近地表存在水汽冷凝大于蒸散发，潜热通量为负。潜热通量和感热通量均为负值的情况，如在南北极地区，水汽冷凝等于蒸散发，如此将会形成一个正的波文比。为避免寒冷地区波文比与温带区出现相同的值，选取潜热通量的方向作为改正后波文比的正负值（向上为正，向下为负），感热通量和潜热通量很大程度上取决于区域内降水量。同时，如绿洲地区有较少的降水量而由于灌溉等充足水源，从而具有较强的蒸散，因此利用湍流通量较降水、温度等因子更能反映真实的地表干湿状况，利用感热通量的方向决定波文比的正负，从而形成修订后的计算公式（2），故本方法对原有的波文比进行了修正如下：

（2）

（2）式中，hs为感热通量，le为潜热通量，||表示对感热通与潜热通量的比值取绝对值，sgn(hs)表示采用hs的符号（向上为正），即用感热通量的方向决定波文比的正负。

c.考虑公式（2）中，如果le接近零，则brm可能变为无穷大，为避免在平均计算中出现较大的brm值，在不考虑时空尺度的条件下，对多个数据集进行集合平均，计算平均的brm(公式3)。

…..（3）

（3）式中，<hs>为感热通量集合平均，<le>为潜热通量集合平均，||表示感热通集合平均与潜热通量集合平均的比值取绝对值；sgn(<hs>)表示采用集合平均后感热通量的符号（向上为正）。

经过（b）、（c）两步即可实现波文比计算公式的修正。

2、数据准备

选取五种再分析资料era-interim(era-i)，ncep-ncar(ncep-r1),ncep-doeamip-ii(ncep-r2),jra-55,20thcenturyreanalysis,version2(20thc)中的感热通量和潜热通量数据，作为计算波文比的基础数据。

为消除不同在分析资料的误差，采用最为简单的平均集合的方法将5种再分析资料进行集合，形成集合数据集。

3、计算过程

将公式（2）中所获得集合数据输入到公式（3）中，即可获得修正后全球波文比数据。

4、结果分类

为与目前常用的气候分区即基于经典的köppen气候分区法结果相比较，由于经典的köppen气候分区方法将全球分为五个主要气候带，为与经典的köppen分区方法结果具有可比性，本发明将全球气候带分为五种气候区，五种气候区分别为极寒带（ec）(对应波文比−∞to0,extremelycoldregion),极湿带（ew）(0–0.5;extremelywetregion),半湿带（sw）(0.5–2.0;semi-wetregion),半干带（sa）(2.0–10;semi-aridregion),和极干带（ea）(10to+∞;extremelyaridregion)这五种气候区。

5、结果分析

为对上述步骤产生的气候分区结果进行校验，采用与经典的köppen分区方法结果对比的分析方法验证本发明方法的优越性。以下分别从大分区结果、小分区结果以及结果的应用等三方面进行分析。

（a）大区的对比分析：

图1给出了五种再分析资料（era-interim(era-i)，ncep-ncar(ncep-r1),ncep-doeamip-ii(ncep-r2),jra-55,20^thcenturyreanalysis,version2(20thc)）集合平均的波文比分布。

图1显示了基于修正的波文比方法，利用五种再分析资料（era-interim(era-i)，ncep-ncar(ncep-r1),ncep-doeamip-ii(ncep-r2),jra-55,20thcenturyreanalysis,version2(20thc)）集合平均的感热通量和潜热通量，获得气候分区示意图。由图可见，本发明提出的分区方法不仅可以反映季节性气候分区变化，同时可以基于长时间序列（1980-2010）进行集合平均分区，对不同数据显示较好的适用性。

e利用修正的波文比方法，在大分区基础上，利用本方法对不同大气候分区进行子分区划分,进一步划分为4个小区，划分依据为季节性波文比与年均波文比的大小比较：其中1区表示所有季节类型分区与年平均分区相一致；2区表示任何季节分区的平均波文比值小于最小值；3区表示任意季节的平均波文比值大于最大值；4区表示任意季节平均波文比值小于最小值，但在另一个季节大于最大值。

图2显示了本发明提出的分区方法对主气候分区的子区域划分。当每个季节的气候分区与年平均气候分区类型一致时，定义为1；当至少有一个季节的气候分区属于年平均气候分区的左侧分区类型时（如ec相对于ew），定义为2；当至少有一个季节的气候分区属于年平均气候分区的右侧分区类型时（如ew相对于ec），定义为3；当同时满足2,3的情况时，定义为4。这里主要考虑地表季节变化引起的分区变化，每个子分区表现为波文比不随季节变化区域、波文比随季节变化小于均值的区域、波文比变化大于均值的区域和波文比随季节有不规则变化的区域。通过子区域的划分，更能细化不同分区的功能，从而较为详细的划分极端寒冷区、极端湿润区、半湿润区、半干旱区和极端干旱区。

3、分区结果评估

基于修正后的波文比得到了的气候分区后，为了与经典的köppen气候分区法结果进行比较，本发明采取同样的五大类分类体系。五种气候区分别为极寒带（ec）(对应波文比−∞to0,extremelycoldregion),极湿带（ew）(0–0.5;extremelywetregion),半湿带（sw）(0.5–2.0;semi-wetregion),半干带（sa）(2.0–10;semi-aridregion),和极干带（ea）(10to+∞;extremelyaridregion)。与经典köppen气候分区相比，本发明方法在气候年平均态分区（图1e）较为相似，如本发明的半干、极干分区与köppen气候分区中干旱区一致，极寒带与köppen气候分区中积雪与极地地区一致，köppen气候分区中的热带雨林带与本发明极湿带与半湿带吻合。

4、改进波文比气候带分区的优势

利用改正后波文比的气候分区结果，可以非常方便的讨论不同气候态的气候分区上的气候变化特征：图1表示，在1980-2010年间，夏冬两季，几乎所有数据都支持在极旱区的增温率显著高于其他区域，而在春秋两季，则是极旱区的增温最为明显。降水的变化在不同数据中差异较大。尽管如此，依然可以得到一些较为一致的变化特征。在冬季，极寒区，极湿区和半湿区的降水都有增加的趋势。在春季，除了极旱区，所有气候带平均的降水都呈现减少的趋势。

本发明方法不仅可以利用气候做年平均值做主分区，同时可以利用波文比的季节变化，对主分区进行二次分区，形成更为详细的分区，更有利于指导实际生产生活（见图2）。

改进后的波文比分区方法不仅可以给出气候平均的气候带分布，同时也可以非常方便的给出气候带面积的变化，以此来表征不同气候带的演变（参见图3）。通过不同数据之间的比较发现，在过去30年间的冬季，半湿区的面积萎缩，而极湿区和极寒区面积增长。而在北半球春季，半湿区和半干区面积萎缩，而极湿区和极干区增长。这种变化似乎揭示着，过去30年间，在北半球春季，湿润地区变的更加湿润，干旱地区变化的更加干旱。