中国干旱半干旱地区的冷季快速增温

利用中国713个观测站均一化的月平均温度资料,详细分析了近55年中国温度变化的季节性及区域特征,并进一步分析了中国干旱半干旱区冷季增温前后的大气环流特征。年际变化结果表明,中国的增温现象主要是从20世纪80年代中期开始,90年代快速增长,21世纪初增温变缓,其中干旱半干旱区的年均增温速率是湿润半湿润区的1.7倍。季节性特征为冷季增温速率是暖季的1.9倍,干旱半干旱区的冷季增温速率较大,都超过了0.3℃·(10a)-1,其中青藏高原、内蒙古中部、东北和华北增温尤其显著,湿润半湿润区的冷季增温相对较慢,其中中西部地区比东部沿海增温较慢。干旱半干旱区的冷季温度在1986年左右发生显著暖突变,突变前后的大气环流对比分析表明,极涡强度减弱、东亚大槽和欧洲浅槽变浅、极地冷高压和西伯利亚高压偏弱、气旋性异常环流和东部地区的异常东南气流都有利于干旱半干旱区冷季的快速增温。     

100年来东亚和北非干旱半干旱区边界层高度的变化特征研究

利用欧洲中心再分析资料ERA-20C、ERA-Interim和ERA40对1900—2015年东亚、北非干旱半干旱区边界层高度的年代际变化特征进行了研究。结果表明:(1)1900—2015年,东亚、北非干旱半干旱区边界层高度均值分别为755 m和834 m,东亚表现为显著的上升趋势,气候倾向率为2.0 m·(10a)-1,年代际震荡周期约为20年,北非表现为下降趋势,气候倾向率为-0.6 m·(10a)-1,年代际震荡周期约为40年。1964年和1940年分别为东亚、北非的显著转折年,1964年之后东亚边界层高度有明显抬升,1940年之后北非边界层高度震荡幅度明显增大。(2)东亚干旱半干旱区上升趋势最为明显的区域位于东部,气候倾向率为10.7~12.4 m·(10a)-1,其次位于中部,气候倾向率为3.8 m·(10a)-1;上升较缓慢的区域位于北部,气候倾向率为0.4~1.8 m·(10a)-1;塔克拉玛干沙漠呈下降趋势,气候倾向率为-1.2 m·(10a)-1。同时,在年代际波动中,东亚边界层高度在20世纪60—70年代呈现出剧烈的震荡也主要与中东部边界层高度的变化相关。(3)北非干旱半干旱区中北部表现为显著下降趋势,气候倾向率为-5.1~-1.4 m·(10a)-1;南部表现为上升趋势,气候倾向率为0.8~2.5 m·(10a)-1。然而,在年代际波动中,北非边界层高度在20世纪40年代之后震荡的加剧与南部边界层高度的变化密切相关。     

东亚典型干旱、半干旱区夏季感热通量的年代际变化特征

基于1901—2010年ERA-20C地表感热通量和其他气象要素逐月资料,利用Lanczos低通滤波、多元逐步回归、Mann-Kendall检验和滑动t检验等方法,分析东亚典型极端干旱区、干旱区、半干旱区和湿润偏干区4个区域夏季感热通量的变化趋势及年代际变化特征。结果表明:(1)近110 a,东亚干旱、半干旱区4种类型区域的夏季感热通量变化趋势不尽相同,极端干旱区无明显变化趋势,而其他3个区域均呈显著上升趋势,且随着地表湿润度的增加上升趋势越大;半干旱区和湿润偏干区夏季感热通量在显著上升趋势上还叠加了明显的年代际特征,均在1960年代发生由偏低向偏高的突变,而干旱区夏季感热通量突变时间在1950年代中期。(2)各气象要素对夏季感热通量变化的贡献在东亚干旱、半干旱区不同区域有显著差异。极端干旱区和干旱区夏季感热通量的变化主要由地表净辐射和降水贡献,而半干旱区和湿润偏干区则主要由地气温差和10 m风速贡献,且突变后期的贡献均高于突变前期。(3)大气环流异常对东亚夏季感热通量变化有重要作用。突变前期,东亚干旱、半干旱区大部高空200 hPa为东风异常,低层850 hPa为东南风异常,配合500 hPa正涡度异常,导致辐合上升气流偏强,有利于维持夏季感热通量偏低;反之突变后期,200 hPa为西风异常,500 hPa为负涡度异常,低层850 hPa为西北风异常,导致辐合上升气流偏弱,有利于维持夏季感热通量偏高。     

中国北方干旱半干旱区降水的多年代际变化特征及其与太平洋年代际振荡的关系

基于最新版本的全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Centre Version 7,GPCC_V7)资料与欧洲中期数值预报中心20世纪再分析资料(ERA-20C)融合的百年尺度逐月降水资料(1901~2012年),运用集合经验模态分解方法(EEMD)、合成分析等方法系统分析了我国北方干旱半干旱区降水多年代际变化特征及与太平洋年代际振荡(PDO)之间的相互关系。结果表明:北方干旱半干旱区大多数区域降水都具有50~60年的平均变化周期,而PDO对大多数地区降水多年代际变化特征具有明显的调制作用;其中新疆北部和内蒙古北部的降水与PDO呈现出显著的正相关,而河套东西部地区的降水则与PDO的变化呈现显著负相关。进一步分析表明,当PDO为暖相位时,径向环流增强使得北冰洋水汽南下,当遇到低空北上的阿拉伯海域暖湿气流时,会造成新疆中南部的降水增多;另一方面,PDO暖相位时赤道西太平洋及印度洋区域通过对流加热的作用激发了太平洋—日本/东亚—太平洋(PJ/EAP)遥相关型的产生,这有利于渤海湾暖湿水汽输送至干旱半干旱区北部区域,增大降水概率;同时,当偏北和偏西气流在河套北部区域相遇时会形成降水中心。当PDO位于冷位相时,结论则反之。     

PDO和ENSO与大连6—9月降水关系分析

利用1905—2006年的太平洋年代际振荡(简称PDO)、ENSO和大连6—9月降水资料,分析三者之间的关系。结果表明:在PDO暖位相期,大连6—9月降水总体比常年偏少;PDO冷位相期,大连6—9月降水总体上比常年偏多;PDO与大连6—9月降水存在准周期对应关系,从PDO冷位相到暖位相,对应的大连6—9月降水距平8 a滑动平均曲线总体呈下降趋势。ENSO对大连6—9月降水的影响明显受PDO的调制,在PDO冷位相期,ENSO年大连6—9月降水总体上比常年偏多,而在PDO暖位相期,ENSO年大连6—9月降水总体上比常年偏少;不同强度和不同冷暖性质的ENSO,在不同PDO位相期内对大连6—9月降水的影响也各不相同。     

近30年全球干旱半干旱区的蒸散变化特征

全球变暖加剧了气候系统能量和水分循环相互作用的变化,水分平衡变化导致极端旱涝事件频发。地表蒸散是能量水分循环的重要过程,是理解气候变化的关键环节。本文基于1982~2011年FLUXNET-MTE观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析了全球干旱半干旱区蒸散的时空变化特征及典型区域的变幅、趋势和季节变化。结果表明:（1）干旱半干旱区多年平均蒸散量小于300 mm。冬季蒸散量最小,夏季最大且变率也最强。1990年代前后,干旱半干旱区蒸散发生了明显的年代际转变,暖季的年代际差异尤为明显。（2）近30年来,东半球干旱半干旱区蒸散量呈增加趋势,西半球呈减小趋势。典型区域来看,南非呈显著增加趋势[25.14 mm（10 a）-1],美国西南部呈显著减小趋势[-19.86 mm（10 a）-1];萨赫勒、中国北部和澳大利亚呈增加趋势,阿根廷及智利南部呈减小趋势。（3）蒸散变化与温度、降水的变化联系密切,三者具有相似的年循环变化,但三者间相关性在干旱半干旱区具有显著的差异性。     

东亚、北非干旱半干旱区边界层高度的特征研究

采用再分析资料ERA-20C对东亚、北非干旱半干旱区一百多年边界层高度(Boundary Layer Height,BLH)的时空变化特征进行比较研究,结果揭示了两个地区不同气候区BLH空间分布和时间变化的差异性。结果表明,BLH的空间分布与气候干湿程度密切相关,同时受海拔以及河流、湖泊分布等的影响;干旱区、半干旱-半湿润过渡区的BLH在东亚和北非均为升高趋势;极端干旱区、干旱-半干旱过渡区、半干旱区的BLH在东亚为升高趋势,在北非为降低趋势;极端干旱区对干旱半干旱区整体BLH年际变化贡献最小,东亚为11. 05%,北非为3. 68%;东亚半干旱区年际变化贡献最大23. 74%,北非半干旱-半湿润过渡区年际变化贡献最大28. 89%。两个地区BLH的变化均包含周期为60年、30年、10年、5～7年和2～4年的振荡,在长时间尺度的周期变化中,两个地区的BLH基本呈反位相关系,在短时间尺度的周期变化中,呈反位相、同位相交替转换的关系; BLH的长期变化趋势,东亚各季节均为升高趋势,北非只有冬季为升高趋势; BLH年际变化,夏季占主导地位,东亚年际变化贡献率是58. 50%,北非年际变化贡献率是57. 52%,北非秋季年际变化贡献率是东亚地区的2倍多。     

北美和欧亚大陆冬季快速增温与地表干湿变化

采用东英吉利大学气候研究中心（CRU）提供的月地表温度和降水资料,分析了全球年平均及冬季地表温度变化趋势,发现在北半球中高纬地区半干旱区冬季快速增温。在此基础上通过分析帕默尔干旱指数（PDSI）研究了北美和欧亚大陆冬季地表干湿变化的时空特征和差异,并讨论北美和欧亚大陆冬季快速增温对地表干湿变化的影响。结果表明,北美大陆南部微弱变湿,加拿大北极群岛变湿明显,而在北美大陆的中西部有明显的变干趋势;欧亚大陆大部分地区在冬季有一定的变干趋势,其中尤以西欧南部,中国华北、东北,蒙古中北、东北部及俄罗斯远东地区变干最为显著。但北美和欧亚大陆1950-2008年冬季降水并无显著变化趋势,地表干湿变化主要受气温的影响,尤其是在冬季增温最为快速的地区。     

中国干旱半干旱区洪涝灾害的初步分析

中国干旱半干旱区的洪涝灾害是一个尚未引起人们重视的重大科学问题,这主要是因为干旱半干旱区对洪涝灾害的防范意识比较薄弱。而极端降水事件的次数、强度和持续时间与干旱半干旱区的洪涝灾害有密切联系,直接影响该区域洪涝灾害及其次生地质灾害的次数与严重程度。以干旱半干旱区的极端降水事件为切入点,分析了中国干旱半干旱区的极端降水事件次数和极端降水量的变化特征,旨在为干旱半干旱区的洪涝灾害研究提供科学依据。结果表明,进入21世纪以来,中国110°E以西的干旱半干旱区极端降水事件的日数有所增多,而110°E以东的区域日数都有所减少。干旱半干旱区极端降水量的变化也呈现出西增东减的分布,大部分干旱半干旱区的极端降水量变化占总降水量变化的40%以上,一部分地区能达到50%,甚至100%-200%。从季节变化来看,春季天山以北、新疆南部、甘肃敦煌和内蒙古包头以北地区极端降水量增加较多,夏季110°E以西的干旱半干旱区极端降水量均增大明显,秋季陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯、包头和呼和浩特等地极端降水量增大较明显。     

冬季北太平洋多尺度水汽输送和大气河的变化特征及其与PDO和ENSO的联系

利用1950-2015年NCEP/NCAR大气再分析资料和NOAA海表面温度资料,通过回归分析和合成分析的方法研究了冬季北太平洋不同尺度水汽输送和大气河(Atmospheric River, AR)的变化特征及其与PDO、ENSO的联系。结果表明,在PDO正位相时期,时间平均的水汽输送将大量水汽从太平洋北部和中部地区输送到东北太平洋的阿拉斯加湾及北美西岸地区,同时将北太平洋副热带地区的水汽输送到热带地区;低频尺度的水汽输送主要是将水汽从北太平洋向低纬地区输送;天气尺度的水汽输送使得大量水汽在北太平洋中部风暴轴区域汇集;北太平洋AR中部和阿拉斯加及北美西岸地区的AR频率显著增强,热带太平洋AR中西部明显增强,而东部减弱并向西南方向移动延伸。在ENSO正位相时期,时间平均的水汽输送使得东北太平洋和热带太平洋地区降水异常增多;低频尺度的水汽输送导致北美西岸易发生极端降水事件;天气尺度的水汽输送与北太平洋风暴轴活动密切相关;北太平洋AR中西部有所减弱,但在其东部的北美西岸地区AR频率明显增强,热带太平洋AR中部地区显著增强,而在其东南部则明显减弱。PDO和ENSO处于不同位相下时对AR的影响表现出一定的非对称性,其中PDO对北太平洋AR的影响起主导作用,而ENSO对热带太平洋AR的影响起主导作用。     

1870～2002年全球Palmar干旱指数集——PDSI与土壤湿度及地表增温效应的关系

用历史降水和温度资料得到全球陆地区域(分辨率为2.5°×2.5°)1870~2002年间的月Pal-m ar干旱指数(PDSI)。伊利诺斯州、蒙古及中国与前苏联部分地区有土壤湿度资料,暖季的PDSI与实测土壤湿度(土层厚度为1 m)呈显著相关(r=0.5~0.7),夏末和秋季相关最好,而春季由于融雪的影响相关最差。对世界最长河流(其中7条)及几条其他河流进行分析,各流域平均的年PDSI变化与径流相关很好(r=0.6~0.8),表明PDSI可以很好地表征地表土壤湿度状况与径流。对PDSI进行经验正交函数(EOF)分析,揭示了由降水、温度趋势及ENSO引起的年际内变率所产生的线性趋势。全球严重干旱区(PDSI<-3.0)面积自20世纪70年代以来增加了1倍多,其中80年代初由于ENSO引起的降水减少造成干旱区面积的突增,后来的增加主要归因于地表增温;全球非常湿润区(PDSI> 3.0)面积80年代减少不明显。自1972年以来,全球极干或极湿地区面积从20%增加到了38%,80年代中期以后地表增温是其主要原因。这些结果为日益增加的干旱风险提供了观测证据,干旱风险的增加是人类活动导致全球变暖的结果。     

近52年巴音布鲁克山区日降水变化趋势与突变特征分析

利用巴音布鲁克气象站1960-2011年逐日降水资料,统计了逐年降水日数、降水量、以及5—9月不同量级降雨日数、降雨量,进而得到暖季不同降雨雨强,运用线性趋势系数、M—K检验及滑动71检验等方法分析了巴音布鲁克山区降水的变化趋势和突变特征。结果表明：近52a来巴音布鲁克山区年降水量和降水日数呈明显的增加趋势,气候倾向率分别为9．5mm／10a、3．2d／10a,然而年降水量和降水日数的增加主要源自冷季而非暖季,年降水量与降水强度关系更密切。巴音布鲁克山区暖季5～9月降雨量占年降水量的八成以上,暖季微雨日显著减少,小雨事件对年降水量的贡献率减弱,大雨和暴雨的贡献率增加。冷季降水量和降水日数显著增加,冷季降水日数在1975年附近发生增多突变,冷季降水量在2003年后发生增多突变。     

新疆极端降水时空特征及其对ENSO影响的响应研究

基于1961-2015年新疆地区51个气象站逐日降水资料和南方涛动指数资料,借助RclimDex模型,利用线性变率、距平分析、Mann-Kendall非参数检验等方法,分析过去55a新疆极端降水变化特征及其对ENSO影响的响应。研究表明:(1)1961-2015年新疆持续干燥日数以-3.9d·(10a)~(-1)的速率下降,除降水强度指数外,最大1日降水量、强降水量、总降水量和大雨日数都呈现显著上升趋势,且突变基本发生于1986年;(2)最大1日降水量、强降水量、总降水量和大雨日数都表现为"北多南少"的格局,其线性倾向率表现为北疆大部分站点正增长,且变化趋势明显,南疆少数站点呈负增长,且变化趋势较弱;(3)20世纪80年代以后El Nino/La Nina事件波动加剧,且El Nino事件发生强度大于La Nina事件。ElNino事件年对新疆产生增湿效应,冷季降水增加幅度大于暖季,空间上表现为北疆的塔城、阿勒泰、巴音布鲁克和南疆西部的喀什至和田一带年总降水明显偏多。     

欧亚大陆极端降水事件的区域变化特征

近年来,在全球变暖的背景下,极端气候事件特别是极端降水事件,发生频率愈发上升。本文使用美国气候预测中心提供的逐日降水资料,统计分析了1979—2018年期间欧亚大陆各个子区域极端降水事件的时空变化特征。结果表明:1)从气候态的空间分布特征来看,南欧、南亚、东南亚、东亚地区为欧亚大陆全年总降水量高值区,同时也是极端强降水频发地区;而东亚地区青藏高原、中国中西部至蒙古一带,南亚地区印度次大陆以及中亚、西亚等地的部分地区则是连续性干旱事件的高频区,极端强降水事件发生频次较少;2)在21世纪初之后,东南亚、南亚、东亚、北亚、西亚和南欧这6个地区的全年总降水量发生年代际增加,且在研究时段呈显著增加趋势。在过去近40 a,南亚、东亚和中亚的RX1day(日最大降水量)、RX5day(连续5 d最大降水量)、中雨日数(R10mm)、大雨日数(R20mm)自20世纪90年代中期年代际增加,且呈长期增加趋势。南亚、北亚、东亚、中亚这4个地区的最大连续干旱日数在20世纪80年代初显著增加,但长期趋势并不显著。需要指出的是,自2014年起极端强降水事件在东南亚、南亚和东亚地区持续增多,而连续性干旱事件在北欧地区持续增多。     

青藏高原暖季与冷季气温的时空演变分析

;利用1974—2003年青藏高原地区海拔高度>3000 m以上的49个气象站月平均气温,分析了暖季与冷季气温的时空演变特征。结果表明,青藏高原暖季气温的空间分布可以分为三部分:大致在85°E以西的高原西部地区,大致以85°E和33°N为界的高原东北部地区和高原东南部地区;西部高温区、柴达木盆地高温区和藏南高温带很明显。冷季气温的空间分布基本上为南暖北冷,南北分界大约在32°N。青藏高原暖、冷季气温空间分布有较一致的年代际变暖现象,主要表现在北部地区,尤其是西北部地区。青藏高原北部暖季升温明显,五道梁站暖季长期升温趋势为0.035℃/a;青藏高原南部冷季升温明显,拉萨站冷季长期升温趋势达0.060℃/a。青藏高原暖、冷季气温为大体一致的年际变化,江河源区有明显的高值区,为气温变化的关键区;暖、冷季气温长期变化趋势虽然都是上升的,但近10年的变化趋势却相反,暖季为降温趋势,冷季为明显的增温趋势。     

利用CAM5.1模拟中国东部大规模城市化对东亚地区夏季大气环流及降水分布的影响

利用CAM5.1大气环流模式研究中国东部大规模城市化对东亚夏季大气环流及降水分布的影响。通过在模式中修改中国东部地区(22～42°N,110～125°E)城市比重的方法,探讨东亚地区夏季大气环流与降水等气象要素在一般城市化及极端城市化两种情景下的响应。结果表明:(1)CAM5.1模式能够很好地模拟出东亚地区夏季大气环流形势及降水分布。(2)城市比重增大后,晴空时地面吸收的净辐射增多,近地层气温升高,低层增温中心上空的大气由于受热产生上升运动,35°N以南的气流向增温区辐合,东亚夏季风出现增强的趋势,大量暖湿水汽往北输送,导致降水在中国北方地区增多而南方减少。(3)城市化的发展程度越高,它所产生的气候效应对各气象要素的影响就表现得越明显。     

东亚干旱半干旱区空中水资源研究进展

系统回顾了近年来中外对东亚干旱半干旱区空中水资源方面的主要研究进展,主要包括大气水汽、云的分布特征、空中水资源的降水转化率及其影响因子等。东亚干旱半干旱区西部及东部水汽含量较中部高,背风坡水汽含量较迎风坡高,季风区及山脉地区云水资源高于盆地、沙漠上空。20世纪80年代中期以后,东亚干旱半干旱区对流层底部的水汽显著增多,其中夏季增加最为明显。在全球气候变化背景下,中国西北部分地区云水路径总体呈现上升趋势,同时呈现"东正西负"的东西向变化差异以及"北正南负"的反相位特征。大气环流、地表温度、下垫面地表特征等因子通过影响东亚干旱半干旱区的水汽输送及蒸散,进而改变东亚干旱半干旱区空中水资源,空中水资源的改变通过影响辐射收支、不同高度云量及第2次相变产生的云水含量进而对局地温度和降水产生影响。以往研究中,大部分主要针对东亚干旱半干旱区大气中的水汽含量和云平均状态的分布与变化特征,而与降水相关联的空中水资源的变化特征目前仍不清楚,有待系统深入地研究。      

近50a青海西宁气温变化特征

利用西宁市1961～2010年年平均温度、平均最高最低温度、极端最高最低温度,研究西宁气温变化的气候特征。结果表明,近50 a来西宁市4季和全年的平均气温都呈上升趋势,近些年来略有回落,其中冬季增温最明显。西宁市最高最低气温变化在线性增温趋势的稳定性、倾向率和突变现象均有明显的非对称性特征:各季节的平均最高气温的线性趋势均稳定,平均最低气温在冬季和夏季线性增温趋势稳定,最高气温的倾向率在各个季节或年平均上比最低气温的倾向率大得多,冷季的线性倾向率明显大于暖季;极端最高气温线性趋势呈上升态势,极端最低则为弱的下降趋势;极端最低和年平均最低气温突变发生较早,在1963年附近,极端最高和年平均最高气温突变时间大体一致发生在1990年代。     

新疆伊犁河谷冷暖季降水时空分布特征

利用2008—2017年1—12月新疆伊犁河谷10个气象站逐小时降水资料,分析伊犁河谷近10 a全年降雨雪(以下统称降水)时空分布特征。结果表明,伊犁河谷暖、冷季平原区、山区年平均逐时累积降水量和降水频次变化特征极其明显,暖季山区降水量和降水频次明显高于平原区,而冷季山区则低于平原区。暖季平原区、山区降水量最大值分别出现在22:00和00:00(以下均为北京时间),最小值出现在14:00和13:00;而冷季平原区、山区降水量最大值分别出现在10:00和11:00,最小值出现在18:00和17:00。全天中暖季最易发生降水的时间为23:00—翌日08:00;而冷季最易发生降水的时间为04:00—13:00。降水强度暖、冷季变化特征不明显,变化趋势与降水量、降水频次存在差异。全年降水主要以短时段降水为主,其中,暖、冷季平原区、山区降水持续1 h的次数均为最大值,但暖季平原区降水持续2 h和暖季山区持续4 h的降水量及贡献率为最大值,而冷季平原区、山区最大值则均出现在降水持续4 h情况下。     

海南岛最高和最低气温的非对称变化

利用海南岛具有46年资料的13个站点1959-2004年1月、4月、7月、10月及年平均温度、平均最高最低温度、极端最高最低温度，研究海南气温变化的气候特征，结果表明，海南岛最高最低气温变化在空间分布，线性增温趋势的稳定性、倾向率和突变现象均有明显的非对称性特征：最高气温变化的空间分布表现为北高南低，而最低气温变化的空间分布表现为南高北低；各季节的平均最低气温的线性趋势均稳定，极端最低气温在冬季和夏季线性增温趋势稳定，而各季的平均、极端最高气温增温趋势均不稳定；最低气温的倾向率在各个季节或年平均上比最高气温的倾向率大得多，冷季的线性倾向率明显大于暖季；平均最高气温在四季均不存在明显突变，而平均最低气温则均有突变。