基于SPEI的中国干湿变化趋势归因分析

选用1960—2012年中国气象站点资料,利用标准化降水蒸散指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index),研究了中国干湿变化趋势及其原因。过去52 a,中国干湿变化由西北向东南呈现"+-+"的空间分布状况,其中黄河流域、长江流域西部、西南流域东南及珠江流域西部显著变干;淮河流域中西部和西北流域大部显著变湿;通过数值试验,定量计算了参考蒸散发及降水对干湿趋势的贡献状况。就中国总体而言,年平均参考蒸散发显著减少抵消了由年降水量减少导致的干化趋势,呈微弱变湿趋势;其次,降水仍然是多数区域干湿变化的主导因素(黄河流域中部、长江流域、西南流域、珠江流域及东南流域);同时,参考蒸散的影响值得引起注意,其在辽河流域、海河流域、淮河流域及西北流域对干湿趋势的贡献均超过降水贡献。     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。     

近55年来中国10大水文区域干旱化分析

根据1951—2005年我国629个气象观测站逐月降水资料,采用Z指数方法,对我国10大水文区的干旱变化特征进行了研究。研究表明,近55年来,海河流域、辽河流域、松花江流域、淮河流域和黄河流域干旱范围趋于扩大,其中松花江流域、淮河流域、海河流域扩大的趋势更明显,西北诸河流域的干旱范围明显缩小,而长江流域、珠江流域、西南诸河区以及东南诸河干旱范围没有明显的变化趋势,各流域都有明显的阶段变化特征。淮河流域、海河流域和辽河流域干旱范围变化的年际间振幅较大,西南诸河流域和长江流域的年际间振幅较小。松花江流域、辽河流域、海河流域和淮河流域20世纪90年代开始干旱范围扩大迅速,进入21世纪后又都有明显的下降趋势。从线性变化趋势、阶段变化特征分析,预计到21世纪初期海河流域、辽河流域、松花江流域、淮河流域、西北诸河流域和黄河流域干旱范围趋于缩小,降水可能增多,东南诸河和珠江流域干旱范围趋于扩大,降水可能减少,长江流域和西南诸河流域变化不明显。     

区域海气耦合模式对中国夏季降水的模拟

以区域气候模式RegCM3和普林斯顿海洋模式POM为基础,建立了一个区域海气耦合模式,对1963-2002年中国夏季气候进行模拟,重点分析该耦合模式对中国夏季降水的模拟性能以及降水模拟改进的可能原因.结果表明:耦合模式对中国夏季雨带分布的模拟明显优于控制试验(单独的大气模式),对长江流域以及华南降水的模拟性能改进尤为明显,同时耦合模式能够更为真实地刻画中国东部地区汛期雨带的移动.对降水的年际变化分析发现,耦合模式模拟的1963-2002年中国夏季降水年际变率与观测吻合,模拟的夏季长江流域降水与观测降水相关系数达到0.48,模拟的华南夏季降水与观测的相关系数达到0.61,而控制试验结果与观测降水的相关系数均较小.对中国东部长江流域夏季降水与近海海温的相关分析表明,用给定海温驱动的大气模式,并不能正确模拟出中国东部夏季降水与海温的关系,而耦合模式能够较好地模拟出长江流域与孟加拉湾、南海以及黑潮区海温的关系,与GISST(全球海冰和海表温度)和观测降水相关关系一致.对水汽输送通量的分析发现,控制试验模拟的水汽输送路径与NCEP/NCAR再分析资料相比差别较大,耦合模式模拟的来自海洋上的水汽输送强度和路径与NCEP/NCAR再分析资料一致,提高了耦合模式对水汽输送的模拟能力,从而改善了模式对华南以及长江流域降水的模拟.     

RegCM3对中国淮河流域降水模拟能力的检验及分析

检验了区域气候模式RegCM3(Regional Climate Model version3)对中国淮河流域(30°55′—36°36′N,111°55′—121°25′E)1982—2001年夏季降水及大尺度环流场的模拟能力,并选取降水明显偏多的2003年夏季为个例,评估了RegCM3模式对该年淮河流域夏季降水的集合模拟能力。模拟的20a降水的空间分布与实测资料对比表明,RegCM3成功地模拟出了淮河流域夏季降水的空间分布和年际变化;通过分析对比RegCM3模拟出的低层850hPa流场结构和水汽输送状况与实测情况,可知RegCM3能模拟出低层流场结构的大致分布和水汽输送特点,但模拟所得风速和湿度均比实况偏大。对2003年淮河流域夏季降水的集合模拟结果表明,RegCM3对中小尺度极端强降水的降水量和降水中心的模拟能力尚有待进一步提高。     

2011年7月七大江河流域气候特点及降水异常成因分析

利用国家气候中心723站降水和气温资料、JRA-25和NCEP/NCAR I再分析资料数据集、NOAA气候预测中心海温资料等,采用线性趋势、动力诊断、相关分析、小波分析等方法,开展2011年7月我国七大江河流域气候特点及其变化特征研究,揭示长江流域主汛期降水异常的可能机理。结果表明：2011年7月七大江河流域降水量总体偏少,长江流域降水属异常偏少;流域气温持续气候变暖特征,以松嫩流域异常偏暖最为显著。降水变化线性趋势显示：珠江流域和长江流域为线性增加型;淮河流域为基本不变型;辽河流域、海河流域、黄河流域和松嫩流域为线性减少型。但降水具有显著年际变化外,长江流域、淮河流域、海河流域、黄河流域等具有显著年代际变化周期。2011年7月长江流域降水异常偏少的主要原因：大气对赤道中东太平洋外强迫的响应持续着La Nina的形态;副热带高压异常活动与东亚南风环流强度指数偏弱;长江流域整层水汽收支显著亏损,降水效率低。     

基于RegCM3和DLBRM的耦合系统CRCHMS的构建及其在黑河上游的应用

以高寒山区—黑河流域上游为研究区，确定区域气候模式RegCM3的模拟方案，率定分布式水文模型（DLBRM），并开发了RegCM3和DLBRM模型接口，从而构建了区域气候水文耦合模拟系统CRCHMS。结果表明，以RegCM3作为气象驱动数据的CRCHMS系统模拟性能优于以观测站点作为气象驱动数据的DLBRM模型，对莺落峡径流量的模拟值与实测值的相关系数在校准期和验证期分别为0.47和0.62，均方根误差分别为0.045和0.044 cm/d，相对误差分别为-0.4%和6%，纳什系数在率定期和验证期分别为0.22和0.36。     

区域海气耦合模式对华北夏季大气水汽输送模拟结果的检验及其与单独气候模式的比较分析

将区域海气耦合模式RegCM3-POM和区域气候模式RegCM3 40年(1963-2002年)的模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料进行对比,检验区域海气耦合模式对中国华北地区夏季大气水汽含量和水汽输送特征的模拟能力,比较耦合模式与单独区域气候模式的差异.结果表明,区域海气耦合模式RegCM3-POM的模拟性能相对于单独区域气候模式RegCM3,大气水汽输送特征的模拟能力有了较大的改进.分析显示两种模式都能够较好地再现东哑地区气候平均夏季大气水汽储量浅红和水汽输送的空间分布特征,而耦合模式对大气水汽输送的模拟更为合理.在对流层中低层更接近观测;耦合模式对中国华北地区夏季平均大气水汽输送通量在垂直方向卜的分布型及水平4个边界水汽输送收支的模拟,相对于单独大气模式有了一定的改进;耦合模式对伴随华北地区夏季早涝的大气水汽异常输送也具有较好的模拟能力,其模拟的水汽输送异常的来源与观测基本一致,尤其是在20°N以北地区,耦合模式结果相对于单独区域气候模式有了很大的改进.但同时耦合模式在低纬度海洋上对气候平均夏季大气水汽含量模拟的偏差比区域气候模式显著;与观测相比,耦合模式对来自孟加拉湾地区的大气水汽输送模拟偏弱,而对西太平洋副热带高压西侧水汽输送模拟偏强,与华北夏季旱涝相联系的水汽输送异常的模拟在低纬度海洋上也存在明显偏差.     

MM5BATS对东亚夏季气候及其变化的模拟试验

将陆面过程模式BATS耦合到中尺度模式MM5V3中与另一区域气候模式RegCM2一起对1995—2000年夏季东亚的区域气候作了模拟试验,并与实际资料作了比较。模拟试验结果表明：(1)两个模式均能较合理地模拟出6年夏季平均的环流、温度和海平面气压等的变化,MM5BATS的模拟结果要略优于RegCM2的结果;(2)MM5BATS模式较合理地模拟出了6年夏季平均的降水分布,而RegCM2模式的模拟结果偏强;(3)MM5BATS模式较好地模拟出了1997年和1998年夏季环流场的变化,对降水的模拟也比较合理。RegCM2对1997年和1998年降水的模拟基本上都偏强。模拟试验结果还表明,在区域气候模拟中有必要采用更新的模式。     

全球和区域气候模式对中国东部夏季降水季节演变模拟的比较

本文利用全球海气耦合模式(MIRO3.2_hires)和区域气候模式(RegCM3)的模拟结果,分析了东亚地区夏季降水和大气环流的季节演变特征,并与NCEP/DOE再分析资料和降水观测资料进行了对比分析.结果表明,全球和区域气候模式都能反映出中国东部地区夏季平均环流场和降水场气候态分布的基本特征,但全球模式模拟的雨带范...     

Incorporating groundwater dynamics and surface/subsurface runoff mechanisms in regional climate modeling over river basins in China

To improve the capability of numerical modeling of climate-groundwater interactions, a groundwater component and new surface/subsurface runoff schemes were incorporated into the regional climate model RegCM3, renamed RegCM3_Hydro. 20－year simulations from both models were used to investigate the effects of groundwater dynamics and surface/subsurface runoff parameterizations on regional climate over seven river basins in China. A comparison of results shows that RegCM3_Hydro reduced the positive biases of annual and summer (June, July, August) precipitation over six river basins, while it slightly increased the bias over the Huaihe River Basin in eastern China. RegCM3_Hydro also reduced the cold bias of surface air temperature from RegCM3 across years, especially for the Haihe and the Huaihe river basins, with significant bias reductions of 0.80C and 0.88C, respectively. The spatial distribution and seasonal variations of water table depth were also well captured. With the new surface and subsurface runoff schemes, RegCM3_Hydro increased annual surface runoff by 0.11－0.62 mm d－1 over the seven basins. Though previous studies found that incorporating a groundwater component tends to increase soil moisture due to the consideration of upward groundwater recharge, our present work shows that the modified runoff schemes cause less infiltration, which outweigh the recharge from groundwater and result in drier soil, and consequently cause less latent heat and more sensible heat over most of the basins.     

Coupling of a Regional Climate Model with a Crop Development Model and Evaluation of the Coupled Model across China

In this study, the CERES(Crop Estimation through Resource and Environment Synthesis) crop model was coupled with CLM3.5, the land module of the regional climate model RegCM4. The new coupled model was named RegCM4_CERES; and in this model, crop type was further divided into winter wheat, spring wheat, spring maize, summer maize, early rice, late rice,single rice, and other crop types based on each distribution fraction. The development of each crop sub-type was simulated by the corresponding crop model separately, with each planting and harvesting date. A simulation test using RegCM4_CERES was conducted across China from 1999 to 2008; a control test was also performed using the original RegCM4. Data on crop LAI(leaf area index), soil moisture at 10 cm depth, precipitation, and 2 m air temperature were collected to evaluate the performance of RegCM4_CERES. The evaluation provided comparison of single-station time series, regional distributions,seasonal variations, and statistical indices for RegCM4_CERES. The results revealed that the coupled model had an excellent ability to simulate the phonological changes and spatial variations in crops. The consideration of dynamic crop development in RegCM4_CERES corrected the wet bias of the original RegCM4 over North China and the cold bias over South China.However, the degree of improvement was minimal and the statistical indices for RegCM4_CERES were roughly the same as the original RegCM4.     

近50 a来中国不同流域降水的变化趋势分析

利用我国612个气象站1961—2010年逐日降水量资料,借助地理信息系统Arc GIS,分析了我国十大流域的年、季节降水量的时空变化趋势特征。结果表明,我国降水主要集中在珠江、东南诸河和长江流域,西北诸河流域降水最少;四季降水量与年降水量的空间分布特征高度相似;降水量均为夏季最多,冬季最少。就年降水量而言,西北诸河流域有变湿趋势,海河流域和黄河流域有变干趋势。就降水季节而言,西南诸河、松花江、西北诸河流域春季有变湿趋势;东南诸河流域和长江流域夏季有变湿趋势,海河流域和西南诸河流域夏季有变干趋势;西北诸河流域秋季有变湿趋势,长江流域、黄河流域和淮河流域秋季有变干趋势;松花江流域、西北诸河流域和长江流域冬季有变湿趋势。     

中国主要河流流域极端降水变化特征

利用中国1956-2008年逐日降水量资料,以全国主要河流流域为研究区域,分析了年最大日降水量、年暴雨（日降水量≥50.0 mm）日数的多年平均状况及长期变化趋势。分析表明,近53年,全国平均年最大日降水量没有明显的线性变化趋势,但全国范围内多数气象站点年最大日降水量呈现出增加趋势,并存在南方流域增加、北方流域减少的变化趋势,这种变化特征在2001年以来表现更加突出。全国平均年暴雨日数呈不显著的增多趋势,20世纪90年代最多,70年代最少。空间上,我国南北方流域年暴雨日数呈现相反的变化特征,南方流域多呈上升趋势,北方流域呈减少趋势。     

气候变化和人类活动对中国东部季风区水循环影响的检测和归因

水文循环过程受气候变化与人类活动的共同作用,区分气候内部自然变率与人类活动作用于水循环贡献对于增加气候变化的理解非常重要。本研究利用近期发展的考虑地下水取用水与灌溉影响的全球陆气耦合模式进行数值模拟,基于最优指纹法分析探讨中国东部季风区黄河、淮河、海河、珠江、长江、松花江流域水循环变化(地表温度、降水、径流、蒸散发)及归因。结果表明:大部分流域的地表温度年际变化在1965~2005年间检测到包括温室气体气溶胶人为排放、臭氧与土地利用变化产生的外强迫效应,显示在长期对于地表温度起主要作用的可能为上述强迫;1965~2005年降水年际变化仅在淮河及长江下游检测到上述强迫效应,且在长江下游效应占主导。在1965~1984年间,地表温度的年际变化在海河流域检测到由于地下水取水灌溉产生的外强迫效应,并且该效应占主导。在1982~2005年径流年际变化中,在淮河、长江下游及黄河下游处检测到了由于温室气体排放、气溶胶人为排放、臭氧变化及土地利用变化等产生的外强迫效应但无法有效分离,显示该信号在这些地区可能不为主导效应;1982~2005年间的蒸散发年际变化在珠江、长江下游同样检测到了上述强迫效应,并且该效应在长江下游占主导效应。     

Effects of crop growth and development on regional climate: a case study over East Asian monsoon area

In this study, the CERES phenological growth and development functions were implemented into the regional climate model, RegCM3 to give a model denoted as RegCM3_CERES. This model was used to represent interactions between regional climate and crop growth processes. The effects of crop growth and development processes on regional climate were then studied based on two 20-year simulations over the East Asian monsoon area conducted using the original regional climate model RegCM3, and the coupled RegCM3_CERES model. The numerical experiments revealed that incorporating the crop growth and development processes into the regional climate model reduced the root mean squared error of the simulated precipitation by 2.2–10.7% over north China, and the simulated temperature by 5.5–30.9% over the monsoon region in eastern China. Comparison of the simulated results obtained using RegCM3_CERES and RegCM3 showed that the most significant changes associated with crop modeling were the changes in leaf area index which in turn modify the aspects of surface energy and water partitions and lead to moderate changes in surface temperature and, to some extent, rainfall. Further analysis revealed that a robust representation of seasonal changes in plant growth and developmental processes in the regional climate model changed the surface heat and moisture fluxes by modifying the vegetation characteristics, and that these differences in simulated surface fluxes resulted in different structures of the boundary layer and ultimately affected the convection. The variations in leaf area index and fractional vegetation cover changed the distribution of evapotranspiration and heat fluxes, which could potentially lead to anomalies in geopotential height, and consequently influenced the overlying atmospheric circulation. These changes would result in redistribution of the water and energy through advection. Nevertheless, there are significant uncertainties in modeling how monsoon dynamics responds to crop modeling and more research is needed.     

近60年来中国主要流域极端降水演变特征

在全球增暖背景下,中国极端降水事件及洪涝、干旱等次生灾害近年来频发,严重影响生态系统、人民的生产生活和社会经济发展。本文基于气候变化检测和指数专家组（ETCCDI）定义的10个降水指数,利用中国台站日降水资料,系统分析了1961～2017年中国及九大流域片降水变化情况,并利用空间场显著性检验考察不同降水指数的显著变化是否与外强迫作用有关。结果表明,各降水指数的变化具有区域性特征。整体而言,全国范围内平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水呈增强趋势的台站数多于呈减弱趋势的台站数,呈显著增强趋势的台站占比不可能仅由气候系统内部变率引起,还受到外强迫的影响。此外,中国大部分站点连续干旱日数（CDD）减少,观测中CDD呈显著减弱趋势的台站占比也与外强迫作用有关。九大流域片中,内陆河片能够观测到平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水的增多以及连续干旱日数的减少,有洪涝灾害增多的风险,且上述变化可归因为外强迫的作用。长江流域片、东南诸河片和珠海流域片平均降水、极端强降水和连续性强降水均增强,其中强降水的变化与外强迫作用有关。西南诸河片极端强降水增强,但大部分站点CDD呈增加趋势,有干旱增加的风险。黄河流域片、海河流域片、淮河流域片及松辽河流域片的大部分站点及区域平均结果中,降水指数多无显著变化趋势。增暖背景下,不同流域片呈现出不同的降水变化特征,将面临不同的气候灾害风险。     

土地利用变化对长江流域气候及水文过程影响的敏感性研究

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM), 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域气候及水文过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心 (ECMWF) 再分析资料ERA40, 分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年 (1987～2001年) 时间长度的积分试验。随后, RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM, 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域河川径流的影响。研究结果指出, 中国当代土地利用变化对长江流域降水、蒸散发、径流深及河川径流等水文气候要素的改变较大, 对气温的改变并不明显。土地利用变化引起长江干流河川径流量在夏季(6～8月)有所增加, 并且越向下游增加幅度越大, 其中大通站径流量增加接近15%。总体而言, 土地利用改变加剧了长江流域夏季水循环过程, 使得夏季长江中下游地区降水增多, 径流增大。     

中国当代土地利用变化对黄河流域径流影响

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM),研究中国地区土地利用/植被覆盖变化对黄河流域降雨径流过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心(ECMWF)再分析资料ERA40,分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年(1987～2001年)时间长度的积分试验。随后,RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM。与观测资料的对比分析表明,在实际土地利用状况下,LRM能较好地模拟黄河河川径流的季节和年际变化。研究结果指出,当代土地利用引起了冬季黄河上游部分地区降水减少,中下游地区降水增加;引起夏季整个黄河流域降水的减少。总体来说,当代土地利用变化引起黄河流域年平均降水的减少。对于水文站河川径流量,除了冬春季略有增加外,其他月份河川径流均会减少,并且在9月减少最多。土地利用引起的植被退化造成黄河径流的大幅度减少,并且越向下游减少幅度越大,这可能是引起黄河下游断流的重要原因之一。     

淮河流域夏季极端降水频次空间分布的客观分类及其形成机理

本文基于1961～2016年淮河流域四省（江苏、安徽、河南、山东）逐日降水观测资料及全球大气再分析资料,利用K均值聚类、旋转经验正交函数分解对淮河流域夏季极端降水频次分布进行了客观分类,利用统计诊断和数值模拟的手段讨论了其相关环流异常和形成机理。结果表明:（1）淮河流域夏季极端降水频次的空间分布可客观分为以极端降水主要发生在淮河流域33°N以南地区的南部型,主要发生在32°～36°N之间的中部型,和主要发生在34°N以北的北部型这三种分布类型;（2）南部型极端降水频次分布与西北太平洋副热带高压异常偏西偏南有关,西北太平洋异常反气旋北侧的异常气旋性环流使得水汽输送停留在淮河流域南部,导致南部极端降水频次偏多。中部型对应淮河流域受鞍型场环流结构控制,导致中部极端降水频次偏多。北部型极端降水频次分布时,淮河流域处于反气旋性环流异常西南侧,偏南风将水汽输送至淮河流域北部,导致北部极端降水频次偏多;（3）南部型和北部型的极端降水频次分布相关环流异常分别受厄尔尼诺和拉尼娜相关海表温度异常所影响,而中部型极端降水频次分布的相关环流异常是巴伦支海/喀拉海海冰异常在欧亚大陆上空激发的自西北向东南传播的准定常罗斯贝波所导致的。